高台阶排土场粒径分布特征与抗剪强度特性①
时间：2023-03-01 16:50:06 来源：千叶帆 本文已影响人
杜 俊，侯克鹏，程 涌，李晨晨
（1.昆明学院 建筑工程学院，云南 昆明 650214；
2.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；
3.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室；
4.云南亚融矿业科技有限公司，云南 昆明 650093）
高台阶排土与增加排土场堆高已成为露天矿山应对持续深凹开采、减少固废堆场占地的有效途径［1-3］。排土场增高扩容虽然缓解了矿山资源持续开采的困境，但大量松散堆积的土石混合体受环境影响，极易诱发滑坡、泥石流等地质灾害［4］，对露天矿山安全生产构成了潜在威胁。开展高台阶排土场稳定性研究对露天矿山安全管理具有十分重要的意义。
排土场边坡具有典型的土石二元混合结构，排土物料经倾倒与重力分选，沿排土台阶粒径分布规律显著［5］，任何一个局部都不具备代表整体的特性。为分析与评价排土场稳定性，需要深入研究排土场土石混合体在空间上的不同组构特征以及强度和变形规律。已有研究成果表明，排土场堆积体由数量众多、尺度不一且随机分布的块石接触形成，其力学性质十分复杂。一方面，排土体粒度组成在空间上不断变化，细颗粒集中在边坡上部，粗颗粒多在边坡底部，中间部位粗细颗粒参差不齐［6］。另一方面，级配各异的排土体其力学特性呈现分层特性［7］，土体强度及变形受其结构特征影响显著［8］；
荷载作用下，土体具有颗粒破碎［9］、剪胀［10］以及应力-应变硬化和软化特性［11-12］。因此，排土场稳定性研究应考虑排土体级配组成、结构特征与强度特性沿排土高程的变化，建立符合工程实际的边坡力学分析模型。然而，已有研究在定量表征排土体粒径分布规律、揭示排土体强度参数空间变异特征方面尚有欠缺，仍需深入研究。本文结合南加排土场工程实例，采用现场勘测与室内试验，研究排土体粒径分布及其抗剪强度特性，以期为现场生产提供有益指导。
南加排土场位于云南文山都龙锡矿矿区南加沟内，场地为构造剥蚀中低山地貌，河谷地段为河流侵蚀地貌，场内地形起伏较大，整体地形西北高东南低，两侧高中部低，沟谷为北西—南东走向，长约6.0 km，沟底宽30.0～120.0 m，平均纵坡约3°，沟谷两岸平均坡度20°～35°。地质勘察表明，场地主要分布第四系人工堆积层（Q4ml）人工填土，第四系冲、洪积层（Q4al＋pl）卵石、粉质黏土，第四系坡残积层（Q4dl＋el）粉质黏土，下伏基岩为晚志留系南温河序列老城坡组（S3L）片麻状花岗岩。矿山结合采剥进度，采用“破碎＋胶带运输＋汽车、推土机”的排土工艺实施外排土作业。排土场设计堆高＋580～＋900 m，采用组合台阶排土推进，单台阶高80 m，总堆置高度320 m，排弃土料由露天采场剥离的第四系表土以及大理岩与云母片岩散体混合组成。
排土场粒径分布是排弃的土石颗粒受重力沿坡面运动分级的结果。土体沿着排土高程产生的粒径分布与级配组成对分析土体强度参数的空间变异性有重要作用。然而，排土场粒径筛分工作量大、劳动强度高，获取粒径分布规律需要耗费大量人力、物力。可见排土场粒径分布规律难以获取，排土场内部的土体级配组成更是无法得知。现有技术条件仅能对边坡浅表层粒径开展勘测。
本文采用土工筛分与直接量测方法对南加排土场660 m排土台阶（高80 m）进行土料粒径分布测定。其中，土工筛网孔径规格为60、40、20、10、5、2 mm，对尚不具备筛分条件的块石采用直接量测岩块3个互相垂直方向的最大线性尺寸获得。垂直排土推进方向，在排土台阶坡面布设3条测线，每条测线上间距20 m选一个筛分点，由于坡顶设置有挡土结构，未进行筛分。筛分取样点的大小应充分考虑所在部位岩块的大小，尽可能满足最大岩块粒径的3～5倍。为满足研究需要，本文定义筛分点距台阶坡顶高度h与排土台阶高度H之比为相对高度（h／H），显然h／H的区间为［0，1］。视粒径大于5 mm的颗粒为粗颗粒，其对应的质量百分数用P5表示，称为粗粒含量。统计后的筛分试验结果见表1。
表1 不同相对高度（h／H）下的土体筛分结果
由表1可知，排土场土体粒径分布范围广，具有宽级配特征，不同相对高度（h／H）的粒度组成均不相同，但呈现出一定的变化规律：P5值随相对高度（h／H）增加而显著增多。各测点粒度组成的级配曲线见图1，曲线光滑无平直段代表排土场土体粒径分布连续且无粒组缺失，随相对高度（h／H）增加，曲线下凹表征粗颗粒含量逐渐增多。
图1 土体颗粒级配累积曲线
土石混合体粒度组成的大小常用平均粒径d表示：
式中di为某粒径组的中值；
ri为该粒径组所占的质量分数。
依据表1结果，建立各粒组含量及平均粒径大小与相对高度（h／H）的关系，见图2～3。
图2 粒级含量与相对高度的关系曲线
分析图2可知，－5 mm细颗粒含量最大为56.8%，分布在台阶坡面中上部，沿台阶坡面向下，细颗粒含量近似线性急剧减小，至台阶底部（h／H＝1.00）达到最小值4.3%。随相对高度增大，－60＋5 mm颗粒含量呈先增后减的变化趋势，在台阶坡面中下部（h／H＝0.75），该粒组含量达到最大，为58.6%。＋60 mm超大粒径块石在台阶坡面中上部（h／H＝0.25）分布最少，为2.1%，沿台阶坡面向下急剧增多，至台阶底部（h／H＝1.00）含量增至59.5%。
分析图3可知，自排土台阶坡顶至坡底，土体平均粒径逐渐增大，在边坡下部（h／H＞0.50）平均粒径变化幅度显著增大。土体平均粒径与相对高度（h／H）之间满足指数函数关系：
图3 平均粒径与相对高度分布的变化规律
结合排土场粒径分布规律，依据不同相对高度（h／H）土体粗粒含量设计室内直接剪切试验。为满足室内剪切仪填料需求，采用混合级配法［13］对原型级配进行缩尺处理，并制备粗粒含量P5分别为43.2%、62.4%、84.8%、95.7%的重塑土样，取天然含水率1.28%、天然容重1.87 g／cm3。依据现场排土高度，设计竖向荷载分别为500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa、2 000 kPa。试验操作严格按照《粗粒土试验规程》（T／CHES 29—2019）［13］执行。
3.1 剪切应力-剪切位移特征
不同粗粒含量试验土样的剪切应力-剪切位移关系曲线见图4。
图4 不同粗粒含量土样剪应力-剪切位移关系曲线
由图4可知，各粗粒含量与各竖向荷载下的土样在剪切试验过程中均没有明显的剪应力峰值出现。剪切位移不超过20 mm时，随剪切位移增加，土体承受的剪应力显著增大；
剪切位移超过20 mm后，土体承受的剪应力缓慢增加且逐渐趋于平缓。试验中不同粗粒含量土体均表现出应变硬化特征，并且随着竖向荷载增大，应变硬化特征更加明显。
从图4还可得知，试验土样的剪切应力-剪切位移关系均表现出不同程度的“跳跃”特征，尤其在试样剪切屈服以及破坏阶段更为明显。可以认为，这种土体剪切变形的“跳跃”现象是土体组构特征引起的。试验初始阶段，粗细颗粒接触形成的土体孔隙体积均相对较大，土样剪切变形以挤密为主，孔隙逐渐减小、土颗粒接触紧密，但颗粒间的接触力相对较小且不足以使颗粒之间产生相对翻滚与错动，更不会形成颗粒的破碎。因此，剪切应力-剪切位移曲线近似线性发展，且随着竖向荷载增大，该特征更加显著。随着剪切位移持续增加，土颗粒之间的接触更加紧密，颗粒间的咬合作用显著增大，土样剪应力迅速增高，并且伴随有颗粒挤压破碎产生，颗粒之间出现旋转、错动与翻滚。同时，因颗粒挤压与咬合储存的应变能迅速释放，剪应力降低，随剪切位移累积，剪切面上的颗粒再次咬合与翻滚，剪应力回升，如此反复至土样剪切面完全贯通，土样产生破坏，该过程土体剪切应力-剪切位移关系表现为“跳跃”特征。
高台阶排土过程中，土石混合体受自重沿坡面呈自然分级逐层堆积，未经夯实的土体具有较大的孔隙体积，且土体处于相对松散状态。受外力作用影响，堆积体产生剪切变形，则大颗粒块石在剪切过程中将出现翻滚、咬合、摩擦，导致土样内部原有的土石组构特征不断发生变化，块石接触更加紧密，剪应力逐渐增大，土体产生较大的剪切变形，进而出现塑性流动破坏。
3.2 剪胀特性
土体剪切时不仅会产生形状变化，还会产生体积变化，将剪应力引起的土体体积膨胀（剪胀）和体积收缩（剪缩）统称为土的剪胀性［14］。直剪试验中，设定土样竖向位移向下为正表示剪缩、竖向位移向上为负表示剪胀。图5为不同粗粒含量试样剪切竖向位移与剪切位移的关系曲线。由图5可知，在剪切变形过程中，土样内部块石相互咬合与摩擦，在剪切面上土石颗粒发生相对水平位移与旋转运动，在垂直剪切面的方向也发生运动，更多地表现为土石颗粒之间的相互挤压接触与嵌合，从而导致土样产生体积变化。试验中，各级配土样在各竖向荷载条件下均产生了剪缩，未出现剪胀趋势，试验结果符合粗粒土低压剪胀、高压剪缩的特性。究其原因，粗粒土在剪切变形时，垂压较小，块石间的咬合力较大，块石更易产生摩擦与翻滚，使土体孔隙增大，呈剪胀趋势，这种变形过程周而复始，直至土体产生较大的塑性变形而破坏；
垂压较大，块石在剪切变形中产生的咬合力不足以克服压缩变形荷载，且颗粒相互接触的应力迅速增大，导致大颗粒产生破碎，碎裂的岩屑进一步充填于颗粒孔隙中，土体压缩变形增大、体积缩小，且块石主要产生沿剪切面的滑动，较少出现旋转与翻滚，直至土体产生较大的塑性应变破坏。
图5 不同粗粒含量土样竖向位移-剪切位移关系曲线
不同粗粒含量试样的剪缩差异主要表现为最大剪缩量的不同。土样最大剪缩量统计结果见表2。分析表2，粗粒含量相同的土样，随竖向荷载增大，土样剪缩现象愈加显著，且最大剪缩量与竖向荷载呈正比例关系；
相同竖向荷载条件下，随着粗粒含量增加，土样剪缩现象逐渐减弱，且最大剪缩量与粗粒含量呈反比例关系。可以认为，竖向荷载增大，抑制了块石之间滚动与翻转的趋势，土样剪切变形中更多的是颗粒破碎与孔隙的充填，且竖向荷载愈大，颗粒破碎及岩屑充填孔隙的现象愈突出，土样体积减小显著。若竖向荷载保持不变，土样粗粒含量增加，块石粒度增大，土样剪切变形中块石颗粒间的接触增多，剪切面上块石总的咬合力增强，块石更多出现的是摩擦滚动及相互翻转，较少产生颗粒破碎，剪应力引起土样体积的膨胀愈加明显。
表2 不同粗粒含量土样的最大剪缩量
由此来看，排土体表征出的剪胀特性不仅与其所受的荷载条件有关，还受土体相对密实状态的影响。高台阶排土，排土荷载普遍较大，且排土体受自重作用，沿坡面自然分选堆积，常呈松散堆积状、欠密实。因此，排土体在外力作用剪切变形破坏时常呈剪缩特征。
3.3 抗剪强度特征
排土场土体抗剪强度取值的合理性对科学评价排土场边坡稳定性有非常重要的影响。通常取直剪试验中土体剪应力与剪切位移关系曲线的峰值或稳定值（残余强度）为土的抗剪强度［15］。然而，实际情况并非如此。一方面，排土场土体在剪切变形时，剪应力逐步增大至峰值，土体不断屈服、产生不可恢复的塑性应变，剪切面上的土石颗粒产生旋转与翻滚，出现了变形破坏，采用峰值强度评价时会过高估计边坡稳定性。另一方面，土体剪切变形趋于稳定时的残余强度表示土体已经完全破坏，运用该强度计算得到抗剪强度参数进行边坡稳定性评价会偏于保守。因此，在进行排土体抗剪强度参数分析时，土体峰值强度和残余强度不足以反映排土工程的客观实际。本文选取土体剪应力剪切位移关系曲线上的“爬坡强度”（峰值应力的2／3）作为分析抗剪强度参数的依据。不难发现，土体剪切变形超过弹性极限后迅速进入到塑性屈服阶段，且土体抗剪强度不断增大，土体内的裂隙开始扩展并逐步贯通，至峰值应力时，块石颗粒咬合挤压极为强烈，土体内已形成破坏面。当土体出现“爬坡强度”时，块石颗粒由于旋转滚动产生相互咬合，且裂隙并未完全贯通，土体仍能够承受一定的抗剪能力，当剪应力超过“爬坡强度”后，土体才真正进入到滑移、破坏阶段。因此，选用爬坡强度更能表征排土场土石颗粒之间的相互咬合以及变形破坏情况，也能科学客观地反映排土堆积体的工程特征。因此，依据莫尔库伦准则，结合试验土体的“爬坡强度”，采用最小二乘法计算得到不同粗粒含量土体的抗剪强度参数，结果见表3。
表3 不同粗粒含量土体抗剪强度参数
建立排土场土体抗剪强度参数与相对高度的关系，见图6。
分析图6可知，相对高度不同，土体的级配组成亦不相同，排土场土石混合体抗剪强度参数随相对高度变化差异显著，具有空间变异特征。随着相对高度增加，土体黏聚力c值减小、内摩擦角φ值增大。其原因是：一方面，相对高度h／H＝0.25，表示排土台阶中上部，土体细粒含量多且土粒间黏结特性强，从而其黏聚力较大；
相对高度h／H＝1.00，表示排土台阶底部，土体超大粒径块石及粗粒含量多，颗粒多为架空结构，并且颗粒之间无黏结，多呈挤压接触，黏聚力小且表现为颗粒间的机械咬合力。另一方面，随着相对高度增加，排土堆积体平均粒径也增大，颗粒的棱角愈加明显，散体材料的摩擦特性增强，其对应的内摩擦角亦增大。南加排土场高台阶排土体抗剪强度参数随相对高度（h／H）的变化关系式为：
图6 抗剪强度参数随相对高度的分布规律
本文研究仅局限于排土台阶坡面块石粒径分布的统计结果，对排土台阶内部土石颗粒的组成特征及分布规律还有待后续研究。排土场边坡稳定性分析不仅需要建立能反映排土物料级配组成的地质力学模型，还需要赋予合理的岩土力学参数才能得到较为精准的边坡稳定性评价结果。
1）土石颗粒沿排土台阶坡面粒径分级显著，由坡顶至坡底，细颗粒含量呈线性急剧减小，平均粒径呈指数增大。排土台阶底部多为超大粒径块石，常呈颗粒架空结构。
2）不同粗粒含量土样剪切特性均表现为应变硬化特征。竖向荷载愈大、硬化现象愈明显；
块石颗粒间强烈的旋转、咬合与翻滚作用使得土样最终产生塑性流动破坏。
3）高压剪切条件下，不同粗粒含量土样均呈现剪缩现象。粗粒含量与竖向荷载是影响土样剪缩量的两个重要因素。其中，增加竖向荷载，土体剪缩量增大；
粗粒含量增多，土体剪缩量减小。4）排土场颗粒粒径自然分选结果导致土体抗剪强度指标随相对高度变化发生变化，具有明显的空间变异性。随着相对高度增加，土体粗粒含量增多，其黏聚力减小而内摩擦角增大。
