某排土场散体物料力学性质的试验

张 默 邱 宇 曹作忠 何承尧

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.浙江漓铁集团有限公司)

排土场散体物料是矿山开采集中排弃剥离的废石土。散体物料在台阶(高20 m以上，物料不均匀)上自然滚落堆积，呈现出明显的下部大块石含量多，上部细粒土含量多，致使散体物料的宏观力学特性表现强烈的不均匀性[1-3]。排土场的安全稳定性主要由散体物料的力学参数、排土工艺参数和排土速度等参数决定。目前，排土场安全稳定性分析的力学参数可以通过现场直剪试验和室内大三轴试验确定。现场试验时间周期长,人工等费用高，少量的试验并不具备代表性；室内试验比较经济，在较短时间内做出多组试验数据，得到的力学参数更具有使用价值。对于散体物料不均匀性，在进行室内试验时，需要将台阶不同部位的物料分层，然后根据粒径大小重新配比粒径级配代替原型粒径级配。本次采用室内大三轴试验，分析某排土场散体物料在砾石含量和尺寸大小方面的力学性质。

1 试验仪器及材料

试验仪器采用GSZ501型粗粒土大型三轴试验机，可以对直径为50 cm、高度为100 cm试样进行三轴试验。试验加载时，利用计算机对应力或应变进行控制，通过试验机EDC控制系统，并根据加载传感器的反应来控制横梁的位移。围压控制器控制围压的变化，通过计算机对围压进行记录和控制，从而达到试验的目的。

由于散体物料排弃初期透水性强，欠固结，因此，采用不固结不排水试验，获得的力学参数较真实地反映排土场的稳定状态。对于欠固结岩土体，一般没有峰值强度，通常采用应变量的15%对应的强度为峰值强度[4]，进而得到相应的力学参数。根据散体物料堆积规律，在台阶上分为上部、中部和下部，代表3个位置层次取样[5]。土、石的物理力学参数见表1,原始颗粒级配见表2,主要砾石含量和尺寸的试验配比见表3，其他尺寸含量参照原始级配配比。

表1 土、石力学参数

表2原始颗粒级配%

表3 散体物料配比

2 试验过程

2.1 试样制备

大型三轴试验要求试样表面规整，两端平行且垂直于轴线，并配置均匀试样，不得有突出的棱角，以防刺破表面橡皮膜保护套。依据现场取样的颗粒级配，重新配制主要含石料的试验级配，加入适量的水，充分搅拌，使试样与水均匀混合静置45～60 min，然后分5层装入制样筒并压实至预定高度。

2.2 试验安装

在压力室底座上依次放进水石、试样、滤纸、透水石以及试样帽，将橡皮膜套在试样外，并将橡皮膜上、下两端分别与试样帽、底座扎紧，使其不漏水。最后装压力室罩，向压力室内注满纯水，排除残留气泡后，关闭顶部排气阀，将压力室顶部的活塞上端对准测力计，下端对准试样的顶部。

2.3 试样饱和与固结

饱和试样采用水头饱和的方法。首先对试样施加20 kPa围压，使橡皮膜与试样紧贴，将橡皮膜与试样之间的空气排出。打开与试样底部连接的进水阀门，使水在1.5 m左右的水头差作用下由底向上逐渐饱和试样，待试样顶部溢出水量与流入水量大致相等时，试样已完成饱和。试样饱和后关闭进水管阀门，对其施加试验所需的围压进行排水固结，当体变管读数稳定时，固结完成。进行剪切试验前，需保证管路内气泡全部排空，且使体变管水位处于合适位置，防止剪切过程中体变管中的水溢出。

3 试验结果及分析

3.1 不同砾石含量对散体物料强度特性影响

不同砾石含量试样的(σ1-σ3)-εa关系曲线见图1。可以得到，散体物料在相同含石量、不同围压下的(σ1-σ3)-εa关系曲线近似为几何双曲线，因散体物料主要为欠固结土，而没有明显的峰值强度，并且试样的应力强度随着围压的增加而增大；相同含石量下，因散体物料为物理硬化型曲线，各试样的偏应力(σ1-σ3)即便不增加，轴向应变也在增大；应力-应变曲线在含石量较小时，没有明显波动，但随着含石量的增大(尤其达到50%以上)，出现明显波动，这是因为随着压力的增加，砾石不断地移动、转动并调整其内部位置，即所谓的砾石“二次啃断”所致[6]。

根据试验结果，不同砾石含量各组试样的强度参数指标见表4。

从表4得出，随着含石量的增加，散体物料的黏聚力不断减小，而摩擦角则不断增大。当散体物料的含石量从15%增加到55%时，其内摩擦角从25°增加到34°，增加了36%。当含石量从15%增加到55%时，散体物料的黏聚力从41 kPa减小到7 kPa，减小了82.9%。当砾石尺寸相同时，随着砾石含量的增加，剪切过程中砾石之间的接触及相互咬合作用导致其内摩擦角不断增大，另一方面，因砾石含量增加，所含土的成分变少，黏聚作用相对变弱，所以整体黏聚力减小。

图1 不同砾石含量试样的(σ1-σ3)-εa关系曲线(碎石尺寸25～45 mm)■—200 kPa；●—400 kPa；▲—800 kPa表4 不同砾石含量散体物料的强度指标

含石量/%粒径/mmϕ/(°)c/kPa1525～4525413025～4528245525～45347

3.2 不同砾石尺寸对散体物料的强度特性的影响

不同砾石尺寸试样的(σ1-σ3)-εa关系曲线见图2。可以得到，散体物料的关系曲线近似为几何双曲线，应力强度随着围压的增加而增大，没有明显的峰值强度，为硬化型曲线；砾石尺寸不同，围压对峰值应力出现的位置影响较大，随着围压的增加，偏应力(σ1-σ3)达到峰值强度前的轴向应变增大；砾石尺寸不同，应力-应变曲线有明显的上下波动，主要是因为随着剪切位移的增加，砾石不断地移动、转动并调整其内部位置，互相咬合所致。

图2 不同砾石尺寸试样的(σ1-σ3)-εa关系曲线(砾石含量30%)■—200 kPa；●—400 kPa；▲—800 kPa

根据试验结果，不同砾石尺寸各组试样的强度参数指标见表5，其中，砾石含量30%、尺寸25～45 mm 的结果已在3.2章节试验中得出。

表5 不同砾石尺寸散体物料的强度指标

从表5得出,随着砾石尺寸的减小，黏聚力增大，而摩擦角减小。当散体物料的砾石尺寸从45～70 mm减小到10～25 mm时，其内摩擦角从31°减小到22°，减小了29%。当散体物料的砾石尺寸从45～70 mm减小到10～25 mm时，黏聚力从9 kPa增加到27 kPa，增加了200%。当砾石含量(30%)相对偏少时，随着土的成分相对变多，剪切过程中土的黏聚作用起主要作用，所以整体黏聚力增大，相对摩擦角减小。

3.3 原始级配散体物料的强度特性

根据原始取样部位的主要尺寸含量进行室内重新配比试验，得到(σ1-σ3)-εa关系曲线见图3。

根据试验结果，不同取样位置各组试样的强度参数指标见表6。

从表6得出，从台阶的上部到下部，散体物料的摩擦角逐渐增加，而黏聚力不断减小。上部散体物料含有土的成分多，黏聚力受土的胶结作用而变大，而下部散体物料含有的砾石和尺寸都大，剪切作用不断咬合，摩擦角自然呈增大趋势。该变化规律和上述散体物料受砾石含量和尺寸的影响规律一致[7]。

4 结 论

根据排土场散体物料的砾石含量和尺寸设计多组试验，得到相应的试验数据，进而分析了砾石含量和尺寸对散体物料的力学参数与变形特性的影响。

(1)排土场散体物料的(σ1-σ3)-εa关系曲线在几何形式上表现为近似双曲线，在物理形式上表现为硬化型曲线，主要因为排土场散体物料排弃后为欠固结岩土。

(2)当以应变量为15%对应的强度峰值得到力学参数时，散体物料的摩擦角随砾石含量和尺寸增大而增加，其黏聚力随砾石含量和尺 寸减小而增大，主要因为摩擦角受砾石“二次啃断” 而表现为增加，黏聚力受土相对含量增加及胶结作 用而明显增加。

图3 不同取样位置试样的(σ1-σ3)-εa关系曲线■—200 kPa；●—400 kPa；▲—800 kPa表6 不同台阶位置散体物料的强度指标

取样位置ϕ/(°)c/kPa上部2718中部2912下部373

含量和尺寸增大而增加，其黏聚力随砾石含量和尺寸减小而增大，主要因为摩擦角受砾石“二次啃断”而表现为增加，黏聚力受土相对含量增加及胶结作用而明显增加。

(3)排土场散体物料在较高台阶上自然滚落堆积，通过不同台阶位置的试验，从台阶的上部到下部，散体物料的摩擦角逐渐增加，而黏聚力不断减小。因此，对排土场台阶较高、物料含石量和块度不均匀时，将排土场台阶分为2层或3层，取不同的岩土强度参数进行稳定性计算是符合实际情况的。