徐文彬王家臣欒茂旭

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,東中部地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)已逐漸進(jìn)入深部水平,且部分地區(qū)資源已開采殆盡。為了滿足經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的資源需求,我國逐步將西部礦產(chǎn)資源列為國家戰(zhàn)略開發(fā)目標(biāo),資源開發(fā)的重心逐步向西藏、新疆等西部高海拔高寒地區(qū)轉(zhuǎn)移。與東部地區(qū)不同,西部地區(qū)具有低氧、凍融災(zāi)害、生態(tài)脆弱等特點(diǎn),其中由季節(jié)性的凍融循環(huán)引起的公路、鐵路等巖土體工程災(zāi)害現(xiàn)象尤為突出[1-2]。排土場(chǎng)是礦山采礦排棄物集中堆放的工業(yè)場(chǎng)所,主要由地下或露天采礦時(shí)產(chǎn)生的表土和廢石組成[3]。在高海拔高寒地區(qū),由于受到外界溫度周期性變化的影響,排土場(chǎng)邊坡溫度場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,使得排土場(chǎng)邊坡長(zhǎng)期遭受凍融循環(huán)作用,導(dǎo)致排土場(chǎng)散體料在凍結(jié)和融化的過程中物理力學(xué)性質(zhì)不斷發(fā)生弱化,進(jìn)而降低排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性,威脅礦山安全生產(chǎn)[4]。因此,研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)排土場(chǎng)邊坡散體料力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性的影響具有十分重要的工程意義。

長(zhǎng)期以來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍融循環(huán)條件下土體物料性能的影響規(guī)律開展了大量的研究,取得了豐碩成果。卜建清等[5]分析了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粗粒土試樣強(qiáng)度特性的影響規(guī)律,研究結(jié)果表明,粗粒土的剪切強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨凍融次數(shù)的增加而減小,并在經(jīng)歷6 次凍融后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。陳濤等[6]對(duì)堆石料進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,凍融循環(huán)后可使試樣的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度有所降低,20 次凍融循環(huán)后試樣強(qiáng)度降低11.5% ～15.4% 。張莎莎等[7]開展了粗粒土凍融循環(huán)剪切試驗(yàn),結(jié)果表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的內(nèi)聚力逐漸增大,內(nèi)摩擦角先減小后增大。馮勇等[8]研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)后細(xì)粒土抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。周有祿等[9]對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的重塑黃土進(jìn)行剪切試驗(yàn),結(jié)果表明,黃土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。王靜等[10]研究路基土經(jīng)歷凍融循環(huán)后力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)彈性模量隨凍融次數(shù)的增加而減少。Zhou 等[11]對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的土石混合體進(jìn)行大型三軸試驗(yàn),結(jié)果表明,凍融循環(huán)通過削弱土石顆粒間強(qiáng)度進(jìn)而引起內(nèi)部微觀損傷,并最終影響宏觀性質(zhì)。Tang 等[12]對(duì)不同凍融循環(huán)下土石混合體剪切強(qiáng)度與變形特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土石混合體的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先減少后增大最后減少的規(guī)律;在剪切過程中,裂紋的垂直擴(kuò)展范圍會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加。

CT(Computer Tomography)掃描技術(shù)可以無損、動(dòng)態(tài)、定量地檢測(cè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,在金屬探傷及巖土體內(nèi)部損傷研究等工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。王宇等[13]應(yīng)用CT 掃描的方法研究單軸壓縮條件下土石混合體的破壞特征,指出土石混合體破壞的根本原因是塊石與土體的彈性不匹配及土石界面的差異滑動(dòng)。李長(zhǎng)圣等[14]根據(jù)CT 掃描得到土石混合體切面圖像信息,并用逆向工程軟件重構(gòu)礫石的三維模型,從而提高土石混合體數(shù)值模擬的精確度及可靠度。苑偉娜等[15]基于CT 的定位掃描原理研究試樣內(nèi)部塊石的運(yùn)移規(guī)律,并建立內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形與宏觀變形的聯(lián)系。孫華飛等[16]對(duì)單軸壓縮過程中的土石混合物進(jìn)行CT 掃描,并用自行研發(fā)的圖像處理程序來識(shí)別和量化內(nèi)部裂隙。高建等[17]應(yīng)用CT 成像技術(shù)識(shí)別巖芯內(nèi)部孔隙率分布特征,并對(duì)其進(jìn)行定量描述。Chen 等[18]通過CT 技術(shù),研究了凍融環(huán)境下噴射混凝土中微孔隙隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。Promentilla 等[19]以CT 掃描為基礎(chǔ),通過圖像處理技術(shù)得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同類型水泥砂漿的孔隙分布規(guī)律。Xue 等[20]對(duì)水泥-尾礦復(fù)合材料進(jìn)行了CT 掃描試驗(yàn),研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度性能之間的關(guān)系。與土體、混凝土材料相比,構(gòu)成排土場(chǎng)邊坡的散體物料含有大量的塊石,顆粒粒徑較大,常規(guī)剪切盒尺寸和三軸剪切儀無法滿足試驗(yàn)要求,將凍融循環(huán)影響因素引入排土場(chǎng)散體物料強(qiáng)度演化的大型直剪試驗(yàn)研究鮮見報(bào)道。

本文以西藏甲瑪銅礦排土場(chǎng)散體物料為研究對(duì)象,借助室內(nèi)大型直剪儀,研究不同凍融循環(huán)作用下排土場(chǎng)散體料的剪切力學(xué)特性,探討土石混合體損傷演化規(guī)律;并通過CT 掃描研究不同凍融循環(huán)次數(shù)下土石混合體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征,揭示排土場(chǎng)土石混合體強(qiáng)度凍融劣化機(jī)制;最后,通過SLIDE 模擬軟件開展考慮凍融循環(huán)作用的排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析。研究結(jié)論可為高寒地區(qū)排土場(chǎng)散體物料強(qiáng)度劣化機(jī)理與排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本次試樣取自西藏甲瑪銅多金屬礦山排土場(chǎng)的+4 970 ～+4 940 m 排土平臺(tái),如圖1 所示。西藏甲瑪銅多金屬礦排土場(chǎng)位于西藏拉薩市墨竹工卡縣境內(nèi),年平均氣溫6.0 ℃,極端最高氣溫為28.3 ℃,極端最低氣溫為-23.1 ℃,6—8月平均氣溫較高;11月到次年4月,平均氣溫較低,1月最低,7—8月為無霜期,每年第1、第4 季度冰雪季節(jié)。

圖1 排土場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)取樣圖Fig.1 Site sampling drawing of waste dump

本文采用篩分法結(jié)合直接測(cè)量法來確定排土場(chǎng)散體物料的粒級(jí)分布,借用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩選,篩孔為方形,最大粒徑為60 mm。對(duì)粒徑大于60 mm 的顆粒采用直接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。由于試驗(yàn)儀器尺寸(直剪儀)的限制,對(duì)超粒徑(60 mm 以上)的廢石顆粒進(jìn)行處理。本文采用等量替代法進(jìn)行縮尺,排土場(chǎng)散體物料粒徑分布如圖2 所示。由文獻(xiàn)[21-22]可知,粒徑大于5 mm 的廢石顆粒稱為粗顆粒,本次試驗(yàn)樣品中粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79%。

圖2 排土場(chǎng)散體物料粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of bulk materials in waste dump

1.2 試驗(yàn)儀器及參數(shù)

本試驗(yàn)采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)自主研制的ZJ50—35A3 型微機(jī)自動(dòng)控制大型直剪儀。該設(shè)備由剪切盒、加載系統(tǒng)、剪切裝置、測(cè)量裝置、控制裝置以及配套的軟件處理系統(tǒng)組成,如圖3 所示。剪切盒為圓柱形,包括上下剪切盒、下剪切盒位移滾動(dòng)機(jī)構(gòu)(滾排)、透水板、傳力板、開縫環(huán)、開縫滾柱導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、滾柱排等,上下剪切盒尺寸為φ504.6 mm×400 mm(直徑×高度),適用于測(cè)定最大粒徑不超過60 mm 的粗顆粒土。水平荷載由水平加載油缸控制,水平推力為700 kN,水平行程為100 mm,水平剪切速度穩(wěn)定精度≤0.5%F·S,水平剪切速度控制范圍為0.007 ～8 mm/min;垂直荷載由垂直油缸控制,垂直荷載為700 kN,垂直行程為50 mm,垂直荷載穩(wěn)定精度≤0.5% F·S。直剪儀的操控器件具有對(duì)垂直、水平向控制輸出、液壓換向等功能,在操作控制臺(tái)進(jìn)行直剪試驗(yàn)控制參數(shù)的預(yù)置以及相關(guān)操作,整個(gè)剪切過程通過數(shù)控計(jì)量油源的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,并且可將相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、顯示、儲(chǔ)存。

圖3 大型直剪儀與構(gòu)件Fig.3 Large direct shear apparatus and its components

1.3 試樣制備與方法

凍融循環(huán)過程包括凍結(jié)與融化2 個(gè)步驟,采用無壓補(bǔ)水的方式對(duì)散體物料進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn),凍結(jié)溫度為-20 ℃,融化溫度為20 ℃,凍結(jié)和融化時(shí)長(zhǎng)均為12 h,凍融循環(huán)次數(shù)為0、5、10、15 次。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)分別達(dá)到0、5、10、15 次,將物料分層裝入下剪切盒中,待物料全部放入剪切盒后,在物料上方依次放置土工布、隔水板、傳力板以及頂頭。裝樣結(jié)束后,啟動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備并依次進(jìn)行接觸控制和位移控制。本次試驗(yàn)設(shè)置的垂直荷載分別為500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa和2 000 kPa,水平加載的速率設(shè)定為5 mm/min,試驗(yàn)過程中自動(dòng)采集水平位移、垂直位移、水平荷載數(shù)據(jù)。當(dāng)剪切曲線出現(xiàn)穩(wěn)定的殘余剪應(yīng)力或剪切位移達(dá)到剪切盒直徑的1/10 時(shí),認(rèn)定試樣達(dá)到破壞,隨即停止試驗(yàn)。

1.4 試樣CT 掃描與重構(gòu)

CT 掃描技術(shù)可以無損、動(dòng)態(tài)、定量地檢測(cè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,是研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的重要技術(shù)方法。取部分篩分好的散體物料裝入50 mm ×100 mm 的圓柱形亞克力板模具中,按照凍融循環(huán)過程要求,對(duì)分別經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)0、5、10 次的散體物料進(jìn)行CT 掃描試驗(yàn),如圖4 所示。試驗(yàn)儀器采用微納米高分辨CT 掃描儀,型號(hào)為nanoVoxel 3000。最后,將散體物料掃描得到的信息按一定數(shù)學(xué)算法進(jìn)行圖像的顯示與重建,則可獲得試樣一系列連續(xù)、獨(dú)立的CT 圖像。

圖4 CT 掃描儀與重構(gòu)圖像Fig.4 CT scanner and reconstructed image

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪應(yīng)力與剪切位移曲線特征分析

圖5 為不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同法向壓力下散體物料的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線。由圖5可知,未受凍融循環(huán)和經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)作用后,在低法向壓力時(shí),散體物料的剪切應(yīng)力-位移曲線主要呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型;隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,曲線逐漸向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變,法向壓力增大,曲線應(yīng)變硬化特征愈明顯,表明散體物料的剪切特性受凍融循環(huán)的影響而發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變。此外,隨著法向壓力的增加,剪切應(yīng)力-剪切位移塑性段曲線斜率逐漸變陡,剪切剛度增大。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下散體物料的剪切力-剪切位移曲線Fig.5 Shear stress-shear displacement curve of bulk materials under different freeze-thaw cycles

2.2 法向位移與剪切位移曲線特征影響分析

圖6 為不同凍融循環(huán)次數(shù)后的排土場(chǎng)散體物料在不同法向壓力下的垂直位移與剪切位移的關(guān)系曲線。由圖6 看出,散體物料未受凍融作用且在低法向壓力下,隨著剪切位移的增加,散體物料的垂直位移表現(xiàn)出先增大后減小,表明散體物料發(fā)生了先剪縮后剪脹;當(dāng)法向壓力增大至2 000 kPa時(shí),垂直位移一直增大,表明在高壓力下,散體物料剪切過程中主要呈現(xiàn)剪縮行為。當(dāng)凍融循環(huán)發(fā)生5 次和10 次后,在低法向壓力(500 kPa 和1 000 kPa)時(shí),散體物料在剪切過程中主要呈現(xiàn)先剪縮后剪脹行為;當(dāng)法向壓力達(dá)到或超過1 500 kPa時(shí),散體物料在剪切過程中主要呈現(xiàn)剪切壓縮行為。當(dāng)凍融循環(huán)發(fā)生15 次,散體物料在剪切全過程中呈現(xiàn)剪切壓縮行為,表明法向壓力對(duì)散體物料的剪切行為影響較小,如圖6(d)所示?？傮w來說,凍融循環(huán)初期,在低法向壓力時(shí),散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)先剪縮、后剪脹行為,在高法向壓力時(shí),散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)剪切壓縮行為;經(jīng)過15 次凍融循環(huán)后,散體物料剪切全程呈現(xiàn)剪切壓縮行為。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下散體物料的垂直位移-剪切位移曲線Fig.6 Vertical displacement-shear displacement curve of bulk materials under different freeze-thaw cycles

為進(jìn)一步表示剪切過程中的剪脹、剪縮現(xiàn)象,將剪脹過程中體積應(yīng)變?cè)隽颗c最大工程剪切應(yīng)變?cè)隽康恼兄刀x為剪脹角,其計(jì)算公式如下:

當(dāng)剪脹角的值為正時(shí),散體物料發(fā)生剪脹行為;當(dāng)剪脹角的值為負(fù)時(shí),散體物料發(fā)生剪縮行為。由圖7 可知,在剪切過程前期,剪脹角一直為負(fù)值,表明散體物料在剪切過程中主要發(fā)生剪切壓縮現(xiàn)象;剪脹角的大小隨著剪切位移的增加逐漸減少,并逐漸轉(zhuǎn)為正數(shù),說明散體物料在剪切過程中發(fā)生了剪脹行為。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到15 次時(shí),剪脹角一直為負(fù)值,散體物料主要以剪切壓縮為主,未發(fā)生剪脹行為。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)散體物料的剪脹角-剪切位移曲線Fig.7 Shear expansion angle-hear displacement curves of bulk materials under different freeze-thaw cycles

2.3 凍融循環(huán)次數(shù)與散體物料力學(xué)參數(shù)關(guān)系

圖8 為不同圍壓條件下的散體物料的峰值抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖8 可知,凍融循環(huán)會(huì)對(duì)散體物料強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的劣化效應(yīng),即峰值剪切強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減少;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí),散體物料的峰值剪切強(qiáng)度降低率達(dá)到17% (法向壓力500 kPa);凍融循環(huán)次數(shù)超過10 次后,峰值剪切強(qiáng)度皆趨于穩(wěn)定,說明凍融循環(huán)作用使散體物料劣化效應(yīng)基本恒定;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí),隨著垂直壓力的增大,峰值強(qiáng)度的變化率縮小,說明垂直壓力減弱了凍融效應(yīng)。

圖8 散體物料峰值強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.8 Peak strength of bulk materials under different freeze-thaw cycles

圖9 為散體物料的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線圖。由圖9 可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角逐漸減少。

圖9 內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between cohesion,internal friction angle and freeze-thaw cycle times

散體物料的內(nèi)摩擦角主要反映混合物顆粒表面的摩擦力和咬合力。散體物料在凍融過程中,細(xì)顆粒物中的孔隙水經(jīng)歷液態(tài)向固態(tài)相互轉(zhuǎn)化時(shí)引起的體積膨脹與收縮,對(duì)周圍的粗顆粒產(chǎn)生擠壓,并在試樣中不均勻擠密,破壞試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而使得試樣中孔隙率增大,導(dǎo)致試樣中接觸點(diǎn)相對(duì)較少,從而使得內(nèi)摩擦角減小。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后,顆粒骨架重新搭接,顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本達(dá)到最佳接觸狀態(tài),此時(shí)內(nèi)摩擦角受凍融循環(huán)作用的影響較小,逐漸趨于穩(wěn)定。

內(nèi)聚力反映細(xì)顆粒物間的各種物理化學(xué)作用力,包括庫侖力、范德華力、膠結(jié)作用力等,主要由細(xì)顆粒間的距離和顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用共同決定。凍融循環(huán)使散體物料中的黏結(jié)性物質(zhì)的吸附力與毛細(xì)血管力發(fā)生弱化,顆粒聯(lián)接效果逐漸減弱,同時(shí)使內(nèi)部孔隙相互連通,最終使內(nèi)聚力降低。在凍融次數(shù)到一定后,細(xì)顆粒物間的水分遷移通道逐漸形成,試樣中的顆粒和孔隙的狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定,進(jìn)而使細(xì)顆粒物的內(nèi)聚力趨于穩(wěn)定。

為了定量分析內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系,將凍融循環(huán)后的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的損傷量與初始值相比,定義為損傷系數(shù):

式中,ΔC、Δφ分別為內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的損傷系數(shù);Cn、φn分別為第n次凍融循環(huán)時(shí)散體物料的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角;C0、φ0分別為未受凍融循環(huán)影響散體物料的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。

圖10 表示散體物料的內(nèi)聚力損傷系數(shù)、內(nèi)摩擦角損傷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖10 可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的損傷系數(shù)逐漸變大;在初始階段,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的損傷系數(shù)明顯增大,到凍融循環(huán)后期,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的損傷系數(shù)變化不大,基本達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到15 次時(shí),內(nèi)聚力降低了18.45% ,內(nèi)摩擦角降低了9.42% 。

圖10 內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角損傷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.10 Relationship between cohesion,internal friction angle damage coefficient and freeze-thaw cycle times

2.4 基于CT 技術(shù)凍融循環(huán)后散體物料孔隙結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 散體物料孔隙結(jié)構(gòu)CT 重構(gòu)過程與結(jié)果

將散體物料試樣掃描得到的信息按一定數(shù)學(xué)算法進(jìn)行圖像的顯示與重建,則可獲得試樣某一掃描層面的真實(shí)數(shù)字圖像,隨后通過改變掃描位置獲得軸向上的一系列連續(xù)、獨(dú)立的CT 圖像。CT 圖像中每一像素點(diǎn)在掃描圖像上表現(xiàn)為不同的灰度值,反映物質(zhì)對(duì)X 射線的吸收程度,因此可以通過灰色度的變化反映試樣內(nèi)部密度變化。黑影表示低吸收區(qū),即低密度區(qū),如孔隙、裂隙等;白影表示高吸收區(qū),即高密度區(qū),如巖石。本文采用閾值分割法對(duì)圖像進(jìn)行分割,根據(jù)像素點(diǎn)間的灰度跳躍式變化,將試樣分為巖土體基質(zhì)和孔隙兩部分[23-24]。為了分析試樣內(nèi)部各介質(zhì)的三維空間分布以及孔隙演化特征,在二維圖層的基礎(chǔ)上采用直接體視法對(duì)CT 圖像進(jìn)行三維重構(gòu)[13]。通過以CT 層數(shù)為第三個(gè)坐標(biāo),將像素轉(zhuǎn)化為體素并一一對(duì)應(yīng),隨后以每層的輪廓線為基礎(chǔ),采用概率方法對(duì)原始數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行分類,確定圖像中不同結(jié)構(gòu)的百分比及所占用體像素,并給相應(yīng)體素賦予相匹配的顏色,通過投影法以及光線追蹤法進(jìn)行重建,三維重構(gòu)圖如圖11 所示。

圖11 散體物料的三維重構(gòu)圖及三維橫切面位置Fig.11 Three dimensional reconstruction drawing and three-dimensional cross-section position of bulk material

表1 和表2 分別為散體物料經(jīng)過0、5、10 次凍融循環(huán)后不同位置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CT 掃描重構(gòu)圖和孔隙網(wǎng)絡(luò)圖。對(duì)比可知,經(jīng)過5、10 次凍融循環(huán)后,散體物料的主要骨架結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的貫穿裂縫,主要為細(xì)顆粒和孔隙間發(fā)生錯(cuò)位重組以及次生孔隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展與聯(lián)通,部分細(xì)顆粒間凍脹相互擠壓、碎裂成更小的顆粒,填充周邊的孔隙,從而引起散體物料整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

表1 試樣不同位置橫切面的CT 重構(gòu)圖Tab.1 CT reconstruction of cross sections at different positions of the sample

表2 試樣不同位置橫切面的CT 重構(gòu)孔隙網(wǎng)絡(luò)圖Tab.2 CT reconstruction pore network diagram of cross sections at different positions of samples

2.4.2 凍融循環(huán)對(duì)散體物料孔隙率影響

孔隙率的變化規(guī)律可以表征試樣經(jīng)過凍融循環(huán)作用內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度[25]。將某一橫截面上的孔隙率Pi定義為該橫截面上孔隙面積Si與該橫截面面積S的比值。由于裂紋所對(duì)應(yīng)的灰度值為0,因此可以通過計(jì)算機(jī)程序統(tǒng)計(jì)圖像中灰度值為0 的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)Ni代表面積,用整個(gè)橫截面的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)N代表截面面積,孔隙率公式為

將提取出的孔隙的體積像素?cái)?shù)和總體積像素?cái)?shù)之比,定義體孔隙率

式中,p為體孔隙率;V孔為CT 掃描三維孔隙所占體積像素?cái)?shù);V孔總為整個(gè)圖像的總體積像素?cái)?shù)。

圖12 為散體物料試樣分別經(jīng)歷凍融循環(huán)0、5和10 次后的孔隙率分布曲線。由圖12 可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,散體物料試樣孔隙率逐漸增大,凍融循環(huán)引起試樣孔隙率的變化主要集中在前5 次,當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從5 次到10 次時(shí),試樣內(nèi)部孔隙率變化較小,說明凍融作用對(duì)試件的破壞主要集中在初始狀態(tài);此外,沿試件軸向方向,不同位置上的孔隙率變化波動(dòng)較大,這主要是由于在制樣的過程中原始試件壓實(shí)程度差異造成。但是,不同位置的試樣的孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)基本相同。

圖12 不同循環(huán)次數(shù)后試樣不同位置的孔隙率分布曲線Fig.12 Porosity distribution curves at different positions of samples after different cycles

3 凍融循環(huán)影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型

在高寒地區(qū),不考慮凍融循環(huán)作用后的散體物料強(qiáng)度參數(shù)而計(jì)算排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)是不夠準(zhǔn)確的。本文以西藏甲瑪銅礦為研究對(duì)象,通過SLIDE 模擬軟件建立排土場(chǎng)數(shù)值模型,將不同凍融循環(huán)次數(shù)后散體物料的參數(shù)賦予模型中進(jìn)行穩(wěn)定性分析,并對(duì)比凍融循環(huán)后排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。角巖排土場(chǎng)是甲瑪銅礦的主要排土場(chǎng)所,排土場(chǎng)設(shè)計(jì)總高度為580 m,每個(gè)臺(tái)階段高30 m,臺(tái)階寬度變?yōu)?0 m,坡比為1 ∶1.75,總?cè)莘e量約16 674 萬m3。排土場(chǎng)的散體物料的密度為2.24 t/m3,凍融前內(nèi)聚力為82.02 kPa,內(nèi)摩擦角40.01°;凍融循環(huán)15 次后散體物料的內(nèi)聚力為66.88 kPa,內(nèi)摩擦角為36.24°。角巖排土場(chǎng)設(shè)計(jì)服務(wù)年限為37.8年,主要采用覆蓋式排土。目前,角巖排土場(chǎng)主要處于排土初期,本次分析模型原型選用甲瑪銅礦典型剖面進(jìn)行建模,分析凍融循環(huán)對(duì)排土初期和最終排土?xí)r期的穩(wěn)定性系數(shù)的影響,如圖13 所示。

圖13 分析模型典型剖面Fig.13 Typical section of analytical model

3.2 結(jié)果分析

圖14 為初始排土期和最終排土期的排土場(chǎng)凍融循環(huán)0 次和15 次后的模擬結(jié)果?？梢钥闯?初始排土?xí)r期,未考慮凍融循環(huán)影響時(shí)排土場(chǎng)的安全系數(shù)為1.641,當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加到15 次后,排土場(chǎng)的安全系數(shù)降為1.586,安全系數(shù)減小率約為3.4% ;而在最終排土?xí)r期,排土場(chǎng)的安全系數(shù)則由1.835 降低到1.696,安全系數(shù)減小率約為7.6% 。說明凍融循環(huán)作用對(duì)排土場(chǎng)的安全系數(shù)影響較小,變化規(guī)律與強(qiáng)度參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律相近,這主要由于角巖排土場(chǎng)的散體物料主要以巖石類為主,凍融循環(huán)作用對(duì)散體物料的強(qiáng)度影響程度有限。

圖14 凍融循環(huán)后角巖排土場(chǎng)不同排土?xí)r期安全系數(shù)Fig.14 The safety factor of different dumping periods of breccia waste dump after freeze-thaw cycle

4 結(jié) 論

(1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,排土場(chǎng)散體物料剪切應(yīng)力曲線由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變;隨著法向壓力的增加,試樣剪切應(yīng)力-位移塑性段曲線斜率逐漸變陡,剪切剛度增大;凍融循環(huán)初期,在低法向壓力時(shí),散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)為先剪縮、后剪脹行為,在高法向壓力時(shí),散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)為剪切壓縮行為;經(jīng)過15 次凍融循環(huán)后,散體物料剪切全程呈現(xiàn)剪切壓縮行為。

(2) 峰值剪切強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減少,當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 次時(shí)趨于穩(wěn)定;內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減少,經(jīng)過15 次凍融循環(huán)后,內(nèi)聚力降低了18.45% ,內(nèi)摩擦角降低了9.42% ;在初始階段,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的損傷量明顯增大,到凍融循環(huán)后期,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的損傷量變化不大,基本達(dá)到穩(wěn)定。

(3) 由CT 掃描結(jié)果可知,多次凍融循環(huán)作用后,試件的主要骨架結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大變化,主要為細(xì)顆粒和孔隙間發(fā)生錯(cuò)位、次生孔隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展與聯(lián)通;試樣整體孔隙率變化發(fā)生在凍融循環(huán)初始期(前5 次),當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從5 次到10 次時(shí),試樣內(nèi)部孔隙率未發(fā)生較大變化。

(4) 由SLIDE 模擬軟件對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析影響結(jié)果可知,凍融循環(huán)作用使得排土場(chǎng)的安全系數(shù)減小率約為7.6% ,說明凍融循環(huán)作用對(duì)排土場(chǎng)的安全性影響程度較小,并未對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生太大影響,但凍融循環(huán)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響不可忽略。