露天礦排土場土石混合體K0系數(shù)試驗研究

楊福卿，陸 翔，周 偉，田 涯，王晉輝，才慶祥

(1.昆明煤炭設(shè)計研究院，云南 昆明 650011；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

露天煤礦開采實質(zhì)為巨型規(guī)模的土石方移運(yùn)工程，按照一定的程序和方法將采場內(nèi)煤層上覆的土巖進(jìn)行松碎，采裝，運(yùn)輸，排棄形成了排土場。排土場物料在自然環(huán)境與堆載載荷作用下固結(jié)、膠結(jié)、重塑，產(chǎn)生了與原始松散體不同的物理力學(xué)特性[1]，巖土力學(xué)性質(zhì)與原巖應(yīng)力分布影響著邊坡的穩(wěn)定性[2]，邊坡穩(wěn)定與否影響著露天煤礦的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益[3]。排土場形成過程實則為剝離物的側(cè)限堆積，類似土體K0固結(jié)過程，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0值是重要參數(shù)，K0系數(shù)直接影響著固結(jié)過程中的力學(xué)特性和變形特征[4]。

K0系數(shù)的研究可以借鑒傳統(tǒng)土力學(xué)研究方法。高彥斌[5]以上海軟黏土原狀土樣和重塑土樣為研究對象，得到了不同固結(jié)剪切試驗下的強(qiáng)度關(guān)系，揭示出兩種土樣的不同結(jié)構(gòu)對K0正常固結(jié)軟黏土強(qiáng)度比的影響；劉清秉[6]在常規(guī)固結(jié)儀上開展側(cè)限膨脹試驗并采用GDS三軸試驗儀進(jìn)行恒定偏應(yīng)力差的三軸膨脹試驗，獲得了考慮初始壓實度、含水率、上覆壓力耦合關(guān)聯(lián)影響的K0膨脹模型；陳存禮等[7]用K0固結(jié)儀對不同含水率原狀黃土進(jìn)行了K0固結(jié)試驗，分析了軸向應(yīng)力及含水率對側(cè)向應(yīng)力及K0系數(shù)的影響，提出了靜止土壓力系數(shù)K0與軸向應(yīng)力及含水率的關(guān)系表達(dá)式，揭示了土體K0系數(shù)不是常數(shù)。另外，一些學(xué)者還對K0條件下土體在動剪切、加卸載、大型模型及溫度梯度情況下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，取得了較為詳實的研究成果[8-12]。目前，對于單純土體的K0固結(jié)研究成果較為豐富，而針對重塑土石混合體的K0固結(jié)研究較少。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗材料及試驗設(shè)備

本次試驗土石混合體試樣中的土體和塊石均取自哈爾烏素露天煤礦排土場的黏土和砂巖。固結(jié)后的試樣尺寸參考巖石標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，為?50mm×100mm，黏土直徑小于2mm，塊石為5～8mm，含石率50%，含水率15%。

分級加載試驗采用WG型單杠桿固結(jié)儀，連續(xù)加載固結(jié)試驗采用全自動室內(nèi)巖土靜三軸儀，試驗儀主要由GDS壓力架、三軸壓力室、壓力系統(tǒng)和GDSLAB軟件4部分構(gòu)成，最大軸壓為50kN，最大圍壓為3MPa。可以進(jìn)行等向固結(jié)試驗、K0固結(jié)試驗、三軸固結(jié)不排水剪(CU) 、三軸固結(jié)排水剪(UU)試驗等。該設(shè)備采用伺服電機(jī)壓力/體積控制器施加圍壓與反壓，控制精度為總量程0.1%。

1.2 試樣制備及試驗思路

1)將現(xiàn)場取樣的黏土和塊石進(jìn)行破碎，過篩。

2)將松散土石混合體按照一定配比與含水率均勻混合，在單杠桿固結(jié)儀上進(jìn)行不同壓力下的分級加載固結(jié)，成樣。初期固結(jié)壓力Pc設(shè)置為0.2MPa，0.5MPa，1.0MPa，2.0MPa。

3)對初步固結(jié)的試樣進(jìn)行切削打磨制備得到?50mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)試樣。

4)將試樣置于真空飽和器中飽和12h，將完全飽和的土石混合體試樣安裝在GDS試驗儀上，然后選擇K0固結(jié)模塊，開始試驗。

分級加載固結(jié)試驗的主要目的是為了制備土石混合體標(biāo)準(zhǔn)試驗并進(jìn)行土石混合體力學(xué)特性的分析，初期固結(jié)試驗中不同固結(jié)壓力的選擇模擬的是排土場不同埋深的物料的固結(jié)壓力，GDS中進(jìn)行的連續(xù)加載固結(jié)試驗是為了得到土石混合體材料固結(jié)過程的應(yīng)力、位移及K0系數(shù)的變化規(guī)律。

2 試驗結(jié)果分析

傳統(tǒng)土力學(xué)中K0系數(shù)定義對應(yīng)的取值方法有：總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法及有效應(yīng)力增量法。總應(yīng)力法定義的K0系數(shù)為：

K0=σh/σv

(1)

式中，σh為水平向總應(yīng)力，MPa；σv為豎向總應(yīng)力，MPa。

有效應(yīng)力法定義的K0系數(shù)為：

有效應(yīng)力增量法定義的K0為：

本試驗得到的K0值均采用有效應(yīng)力法計算值。在試驗過程中，為了保證GDS三軸固結(jié)儀乳膠膜和試樣的貼合以及前期進(jìn)行的飽和度試驗結(jié)果，在試樣進(jìn)行連續(xù)加載K0固結(jié)試驗前先給予試樣一定的圍壓，使試樣在開始固結(jié)時已經(jīng)存在了一定的總應(yīng)力和較小的有效應(yīng)力。總應(yīng)力定義法選取的是總的徑向應(yīng)力與軸向應(yīng)力比值，由于初始施加的圍壓也對其取值有非常大的影響，故首先排除此種取值方法。在前期固結(jié)壓力較小的低固結(jié)壓力段，有效應(yīng)力法和有效應(yīng)力增量法得到的K0值較為相近，而對于前期固結(jié)壓力較大的高固結(jié)壓力段，有效應(yīng)力增量法得到的K0值要比有效應(yīng)力法得到的明顯大一些。由于土石混合體并不是由單一物料組成的，其波動性性較大，所以曲線在二次固結(jié)壓力階段較為離散，線性程度不是很高，采用有效應(yīng)力增量法所受影響較大，土石混合體K0系數(shù)均通過有效應(yīng)力法得到。

2.1 正常固結(jié)段K0

圖1 不同初期固結(jié)壓力下試樣的的關(guān)系曲線

不同先期固結(jié)壓力下的K0系數(shù)如圖2所示。由圖2可知，初期固結(jié)壓力為0.2MPa的試樣在正常低壓固結(jié)階段K0值約為0.454，初期固結(jié)壓力為0.4MPa的試樣在正常低壓固結(jié)階段K0值約為0.432，而對于初期固結(jié)壓力為1.0MPa的試樣，其在正常固結(jié)階段，K0值隨有效軸壓的增大緩慢上升，K0值約為0.415，對應(yīng)規(guī)律可用擬合公式(4)表示。

K0=0.3519+0.00004x

(4)

式中，x為固結(jié)壓力，kPa。

圖2 不同先期固結(jié)壓力下的K0系數(shù)

初期固結(jié)壓力為2.0MPa試樣正常固結(jié)階段K0值約為0.415。

由三軸剪切試驗得到此次土石混合體的有效內(nèi)摩擦角φ′為33.98°，帶入適用于黏土的K0系數(shù)計算經(jīng)驗公式[13]：

K0=1-sinφ′

(5)

計算得到K0系數(shù)為0.441，與低固結(jié)壓力(如0.2MPa、0.4MPa)試樣正常固結(jié)K0值基本吻合，而相比初期固結(jié)壓力較大(如1.0MPa)試樣的正常固結(jié)階段K0值偏大。所以，對于初始固結(jié)壓力較小試樣的低固結(jié)壓力階段，黏土K0經(jīng)驗計算公式(5)是比較適用的。這是由于當(dāng)前期固結(jié)壓力較小時，土石混合體內(nèi)部本身孔隙較多，結(jié)構(gòu)較為松散，物料顆粒的運(yùn)動互相阻礙的影響較小，從而試樣特性表現(xiàn)與粘土相似。

圖3 初期固結(jié)壓力為0.2MPa試樣的關(guān)系曲線

圖4 初期固結(jié)壓力為1.0MPa試樣的關(guān)系曲線

通過有效應(yīng)力比得到的每一點比值，按加載時的有效軸壓依次排序，先期固結(jié)壓力為0.2MPa和1MPa試樣的K0系數(shù)如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，在曲線“拐彎”后，圖5近似平穩(wěn)的水平直線，而圖6則緩慢上揚(yáng)。

圖5 先期固結(jié)壓力為0.2MPa試樣的K0系數(shù)

圖6 先期固結(jié)壓力為1.0MPa試樣的K0系數(shù)

2.2 K0系數(shù)變化原因分析

初期固結(jié)壓力大小的不同造成了K0系數(shù)變化規(guī)律的不同。先期固結(jié)壓力較大的試樣，軸向加壓開始時，其內(nèi)部形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)能夠抵抗相對較強(qiáng)的外力，軸向應(yīng)變較小，通過內(nèi)部的擠壓和力的傳遞造成的徑向應(yīng)力和應(yīng)變也相對較小。

隨著軸向應(yīng)力的進(jìn)一步增大，試樣抵抗變形的能力逐漸減弱，徑向應(yīng)力增加速率相應(yīng)地加快；先期固結(jié)壓力較小的試樣，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，抵抗變形的能力較差，內(nèi)部變形和力的傳遞較為“敏感”，所以有效軸向和徑向應(yīng)力就會以較為恒定的速率增加。

土力學(xué)研究范疇多限于單一土體，自然界中土大多存在于地表表層，所以通常對土體固結(jié)規(guī)律研究中其軸向應(yīng)力上限較小，大約在1.0MPa左右，模擬現(xiàn)實深度約為50m。露天煤礦排土場為人工堆積形成的，高度可達(dá)200m左右，其底部對應(yīng)的軸向應(yīng)力可達(dá)到4.0MPa左右，因此在土石混合體固結(jié)試驗中加載載荷要比傳統(tǒng)土固結(jié)加載載荷大。

土石混合體試樣在經(jīng)過初次成樣固結(jié)之后，本身已經(jīng)具有了一定的結(jié)構(gòu)性，相對純粘土來說，塊石的加入使其結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)。所以當(dāng)試樣進(jìn)行二次固結(jié)時，從有效軸壓和圍壓相等的情況開始K0固結(jié)，只要開始固結(jié)的有效圍壓小于先期固結(jié)壓力且加載速度及其他試驗條件相同時，土石混合體自身已有的整體結(jié)構(gòu)性就會得到體現(xiàn)，K0系數(shù)曲線中的“轉(zhuǎn)彎”區(qū)域幾乎為同一區(qū)段，之后的K0系數(shù)圖像將穩(wěn)定不變或較為平穩(wěn)地變化。而這一區(qū)段幾乎不受先期固結(jié)壓力和自身處于正常固結(jié)或超固結(jié)階段的影響，其值是大致固定的，只與土石混合體組成及二次固結(jié)的加載速度有關(guān)。

2.3 初期固結(jié)壓力對K0系數(shù)的影響

通過計算不同初期固結(jié)壓力下試樣連續(xù)加載固結(jié)各階段K0系數(shù)的平均值能夠更加直觀地體現(xiàn)K0系數(shù)的規(guī)律特點，如圖7所示。

圖7 不同初期固結(jié)壓力下的K0系數(shù)平均值

在超固結(jié)階段各試樣K0系數(shù)的平均值均是各自不同階段的最大值，因為試樣是從具有一定有效圍壓的初始狀態(tài)開始固結(jié)的，有效圍壓會有一個緩慢上升的階段，此階段內(nèi)K0值較大，導(dǎo)致K0系數(shù)的均值也偏大。而初期固結(jié)壓力為0.2MPa試樣超固結(jié)階段的K0均值明顯高于其他試樣，這是因為該試樣超固結(jié)階段均在結(jié)構(gòu)應(yīng)力重塑區(qū)之前，該區(qū)段處在應(yīng)力調(diào)整及有效軸向應(yīng)力和有效徑向應(yīng)力從相等到差距迅速拉大階段。

初期固結(jié)壓力較大的試樣在正常固結(jié)階段的K0均值比正常固結(jié)階段開始后0.5MPa內(nèi)的均值大，是因為試樣在較大固結(jié)壓力階段會出現(xiàn)K0系數(shù)不斷增大的情況。0.5MPa內(nèi)的均值會將這一差異縮小，能較好體現(xiàn)正常固結(jié)階段剛開始時的K0均值。

3 結(jié) 論

1)露天煤礦排土場是由松散土石混合體固結(jié)重塑形成的，是一種由土、石、水和空氣組成的極度不均勻的四相體系，其K0系數(shù)影響著土石混合體固結(jié)過程中力學(xué)特性和變形特征，試驗測得露天煤礦排土場不同埋深對K0系數(shù)有著顯著影響，自然界中土大多存在于地表的土體，土力學(xué)理論在排土場深部表現(xiàn)有所偏差。

3)初期固結(jié)壓力對土石混合體試樣的K0系數(shù)變化規(guī)律影響明顯。初期固結(jié)壓力越大，在相同有效軸壓的情況下，K0系數(shù)越小。而在結(jié)構(gòu)應(yīng)力重塑區(qū)之后的區(qū)段內(nèi)，初期固結(jié)壓力較小的試樣K0系數(shù)基本保持穩(wěn)定；而初期固結(jié)壓力較大的試樣，隨著軸向應(yīng)力的增加，K0系數(shù)短暫的穩(wěn)定后便開始逐漸變大。