貴州丹寨汞礦渣抗剪強度特性及其細觀機理

李新衛 李 輝 曹洋兵 王思洋

(1.貴州省地質礦產勘查開發局一0三地質大隊，貴州 銅仁 554300；2.河北省環境地質勘查院，河北 石家莊 050011；3.福州大學環境與資源學院，福建 福州 350116)

貴州省是我國重要的汞礦生產基地，其汞儲量為各省市之最，占全國總儲量的38.3%。上世紀50年代以來，國家在貴州省進行了長期、大規模的汞礦開發，由于開采技術及冶煉水平落后，加之對地質災害防范及地質環境保護重視程度不夠，產生了大量的廢棄汞礦渣。這些汞礦渣大部分被堆積在天然斜坡上，在極端氣候條件或地震作用下，極易產生斜坡失穩災害。因此，對汞礦渣抗剪強度特性及其細觀機理進行研究具有重要的災害防治價值與理論意義。

目前，針對汞礦渣的抗剪強度特性進行室內及現場試驗研究的極少，相關研究急需開展。與室內試驗相比，現場試驗能獲得更準確、可靠的試驗數據，但也存在難以觀測到試驗過程中試樣的細觀性質演化，難以探究變形破壞的細觀機理。運用離散元顆粒流方法可以模擬試樣中顆粒的運動及其相互作用，分析試樣在宏觀力學作用下的細觀力學響應，深化對試樣的變形破壞機理認識[1-4]。

由于汞礦渣與粗粒土具有一定的相似性，粗粒土直剪試驗的顆粒流分析方法具有一定的借鑒意義。賈學明等[5]基于三維顆粒離散元PFC3D，建立了土石混合料直剪試驗模型，進行了不同含石量、不同巖性的土石混合料直剪試驗模擬研究。周解慧和馮春輝[6]運用二維顆粒流程序PFC2D對粗粒土大型直剪試驗進行了模擬研究。劉香等[7]利用PFC3D對高爐礦渣粉煤灰混合料的室內大型直剪試驗進行數值仿真，研究了細觀參數對宏觀力學性質的影響。孔亮等[8]和李杰[9]基于顆粒流程序軟件PFC2D，開展直剪數值試驗，提取室內試驗難以獲得的細觀信息如配位數等。李新衛[10]對膠結型汞礦渣力學特性和本構關系進行了研究。

本文對具有結構疏松、分選性差、粒徑相差大且具有弱膠結性的汞礦渣試樣開展了現場大型直剪試驗，研究了其抗剪強度特性，再運用PFC2D程序，按照與實際級配相似級配生成了數值試樣，開展了與現場直剪試驗相應的數值試驗，分析了顆粒間接觸力、顆粒位移場及試樣中橫向應力分布特征，探討了抗剪切過程中的細觀機理。

1 汞礦渣現場直剪試驗

現場試驗地點位于貴州省丹寨縣，為貴州省汞礦渣堆積體的典型場地。該汞礦渣體被隨意堆放在山體一側的高陡邊坡上，組成山體的巖層主要為白云巖，渣體自身堆積坡度達43°，經多年自然固結而成現在的廢棄汞礦渣體邊坡。渣體顏色為淺灰色至深灰色，局部見較大毛石，多為白云巖，整體均勻性較差。

對汞礦渣體進行現場保真采樣，經過室內篩析法試驗發現，渣體主要由2～200 mm不規則顆粒組成，3處典型樣品獲得的渣體各尺寸顆粒的組成情況見表1。現場直剪試驗的剪切試樣尺寸為500 mm×500 mm×250 mm，共制作4個試樣。試樣制作時，每一表面按照預留20 mm進行開挖，待5面切割完成后，形成了520 mm×520 mm×250 mm的剪切體，使用手砂輪對端面進行磨平至規定的尺寸，即500 mm×500 mm×250 mm的剪切試樣。對試樣進行磨平后，確保各端面間的角度誤差小于1°、各端面表面起伏誤差小于3 mm。

表1 汞礦渣體顆粒粒徑分布表Table 1 Particle size distribution of mercury slag

對4個現場剪切試樣分別施加4級法向應力，以測試不同埋深狀態、地應力環境下汞礦渣體的抗剪強度特性，4級法向應力分別為51、99、202、396 kPa。現場直剪試驗采用平推法，關鍵步驟為：對試樣施加某級法向荷載，待其固結穩定后再逐級施加水平剪力使其破壞，記錄試樣加載過程中的剪切應力、剪切位移，繪制出試樣的法向應力—剪切應力、剪切位移—剪切應力關系曲線。從而得出汞礦渣體在特定破壞面上的抗剪強度特性。現場試驗情況如圖1所示。

圖1 現場直剪試驗Fig.1 Field direct shear test

試樣破壞面較為粗糙，并非傳統的平直光滑剪斷破壞，高差起伏在10～50 mm，局部見錯動痕跡，未在剪切面上發現其他雜質，詳見圖2。

2 PFC2D數值試驗

為直觀了解直剪過程中礦渣顆粒變形破壞情況，探究汞礦渣體細觀破壞機理，運用二維顆粒流程序PFC2D進行了與現場直剪試驗相應的數值試驗分析。

數值試樣中最大粒徑為200 mm，最小粒徑為0.5 mm，其中2～200 mm范圍內顆粒粒徑分布與實測相一致。為與現場礦渣堆積體的均勻性相一致，所生成數值試樣的均勻性也較差，且為了提高計算效率，沒有生成0.5 mm以下粒徑顆粒，生成的數值試樣粒徑分布如表1所示。數值模型分為上下2個剪切盤，長度均為500 mm，高度均為250 mm，與現場試驗一致，模型共生成26 748個圓形顆粒，詳見圖3所示。

圖2 試樣剪斷破壞面Fig.2 Shear failure surface of the test sample

圖3 試樣的數值模型Fig.3 Numerical model of the test sample

因礦渣體經過長時間的堆積，顆粒之間具有一定的膠結，所以在生成的數值試樣中加入了接觸粘結來模擬這一特性。數值試樣細觀力學參數取值采用校正法，通過試算，使第1級法向應力下，數值試樣與原位試樣的剪切應力—剪切位移曲線相吻合。據此，數值試樣細觀力學參數如表2所示。

表2 數值試樣細觀力學參數Table 2 Meso mechanical parameters of numerical sample

數值試驗過程中，運用上下兩墻施加法向應力，待法向應力施加完成，上盤保持不動，下盤向右運動施加剪切力，在施加剪切力過程中，保持法向應力不變，直至剪切試驗完成。

3 試驗結果分析

分別對現場與直剪試驗數值模型施加相同的法向應力，即四級法向應力分別為51、99、202、396 kPa，獲得各級法向應力作用下的剪切位移—剪切應力關系曲線，見圖4。

圖4 現場試驗與數值試驗剪切位移—剪切應力對比Fig.4 Comparison of shear displacement-shearstress between field test and numerical test■—數值試驗第1級剪切；●—數值試驗第2級剪切；▲—數值試驗第3級剪切；▼—數值試驗第4級剪切；1—原位試驗第1級剪切；2—原位試驗第2級剪切；3—原位試驗第3級剪切；4—原位試驗第4級剪切

由圖4可知，現場試驗結果與數值試驗結果在峰值剪應力之前以及剛過峰值剪應力時，曲線形態較為一致。但由于現場直剪試驗中，試樣被剪斷后不久，即停止剪切，測量的剪切位移較小。而數值試驗中，試樣剪斷后，還可以接著施加剪切，可以研究試樣剪斷后的變形過程，剪切位移較大。對比現場試驗和數值試驗曲線可以發現，2組曲線均在初始階段迅速達到較大的剪切應力，接著均出現了下降段，這時現場試驗即停止剪切；而數值試驗的剪切還在不斷施加。可以發現，隨著剪切的施加，數值試樣逐漸呈現出“延性剪切平臺”特征。

在現場試驗中，四級法向應力對應4個剪切試樣，各個剪切試樣必定在幾何結構和力學特性方面存在一定差異；而數值試驗中，四級法向應力對應的均為同一數值試樣。因此，2組試驗所得剪切位移—剪切應力曲線在吻合度上會有一定差異，但數值試驗總體上反映了不均勻汞礦渣體的力學性質。

由圖4可知，直剪試驗試樣的破壞方式均為脆性破壞，破壞時剪切位移為6～20 mm不等，與51、99、202、396 kPa四級法向應力值對應的剪切應力峰值為68、84、158、253 kPa，即隨著法向應力增加，剪切應力峰值基本呈線性增加。數值試驗中各級法向應力下剪切應力峰值分別為67.64、99.57、157.92、258.77 kPa，現場試驗中的各級剪切應力峰值為68、84、158、253 kPa。

原位和數值試驗的強度包絡線如圖5所示，從圖5可以看出，礦渣堆積體實測抗剪強度指標分別為內聚力c=37.83 kPa，內摩擦角φ=28.83°；數值試驗得出的抗剪強度指標分別為內聚力c=43.36 kPa，內摩擦角φ=28.76°。從結果可以看出，內摩擦角基本相同，而數值試驗得出的內聚力值略大。

圖5 數值試驗與現場試驗抗剪強度參數對比圖Fig.5 Comparison of shear strength parametersbetween numerical test and field test■—PFC；●—實測

以數值試驗中第4級法向應力下的接觸力鏈圖(圖6)為例，可以看出在剪切帶區域出現了明顯的拉張接觸力，在距離剪切帶較遠的區域拉張接觸力較不明顯，且隨著剪切的進行，在剪切帶區域接觸粘結破壞較多。以數值試驗中第4級法向應力下的位移矢量圖(圖7)為例，可以看出隨著剪切的進行，下盤(主動剪切盤)區域的顆粒整體向右運動，而上盤(固定盤)與剪切帶較近區域的顆粒也有向右運動的趨勢。

圖6 數值試樣拉張接觸力分布圖(第4級法向應力)

圖7 數值試樣位移矢量圖(第4級法向應力)

現場直剪試驗過程中，由于受監測手段限制，較難獲得剪切過程汞礦渣體中應力分布及其變化情況。而在顆粒流數值試驗中，可以通過在渣體中設置一定數量均勻分布的應力測量圓來監測土體中各點應力及其變化。

在達到剪切應力峰值時，在數值試樣上下盤中分別設置應力圓，來觀察上下盤中應力的變化，這里主要監測的是剪切方向(橫向)上應力的變化情況。圖8為剪切應力峰值時橫向應力云圖，圖8(a)～圖8(d)為上盤在達到各級剪切應力峰值時的橫向應力分布，相應的圖8(e)～圖8(h)為下盤在各級剪切應力峰值時的橫向應力分布。由圖8可知，在靠近剪切帶區域內出現了數個應力集中區，越靠近剪切墻應力越大；大顆粒對應力分布影響較大；對比上下盤的應力云圖發現，上盤(固定盤)中的應力集中區更加靠近剪切帶，下盤(主動剪切盤)應力集中區分布更廣、受剪切作用影響更大。

4 結 論

(1)貴州丹寨汞礦渣體現場直剪試驗獲得的內聚力為37.83 kPa、內摩擦角為28.83°，數值試驗獲得的內聚力為43.36 kPa，內摩擦角為28.76°。兩者獲得的試驗結果相當接近，表明了數值試驗的可靠性和高仿真性。

(2)在試樣接近剪切應力峰值時，剪切帶區域出現了明顯的拉張接觸力，在距離剪切帶較遠的區域拉張接觸力較不明顯；隨著剪切的進行，下盤(主動剪切盤)區域的顆粒整體向右運動，而上盤(固定盤)與剪切帶較近區域的顆粒也有向右運動的趨勢。

(3)在靠近剪切帶區域出現了數個應力集中區，越靠近剪切墻應力越大；大顆粒對應力分布影響較大；上盤(固定盤)中的應力集中區更加靠近剪切帶，下盤(主動剪切盤)應力集中區分布更廣、受剪切作用影響更大。

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