某露天礦山排土場(chǎng)拋尾料固結(jié)試驗(yàn)研究

胡鍵，萬(wàn)道春，龐鑫

（攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，四川 攀枝花 617000）

排土場(chǎng)是一種人工松散堆墊體，在露天礦山開采中具有砂石轉(zhuǎn)運(yùn)的功能[1]。排土場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性直接關(guān)系著露天礦山的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性[2]，排土場(chǎng)邊坡治理問題一直是露天礦山開采中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

有學(xué)者針對(duì)露天礦山排土場(chǎng)穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量研究[3]，目前基本可以得到大部分學(xué)者認(rèn)可的是，除地震、降水等外界因素外，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性還與土體本身物理力學(xué)性質(zhì)有密切聯(lián)系[4]。其中，邊坡土體的壓縮性及土體在受壓條件下的力學(xué)性能是需要考察的重要指標(biāo)[5]。本文利用YS50-4A 型大型粗粒土壓縮（固結(jié)）儀對(duì)某露天礦山排土場(chǎng)拋尾料土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，對(duì)土樣壓縮沉降曲線、壓縮變形量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等進(jìn)行考察，并通過固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es等考察指標(biāo)的計(jì)算依次來進(jìn)行壓縮性判別，為后期的邊坡穩(wěn)定性治理提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 土樣采集

如圖1 所示，拋尾料取樣自某露天礦山排土場(chǎng)，取樣后按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]對(duì)拋尾料含水率、孔隙比及密度等基本物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，拋尾料基本物理性質(zhì)如表1 所示。

表1 某露天礦山排土場(chǎng)拋尾料基本物理性質(zhì)

圖1 拋尾料取樣點(diǎn)

1.2 試驗(yàn)裝置

本研究使用大型粗粒土壓縮（固結(jié)）儀進(jìn)行大三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，該設(shè)備試驗(yàn)箱體尺寸為Φ504.6 mm×300 mm，可以測(cè)定粗粒土最大粒徑為80 mm 的土體壓縮特性指標(biāo)，試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力水平為3.5 MPa、總荷重為700 kN。

儀器為浮環(huán)式試樣筒，反力框架結(jié)構(gòu)，加載裝置為液壓油缸，專用電液比例閥穩(wěn)定固結(jié)壓力，位移傳感器測(cè)量試樣沉降量， 荷重傳感器配用數(shù)字顯示儀表顯示固結(jié)應(yīng)力，計(jì)算機(jī)自動(dòng)收集調(diào)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)機(jī)如圖2 所示。

圖2 YS50-4A 型壓縮（固結(jié)）儀

1.3 試驗(yàn)方法與原理

根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，試樣的最大粒徑不大于試樣尺寸的1/6～1/5 倍。本次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣直徑為300 mm，故取最大土顆粒直徑60 mm。按照前述等量替代縮尺的級(jí)配與確定的相對(duì)密實(shí)度進(jìn)行土樣稱重和制備，具體包括制樣、土樣裝填、啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)、預(yù)接觸試樣、安裝垂直位移計(jì)、施加荷載等步驟。

粗粒土的壓縮試驗(yàn)是將制備好的土樣裝入壓縮試驗(yàn)機(jī)中，并對(duì)土樣逐級(jí)施加荷載至壓縮穩(wěn)定（0.05 mm/h），測(cè)得每級(jí)壓力下土樣達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的豎向變形量s。由于土顆粒在通常的壓力范圍下可被認(rèn)為是不可壓縮的，因而將土的體積變化完全看作是土的孔隙體積變化，故側(cè)限條件下變形量s和孔隙比e之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3 和圖4 所示。

圖3 土體壓縮的三相草圖

圖4 豎向變形量隨時(shí)間變化

通過式（1）—式（4）可分別對(duì)土樣初始孔隙比、某級(jí)壓力下的孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量進(jìn)行計(jì)算。初始孔隙比計(jì)算公式如下：

式中：e0為初始土樣的孔隙比；ρw為水的密度，單位g/cm3；Gs為土的比重，本次試驗(yàn)取2.70；ω為試樣的初始含水率，單位%；ρ0為試樣的初始密度，單位g/cm3。

某級(jí)壓力下的孔隙比計(jì)算公式如下：

式中：ei為某級(jí)壓力下土樣的孔隙比；si為某級(jí)壓力下試樣高度變化量，單位cm；H0為試樣的初始高度，單位cm。

壓縮系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：av為土樣在指定荷載條件下每千帕的壓縮系數(shù)；ei為前一級(jí)壓力下土樣的孔隙比；ei+1為后一級(jí)壓力下土樣的孔隙比；Pi+1為后一級(jí)土樣承受的荷載，單位kPa；Pi為前一級(jí)土樣承受的荷載，單位kPa。

壓縮模量計(jì)算公式如下：

式中：Es為土樣在某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量，單位kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮沉降曲線與壓縮變形量

試樣在試驗(yàn)前后的壓縮情況如圖5 所示，依據(jù)每級(jí)荷載條件及對(duì)應(yīng)的壓縮沉降量可以構(gòu)建試驗(yàn)過程中試樣的t-s曲線，如圖6 所示。

圖5 試驗(yàn)前后試樣壓縮情況

圖6 拋尾料側(cè)限壓縮試驗(yàn)t-s 曲線

從圖6 試樣壓縮的t-s曲線觀察分析可以看出，試樣表現(xiàn)出3 個(gè)明顯的變形階段：初始沉降階段、主固結(jié)沉降階段和次固結(jié)沉降階段[7]。土體試樣在每一級(jí)荷載作用下變形量主要發(fā)生在初始沉降階段和主固結(jié)沉降階段；當(dāng)主固結(jié)完成后，進(jìn)入次固結(jié)沉降，該階段土樣變形量較小。

2.2 壓縮性指標(biāo)計(jì)算與分析

分別對(duì)土樣的初始孔隙比和每級(jí)荷載條件下土樣壓縮穩(wěn)定后的孔隙比進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)土樣孔隙比e如表2 所示。

表2 壓縮試驗(yàn)土樣孔隙比計(jì)算結(jié)果

一維壓縮試驗(yàn)中，隨著荷載增大，土樣逐級(jí)壓縮沉降，孔隙比也會(huì)隨之發(fā)生改變，兩者變化關(guān)系用P-e曲線表示，如圖7 所示。

圖7 拋尾料側(cè)限壓縮試驗(yàn)P-e 曲線

利用上述試驗(yàn)土樣孔隙比統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以對(duì)試驗(yàn)土樣在不同荷載等級(jí)條件下的壓縮系數(shù)av進(jìn)行計(jì)算，如表3 所示。

表3 壓縮試驗(yàn)土樣壓縮系數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 壓縮試驗(yàn)土樣壓縮系數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

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壓縮系數(shù)是表征土壓縮特性的重要指標(biāo)之一，壓縮系數(shù)越大，土的壓縮性越大，反之亦然[8]。由表3分析可知，土樣的壓縮系數(shù)為一變量，從50 kPa 起隨著荷載等級(jí)的逐級(jí)增大，土料的壓縮系數(shù)av逐漸減小，表征荷載增大，土料的壓縮變形量減小，壓縮變形減小。側(cè)限壓縮試驗(yàn)的結(jié)果還可以采用lgP-e曲線表示。用這種形式表示的特點(diǎn)是，在壓力較大的部分，lgP-e關(guān)系接近直線，其直線段的斜率被稱為土的壓縮指數(shù)Cc，接近于一個(gè)常量，不隨荷載P變化。依據(jù)表3 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，建立試驗(yàn)土料壓縮試驗(yàn)的lgP-e曲線如圖8所示。從圖8 中可以進(jìn)一步得到試驗(yàn)土樣的壓縮指數(shù)為0.119 3。

圖8 拋尾料壓縮試驗(yàn)lgP-e 曲線

依據(jù)土樣的lgP-e曲線，壓縮指數(shù)可表征為：

式中：Cc為壓縮指數(shù)，無(wú)量綱。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變分析

通常采用壓縮試驗(yàn)得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析土樣的側(cè)限壓縮模量Es。選擇橫軸為土樣壓縮的應(yīng)變，縱軸為土樣承受的豎向荷載，建立試驗(yàn)土料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖9 所示。

圖9 拋尾料壓縮土料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通常取土料壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線中任意一小段的割線斜率作為相應(yīng)于該段應(yīng)力范圍內(nèi)土的側(cè)限壓縮模量Es（常用單位MPa），近似等于該點(diǎn)的切線模量。結(jié)合試驗(yàn)土料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以得到試樣土樣在0～800 kPa、0～1 600 kPa、0～3 200 kPa 條件下的壓縮模量分別為22.58 MPa、26.06 MPa 和27.61 MPa。側(cè)限壓縮模量Es的計(jì)算公式如下：

2.4 土的壓縮類別判定

通常采用表4 所列數(shù)值大致判別土的壓縮性大小，其中壓縮指數(shù)為一常數(shù)，而壓縮系數(shù)為變量，為方便相互比較，一般采用豎向荷載100～200 kPa 區(qū)間對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)進(jìn)行判別。結(jié)合試驗(yàn)土樣壓縮性能指標(biāo)，試驗(yàn)土樣在荷載100～200 kPa 區(qū)間對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)為每兆帕0.049 80，所以試驗(yàn)土樣的壓縮類別為低壓縮性。

表4 土的壓縮性判別標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

利用YS50-4A 型大型粗粒土壓縮（固結(jié)）儀對(duì)某露天礦山排土場(chǎng)拋尾料土樣進(jìn)行大三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，對(duì)土樣壓縮沉降曲線、壓縮變形量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

土樣試樣壓縮沉降曲線表現(xiàn)出3 個(gè)明顯的變形階段，分別是初始沉降階段、主固結(jié)沉降階段和次固結(jié)沉降階段。土體試樣在每一級(jí)荷載作用下變形量主要發(fā)生在初始沉降階段和主固結(jié)沉降階段；當(dāng)主固結(jié)完成后，進(jìn)入次固結(jié)沉降，該階段土樣變形量較小。一維壓縮試驗(yàn)中，隨著荷載增大，土樣逐級(jí)壓縮沉降，孔隙比也會(huì)隨之發(fā)生改變，隨著荷載等級(jí)的逐級(jí)增大，土料的壓縮系數(shù)av逐漸減小，表征荷載增大，土料的壓縮變形量減小，壓縮變形減小。試驗(yàn)土樣壓縮性能指標(biāo)，試驗(yàn)土樣在荷載100～200 kPa 區(qū)間對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)為每兆帕0.049 80，表現(xiàn)為低壓縮性土類別。