排土場散體巖石物料力學特性研究現狀

李揚龍 劉學文 楊庚群 刁守軒 陳標 梁維

摘要：指出了散體巖石物料廣泛存在于自然界，該類材料顆粒粒徑離散性大、顆粒形狀與空間分布結構呈現明顯的非均勻性，導致其力學特性較為復雜。對散體物料的粒度分布規律、顆粒破碎、擊實特性、滲透特性、壓縮變形特性和抗剪強度特性6個方面的研究成果進行了總結并論述了相關研究方法。提出了關于散體物料力學特性的研究目前已由以往考慮單一因素發展到針對多因素影響的復雜力學行為研究，以及宏一細觀力學特性演化規律，特別是顆粒細觀組構性質對宏觀力學特性的影響研究，使對散體物料的力學特性有了更深入的認識，同時應加強把已取得的研究成果與工程實踐緊密結合，使理論研究和試驗研究不斷完善，以推動我國在該領域研究工作的進一步發展。

關鍵詞：散體巖石物料;粒度分布;擊實特性;滲透特性;壓縮變形特性;抗剪強度特性

中圖分類號：TU458

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0180-04

1引言

露天礦山排土場是礦山開采過程中排棄物集中排放的場所，隨著礦山持續開采，排土場散體巖石物料堆積高度不斷增加，排土容積越來越大，在自然條件和外荷載作用下排土場滑坡、泥石流等事故隱患突出，對礦區自然環境保護和安全生產造成了嚴重的威脅，例如，如2008年8月1日，山西婁煩縣尖山鐵礦排土場發生特別重大垮塌事件，造成45人遇難;2011年2月27日，四川米易縣中禾礦業公司一號排土場發生滑坡事故，約30萬m3廢土從排土場滑下，淹埋2戶人家，6人下落不明，滑坡事故給礦山企業造成了巨大的經濟損失，同時也給社會帶來惡劣的影響。因此，排土場的安全穩定性研究是礦山安全生產技術的重點研究課題。

國內外研究成果表明，影響排土場穩定性的因素有很多，如排土工藝、工程地質、水文地質、爆破震動、地震、連續降雨等，特別是散體物料的力學性質，由于礦山排土場堆積體主要是由露天開采剝離的表土和廢石等散體巖石物料組成，該類材料顆粒粒徑離散性大、顆粒形狀與空間分布結構呈現明顯的非均勻性，導致其力學特性較一般的土體更為復雜，因而要進行排土場安全穩定性的研究工作，首先要對排土場散體巖石物料這類散體介質具有正確的認識，掌握其物理力學特性，為研究排土場邊坡穩定性提供可靠的力學參數。

多年來，隨著礦業工程的發展，礦山排土場的高度和容積都在不斷的增大，其穩定性研究面臨著更加嚴峻的形勢.學者們針對散體巖石物料的力學特性開展了廣泛的研究，在理論分析和實踐工作都取得了豐碩的成果，本文主要分析前人的研究工作，對排土場散體巖石物料力學特性的研究方法進行總結，以作為排土場穩定性分析的有益補充。

2散體物料粒度分布規律的研究

排土場在進行堆排時，由于大粒徑與小粒徑巖塊自身重力的作用，大粒徑巖塊通常排至坡底，而小粒徑巖塊則大部分停留在坡頂，在高度上呈現明顯的粒度分級特征，在統計學上具有較強的分布規律。

礦山排土場散體物料粒度分布規律的研究是排土場邊坡安全穩定性分析的基礎，同時為散體物料室內物理力學試驗的粒度組成和級配方案提供參考，也是進一步研究排土場破壞模式的重要依據。在粒度分布測試方法上，根據粒徑大小不同，現場測定排土場巖塊粒度的方法通常有攝影測量圖象分析法、直接量測、篩分和沉降分析等方法。在理論分析上，以往研究者大多采用粒度組成分布函數來描述巖塊粒度分布的統計特征：Rosin-Rammuler函數、Gaudin-Schuhmann函數和Gibrat函數等。

然而在許多情況下，巖土體受到切割、爆破以及風化的作用，所形成的散體巖塊通常表現出分形分布，具有自相似性特征，因而采用分形幾何理論對排土場散體物料粒度分布規律進行分維分析。研究結果表明：①排土場散體巖石粒度分布符合分形分布，其粒度組成具有良好的分形結構，在統計意義上滿足自相似規律。分維數是定量描述散體物料粒度含量的一個重要的參數，可用于排土場粒度資料的統計分析;②散體巖石粒度的分維數在排土場的分布呈現一定的規律性，隨著排土場高度的增加，分維數也增大，但小于3。

分形幾何理論主要研究自然界和非線性系統中出現的具有自相似性的不規則幾何體，已成為排土場散體物料粒度分析重要的定量分析方法。

3散體物料顆粒破碎的研究

顆粒破碎是指散體物料顆粒受到外部荷載作用時，當外荷載大于顆粒本身所能承受的強度而產生結構破壞或破碎，顆粒發生破碎的具體方式較為復雜，可能發生等分破碎、不等分破碎和整體性破碎。

張家銘就對國內外研究進行了分析，認為國內外對顆粒破碎的研究注意點都集中在對產生破碎的影響因素認識上，對破碎本身的機理缺乏系統的認識;孔德志則通過大型三軸試驗研究顆粒破碎，結果表明，破碎顆粒可分為殘缺顆粒和完全破碎顆粒，兩者的質量分數存在冪函數關系，同時提出常用的顆粒破碎率指標有：①從能量觀點出發建立的指標;②殘存概率指標;③單一特征粒徑指標;④多粒徑指標，即以試驗前后整個顆分曲線的變化量來衡量顆粒破碎的程度。然而，由于室內試驗儀器設備的局限性和限制條件，常常難以滿足實際尺度試樣的要求，近幾年值模擬方法的快速發展和高性能計算機的運用，目前數值模擬也越來越廣泛的應用于顆粒破碎的研究中，如DEM數值模擬試驗、PFC數值模擬試驗、DDA數值模擬試驗等，從微觀角度分析顆粒破碎的力學行為，研究顆粒破碎的作用機制。

文獻[11]研究表明：粗顆粒材料的破碎率隨著壓力的增大而增加，而增加速率則隨著壓力的增大而減小，并建立了描述壓力與破碎率的關系式;同時顆粒破碎會導致材料抗剪強度的降低，從而提出了考慮破碎對強度影響的強度準則，該準則能描述粗顆粒材料的強度隨壓力的變化情況，采用該強度準則分析排土場的穩定性，其結果更加接近實際情況，而對于超高排土場的穩定性分析，強度準則更為適用。

4散體物料擊實特性的研究

擊實特性是散體巖石物料在外載荷作用下能達到的最大干密度及其最優含水率，以及在擊實過程中的顆粒破碎規律，為排土場碾壓施工達到最佳密實程度提供理論依據。

試驗時，先將土樣烘干、破碎，通過篩分后制成一定級配和一定含水率的擾動試樣，分層裝入擊實筒中，每鋪一層即用擊錘按規定的落距和擊數擊實試樣。由于室內試驗儀器設備尺寸的限制，無法滿足現場超大粒徑顆粒的要求，因此，須對超大粒徑顆粒進行必要的處理，目前常見的處理方法有剔除法、相似級配法和等量替代法等口胡;或根據試驗規程規范自制擊實儀，增大擊實筒來進行擊實試驗。反映擊實特性的指標多采用干密度來表征，干密度越大，孔隙越小，散體巖石物料越密實，說明擊實效果越好。根據干密度與含水率擬合關系，可計算得出各級配試樣的最大干密度、最優含水率和孔隙比。

文獻[13]采用自行研制的大型擊實儀，對土石混合料進行了擊實試驗，研究結果表明，粗顆粒含量為70%是土石混合料最大干密度變化的分界點;文獻[14]通過對多個級配不同的含水率的粗粒土進行試驗，研究粗粒土的壓實特性和顆粒破碎分形特征，研究結果表明：①粗粒土最大干密度隨級配中粗粒含量的增大而增大;②粗粒土顆粒破碎率隨含水率的增大而增大;③粗粒土粒度分形維數差值與顆粒破碎率之間具有對應關系，分維數差值的大小能夠客觀地表征擊實后粗粒土顆粒破碎的程度;④粗粒含量和含水率是影響顆粒破碎率的兩個重要因素，但相對于含水率而言，粗粒含量對破碎率的影響要更加顯著。

5散體物料滲透特性的研究

滲透試驗是測定散體物料滲透性能的一種有效方法，通過試驗研究散體巖石在不同密實狀態下的滲透性能及滲透破壞形式，從而分析排土場在降雨滲水條件下的安全穩定性。散體物料的滲透性能通常采用滲透系數和滲透破壞形式來表征，一般可以通過試驗獲取，同時也可以利用經驗公式來判別：達西定律、太沙基公式、哈增公式、柯森公式、扎烏葉列布公式、康德拉捷夫公式、B.C.伊斯托明娜公式和劉杰公式等。

根據《土工試驗規程》（SL237-1999）規定粗粒土室內滲透試驗采用常水頭滲透儀測試。通過研究人員的探索與創新，文獻[16]開發了一種散體巖石滲透試驗附加裝置與MTS815.02型巖石力學試驗系統配套使用，可以完成散體巖石的滲透試驗，研究表明：①決定散體巖石滲透特性的直接因素是孔隙的大小及分布，而不是作用于其上的載荷;②散體物料的孔隙與體積應變，具有很好的相關性，因而散體物料的滲透特性與體積應變具有相關性;③散體巖石的滲透特性不單取決于粒徑，還與巖性有關;④散體巖石的滲透特性與加載時間有關。

此外，降雨滲透是排土場發生滑坡失穩的重要觸發和誘導因素之一，在長歷時降雨作用下，排土場安全系數下降幅度可達到15%～38%，隨著降雨的停止，安全系數逐步緩慢回升;當降雨時間一定時，隨著降雨強度的增加，邊坡的安全穩定性系數減小速率增大，邊坡將由最初的穩定狀態轉化為極限平衡狀態，若降雨強度和降雨時間持續增加，邊坡最終將發展為不穩定狀態。總而言之，散體物料的滲透特性在很大程度上直接影響排土場邊坡的穩定性及其內部滲流場，在水的作用下導致散體巖石物料的力學性能下降，降低邊坡的抗滑阻力，最終引發排土場泥石流、滑坡等自然災害。因此，通過深入研究排土場散體物料的滲透性能.分析降雨滲透對排土場穩定性的影響，及時有效地采取防治措施，進而保證礦山的安全生產。

6散體物料壓縮變形特性的研究

散體物料壓縮變形特性是指在豎向荷載作用下其內部結構發生變化導致體積縮小的性質，散體巖石物料的壓縮和固結是一個復雜的力學行為，其受到諸多因素的影響，例如：散體物料的類別和狀態、邊界條件以及受荷方式等。散體物料的壓縮變形特性可通過壓縮儀進行試驗，近些年，國內外許多科研單位研制了可以滿足不同粒徑的大型三軸壓縮儀，可實現寬粒徑散體的壓縮變形試驗。

朱文君等對堆石壩花崗巖粗粒料進行了單向壓縮試驗研究，結果表明，濕化變形在高豎向壓力下作用明顯，濕化應變與豎向壓力之間呈指數函數關系;張兵等通過大型側限壓縮試驗分析了顆粒破碎、級配、母巖巖性、初始孔隙比、泥巖含量等因素對堆石料壓縮特性的影響，研究結果顯示，堆石料的壓縮模量較大一其壓縮性較小，認為顆粒破碎、初始級配以及泥巖含量對堆石料的壓縮特性有較大影響;孫國亮等在干濕循環、冷熱循環、濕冷干熱耦合循環等條件下進行了堆石料的壓縮變形試驗，研究表明堆石體顆粒劣化受到環境循環變化的影響，進而導致高土石壩后期的沉降變形。

通過進行不同條件下的壓縮試驗，分析散體物料的應力應變曲線，掌握在外荷載和自重應力作用下，以及隨著時間的推移，散體顆粒相互擠壓、骨架結構發生變形，細顆粒充填于骨架內，導致孔隙體積減小，從而引起散體物料壓縮變形的規律，可為排土場的沉降穩定性分析提供可靠的理論支撐。

7散體物料抗剪強度特性的研究

散體巖石物料的抗剪強度是表征其力學特性的重要參數，測定方法主要有三軸壓縮試驗、直接剪切試驗和現場原位實驗，其測定結果受到眾多因素的影響，例如散體物料的密度、顆粒級配、顆粒幾何形狀、顆粒強度、含水量、粒徑比、試樣尺寸、剪切速率、圍壓等對散體物料的強度和變形特性都有不同程度的影響。

文獻[25]利用室內大型直剪實驗，考慮剪應力一剪切位移關系曲線變化特征和剪切面破壞特征研究散體物料抗剪強度的取值方法，提出采用臨塑抗剪強度和極限抗剪強度來表征散體物料的抗剪強度;文獻[26—29]采用離散元數值模擬的方法對不同含石量（級配）散體物料的變形與強度變化規律及內在機理進行了研究，將數值試驗的成果與室內試驗結果進行對比分析揭示散體物料的抗剪強度特性;同樣也可以利用邊坡安全系數反演散體物料的抗剪強度參數，與實驗結果相互驗證口。

文獻[4，6，31，32]利用分形幾何理論，分析散體物料粒度分形特征及其與含石量的關系，基于室內散體力學試驗，建立了分維數與抗剪強度指標c、D值的定量關系;研究表明，散體物料具有統計意義上的自相似性，分維數越大，級配結構中細顆粒含量越多，平均粒徑也就越小，分維數與抗剪強度參數內摩擦角ψ呈負指數關系，分維數可作為定量統計散體力學性質的指標，同時也可用于排土場粒度資料的統計分析與抗剪強度參數的預測。

8結語

對于排土場散體巖石物料這一類松散介質的力學特性，學者們進行了大量的研究工作，由以往考慮單一因素發展到針對多因素影響的復雜力學行為的研究，以及宏觀力學參數的試驗研究到細觀力學性質的分析，特別是顆粒細觀組構性質對宏觀力學性能的影響等方面都取得了長足的進步，使人們對散體物料的力學特性有了更深入的認識，同時應加強把已取得的研究成果與工程實踐緊密結合，使理論研究和試驗研究不斷完善，推動我國在該領域研究工作的進一步發展。

參考文獻：

[1]王光進，楊春和，張超，等，超高排土場的粒徑分級及其邊坡穩定性分析研究[J].巖土力學，2011，32（3）：905～913.

[2]王光進.超高臺階排土場散體介質力學特性及邊坡穩定性研究[D].重慶：重慶大學.20.

[3]黃廣龍，周建，龔曉南，礦山排土場散體巖土的強度變形特性[J].浙江大學學報（工學版），2000，34（1）：54～59.

[4]謝學斌，潘長良.排土場散體巖石粒度分布與剪切強度的分形特征[J].巖土力學，2004·25（2）：287～291.

[5]謝和平.分形幾何及其在巖土力學巾的應用[J]，巖土工程學報，1992，14（1）：14～24.

[6]j射學斌，潘長良.露天礦排土場散體巖石粒度分布的分形特征[J].湘潭礦業學院學報，2003，18（3）：56～59.

[7]金以文.分形幾何原理及其應用[M].杭州：浙江大學出版社，1998

[8]張家銘，汪稔。張陽明，等.土體顆粒破碎研究進展[J].巖土力學。2003，24：662～64.

[9]孔德志，張其光，張丙印，等，人工堆石料的顆粒破碎率[J].清華大學學報，2009，49（6）;795～799.

[10]蘇明.考慮顆粒破碎的粗粒料力學特性研究綜述[J].長江科學院院報.2015，32（5）：84～85.

[11]張超，楊春和，粗粒料強度準則與排土場穩定性研究[J].巖土力學，2014，30（3）：641～646.

[12]郭慶國.粗粒土的工程特性及應用[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

[13]周志軍，南沽林.土石混合料大型擊實試驗研究[J].路基工程，2007（5）：95～96.

[14]杜俊，侯克鵬.梁維，等，粗粒土壓實特性及顆粒破碎分形特征試驗研究[J]，巖土力學，2013，31（1）：156～160.

[15]朱崇輝，劉俊民.王增紅，粗粒士的顆粒級配對滲透系數的影響規律研究[J].人民黃河，2005，27（12）：79.

[16]劉玉慶·李玉壽，孫明貴.巖石散體滲透試驗新方法[J].礦山壓力與頂板管理，2002（4）：108～110.

[17]甘海闊，周漢民，崔旋，等.長歷時降雨入滲對多臺階排土場邊坡穩定性影響研究[J].有色金屬，2014，66（5）：84.

[18]楊瑞生.降雨對排土場邊坡滲流及穩定性影響研究[J].西部探礦工程，2017（6）：25.

[19]張亞賓，陳超，甘德清.降雨對排土場邊坡滲流及穩定性的影響[J].金屬礦山，2016（5）;177.

[20]梁維.曼家寨排土場散體巖石物料力學特性研究[D].昆明：昆明理工大學，2011.

[21]朱文君，張宗亮.袁友仁，等，粗粒料單向壓縮濕化變形試驗研究[J].水利水運工程學報，2009（3）.

[22]張兵，高玉峰.劉偉，等.壩體填筑料壓縮特性及影響因素分析[J].巖土力學，2009，30（3）：741～745.

[23]孫國亮，張炳印，張其光。等.不同環境條件F堆石料變形特性的試驗研究J].巖土力學，2010，31（5）：l413～1419.

[24]石振明.趙曉偉，彭銘.粗粒土大三軸試驗研究綜述[J].工程地質學報，2014，22（5）：795.

[25]鄧華鋒，原先凡，土石混合體直剪試驗的破壞特征及抗剪強度取值方法研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（s2）：4065～4072.

[26]薛亞東，劉忠強，吳堅.崩積混合體直剪試驗與PFC-2D數值模擬分析[J].巖土力學，2014，35（s2）：587～592.

[27]周解慧，馮春輝，粗粒土大型直剪試驗的二維離散元模擬[J].土工基礎，2012，26（4）：69～71.

[28]趙金鳳，嚴穎，季順迎.基于離散元模型的土石混合體直剪試驗分析[J].固體力學學報，2014，35（2）;124～132

[29]嚴穎.季順迎，碎石料直剪實驗的組合顆粒單元數值模擬[J].應用力學學報，2009，26（1）：1～7.

[30]張默，汪斌，周玉新，等，排土場散體物料抗剪強度的安全系數反演分析[J].金屬礦山，2015（5）：171～174.

[31]牡俊，侯克鵬，楊帆.分形理論在排士場散體力學性質研究中的應用[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2013，.38（3）：30～35.

[32]舒志樂，劉新榮，劉保縣，土石混合體粒度分形特性及其與含石量和強度的關系[J].中南大學學報（自然科學版），2010，41（3）：1096～1101.