張 春 吳 超(1.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 23000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 23000；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，安徽 馬鞍山 23000；.馬鞍山市開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)，安徽 馬鞍山 23000)

排土場(chǎng)散體物料強(qiáng)度對(duì)邊坡潛在滑動(dòng)面的影響

張 春1，2,3吳 超4
(1.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 243000；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，安徽 馬鞍山 243000；4.馬鞍山市開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)，安徽 馬鞍山 243000)

高臺(tái)階或超高臺(tái)階排土場(chǎng)的散體物料塊度分布呈現(xiàn)明顯的粒徑分級(jí)特征，物料強(qiáng)度力學(xué)特性隨塊度布組成不同而發(fā)生顯著變化。通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)揭示排土場(chǎng)散體物料強(qiáng)度參數(shù)C、φ與塊度組成規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用強(qiáng)度折減法，通過(guò)對(duì)排土場(chǎng)采取逐級(jí)分層的方式，研究其強(qiáng)度參數(shù)隨高度變化時(shí)的邊坡潛在滑動(dòng)面及安全系數(shù)變化趨勢(shì)。試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究表明：其內(nèi)摩擦角隨粗顆粒含量的增多而不斷增大，并呈現(xiàn)線性關(guān)系；黏聚力呈曲線變化，其總體變化趨勢(shì)是不斷減小的；邊坡潛在滑動(dòng)面隨著散體物料分層的不斷細(xì)分，潛在滑動(dòng)面出口位置不斷向上抬升，塑性區(qū)不斷向上擴(kuò)展，最終呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；安全系數(shù)隨著層數(shù)的增加逐漸減小，減小到一定數(shù)值(1.125左右)后，隨著層數(shù)的增加，安全系數(shù)又出現(xiàn)一定上升，但變化趨勢(shì)趨向穩(wěn)定。

強(qiáng)度特性 潛在滑動(dòng)面 強(qiáng)度折減法 安全系數(shù)

露天礦排土場(chǎng)是堆放剝離廢巖(土)的場(chǎng)所。目前，我國(guó)大部分露天礦山已進(jìn)入深凹開(kāi)采階段，對(duì)排土場(chǎng)的容積要求不斷增大，為減少礦山排土場(chǎng)占地，節(jié)約資源，排土場(chǎng)段高不斷加大。然而，高臺(tái)階排土場(chǎng)不同于一般的土質(zhì)邊坡，其具有一個(gè)突出特點(diǎn)：排土場(chǎng)堆積散體具有明顯的粒級(jí)分級(jí)特征。因此，其力學(xué)特性隨排土場(chǎng)高度也是變化的，受堆排時(shí)間和自然固結(jié)密實(shí)的影響，散體介質(zhì)破碎，力學(xué)強(qiáng)度隨之發(fā)生了改變。另一方面，由于目前技術(shù)條件的限制，科研設(shè)計(jì)人員在排土場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)取值時(shí)，往往依據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)同時(shí)并結(jié)合類(lèi)似材料的經(jīng)驗(yàn)值綜合考慮，這將可能導(dǎo)致人們搜索到的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面可能并不是真正意義上的臨界滑動(dòng)面，邊坡中次級(jí)滑動(dòng)面也可能不滿足設(shè)定的安全系數(shù)，甚至在邊坡破壞分析中起控制作用。因此，深入研究排土場(chǎng)散體介質(zhì)強(qiáng)度特性隨排土場(chǎng)塊度組成的變化規(guī)律以及邊坡內(nèi)部潛在滑動(dòng)面、安全系數(shù)隨其變化對(duì)排土場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)將有重要意義。

1 直剪試驗(yàn)方案和方法

1.1 試驗(yàn)方案

本次采用室內(nèi)剪切試驗(yàn)。試樣均取某采場(chǎng)剝離的廢石和地表的第四世紀(jì)土的混合散體物料，取樣質(zhì)量總計(jì)約1.5 t。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制式大型直剪剪切儀,將粗顆粒的含量分為6個(gè)等級(jí)，分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%，共6組。根據(jù)郭慶國(guó)等人的研究[1-5]，粗細(xì)顆粒的區(qū)分以5 mm界限粒徑比較適合，即小于5 mm為細(xì)粒土，大于5 mm為粗粒土，大于60 mm作為超粒徑顆粒，將以等量代替法的方式加以處理，其級(jí)配方案如表1所示。

表1 級(jí)配組成Table 1 Grading composition

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)的軸向荷載加載級(jí)別為100、200、300、400 kPa 4個(gè)等級(jí)。在施加預(yù)定的軸向載荷后，記錄垂直、水平千斤頂、變形計(jì)等的讀數(shù)。隨即開(kāi)動(dòng)水平千斤頂，施加水平荷重，每30 s測(cè)讀水平變形計(jì)和垂直變形計(jì)的讀數(shù)，起始水平荷重按垂直荷重的7%～10%施加。當(dāng)某級(jí)水平荷重下的剪切位移超過(guò)前一級(jí)剪切位移的1.5～2.0 mm/min時(shí)，改為按5%施加。每施加一級(jí)水平荷重，測(cè)讀垂直和水平變形記一次數(shù)據(jù)。

當(dāng)水平荷重讀數(shù)不再增加或剪切變形急驟增長(zhǎng)，即認(rèn)為已剪壞。若無(wú)上述兩種情況出現(xiàn)，可控制剪切變形達(dá)試樣直徑1/15～1/10,方可停止試驗(yàn)。應(yīng)控制試樣在5～10 min內(nèi)達(dá)到剪切破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)剪切面做簡(jiǎn)要描述，取剪切面附近的試樣，測(cè)定其剪切后含水量與顆粒級(jí)配。

1.3 應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

排土場(chǎng)散體物料的抗剪強(qiáng)度是其重要的力學(xué)性質(zhì)之一，反映了土體抵抗剪切破壞的能力，通過(guò)直剪實(shí)驗(yàn)可以揭示其力學(xué)特性變化規(guī)律；特選取粗顆粒含量分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%這6組直剪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，限于篇幅，只選取30%、75%這組應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線予以說(shuō)明。

圖1 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖1中可以看出其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不十分光滑，在局部地區(qū)存在一定的波動(dòng)現(xiàn)象，但其總體趨勢(shì)比較明顯，在試驗(yàn)初期，初期階段排土場(chǎng)散體物料中的接觸點(diǎn)處的摩阻力較小，其顆粒相互之間發(fā)生擠壓、滑動(dòng)，壓縮系數(shù)逐漸變小，因而初始加載階段的變形加大，近似呈現(xiàn)直線。因此，該階段為屬于彈性變形階段，隨著軸壓繼續(xù)增大，物料顆粒繼續(xù)重新排列、滑動(dòng)，達(dá)到一個(gè)新的平衡過(guò)程，這一過(guò)程在宏觀上表現(xiàn)為變形持續(xù)發(fā)展，這時(shí)物料處于初始屈服階段,該階段曲線較為平緩,松散物料中粗細(xì)顆粒首先達(dá)到屈服度。

最終，松散體骨架中充填成分細(xì)顆粒的進(jìn)一步破壞,使得物料中原本沒(méi)有接觸的大粒徑塊石和碎石發(fā)生接觸,不同粒徑顆粒的相互咬合、摩擦導(dǎo)致物料強(qiáng)度的再次增加,直至達(dá)到完全破壞。

2.1 塊度組成與強(qiáng)度參數(shù)C、φ關(guān)系

巖石塊度對(duì)于排土場(chǎng)的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性具有重要的影響，顆粒越小則強(qiáng)度越低，所以在評(píng)價(jià)排土場(chǎng)穩(wěn)定性狀態(tài)時(shí)，除了在巖性、水文地質(zhì)條件和地基條件外，更要研究排土場(chǎng)的巖石塊度構(gòu)成及其分布規(guī)律。礦山排土場(chǎng)散體物料在堆排過(guò)程中，受其重力影響作用下產(chǎn)生明顯的粒徑分級(jí)特征，其力學(xué)特性也隨之變化，為研究其塊度組成對(duì)其強(qiáng)度參數(shù)C、φ的影響，通過(guò)對(duì)不同的粗顆粒含量來(lái)加以分析。由σ-τ關(guān)系曲線圖，根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則：τ=σtanφ+C，用最小二乘法進(jìn)行線性回歸得出散體試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters of the sample

2.2 粗顆粒含量與內(nèi)摩擦角之間關(guān)系

如圖2所示，其φ值與粗粒含量P>5 mm總體呈線性關(guān)系。這是由于粗粒土的內(nèi)摩擦角值主要受物料組成級(jí)配的影響。當(dāng)粗粒含量P>5 mm較小時(shí)，細(xì)骨料充填散體物料之間的相互孔隙，導(dǎo)致粗顆粒之間不能充分接觸咬合，因此φ值較??；但隨著粗骨料含量P>5 mm的不斷增多，顆粒之間形成骨架結(jié)構(gòu)，使粗顆粒之間得到充分的接觸、滑移、咬合，物料之間摩阻力增大，使得內(nèi)摩擦角值不斷增長(zhǎng)。

圖2 散體內(nèi)摩擦角隨粗顆粒含量變化關(guān)系

2.3 粗顆粒含量與黏聚力之間關(guān)系

如圖3所示，其黏聚力C值隨著粗顆粒含量增多，呈現(xiàn)先減小后增大，之后隨著又減小的特征。黏聚力C減小的原因是隨著細(xì)顆粒的減少，粗顆粒之間相互間隙比較大，但沒(méi)有足夠的細(xì)顆粒來(lái)填充，導(dǎo)致物料塊度相互之間不能充分接觸和咬合，因此C值減小；之后出現(xiàn)增大的趨勢(shì)是因?yàn)楫?dāng)粗骨料和細(xì)骨料各50%的時(shí)候，物料的組成骨架優(yōu)良，密實(shí)程度較高、使得孔隙率變得比較小，粗細(xì)料之間咬合接觸的比較好。

圖3 黏聚力隨粗顆粒含量變化的關(guān)系

3 邊坡潛在滑動(dòng)面

排土場(chǎng)散體物料由于在重力的作用下產(chǎn)生粒徑分級(jí)現(xiàn)象，其塊度分布總體呈現(xiàn)細(xì)顆粒大多在排土場(chǎng)上部，大塊巖石則集中在排土場(chǎng)底部，中間部位各種塊度參差不等，但以中值塊度居多的特征。因此，其力學(xué)特性隨塊度的不同也是變化的，為研究其給邊坡潛在滑動(dòng)面的影響，通過(guò)ANSYS軟件[6-8]建立起數(shù)值模型并導(dǎo)入FLAC3D中，采用FLAC3D中的強(qiáng)度折減法命令流(二分法)對(duì)邊坡進(jìn)行計(jì)算。由于排土場(chǎng)堆高達(dá)105 m，其力學(xué)特性隨其高度變化比較大，故本研究采取依次對(duì)排土場(chǎng)散體物料進(jìn)行逐級(jí)分層(等分)方式，即將其分為3層、4層、5層、6層、7層、8層、9層(限于篇幅，只選取3層、6層、9層進(jìn)行說(shuō)明)，直到潛在滑動(dòng)面和安全系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定為止，每層強(qiáng)度參數(shù)值根據(jù)圖2、圖3擬合的塊度組成與強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系式選取(具體見(jiàn)表3)，從而研究排土場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)隨高度變化時(shí)，邊坡中潛在滑動(dòng)面的發(fā)展?fàn)顩r以及安全系數(shù)變化規(guī)律，其剪切應(yīng)變?cè)隽繄D、塑性區(qū)分布見(jiàn)圖4，安全系數(shù)見(jiàn)圖5。

結(jié)果分析如下。

(1)潛在滑動(dòng)面。從排土場(chǎng)剪切應(yīng)變?cè)隽繄D、塑性區(qū)發(fā)展可以看出：當(dāng)排土場(chǎng)散體物料分為3層時(shí)，邊坡潛在滑動(dòng)面的出口從第3層的節(jié)點(diǎn)略向下滑出，塑性區(qū)相類(lèi)似，隨著排土場(chǎng)分層數(shù)的增加，潛在滑動(dòng)面出口位置不斷向上抬升，塑性區(qū)不斷向上擴(kuò)展，但當(dāng)分層數(shù)為6層時(shí)(每層約為17 m)，即使層數(shù)增加，排土場(chǎng)滑動(dòng)面的剪出口位置趨向穩(wěn)定，塑性區(qū)也趨向于穩(wěn)定，兩者變化都很小，其潛在滑動(dòng)面位置總體位于第1、2層物料之間，入口位置總體保持不變。邊坡破壞總體呈現(xiàn)局部破壞，不會(huì)發(fā)生整體性破壞，但總體都處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡的破壞方式呈現(xiàn)近似圓弧狀，與極限平衡法計(jì)算結(jié)果相類(lèi)似。

表3 每層強(qiáng)度參數(shù)值
Table 3 Strength parameters value of each layer

層號(hào)C1φ1C2φ2C3φ3C4φ4C5φ5C6φ6C7φ7C8φ8C9φ93層12.325.110.730.79.136.34層12.524.411.128.610.632.88.737.05層12.72411.027.410.930.710.733.88.837.76層12.823.710.926.510.728.811.032.110.334.98.438.07層13.023.511.325.910.828.311.230.711.133.110.235.58.438.28層13.222.311.625.510.927.610.927.610.929.711.031.710.835.98.338.39層13.323.311.825.110.82710.628.811.130.711.232.610.634.49.736.37.138.4

圖4 排土場(chǎng)散體物料分層模型、剪切應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布

圖5 安全系數(shù)與物料分層之間關(guān)系式

出現(xiàn)上述原因主要是由于排土場(chǎng)在重力作用下，其塊度組成呈現(xiàn)出比較明顯的粒級(jí)分級(jí)特征，細(xì)顆粒物料大多在排土場(chǎng)上部，塊度較大的物料則集中在排土場(chǎng)下部，中間部位粗細(xì)物料相對(duì)均勻；與此同時(shí)，通過(guò)篩分試驗(yàn)可知，排土場(chǎng)粗顆粒含量隨著高度的增大而不斷增多；另一方面，由室內(nèi)直剪試驗(yàn)得出，內(nèi)摩擦角與粗顆粒含量呈正比關(guān)系，黏聚力變化趨勢(shì)總體上隨著其增多而減小。所以在排土場(chǎng)頂部，其強(qiáng)度參數(shù)相對(duì)比較小，故其潛在滑動(dòng)面位置總體處于排土場(chǎng)中上部而沒(méi)有向排土場(chǎng)底部發(fā)展。當(dāng)土層劃分為6層之后滑動(dòng)面發(fā)展出現(xiàn)了相對(duì)停止?fàn)顟B(tài)，這主要是由于隨著排土場(chǎng)土層不斷地被細(xì)劃，每一土層變得越來(lái)越薄，其塊度組成變化相對(duì)比較小，故其強(qiáng)度參數(shù)不會(huì)發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致其滑動(dòng)面位置和形態(tài)趨向于穩(wěn)定。

(2)安全系數(shù)。從圖5可以看出，在層數(shù)分為2～4層時(shí)，安全系數(shù)隨著層數(shù)的增加逐漸減小，之后，隨著層數(shù)的增加，安全系數(shù)又出現(xiàn)一定上升，但變化趨勢(shì)趨向穩(wěn)定(當(dāng)排土場(chǎng)被劃分為5層時(shí)，即每1層高約為21 m)。這主要是由于在前期排土場(chǎng)潛在滑動(dòng)面位置位于中部，此時(shí)，粗顆粒含量占多數(shù)，導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角相對(duì)黏聚力而言起主導(dǎo)作用。所以在前期，安全系數(shù)隨層數(shù)的增加而不斷減?。辉诤笃?，潛在滑動(dòng)面位置主要處于排土場(chǎng)頂部，由于排土場(chǎng)頂部細(xì)顆粒含量居多，導(dǎo)致黏聚力起主導(dǎo)作用，故其安全系數(shù)出現(xiàn)一定的增長(zhǎng)；之后，隨著排土場(chǎng)土層不斷地被細(xì)分，其塊度組成變化相對(duì)比較小，故強(qiáng)度參數(shù)不會(huì)發(fā)生明顯的變化導(dǎo)致其安全系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。邊坡潛在滑動(dòng)面的發(fā)展也從側(cè)面證實(shí)了該結(jié)論的合理性。出現(xiàn)局部的波動(dòng)可能是由于網(wǎng)格的劃分、強(qiáng)度參數(shù)黏聚力(曲線變化)的近似選取等因素所導(dǎo)致。

4 結(jié) 論

(1)排土場(chǎng)散體物料內(nèi)摩擦角隨粗顆粒含量的增多逐漸變大，呈正比關(guān)系，擬合關(guān)系式為：與y=22.83x+21.51；黏聚力C值隨著粗顆粒含量增多，呈現(xiàn)先減小后增大，之后隨著又減小的特征，但變化的趨勢(shì)總體是減小的，中間出現(xiàn)起伏的主要原因是受散體物料密實(shí)度的影響,擬合關(guān)系式為：y=-65.98x3+71.63x2-26.16x+14.35。

(2)排土前期，排土場(chǎng)剪出口位置不斷向上抬升，且潛在滑動(dòng)面發(fā)展相比安全系數(shù)表現(xiàn)出一定的滯后性。隨著排土場(chǎng)層數(shù)的增加，排土場(chǎng)物料塊度組成變化趨于穩(wěn)定，剪出口位置也趨于穩(wěn)定，入口位置總體保持穩(wěn)定(排土場(chǎng)被劃分為6層時(shí)，即每層約為17 m)，其破壞模式呈近似圓弧狀。安全系數(shù)變化趨勢(shì)先減小后增大，最終也趨向穩(wěn)定，這體現(xiàn)了與潛在滑動(dòng)面發(fā)展的一致性。

排土場(chǎng)分層區(qū)間存在一定的規(guī)律性，即在潛在滑動(dòng)面和安全系數(shù)變化總體呈穩(wěn)態(tài)時(shí)，劃分層數(shù)比較合適。該結(jié)論對(duì)類(lèi)似排土場(chǎng)合理、正確分層以及物料取樣提供參考，也為排土場(chǎng)的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Influence of Strength of the Dump Granular Materials on the Potential Sliding Surface of Slope

Zhang Chun1，2,3Wu Chao4
(1.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines，Maanshan243000，China;2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China;3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyRecycleandUtilizationofMetallicMineralResourcsCo.Ltd.;4.AdministrationCommitteeofMaanshanEconomicandTechnicalDevelopmentZone，Maanshan243000，China)

High or super-high bench dump′s granular material block size distribution show obvious size grading characteristics，and its strength characteristics vary remarkably with pieces of cloth.The indoor direct shear tests reveal the rule of dump granular material strength parametersC、φand block composition.On this basis，the strength reduction method is adopted to study the variation trend of the potential slip surface of slope and the safety coefficient at strength parameters varying with the height，through layering the dumps.The experimental research and the numerical simulation show that:the internal friction angle increases with coarse particle content increasing，showing as a linear relationship.Its cohesion varies as a curve，and its overall variation trend becomes more and more slight.The potential slip surface of slope is continuously sub-divided with the granular material layer.The outlet of potential sliding surface is moving upward，and the plastic zone is slightly expanding to be a final steady state; The safety coefficient decreases gradually with the increase of layer number.When the decrease reached a certain value(about 1.125)，the safety coefficient emerges a rising trend，but the trend is becoming stable with the increase of layers number.

Strength property，The potential sliding surface，Strength reduction method，Safety factor

2014-12-23

張 春(1985—)，男，碩士,助理工程師。

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1001-1250(2015)-01-133-05