排土场散体物料强度对边坡潜在滑动面的影响

张 春 吴 超(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 23000；2.中钢集团马鞍山矿山研究院，安徽 马鞍山 23000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 23000；.马鞍山市开发区管委会，安徽 马鞍山 23000)

排土场散体物料强度对边坡潜在滑动面的影响

张 春1，2,3吴 超4
(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；2.中钢集团马鞍山矿山研究院，安徽 马鞍山 243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000；4.马鞍山市开发区管委会，安徽 马鞍山 243000)

高台阶或超高台阶排土场的散体物料块度分布呈现明显的粒径分级特征，物料强度力学特性随块度布组成不同而发生显著变化。通过室内直剪试验揭示排土场散体物料强度参数C、φ与块度组成规律。在此基础上，应用强度折减法，通过对排土场采取逐级分层的方式，研究其强度参数随高度变化时的边坡潜在滑动面及安全系数变化趋势。试验与数值模拟研究表明：其内摩擦角随粗颗粒含量的增多而不断增大，并呈现线性关系；黏聚力呈曲线变化，其总体变化趋势是不断减小的；边坡潜在滑动面随着散体物料分层的不断细分，潜在滑动面出口位置不断向上抬升，塑性区不断向上扩展，最终呈现稳定状态；安全系数随着层数的增加逐渐减小，减小到一定数值(1.125左右)后，随着层数的增加，安全系数又出现一定上升，但变化趋势趋向稳定。

强度特性 潜在滑动面 强度折减法 安全系数

露天矿排土场是堆放剥离废岩(土)的场所。目前，我国大部分露天矿山已进入深凹开采阶段，对排土场的容积要求不断增大，为减少矿山排土场占地，节约资源，排土场段高不断加大。然而，高台阶排土场不同于一般的土质边坡，其具有一个突出特点：排土场堆积散体具有明显的粒级分级特征。因此，其力学特性随排土场高度也是变化的，受堆排时间和自然固结密实的影响，散体介质破碎，力学强度随之发生了改变。另一方面，由于目前技术条件的限制，科研设计人员在排土场强度参数取值时，往往依据实验室数据同时并结合类似材料的经验值综合考虑，这将可能导致人们搜索到的最危险滑动面可能并不是真正意义上的临界滑动面，边坡中次级滑动面也可能不满足设定的安全系数，甚至在边坡破坏分析中起控制作用。因此，深入研究排土场散体介质强度特性随排土场块度组成的变化规律以及边坡内部潜在滑动面、安全系数随其变化对排土场规划设计将有重要意义。

1 直剪试验方案和方法

1.1 试验方案

本次采用室内剪切试验。试样均取某采场剥离的废石和地表的第四世纪土的混合散体物料，取样质量总计约1.5 t。试验采用应力控制式大型直剪剪切仪,将粗颗粒的含量分为6个等级，分别为0%、15%、30%、45%、60%、75%，共6组。根据郭庆国等人的研究[1-5]，粗细颗粒的区分以5 mm界限粒径比较适合，即小于5 mm为细粒土，大于5 mm为粗粒土，大于60 mm作为超粒径颗粒，将以等量代替法的方式加以处理，其级配方案如表1所示。

表1 级配组成Table 1 Grading composition

1.2 试验方法

本次试验的轴向荷载加载级别为100、200、300、400 kPa 4个等级。在施加预定的轴向载荷后，记录垂直、水平千斤顶、变形计等的读数。随即开动水平千斤顶，施加水平荷重，每30 s测读水平变形计和垂直变形计的读数，起始水平荷重按垂直荷重的7%～10%施加。当某级水平荷重下的剪切位移超过前一级剪切位移的1.5～2.0 mm/min时，改为按5%施加。每施加一级水平荷重，测读垂直和水平变形记一次数据。

当水平荷重读数不再增加或剪切变形急骤增长，即认为已剪坏。若无上述两种情况出现，可控制剪切变形达试样直径1/15～1/10,方可停止试验。应控制试样在5～10 min内达到剪切破坏。试验结束后，对剪切面做简要描述，取剪切面附近的试样，测定其剪切后含水量与颗粒级配。

1.3 应力-应变特性分析

排土场散体物料的抗剪强度是其重要的力学性质之一，反映了土体抵抗剪切破坏的能力，通过直剪实验可以揭示其力学特性变化规律；特选取粗颗粒含量分别为0%、15%、30%、45%、60%、75%这6组直剪实验数据，限于篇幅，只选取30%、75%这组应力-应变关系曲线予以说明。

图1 剪应力与剪切位移关系曲线

2 试验结果分析

从图1中可以看出其应力-应变曲线不十分光滑，在局部地区存在一定的波动现象，但其总体趋势比较明显，在试验初期，初期阶段排土场散体物料中的接触点处的摩阻力较小，其颗粒相互之间发生挤压、滑动，压缩系数逐渐变小，因而初始加载阶段的变形加大，近似呈现直线。因此，该阶段为属于弹性变形阶段，随着轴压继续增大，物料颗粒继续重新排列、滑动，达到一个新的平衡过程，这一过程在宏观上表现为变形持续发展，这时物料处于初始屈服阶段,该阶段曲线较为平缓,松散物料中粗细颗粒首先达到屈服度。

最终，松散体骨架中充填成分细颗粒的进一步破坏,使得物料中原本没有接触的大粒径块石和碎石发生接触,不同粒径颗粒的相互咬合、摩擦导致物料强度的再次增加,直至达到完全破坏。

2.1 块度组成与强度参数C、φ关系

岩石块度对于排土场的力学性质和稳定性具有重要的影响，颗粒越小则强度越低，所以在评价排土场稳定性状态时，除了在岩性、水文地质条件和地基条件外，更要研究排土场的岩石块度构成及其分布规律。矿山排土场散体物料在堆排过程中，受其重力影响作用下产生明显的粒径分级特征，其力学特性也随之变化，为研究其块度组成对其强度参数C、φ的影响，通过对不同的粗颗粒含量来加以分析。由σ-τ关系曲线图，根据摩尔-库伦准则：τ=σtanφ+C，用最小二乘法进行线性回归得出散体试样的抗剪强度参数见表2。

表2 试样抗剪强度参数Table 2 Shear strength parameters of the sample

2.2 粗颗粒含量与内摩擦角之间关系

如图2所示，其φ值与粗粒含量P>5 mm总体呈线性关系。这是由于粗粒土的内摩擦角值主要受物料组成级配的影响。当粗粒含量P>5 mm较小时，细骨料充填散体物料之间的相互孔隙，导致粗颗粒之间不能充分接触咬合，因此φ值较小；但随着粗骨料含量P>5 mm的不断增多，颗粒之间形成骨架结构，使粗颗粒之间得到充分的接触、滑移、咬合，物料之间摩阻力增大，使得内摩擦角值不断增长。

图2 散体内摩擦角随粗颗粒含量变化关系

2.3 粗颗粒含量与黏聚力之间关系

如图3所示，其黏聚力C值随着粗颗粒含量增多，呈现先减小后增大，之后随着又减小的特征。黏聚力C减小的原因是随着细颗粒的减少，粗颗粒之间相互间隙比较大，但没有足够的细颗粒来填充，导致物料块度相互之间不能充分接触和咬合，因此C值减小；之后出现增大的趋势是因为当粗骨料和细骨料各50%的时候，物料的组成骨架优良，密实程度较高、使得孔隙率变得比较小，粗细料之间咬合接触的比较好。

图3 黏聚力随粗颗粒含量变化的关系

3 边坡潜在滑动面

排土场散体物料由于在重力的作用下产生粒径分级现象，其块度分布总体呈现细颗粒大多在排土场上部，大块岩石则集中在排土场底部，中间部位各种块度参差不等，但以中值块度居多的特征。因此，其力学特性随块度的不同也是变化的，为研究其给边坡潜在滑动面的影响，通过ANSYS软件[6-8]建立起数值模型并导入FLAC3D中，采用FLAC3D中的强度折减法命令流(二分法)对边坡进行计算。由于排土场堆高达105 m，其力学特性随其高度变化比较大，故本研究采取依次对排土场散体物料进行逐级分层(等分)方式，即将其分为3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层(限于篇幅，只选取3层、6层、9层进行说明)，直到潜在滑动面和安全系数相对稳定为止，每层强度参数值根据图2、图3拟合的块度组成与强度参数之间的关系式选取(具体见表3)，从而研究排土场强度参数随高度变化时，边坡中潜在滑动面的发展状况以及安全系数变化规律，其剪切应变增量图、塑性区分布见图4，安全系数见图5。

结果分析如下。

(1)潜在滑动面。从排土场剪切应变增量图、塑性区发展可以看出：当排土场散体物料分为3层时，边坡潜在滑动面的出口从第3层的节点略向下滑出，塑性区相类似，随着排土场分层数的增加，潜在滑动面出口位置不断向上抬升，塑性区不断向上扩展，但当分层数为6层时(每层约为17 m)，即使层数增加，排土场滑动面的剪出口位置趋向稳定，塑性区也趋向于稳定，两者变化都很小，其潜在滑动面位置总体位于第1、2层物料之间，入口位置总体保持不变。边坡破坏总体呈现局部破坏，不会发生整体性破坏，但总体都处于稳定状态，边坡的破坏方式呈现近似圆弧状，与极限平衡法计算结果相类似。

表3 每层强度参数值
Table 3 Strength parameters value of each layer

层号C1φ1C2φ2C3φ3C4φ4C5φ5C6φ6C7φ7C8φ8C9φ93层12.325.110.730.79.136.34层12.524.411.128.610.632.88.737.05层12.72411.027.410.930.710.733.88.837.76层12.823.710.926.510.728.811.032.110.334.98.438.07层13.023.511.325.910.828.311.230.711.133.110.235.58.438.28层13.222.311.625.510.927.610.927.610.929.711.031.710.835.98.338.39层13.323.311.825.110.82710.628.811.130.711.232.610.634.49.736.37.138.4

图4 排土场散体物料分层模型、剪切应变增量、塑性区分布

图5 安全系数与物料分层之间关系式

出现上述原因主要是由于排土场在重力作用下，其块度组成呈现出比较明显的粒级分级特征，细颗粒物料大多在排土场上部，块度较大的物料则集中在排土场下部，中间部位粗细物料相对均匀；与此同时，通过筛分试验可知，排土场粗颗粒含量随着高度的增大而不断增多；另一方面，由室内直剪试验得出，内摩擦角与粗颗粒含量呈正比关系，黏聚力变化趋势总体上随着其增多而减小。所以在排土场顶部，其强度参数相对比较小，故其潜在滑动面位置总体处于排土场中上部而没有向排土场底部发展。当土层划分为6层之后滑动面发展出现了相对停止状态，这主要是由于随着排土场土层不断地被细划，每一土层变得越来越薄，其块度组成变化相对比较小，故其强度参数不会发生明显的变化，导致其滑动面位置和形态趋向于稳定。

(2)安全系数。从图5可以看出，在层数分为2～4层时，安全系数随着层数的增加逐渐减小，之后，随着层数的增加，安全系数又出现一定上升，但变化趋势趋向稳定(当排土场被划分为5层时，即每1层高约为21 m)。这主要是由于在前期排土场潜在滑动面位置位于中部，此时，粗颗粒含量占多数，导致其内摩擦角相对黏聚力而言起主导作用。所以在前期，安全系数随层数的增加而不断减小；在后期，潜在滑动面位置主要处于排土场顶部，由于排土场顶部细颗粒含量居多，导致黏聚力起主导作用，故其安全系数出现一定的增长；之后，随着排土场土层不断地被细分，其块度组成变化相对比较小，故强度参数不会发生明显的变化导致其安全系数相对稳定。边坡潜在滑动面的发展也从侧面证实了该结论的合理性。出现局部的波动可能是由于网格的划分、强度参数黏聚力(曲线变化)的近似选取等因素所导致。

4 结 论

(1)排土场散体物料内摩擦角随粗颗粒含量的增多逐渐变大，呈正比关系，拟合关系式为：与y=22.83x+21.51；黏聚力C值随着粗颗粒含量增多，呈现先减小后增大，之后随着又减小的特征，但变化的趋势总体是减小的，中间出现起伏的主要原因是受散体物料密实度的影响,拟合关系式为：y=-65.98x3+71.63x2-26.16x+14.35。

(2)排土前期，排土场剪出口位置不断向上抬升，且潜在滑动面发展相比安全系数表现出一定的滞后性。随着排土场层数的增加，排土场物料块度组成变化趋于稳定，剪出口位置也趋于稳定，入口位置总体保持稳定(排土场被划分为6层时，即每层约为17 m)，其破坏模式呈近似圆弧状。安全系数变化趋势先减小后增大，最终也趋向稳定，这体现了与潜在滑动面发展的一致性。

排土场分层区间存在一定的规律性，即在潜在滑动面和安全系数变化总体呈稳态时，划分层数比较合适。该结论对类似排土场合理、正确分层以及物料取样提供参考，也为排土场的合理规划设计以及稳定性分析奠定基础。

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(责任编辑 徐志宏)

Influence of Strength of the Dump Granular Materials on the Potential Sliding Surface of Slope

Zhang Chun1，2,3Wu Chao4
(1.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines，Maanshan243000，China;2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China;3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyRecycleandUtilizationofMetallicMineralResourcsCo.Ltd.;4.AdministrationCommitteeofMaanshanEconomicandTechnicalDevelopmentZone，Maanshan243000，China)

High or super-high bench dump′s granular material block size distribution show obvious size grading characteristics，and its strength characteristics vary remarkably with pieces of cloth.The indoor direct shear tests reveal the rule of dump granular material strength parametersC、φand block composition.On this basis，the strength reduction method is adopted to study the variation trend of the potential slip surface of slope and the safety coefficient at strength parameters varying with the height，through layering the dumps.The experimental research and the numerical simulation show that:the internal friction angle increases with coarse particle content increasing，showing as a linear relationship.Its cohesion varies as a curve，and its overall variation trend becomes more and more slight.The potential slip surface of slope is continuously sub-divided with the granular material layer.The outlet of potential sliding surface is moving upward，and the plastic zone is slightly expanding to be a final steady state; The safety coefficient decreases gradually with the increase of layer number.When the decrease reached a certain value(about 1.125)，the safety coefficient emerges a rising trend，but the trend is becoming stable with the increase of layers number.

Strength property，The potential sliding surface，Strength reduction method，Safety factor

2014-12-23

张 春(1985—)，男，硕士,助理工程师。

文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2015)-01-133-05