曾勇 何青川 賀圳

摘要：尾礦土的大量積存是目前亟待處理的重要問題，而將其作為填料用于路基修筑已在實(shí)際工程中被證明是合理有效的解決途徑。為揭示路基應(yīng)用場(chǎng)景下尾礦土的力學(xué)特性，文章開展了考慮濕度與圍壓變化的不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。結(jié)果表明：不同濕度與應(yīng)力狀態(tài)下尾礦土應(yīng)力應(yīng)變曲線均為硬化或穩(wěn)定型，且Konder雙曲線模型可準(zhǔn)確描述尾礦土的變形行為；尾礦土的彈性模量與峰值破壞強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的濕度敏感性與應(yīng)力依賴性，具體表現(xiàn)為含水率的升高與圍壓的降低均導(dǎo)致彈性模量與峰值破壞強(qiáng)度發(fā)生衰減。此外，隨著濕度水平逐漸增大，尾礦土的粘聚力與內(nèi)摩擦角有所降低。研究所得可為路基工程中尾礦土的資源化利用提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：尾礦土；路基工程；力學(xué)特性；三軸剪切

中圖分類號(hào)：U416.1 A 10 034 4

0 引言

礦質(zhì)的開采導(dǎo)致其經(jīng)優(yōu)選篩分后產(chǎn)生了大量尾礦土，尾礦土的積存不僅占用了寶貴的土地資源還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，致使人民的生產(chǎn)與生活水平遭受威脅［1］。隨著國(guó)家公路建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，開山采石和開挖取土等方式獲得的天然填料已不能滿足“綠色環(huán)?！边@一時(shí)代背景下的路基填筑所需。近年來，國(guó)內(nèi)外部分實(shí)際工程將尾礦土用于路基填筑，使尾礦土的大規(guī)模合理利用成為可能，如美國(guó)明尼蘇達(dá)州城鎮(zhèn)道路［2］、河北野興二級(jí)公路［3］、黑龍江鶴大高速公路［4］均設(shè)置了試驗(yàn)段，對(duì)尾礦土開展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究。

目前，已有學(xué)者對(duì)尾礦土的工程性能進(jìn)行了研究。李芬等［5］研究發(fā)現(xiàn)酸性環(huán)境對(duì)尾礦土壩體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響顯著，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，堆放100年后的邊坡安全系數(shù)與初期相比下降幅度可達(dá)30%，并提出了酸性環(huán)境下控制尾礦壩體處于安全狀態(tài)的處治方法。楊春和等［6］采用電鏡和CT掃描等微觀分析手段，對(duì)尾礦土試件進(jìn)行了三維重構(gòu)處理，隨后揭示了荷載作用下尾礦土細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)制以及化學(xué)離子的遷移特征。史硯春［7］的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，尾礦土自身的透水性較弱，且在摻加白泥或亞黏土之后其滲透性進(jìn)一步降低，表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性。王緒旺等［8］開展了室內(nèi)沖刷試驗(yàn)，證明了“7%水泥+21%粉煤灰”改良的鐵尾礦渣路基填料具備良好的抗沖刷性能。

綜上所述，已有研究對(duì)掌握尾礦土的工程表現(xiàn)提供了有益參考，但關(guān)于三軸條件下的力學(xué)特性還鮮有報(bào)道。為此，本研究針對(duì)尾礦土開展了不同應(yīng)力狀態(tài)與濕度水平下的三軸剪切試驗(yàn)，選取應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、峰值破壞強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為分析要素，以期揭示路基應(yīng)用場(chǎng)景下尾礦土的力學(xué)特性，為同類工程提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究試驗(yàn)用尾礦土取自廣西某尾礦堆積場(chǎng)，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）中規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試步驟，確定了所選尾礦土的主要技術(shù)參數(shù)（見表1）。

1.2 試件制備及測(cè)試方案

路基土在最佳含水率的條件下被壓實(shí)填筑，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，路基受到降雨等外界環(huán)境的持續(xù)影響，導(dǎo)致路基濕度逐漸升高并達(dá)到平衡狀態(tài)。已有研究人員通過現(xiàn)場(chǎng)開挖的方式探究了通車數(shù)年后路基內(nèi)部的濕度狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)路基土的平衡含水率約為最佳含水率（OMC）的1.26倍［9］，故本研究將試件含水率設(shè)定為OMC、1.1 OMC、1.2 OMC和1.3 OMC，以覆蓋路基可能出現(xiàn)的濕度水平。同時(shí)，將試件的干密度統(tǒng)一設(shè)置為1.76 g/cm3。

按目標(biāo)含水率與壓實(shí)度配制完成的尾礦土分5層靜壓成直徑為100 mm、高度為200 mm的圓柱試件，隨后用保鮮膜將其包裹并靜置24 h以保證試樣內(nèi)部水分分布均勻?？紤]到尾礦土的低滲透性和路基壓實(shí)過程中土體的超固結(jié)應(yīng)力歷史，通車運(yùn)營(yíng)期間填料基本不發(fā)生固結(jié)與排水現(xiàn)象［10］，因此，三軸剪切試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水（UU）的方式進(jìn)行，圍壓的選擇按路基填高6 m考慮，分別設(shè)置為30 kPa、60 kPa、90 kPa和120 kPa。荷載采用控制應(yīng)變的形式予以施加，速率為0.8%/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是表征荷載作用下路基土變形行為的有效方法，也是分析土體力學(xué)特性的直接基礎(chǔ)。不同含水率與圍壓水平下尾礦土的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。對(duì)于應(yīng)變軟化型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其表現(xiàn)為隨著軸向應(yīng)變的發(fā)展，偏應(yīng)力先達(dá)到峰值再逐漸減?。欢鴮?duì)于應(yīng)變硬化型或穩(wěn)定型曲線，偏應(yīng)力則隨著軸向應(yīng)變的增加而增大或基本保持不變［11］。由圖1可知，不同工況下，尾礦土三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)了應(yīng)變硬化型與應(yīng)變穩(wěn)定型曲線，并未觀察到應(yīng)變軟化型曲線。與此同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)濕度的升高導(dǎo)致尾礦土的剪切曲線有所下降，顯然濕化作用會(huì)使尾礦土的抗變形能力發(fā)生衰減。此外，相同濕度水平下尾礦土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨圍壓的增大而升高，這與其他學(xué)者關(guān)于黏土等土質(zhì)的試驗(yàn)規(guī)律相一致［12-13］。究其原因，在于圍壓對(duì)試件具有一定的約束與保護(hù)作用，有助于抵抗軸向變形。進(jìn)一步采用Konder雙曲線模型［14］，采用式（1）對(duì)各工況下尾礦土的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果予以擬合，結(jié)果如表2所示。由表2可知，16組結(jié)果的擬合精度均超過0.9，證明Konder模型在描述路基應(yīng)用場(chǎng)景下尾礦土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

ε1σ1-σ3=a+bε1（1）

式中：ε1——軸向應(yīng)變；

σ1——大主應(yīng)力；

σ3——圍壓（小主應(yīng)力）；

a、b——擬合參數(shù)；

1/a——初始切線模量E0；

1/b——極限偏應(yīng)力（σ1-σ3）lim。

2.2 彈性模量

彈性模量是反映土體剛度特性的關(guān)鍵參數(shù)，在分析土工構(gòu)筑物的變形特點(diǎn)時(shí)必不可少。土體的彈性模量被定義為應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段的斜率［15］，采用式（2）計(jì)算得到不同濕度與應(yīng)力水平下的尾礦土彈性模量結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示，尾礦土的彈性模量表現(xiàn)出明顯的濕度敏感性與應(yīng)力依賴性，即濕度的升高與圍壓的降低均導(dǎo)致其彈性模量有所減小，剛度出現(xiàn)損失。

E=（σ2.0%-σ0）/（ε2.0%-ε0）（2）

式中：E——彈性模量；

σ2.0%——軸向應(yīng)變達(dá)到2.0%時(shí)（ε2.0%）的偏應(yīng)力；

σ0和ε0——初始偏應(yīng)力與初始軸向應(yīng)變。

2.3 峰值破壞強(qiáng)度

峰值破壞強(qiáng)度作為評(píng)估土體承載能力的指標(biāo)在工程實(shí)際中需嚴(yán)格關(guān)注?！墩承酝恋臒o側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASTM D2166）中規(guī)定，對(duì)于應(yīng)變軟化型土樣，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值即為峰值破壞強(qiáng)度，而對(duì)于應(yīng)變硬化或穩(wěn)定型土樣，以軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為峰值破壞強(qiáng)度。圖3所示為不同含水率與圍壓水平對(duì)應(yīng)的尾礦土峰值破壞強(qiáng)度值，亦發(fā)現(xiàn)其與濕度和應(yīng)力水平間有顯著的相關(guān)關(guān)系，具體表現(xiàn)為降低濕度與升高圍壓均可提高尾礦土的峰值破壞強(qiáng)度，有助于提升其承載能力。

2.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)特別是粘聚力和內(nèi)摩擦角是工程穩(wěn)定性分析中最常用的參數(shù)，也是計(jì)算邊坡安全系數(shù)時(shí)的基本輸入。根據(jù)摩爾應(yīng)力圓方程和各工況下的峰值破壞強(qiáng)度，繪制如圖4所示的摩爾應(yīng)力半圓，并采用直線形式即摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則即式（3）構(gòu)建摩爾應(yīng)力半圓的公切線［16］，進(jìn)而確定不同濕度狀態(tài)下的粘聚力與內(nèi)摩擦角，結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5～6表明，尾礦土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)即粘聚力與內(nèi)摩擦角均隨濕度的增加而降低，這一現(xiàn)象應(yīng)在工程應(yīng)用中重點(diǎn)考慮。

τf=σtanφ+c（3）

式中：τf與σ——剪切面上的切應(yīng)力與正應(yīng)力；

c——粘聚力；

φ——內(nèi)摩擦角。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)尾礦土開展考慮濕度與圍壓變化的不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：

（1）路基尾礦土的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果曲線均為應(yīng)變硬化或應(yīng)變穩(wěn)定型，即濕度與應(yīng)力水平的變化并未影響其應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)。同時(shí)，Konder模型可以較好地描述本研究中尾礦土在三軸剪切作用下的變形行為，擬合精度均＞0.9。

（2）隨著含水率的升高和圍壓的降低，尾礦土的峰值破壞強(qiáng)度有所減小。此外，尾礦土的剛度具有明顯的濕度與應(yīng)力依賴特征，具體表現(xiàn)為濕化作用下其彈性模量發(fā)生衰減，而較高的圍壓則對(duì)尾礦土剛度產(chǎn)生了一定的保護(hù)效果。

（3）本研究中尾礦土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)濕度變化較為敏感，當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，其粘聚力與內(nèi)摩擦角有所降低。因此，尾礦土路基的長(zhǎng)期安全狀態(tài)分析時(shí)應(yīng)充分考慮濕度影響，在南方等濕潤(rùn)地區(qū)應(yīng)予以加固處理，以預(yù)防滑坡坍塌。

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收稿日期：2022-07-01