某排土場拋尾料側限壓縮實驗研究

徐金宇

（中鐵二十五局集團第二工程有限公司，南京 210046）

排土場是礦山和土石方工程中常見的土地資源利用方式，用于存放和處理大量的尾料[1-2]。然而，在排土場使用過程中，由于尾料的特殊性質和不斷堆積的壓力，在坡面穩定性和土體的側限壓縮特性方面存在各種問題和挑戰[3]。某排土場作為一個典型的尾料堆放地，具有較大的規模和復雜的土體結構，其穩定性和拋尾料側限壓縮性質的研究對排土場的設計和管理具有重要意義。然而，目前對于某排土場拋尾料的側限壓縮實驗的研究尚不充分，缺乏詳細的理論和實踐依據。本文的目的是探究某排土場拋尾料的側限壓縮特性，以期提供更準確的理論與實踐指導。通過在實驗室中進行側限壓縮實驗，研究土體在不同加載條件下的力學行為特征并計算側限壓縮參數，深入了解其內在的變形機制。這將有助于改進排土場的設計和管理方法，提高安全性和效益，并減少環境風險。

1 實驗概況

1.1 土樣采集與試樣制備

取樣點周邊環境如圖1 所示，在對實驗土樣基本物理性質測定后，制取試樣。根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[4]要求，試樣的最大粒徑不大于試樣尺寸的1/6～1/5 倍，本次實驗的標準試樣直徑為300 mm，故取最大土顆粒直徑60 mm。試樣制備過程如下：首先將風干土樣按粒度組成篩分備用，依據實驗確定的級配、密度、含水量、填裝層數及試樣尺寸，計算稱量實驗所需土樣。試樣分3 次擊實填入制樣桶，為消除每次填料時粗細顆粒分離，應分層稱取待裝土樣。

圖1 拋尾料取樣點

1.2 實驗裝置及原理

本次實驗所使用的固結試驗設備是四川大學華西巖土所生產的YS50-4A 型大型粗粒土壓縮（固結）儀。該設備的試驗箱尺寸為Φ504.6 mm×300 mm，可以測量最大粒徑為80 mm 粗粒土的壓縮特性。浮環試驗箱的內部結構如圖2 所示，壓縮試驗機構造如圖3 所示。

圖2 浮環試驗箱體內部構造

圖3 壓縮試驗機構造

由于土顆粒在通常的壓力范圍下可認為是不可壓縮的，因而將土的體積變化看作完全是土的孔隙體積變化，故側限條件下壓縮量s和孔隙比e之間具有一一對應的關系[5]。土樣裝填過程如下：將主機架水槽推出，提起試樣筒，水槽內放入浮圈墊塊，后放下試樣筒，在筒內依次放入透水板、土工布，并在試樣筒上部放置浮圈套。為減少土顆粒與浮圈筒內部的摩擦與拆樣便捷，在浮圈筒內部均勻地涂抹1 層醫用凡士林，隨后將燜好的土石混合料分3 層裝入浮圈筒并進行擊實，每一層的高度控制在10 cm，每一層擊實后進行鑿毛處理，再裝入下一層土料。裝料完畢后在試樣表面依次放置土工布、透水板及上傳力板，然后取出浮圈套及浮圈墊塊，將裝好試樣的水槽推入主機架內止動。

2 結果與分析

2.1 側限壓縮s-t 曲線

依據每級荷載條件及對應的壓縮沉降量，建立排土場壩材料壓縮s-t曲線如圖4 所示。

圖4 拋尾料側限壓縮s-t 曲線

從圖4 中可以看出，側限壓縮s-t曲線主要分為4個階段。①初始壓實階段。在初始階段，土體受到側限壓縮作用時，沉降速率較快。在此階段，曲線呈現出急劇下降的趨勢，表示土體發生了較快的壓實。②壓實階段。在此階段，土體的沉降速率逐漸減小，并趨于穩定，呈現出一個平緩的下降趨勢。③彈性階段。在一定應力水平下，土體達到一定的沉降后，曲線出現一個水平平臺。④限制壓實階段。在限制壓實階段，土體的沉降速率會進一步減小，曲線出現幾乎平直的趨勢。對土樣壓縮實驗變形量進行統計見表1。通過對壓縮沉降曲線的分析，可以評估土體的壓實性能、變形特性及固結過程中的變化規律。同時，還可以確定土體的側限壓縮模量、壓縮指數，以及其他與變形相關的指標，并為工程設計和處理土體提供依據。

表1 土樣壓縮實驗變形量統計結果

2.2 孔隙比-豎向荷載曲線

對試樣初始孔隙比以及不同應力條件下壓縮穩定后孔隙比進行計算見表2。孔隙比-豎向荷載曲線（e-P曲線）如圖5 所示。

表2 壓縮實驗土樣孔隙比計算結果

圖5 側限壓縮e-P 曲線

從圖5 可以看出，隨著豎向荷載等級的增加，孔隙比不斷減小，呈負相關關系，使用二次函數對數據進行擬合，擬合關系良好（R2=0.993 7）。可以從顆粒排列密度的角度進行解釋[6-7]：較高的孔隙比意味著土體中空隙的比例較高，顆粒之間的接觸點較少。這可能導致顆粒的排列更為松散，而松散的顆粒排列會導致土體在受到豎向荷載時的相對變形較大。因此，較高的孔隙比通常會對豎向荷載產生較大的沉降或下沉。

2.3 壓縮性指標

通常通過考察壓縮系數av和壓縮指數Cc來判斷土的壓縮性[8]。將應變變化除以應力變化以及孔隙比變化（即壓縮前后的孔隙比差）的比率，即可得到壓縮系數av。可通過式（2）對壓縮系數進行計算。表3 給出了不同荷載等級下的壓縮系數，從表3 可以看出，壓縮系數隨著荷載等級的增大而減小。在承受較小荷載時，試樣顆粒之間的接觸緊密程度較小，導致初始壓縮較大，即壓縮系數較大。隨著荷載的增大，試樣顆粒逐漸變得更加緊密堆積，導致剩余空隙的減少，因此，壓縮系數逐漸減小。斜說明試樣在承受荷載后會發生壓實，密度增加，體積減小。

表3 壓縮實驗土樣壓縮系數av 計算統計結果

壓縮指數Cc是土的壓縮性的另一個重要指標，是指土在側限壓縮過程中的體積壓縮量與應力增量之間的關系，通常通過由e-P曲線演化而來的e-lgP的基礎上利用公式（3）進行計算。基于圖5 的e-P曲線，可以得到e-lgP曲線如圖6 所示，進而可以得到實驗土樣壓縮指數為0.122 5。

圖6 側限壓縮e-lgP 曲線

參考土的壓縮性判別標準[9]（表4），實驗土樣的壓縮系數和壓縮指數均處于低壓縮性區間，因此，實驗土樣的壓縮性為低壓縮性。

表4 土的壓縮性判別標準[9]

3 結論

通過對某排土場拋尾料進行側限壓縮實驗，計算了相應的壓縮指數和壓縮系數。通過實驗結果的分析和比較發現：實驗土樣具有相對較小的壓縮性，即在受到荷載時變形較小，其在工程建設中可能會表現出較小的沉降和變形風險。本研究可為后續排土場邊坡設計提供一定的參考。仍需進一步以更多綜合實驗和實地應用為基礎的研究深入探究實驗土樣的力學行為和性質。