杜 俊，侯克鵬，程 涌，李晨晨

（1.昆明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650214；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點實驗室；4.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，云南 昆明 650093）

高臺階排土與增加排土場堆高已成為露天礦山應(yīng)對持續(xù)深凹開采、減少固廢堆場占地的有效途徑［1-3］。排土場增高擴容雖然緩解了礦山資源持續(xù)開采的困境，但大量松散堆積的土石混合體受環(huán)境影響，極易誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害［4］，對露天礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了潛在威脅。開展高臺階排土場穩(wěn)定性研究對露天礦山安全管理具有十分重要的意義。

排土場邊坡具有典型的土石二元混合結(jié)構(gòu)，排土物料經(jīng)傾倒與重力分選，沿排土臺階粒徑分布規(guī)律顯著［5］，任何一個局部都不具備代表整體的特性。為分析與評價排土場穩(wěn)定性，需要深入研究排土場土石混合體在空間上的不同組構(gòu)特征以及強度和變形規(guī)律。已有研究成果表明，排土場堆積體由數(shù)量眾多、尺度不一且隨機分布的塊石接觸形成，其力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜。一方面，排土體粒度組成在空間上不斷變化，細(xì)顆粒集中在邊坡上部，粗顆粒多在邊坡底部，中間部位粗細(xì)顆粒參差不齊［6］。另一方面，級配各異的排土體其力學(xué)特性呈現(xiàn)分層特性［7］，土體強度及變形受其結(jié)構(gòu)特征影響顯著［8］；荷載作用下，土體具有顆粒破碎［9］、剪脹［10］以及應(yīng)力-應(yīng)變硬化和軟化特性［11-12］。因此，排土場穩(wěn)定性研究應(yīng)考慮排土體級配組成、結(jié)構(gòu)特征與強度特性沿排土高程的變化，建立符合工程實際的邊坡力學(xué)分析模型。然而，已有研究在定量表征排土體粒徑分布規(guī)律、揭示排土體強度參數(shù)空間變異特征方面尚有欠缺，仍需深入研究。本文結(jié)合南加排土場工程實例，采用現(xiàn)場勘測與室內(nèi)試驗，研究排土體粒徑分布及其抗剪強度特性，以期為現(xiàn)場生產(chǎn)提供有益指導(dǎo)。

1 南加排土場概況

南加排土場位于云南文山都龍錫礦礦區(qū)南加溝內(nèi)，場地為構(gòu)造剝蝕中低山地貌，河谷地段為河流侵蝕地貌，場內(nèi)地形起伏較大，整體地形西北高東南低，兩側(cè)高中部低，溝谷為北西—南東走向，長約6.0 km，溝底寬30.0～120.0 m，平均縱坡約3°，溝谷兩岸平均坡度20°～35°。地質(zhì)勘察表明，場地主要分布第四系人工堆積層（Q4ml）人工填土，第四系沖、洪積層（Q4al＋pl）卵石、粉質(zhì)黏土，第四系坡殘積層（Q4dl＋el）粉質(zhì)黏土，下伏基巖為晚志留系南溫河序列老城坡組（S3L）片麻狀花崗巖。礦山結(jié)合采剝進(jìn)度，采用“破碎＋膠帶運輸＋汽車、推土機”的排土工藝實施外排土作業(yè)。排土場設(shè)計堆高＋580～＋900 m，采用組合臺階排土推進(jìn)，單臺階高80 m，總堆置高度320 m，排棄土料由露天采場剝離的第四系表土以及大理巖與云母片巖散體混合組成。

2 排土場粒徑分布規(guī)律

排土場粒徑分布是排棄的土石顆粒受重力沿坡面運動分級的結(jié)果。土體沿著排土高程產(chǎn)生的粒徑分布與級配組成對分析土體強度參數(shù)的空間變異性有重要作用。然而，排土場粒徑篩分工作量大、勞動強度高，獲取粒徑分布規(guī)律需要耗費大量人力、物力。可見排土場粒徑分布規(guī)律難以獲取，排土場內(nèi)部的土體級配組成更是無法得知。現(xiàn)有技術(shù)條件僅能對邊坡淺表層粒徑開展勘測。

本文采用土工篩分與直接量測方法對南加排土場660 m排土臺階（高80 m）進(jìn)行土料粒徑分布測定。其中，土工篩網(wǎng)孔徑規(guī)格為60、40、20、10、5、2 mm，對尚不具備篩分條件的塊石采用直接量測巖塊3個互相垂直方向的最大線性尺寸獲得。垂直排土推進(jìn)方向，在排土臺階坡面布設(shè)3條測線，每條測線上間距20 m選一個篩分點，由于坡頂設(shè)置有擋土結(jié)構(gòu)，未進(jìn)行篩分。篩分取樣點的大小應(yīng)充分考慮所在部位巖塊的大小，盡可能滿足最大巖塊粒徑的3～5倍。為滿足研究需要，本文定義篩分點距臺階坡頂高度h與排土臺階高度H之比為相對高度（h／H），顯然h／H的區(qū)間為［0，1］。視粒徑大于5 mm的顆粒為粗顆粒，其對應(yīng)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)用P5表示，稱為粗粒含量。統(tǒng)計后的篩分試驗結(jié)果見表1。

表1 不同相對高度（h／H）下的土體篩分結(jié)果

由表1可知，排土場土體粒徑分布范圍廣，具有寬級配特征，不同相對高度（h／H）的粒度組成均不相同，但呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律：P5值隨相對高度（h／H）增加而顯著增多。各測點粒度組成的級配曲線見圖1，曲線光滑無平直段代表排土場土體粒徑分布連續(xù)且無粒組缺失，隨相對高度（h／H）增加，曲線下凹表征粗顆粒含量逐漸增多。

圖1 土體顆粒級配累積曲線

土石混合體粒度組成的大小常用平均粒徑d表示：

式中di為某粒徑組的中值；ri為該粒徑組所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

依據(jù)表1結(jié)果，建立各粒組含量及平均粒徑大小與相對高度（h／H）的關(guān)系，見圖2～3。

圖2 粒級含量與相對高度的關(guān)系曲線

分析圖2可知，－5 mm細(xì)顆粒含量最大為56.8%，分布在臺階坡面中上部，沿臺階坡面向下，細(xì)顆粒含量近似線性急劇減小，至臺階底部（h／H＝1.00）達(dá)到最小值4.3%。隨相對高度增大，－60＋5 mm顆粒含量呈先增后減的變化趨勢，在臺階坡面中下部（h／H＝0.75），該粒組含量達(dá)到最大，為58.6%。＋60 mm超大粒徑塊石在臺階坡面中上部（h／H＝0.25）分布最少，為2.1%，沿臺階坡面向下急劇增多，至臺階底部（h／H＝1.00）含量增至59.5%。

分析圖3可知，自排土臺階坡頂至坡底，土體平均粒徑逐漸增大，在邊坡下部（h／H＞0.50）平均粒徑變化幅度顯著增大。土體平均粒徑與相對高度（h／H）之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

圖3 平均粒徑與相對高度分布的變化規(guī)律

3 排土場土體抗剪強度特性

結(jié)合排土場粒徑分布規(guī)律，依據(jù)不同相對高度（h／H）土體粗粒含量設(shè)計室內(nèi)直接剪切試驗。為滿足室內(nèi)剪切儀填料需求，采用混合級配法［13］對原型級配進(jìn)行縮尺處理，并制備粗粒含量P5分別為43.2%、62.4%、84.8%、95.7%的重塑土樣，取天然含水率1.28%、天然容重1.87 g／cm3。依據(jù)現(xiàn)場排土高度，設(shè)計豎向荷載分別為500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa、2 000 kPa。試驗操作嚴(yán)格按照《粗粒土試驗規(guī)程》（T／CHES 29—2019）［13］執(zhí)行。

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移特征

不同粗粒含量試驗土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線見圖4。

圖4 不同粗粒含量土樣剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

由圖4可知，各粗粒含量與各豎向荷載下的土樣在剪切試驗過程中均沒有明顯的剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)。剪切位移不超過20 mm時，隨剪切位移增加，土體承受的剪應(yīng)力顯著增大；剪切位移超過20 mm后，土體承受的剪應(yīng)力緩慢增加且逐漸趨于平緩。試驗中不同粗粒含量土體均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，并且隨著豎向荷載增大，應(yīng)變硬化特征更加明顯。

從圖4還可得知，試驗土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系均表現(xiàn)出不同程度的“跳躍”特征，尤其在試樣剪切屈服以及破壞階段更為明顯?？梢哉J(rèn)為，這種土體剪切變形的“跳躍”現(xiàn)象是土體組構(gòu)特征引起的。試驗初始階段，粗細(xì)顆粒接觸形成的土體孔隙體積均相對較大，土樣剪切變形以擠密為主，孔隙逐漸減小、土顆粒接觸緊密，但顆粒間的接觸力相對較小且不足以使顆粒之間產(chǎn)生相對翻滾與錯動，更不會形成顆粒的破碎。因此，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線近似線性發(fā)展，且隨著豎向荷載增大，該特征更加顯著。隨著剪切位移持續(xù)增加，土顆粒之間的接觸更加緊密，顆粒間的咬合作用顯著增大，土樣剪應(yīng)力迅速增高，并且伴隨有顆粒擠壓破碎產(chǎn)生，顆粒之間出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、錯動與翻滾。同時，因顆粒擠壓與咬合儲存的應(yīng)變能迅速釋放，剪應(yīng)力降低，隨剪切位移累積，剪切面上的顆粒再次咬合與翻滾，剪應(yīng)力回升，如此反復(fù)至土樣剪切面完全貫通，土樣產(chǎn)生破壞，該過程土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系表現(xiàn)為“跳躍”特征。

高臺階排土過程中，土石混合體受自重沿坡面呈自然分級逐層堆積，未經(jīng)夯實的土體具有較大的孔隙體積，且土體處于相對松散狀態(tài)。受外力作用影響，堆積體產(chǎn)生剪切變形，則大顆粒塊石在剪切過程中將出現(xiàn)翻滾、咬合、摩擦，導(dǎo)致土樣內(nèi)部原有的土石組構(gòu)特征不斷發(fā)生變化，塊石接觸更加緊密，剪應(yīng)力逐漸增大，土體產(chǎn)生較大的剪切變形，進(jìn)而出現(xiàn)塑性流動破壞。

3.2 剪脹特性

土體剪切時不僅會產(chǎn)生形狀變化，還會產(chǎn)生體積變化，將剪應(yīng)力引起的土體體積膨脹（剪脹）和體積收縮（剪縮）統(tǒng)稱為土的剪脹性［14］。直剪試驗中，設(shè)定土樣豎向位移向下為正表示剪縮、豎向位移向上為負(fù)表示剪脹。圖5為不同粗粒含量試樣剪切豎向位移與剪切位移的關(guān)系曲線。由圖5可知，在剪切變形過程中，土樣內(nèi)部塊石相互咬合與摩擦，在剪切面上土石顆粒發(fā)生相對水平位移與旋轉(zhuǎn)運動，在垂直剪切面的方向也發(fā)生運動，更多地表現(xiàn)為土石顆粒之間的相互擠壓接觸與嵌合，從而導(dǎo)致土樣產(chǎn)生體積變化。試驗中，各級配土樣在各豎向荷載條件下均產(chǎn)生了剪縮，未出現(xiàn)剪脹趨勢，試驗結(jié)果符合粗粒土低壓剪脹、高壓剪縮的特性。究其原因，粗粒土在剪切變形時，垂壓較小，塊石間的咬合力較大，塊石更易產(chǎn)生摩擦與翻滾，使土體孔隙增大，呈剪脹趨勢，這種變形過程周而復(fù)始，直至土體產(chǎn)生較大的塑性變形而破壞；垂壓較大，塊石在剪切變形中產(chǎn)生的咬合力不足以克服壓縮變形荷載，且顆粒相互接觸的應(yīng)力迅速增大，導(dǎo)致大顆粒產(chǎn)生破碎，碎裂的巖屑進(jìn)一步充填于顆?？紫吨?，土體壓縮變形增大、體積縮小，且塊石主要產(chǎn)生沿剪切面的滑動，較少出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與翻滾，直至土體產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變破壞。

圖5 不同粗粒含量土樣豎向位移-剪切位移關(guān)系曲線

不同粗粒含量試樣的剪縮差異主要表現(xiàn)為最大剪縮量的不同。土樣最大剪縮量統(tǒng)計結(jié)果見表2。分析表2，粗粒含量相同的土樣，隨豎向荷載增大，土樣剪縮現(xiàn)象愈加顯著，且最大剪縮量與豎向荷載呈正比例關(guān)系；相同豎向荷載條件下，隨著粗粒含量增加，土樣剪縮現(xiàn)象逐漸減弱，且最大剪縮量與粗粒含量呈反比例關(guān)系?？梢哉J(rèn)為，豎向荷載增大，抑制了塊石之間滾動與翻轉(zhuǎn)的趨勢，土樣剪切變形中更多的是顆粒破碎與孔隙的充填，且豎向荷載愈大，顆粒破碎及巖屑充填孔隙的現(xiàn)象愈突出，土樣體積減小顯著。若豎向荷載保持不變，土樣粗粒含量增加，塊石粒度增大，土樣剪切變形中塊石顆粒間的接觸增多，剪切面上塊石總的咬合力增強，塊石更多出現(xiàn)的是摩擦滾動及相互翻轉(zhuǎn)，較少產(chǎn)生顆粒破碎，剪應(yīng)力引起土樣體積的膨脹愈加明顯。

表2 不同粗粒含量土樣的最大剪縮量

由此來看，排土體表征出的剪脹特性不僅與其所受的荷載條件有關(guān)，還受土體相對密實狀態(tài)的影響。高臺階排土，排土荷載普遍較大，且排土體受自重作用，沿坡面自然分選堆積，常呈松散堆積狀、欠密實。因此，排土體在外力作用剪切變形破壞時常呈剪縮特征。

3.3 抗剪強度特征

排土場土體抗剪強度取值的合理性對科學(xué)評價排土場邊坡穩(wěn)定性有非常重要的影響。通常取直剪試驗中土體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線的峰值或穩(wěn)定值（殘余強度）為土的抗剪強度［15］。然而，實際情況并非如此。一方面，排土場土體在剪切變形時，剪應(yīng)力逐步增大至峰值，土體不斷屈服、產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變，剪切面上的土石顆粒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)與翻滾，出現(xiàn)了變形破壞，采用峰值強度評價時會過高估計邊坡穩(wěn)定性。另一方面，土體剪切變形趨于穩(wěn)定時的殘余強度表示土體已經(jīng)完全破壞，運用該強度計算得到抗剪強度參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價會偏于保守。因此，在進(jìn)行排土體抗剪強度參數(shù)分析時，土體峰值強度和殘余強度不足以反映排土工程的客觀實際。本文選取土體剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線上的“爬坡強度”（峰值應(yīng)力的2／3）作為分析抗剪強度參數(shù)的依據(jù)。不難發(fā)現(xiàn)，土體剪切變形超過彈性極限后迅速進(jìn)入到塑性屈服階段，且土體抗剪強度不斷增大，土體內(nèi)的裂隙開始擴展并逐步貫通，至峰值應(yīng)力時，塊石顆粒咬合擠壓極為強烈，土體內(nèi)已形成破壞面。當(dāng)土體出現(xiàn)“爬坡強度”時，塊石顆粒由于旋轉(zhuǎn)滾動產(chǎn)生相互咬合，且裂隙并未完全貫通，土體仍能夠承受一定的抗剪能力，當(dāng)剪應(yīng)力超過“爬坡強度”后，土體才真正進(jìn)入到滑移、破壞階段。因此，選用爬坡強度更能表征排土場土石顆粒之間的相互咬合以及變形破壞情況，也能科學(xué)客觀地反映排土堆積體的工程特征。因此，依據(jù)莫爾庫倫準(zhǔn)則，結(jié)合試驗土體的“爬坡強度”，采用最小二乘法計算得到不同粗粒含量土體的抗剪強度參數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 不同粗粒含量土體抗剪強度參數(shù)

建立排土場土體抗剪強度參數(shù)與相對高度的關(guān)系，見圖6。

分析圖6可知，相對高度不同，土體的級配組成亦不相同，排土場土石混合體抗剪強度參數(shù)隨相對高度變化差異顯著，具有空間變異特征。隨著相對高度增加，土體黏聚力c值減小、內(nèi)摩擦角φ值增大。其原因是：一方面，相對高度h／H＝0.25，表示排土臺階中上部，土體細(xì)粒含量多且土粒間黏結(jié)特性強，從而其黏聚力較大；相對高度h／H＝1.00，表示排土臺階底部，土體超大粒徑塊石及粗粒含量多，顆粒多為架空結(jié)構(gòu)，并且顆粒之間無黏結(jié)，多呈擠壓接觸，黏聚力小且表現(xiàn)為顆粒間的機械咬合力。另一方面，隨著相對高度增加，排土堆積體平均粒徑也增大，顆粒的棱角愈加明顯，散體材料的摩擦特性增強，其對應(yīng)的內(nèi)摩擦角亦增大。南加排土場高臺階排土體抗剪強度參數(shù)隨相對高度（h／H）的變化關(guān)系式為：

圖6 抗剪強度參數(shù)隨相對高度的分布規(guī)律

本文研究僅局限于排土臺階坡面塊石粒徑分布的統(tǒng)計結(jié)果，對排土臺階內(nèi)部土石顆粒的組成特征及分布規(guī)律還有待后續(xù)研究。排土場邊坡穩(wěn)定性分析不僅需要建立能反映排土物料級配組成的地質(zhì)力學(xué)模型，還需要賦予合理的巖土力學(xué)參數(shù)才能得到較為精準(zhǔn)的邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果。

4 結(jié) 論

1）土石顆粒沿排土臺階坡面粒徑分級顯著，由坡頂至坡底，細(xì)顆粒含量呈線性急劇減小，平均粒徑呈指數(shù)增大。排土臺階底部多為超大粒徑塊石，常呈顆粒架空結(jié)構(gòu)。

2）不同粗粒含量土樣剪切特性均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。豎向荷載愈大、硬化現(xiàn)象愈明顯；塊石顆粒間強烈的旋轉(zhuǎn)、咬合與翻滾作用使得土樣最終產(chǎn)生塑性流動破壞。

3）高壓剪切條件下，不同粗粒含量土樣均呈現(xiàn)剪縮現(xiàn)象。粗粒含量與豎向荷載是影響土樣剪縮量的兩個重要因素。其中，增加豎向荷載，土體剪縮量增大；粗粒含量增多，土體剪縮量減小。4）排土場顆粒粒徑自然分選結(jié)果導(dǎo)致土體抗剪強度指標(biāo)隨相對高度變化發(fā)生變化，具有明顯的空間變異性。隨著相對高度增加，土體粗粒含量增多，其黏聚力減小而內(nèi)摩擦角增大。