代永新 張春

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

酸化土體坡腳的排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究

代永新1，2.3張春1，2.3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

長(zhǎng)期酸化特性條件下的土體自身結(jié)構(gòu)勢(shì)必發(fā)生改變，散體物料物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而對(duì)排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。基于室內(nèi)篩分實(shí)驗(yàn)、三軸剪切實(shí)驗(yàn)，分析物料級(jí)配組成、強(qiáng)度參數(shù)變化，揭示土體與酸化時(shí)間的變化規(guī)律；應(yīng)用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：土體黏聚力隨酸化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸衰減并趨于穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角主要圍繞一個(gè)數(shù)值上下波動(dòng)，總體幅度變化不大；邊坡潛在滑動(dòng)面位置隨著土體酸化時(shí)間的延長(zhǎng)不斷變化，塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，逐步向底部臺(tái)階遷移，最終在底部臺(tái)階呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；安全系數(shù)前期下降明顯，之后變化趨向穩(wěn)定。

酸化土壤 級(jí)配 強(qiáng)度參數(shù) 安全系數(shù)

某排土場(chǎng)位于露天采場(chǎng)北口1#溝、2#溝及大巖里溝區(qū)域，設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)。受征地限制，需要擴(kuò)容改造，形成高520 m的新排土場(chǎng)。由于排土場(chǎng)單臺(tái)階全段高排土，下游采用分層攔截，在泥石流作用及氧化礦洗礦礦漿的共同作用下，排土場(chǎng)坡腳處形成了約100 m深厚酸化特性尾泥軟基。其西南側(cè)約1 km處主要是露天采場(chǎng)廢石排棄堆置場(chǎng)。露天采場(chǎng)剝離巖石包括金礦剝離廢石、銅礦基建與生產(chǎn)剝離廢石。由于排土場(chǎng)散體物料中存在大量的Cu2+離子，與雨水中的OH-離子結(jié)合，使得水體中游離出大量的H+離子富集在坡腳軟基土體中，導(dǎo)致土體呈現(xiàn)出強(qiáng)酸性，經(jīng)實(shí)測(cè)，pH值為1～3。在酸化特性長(zhǎng)期作用下散體物料自身結(jié)構(gòu)勢(shì)必發(fā)生改變，從而引起散體物料物理力學(xué)性質(zhì)的變化，坡腳不穩(wěn)勢(shì)必影響整個(gè)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。通過(guò)長(zhǎng)年大量試驗(yàn)研究，分析散體物料在不同酸化特性情況下對(duì)強(qiáng)度參數(shù)c、φ的影響，從而為保證排土場(chǎng)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定、避免發(fā)生滑坡失穩(wěn)等自然災(zāi)害提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 強(qiáng)度折減法安全系數(shù)的定義

有限差分法全面滿足了靜力許可、應(yīng)變相容和應(yīng)力-應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系，同時(shí)可以不受邊坡幾何形狀的不規(guī)則和材料的不均性的限制，是分析邊坡應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性的常用方法。其邊坡安全系數(shù)定義：使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對(duì)巖、土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。其公式如下

(1)

(2)

以此對(duì)邊坡進(jìn)行有限差分法計(jì)算，如果根據(jù)一定的失穩(wěn)判據(jù)確定邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，則此時(shí)強(qiáng)度折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)，否則程序?qū)⒅貜?fù)計(jì)算，直至邊坡達(dá)到臨界極限平衡狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用馬鞍山礦山研究院YS30-3A型應(yīng)力控制式大型散體三軸試驗(yàn)機(jī)(圖1)，其主要技術(shù)指標(biāo)：最大法向荷載為150 kN，最大剪切荷載為200 kN，剪切盒尺寸為30 cm×30 cm×700 cm，位移測(cè)量精度可達(dá)0.02 mm，荷載測(cè)量精度可達(dá)0.1 kN，最大剪切位移為90 mm，最大粒徑為60 mm。

圖1 YS30-3A型散體三軸試驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》，研究不同酸性條件下浸泡時(shí)間對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，分析其內(nèi)部物理力學(xué)變化。

2.1 實(shí)驗(yàn)取樣

實(shí)驗(yàn)室取樣均來(lái)自于排土場(chǎng)坡腳軟基處的酸性土壤，每次都在同一地點(diǎn)、同一深度采樣。從2006年7月開(kāi)始，每年取一次，目前已經(jīng)采取了8組試樣。試樣基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樣基本力學(xué)性質(zhì)

2.2 實(shí)驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配分析

圖2為土樣顆粒級(jí)配曲線，可以看出：排土場(chǎng)坡腳處的軟基土在前4 a里土體粒徑總體變化趨勢(shì)是由粗變細(xì)，之后趨向于穩(wěn)定，一方面可能是由于福建地區(qū)常年雨水豐富，散體物料經(jīng)過(guò)雨水浸泡發(fā)生軟化，顆粒變細(xì)；另一方面，由于該地區(qū)土體呈酸性特征，使其與散體物料中的某些鹽類(lèi)離子發(fā)生物理化學(xué)作用，改變了散體物料本來(lái)的結(jié)構(gòu)(如礦物含量、離子成分濃度等)，降低其中鹽基飽和度、陽(yáng)離子交換量，使得散體物料顆粒粒徑變細(xì)。后期趨向于穩(wěn)定主要是由于散體物料經(jīng)過(guò)常年的物理化學(xué)作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組合排列已經(jīng)充分完成，在外部主要環(huán)境變化不大的情況下，散體物料顆粒大小呈穩(wěn)態(tài)特征，故其級(jí)配曲線趨向于一致，變化幅度不大。

圖2 粒徑級(jí)配曲線

2.3 散體三軸實(shí)驗(yàn)

將現(xiàn)場(chǎng)所取試樣進(jìn)行散體三軸實(shí)驗(yàn)，稱(chēng)量并計(jì)算出平均密度和含水率,使其誤差在規(guī)程允許的范圍內(nèi)。采用分級(jí)加載固結(jié)方式 ,每小時(shí)加載100 kPa,3 h后4個(gè)試樣分別加至100，200，300，400 kPa,固結(jié)時(shí)間不少于16 h。試驗(yàn)采用電液伺服閥自動(dòng)控制軸向應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

從圖3可以看出，對(duì)于該類(lèi)飽和重塑土散體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，黏聚力隨酸化時(shí)間的增加而降低，而速率逐漸趨緩。這可能主要是在初期由于散體物料酸化的作用，散體物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)重新組合，膠結(jié)程度變?nèi)酰瑢?dǎo)致黏聚力減?。缓笃诔尸F(xiàn)出穩(wěn)態(tài)主要是由于散體物料經(jīng)過(guò)前期長(zhǎng)時(shí)間充分的物理化學(xué)作用，性質(zhì)趨向于穩(wěn)定，使得散體物料黏聚力變化不大，擬合的關(guān)系式為c=34.499t-0.305。

圖3 黏聚力隨酸化時(shí)間變化曲線

圖4 內(nèi)摩擦角隨酸化時(shí)間變化曲線

從圖4可以看出，內(nèi)摩擦角雖總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但變化幅度不大，其變化趨勢(shì)也并不明顯，基本上圍繞15°上下波動(dòng)。這主要是由于散體物料雖經(jīng)過(guò)酸化作用，其礦物成分和粒徑級(jí)配發(fā)生變化，但顆粒之間相互摩擦系數(shù)變化并不大，克服粒子之間的功也未發(fā)生明顯改變，故其土體內(nèi)摩擦角變化較小,擬合的關(guān)系式為φ=0.001 5t3-0.008 5t2-0.155 3t+15.871。

3 計(jì)算模型與參數(shù)

模型離散時(shí)，共劃分1 706 個(gè)節(jié)點(diǎn)，889 個(gè)單元(zone)，單元類(lèi)型為四面體，見(jiàn)圖5?；鶐r視為剛體，不對(duì)其進(jìn)行折減，僅對(duì)排土場(chǎng)散體物料以及基巖之間的軟弱夾層進(jìn)行折減，為研究軟弱夾層中的酸性土壤對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，其強(qiáng)度參數(shù)依次取圖3、圖4中的第1、第3、第5、第7年所對(duì)應(yīng)的值，強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表2。

4 模擬結(jié)果分析

不同時(shí)期巖土體剪切應(yīng)變?cè)隽恳?jiàn)圖6，安全系數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖7。

從圖6可以看出：第1年，邊坡潛在滑動(dòng)面在頂部臺(tái)階出現(xiàn)比較明顯的滑動(dòng)帶，排土場(chǎng)的中部、底部也出現(xiàn)了一定的塑性區(qū)，在坡腳處邊坡塑性區(qū)也出現(xiàn)了比較小的滑動(dòng)帶，這主要是由于在前期排土場(chǎng)散體物料強(qiáng)度參數(shù)c、φ值受坡腳處的酸性土壤影響比后期小，其物理力學(xué)性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生明顯改變，強(qiáng)度參數(shù)與初始相比變化不大，故并沒(méi)有發(fā)生沿坡底接觸面的整體性滑坡；在第3年，邊坡可能發(fā)生整體滑坡，邊坡塑性區(qū)貫穿整個(gè)滑動(dòng)面，這主要是由于福建地區(qū)常年雨水豐富，散體物料經(jīng)過(guò)雨水浸泡發(fā)生軟化，顆粒變細(xì)，同時(shí)，該地區(qū)土體呈現(xiàn)酸性特征，改變了散體物料本來(lái)的結(jié)構(gòu)，使得顆粒粒徑變細(xì)，強(qiáng)度參數(shù)c、φ降低比較明顯(圖3、圖4可以看出)，抗剪強(qiáng)度變低，容易導(dǎo)致沿基底接觸面滑坡，安全系數(shù)變化幅度也比較大，將近20%；第5、第7年邊坡潛在滑動(dòng)面只出現(xiàn)在排土場(chǎng)基底底部，并呈現(xiàn)出一定的穩(wěn)態(tài)特征，這主要是由于后期散體物料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間充分的物理化學(xué)作用，性質(zhì)趨向于穩(wěn)定，使得其強(qiáng)度參數(shù)變化幅度不大，故其潛在滑動(dòng)面以及安全系數(shù)變化幅度變??；同時(shí)，排土場(chǎng)邊坡的破壞方式呈近似圓弧狀，與極限平衡法計(jì)算結(jié)果類(lèi)似，安全系數(shù)結(jié)果較接近，可見(jiàn)應(yīng)用強(qiáng)度折減法的合理性。

圖5 排土場(chǎng)模型

表2 巖土體強(qiáng)度參數(shù)

圖6 剪切應(yīng)變?cè)隽繄D

圖7 安全系數(shù)隨酸化時(shí)間變化規(guī)律

5 結(jié) 論

(1)對(duì)不同時(shí)間情況下的散體物料進(jìn)行了剪切試驗(yàn)研究，揭示了黏聚力和內(nèi)摩擦角隨酸化時(shí)間變化的規(guī)律，即土體黏聚力隨酸化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸衰減并趨于穩(wěn)定；內(nèi)摩擦角主要圍繞在一個(gè)數(shù)值上下波動(dòng)，總體變化幅度不大。

(2)邊坡潛在滑動(dòng)面隨著土體酸化時(shí)間的延長(zhǎng)，潛在滑動(dòng)面位置不斷變化，塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，逐步向底部臺(tái)階遷移，最終在底部臺(tái)階呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；安全系數(shù)亦如此，前期下降明顯，之后變化趨向穩(wěn)定。

2015-05-18)

代永新(1977—)，男，所長(zhǎng)，高級(jí)工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。