不同堆置状态粗粒土剪切强度试验研究①

杜 俊， 程 涌， 冯国建， 徐艳伟， 刘和山

（1.昆明学院 建筑工程学院，云南 昆明650214； 2.云南亚融矿业科技有限公司，云南 昆明650093）

排土场的形成是采矿尤其是露天开采的必然结果。 排土场堆积体由露天开采剥离的废弃土石组成，且颗粒直径大于0.075 mm 的质量远超过全部土粒质量的50%，工程上称之为粗粒土［1］。 它的特征是碎散的颗粒状、颗粒之间常为泥质胶结，由于土颗粒大小不一、母岩成分各异，堆积过程中极易产生颗粒破碎和不均匀沉降变形。 大量粗粒土的堆积使得排土场成为一种巨型的人工边坡，受环境条件的影响，极易形成滑坡、泥石流等矿山地质灾害［2］。 当前，它已成为露天矿山的主要危险源之一，其稳定性是矿山安全管理的重点。

排土场边坡稳定性主要受排土体力学特性与排土工艺参数的影响。 排土场边坡破坏是一种类土质边坡的圆弧滑动，边坡抗剪强度指标是客观分析与评价排土场稳定性的重要依据［3］。 其中，室内试验与现场原位试验是确定排土体抗剪强度指标的常用方法，室内采用直接剪切和三轴压缩，现场采用原位剪切和水平推剪［4］。 室内试验可进行不同影响因素的对比，较为灵活；原位试验更接近现场实际，但受粒度组成分布的空间差异性影响，试验数量开展有限，并且试验成本较高，大规模开展受限。 已有研究成果表明，排土场粗粒土力学特性十分复杂。 一方面，堆积过程中，土体粒度分异性显著，具有底部粒度大、顶部粒度小的特点［5-6］。另一方面，荷载作用下，土体具有颗粒破碎、剪胀（剪缩），以及应力⁃应变硬化和软化等特性［7-9］。 鉴于排土体强度参数的空间变异特征，要从整体上对其强度参数进行准确取值十分困难。 本文选取海口磷业排土场粗粒土为研究对象，基于排土场终排、在排、不同堆置高度设计试验方案，分析不同堆置条件下排土体的强度参数，以期为现场生产提供有益指导。

1 海口磷业排土场概况

矿区为中山侵蚀地貌，地形总体中部高、四周低。香条冲背斜是场地内主体构造，矿区又位于香条冲背斜北翼中段次一级平缓背斜的两翼。 矿山结合采剥进度主要实施内排土作业，采用“汽车⁃推土机”联合、分台阶排土。 排土场地基岩石为下层矿石底板，由灰白色、灰黑色薄至中厚层、厚层状硅质白云岩组成，岩层倾角小于10°、厚度大于300 m，地层稳定。 排土体由第四系残积土、坡积土与黑灰色中厚层状泥质粉砂岩混合排放组成。 排土场底部基岩面高于地下水位及当地最低侵蚀基准面，大气降雨为场地来水的唯一因素，由于场地内布置有完善的排水系统，来水均可自流排泄，场内无积水。

当前，矿区共形成了4 个排土区域：北端部排土场（终排，堆置高度120 m，已复垦）、一采区内排土场（在排，堆置高度90 m）、三采区内排土场（在排，堆置高度60 m）以及四采区内排土场（在排，堆置高度20 m）。

2 试验方案设计与实现

2.1 试验方案设计

海口磷业北端部排土场已形成永久边坡，堆积时长超过5 年，排土体固结沉降充分，边坡具有长期稳定性，其强度参数易选取有效应力指标。 一采区、三采区和四采区内排土场仍处于在排阶段，排土强度大，排土体固结沉降尚未完成，其混杂的残积土、坡积土透水性差，故排土体强度参数应选取总应力指标。 考虑到不同堆置高度的影响，在排排土场底部、中部、顶部排土物料荷载条件不同，应分别开展低压、高压直接剪切试验，由此来确定不同堆置高度土体的强度参数。 试验方案设计见表1。

表1 排土场粗粒土抗剪强度试验方案设计

2.2 试验仪器

三轴压缩和直接剪切试验在昆明学院岩土工程研究中心完成。 三轴压缩试验采用DJSZ-150 大型粗粒土动静三轴试验机。 该仪器包括5 部分：围压伺服系统（0～3 MPa）、动静加载系统（轴向静态荷载1 500 kN）、孔压测量系统（精度1%FS）、体变测量系统（精度1%FS）和数据采集系统，可进行常规三轴试验，也可实现不同应力路径试验。 允许试样尺寸Φ300 mm × 600 mm，最大轴向荷载1 500 kN，最大围压可达3.0 MPa。

直剪试验采用DHJ-30 型粗粒土叠环剪试验机。 试验机采用板式框架结构，主机尺寸2 000 mm × 800 mm ×1 400 mm，配有干湿循环系统，可实现土样自然、饱和、干湿循环状态下的直接剪切与叠环剪切；轴向荷载及水平推力均用荷载传感器测定，最大轴向加压300 kN，最大水平推力300 kN，力传感器分辨度0.1 kN。

2.3 试验方法

文献［10］表明：当D／dmax＝4 ～6 时才能基本消除试样的尺寸效应，其中D为三轴压缩试样尺寸或直接剪切盒直径尺寸，dmax为试样的最大颗粒尺寸。 本文采用的三轴压缩和直剪试验机装样直径均为300 mm，高度分别为600 mm 与240 mm，最大允许装样颗粒粒径60 mm。 试验前，采用质量梯度控制方法测定现场土体颗粒级配，并依据等量替代法对现场级配进行缩尺处理［1］，试验级配见图1。

图1 土体筛分颗粒级配累积曲线

对现场采集的土样进行风干、筛分，依据试验级配，秤取土料，并按照天然含水率3.6%喷洒适量水后搅拌均匀，平均分成5 份（三轴压缩）或3 份（直剪）装入闷料桶中，静止闷料24 h。 控制干密度终排土样2.17 g／cm3（三轴压缩）和在排土样2.08 g／cm3（直剪），分层装样、击实，层间需要刮毛处理，且严格控制试样的填筑密度。 试验操作按照《土工试验方法标准》（GB／T 50123—2019）执行［11］。 试验加载采用应变控制方式，三轴压缩试验剪切速率设定为1 mm／min，直剪试验采用快剪。 试验中，土样剪切位移达到试样尺寸15%，即认定为试样剪切破坏。

3 试验结果分析

3.1 三轴压缩试验结果

3.1.1 应力应变特性分析

土样固结排水试验偏差应力⁃轴向应变关系曲线见图2。

图2 固结排水试验偏差应力⁃轴向应变曲线

由图2 可见，应力⁃应变曲线并不平滑，局部有波动，但整体趋势显著，这是因为粗粒土常以颗粒接触，剪切中颗粒接触点易产生应力集中，局部应力超过颗粒接触强度且棱角破碎，引起应力与应变的波动，随后在压力作用下产生新的定向排列，宏观上表征为应变继续发展。 试验中，土体峰值主应力差（σ1-σ3）随着围压σ3增加而增大。 低围压（σ3＝200 kPa）条件下，土体达到峰值强度后，其强度基本保持不变。 中高围压（σ3＝400 kPa、600 kPa、800 kPa）条件下，土体应力⁃应变曲线均呈现出弱硬化特征，直到应变达到15%破坏时，应力仍在增加，但应变大于9%之后，其强度增加变得非常缓慢。 其原因是，土体剪切初期，颗粒间几乎没有相对移动，以弹性变形为主；之后由于颗粒排列接触紧密，部分颗粒之间产生翻滚、摩擦，需要克服较大的咬合力，表现出较高的抗剪强度。 低围压时，颗粒间产生翻滚之后，土体结构变松，抗剪强度基本保持不发生变化或略有减小。 中高围压时，颗粒接触点发生破碎，细颗粒填充至原有孔隙中，使结构变得更加紧密，且仍然能够承受较大的应力。

3.1.2 变形特性分析

土体固结排水试验体积应变与轴向应变关系曲线见图3，图中以体积缩小为正。

图3 固结排水试验体积应变⁃轴向应变曲线

分析图3 可知，各围压下，在土体轴向应变的初始阶段，其体积应变均为正，土体产生剪缩；随着轴向应变增加，体积⁃应变曲线出现拐点后向体积增大方向发展。 低围压（σ3＝200 kPa）时，体积应变在轴向应变6%后就变为负值，土体出现剪胀。σ3＝400 kPa，土体轴向应变10%之前剪缩，之后产生剪胀。σ3＝600 kPa、800 kPa 时，土体不出现剪胀。 因此，低围压下，土体先剪缩、后剪胀；高围压下，土体以剪缩为主。 其原因是，土体等向固结排水后，其内部仍然存在一定数量的孔隙，剪切初始阶段，轴向荷载增加，土体被压密，孔隙水被排出，土体体积减小，产生剪缩。 随着轴向荷载继续增大，颗粒之间逐渐产生翻滚、咬合，土体体积呈现体胀趋势。 低围压时，试样径向应力限制小，加之土颗粒刚度较大，颗粒间机械作用更为显著，土体体积变化强烈，直至剪切破坏，土体呈现剪胀。 高围压时，试样径向应力限制较大，随着轴向荷载逐渐增大，颗粒在翻滚、摩擦、咬合作用中逐步产生破碎，破碎的细小颗粒进一步填充至大颗粒孔隙中，直至剪切破坏，土体仍然呈现剪缩。

图3 中曲线拐点是土样剪切中颗粒紧密向颗粒翻滚变化的开始。 对比图2，体积应变曲线拐点与强度峰值对应的轴向应变不同，体积应变拐点先于强度峰值出现。 这表明颗粒间产生翻滚的过程中，颗粒间的咬合一直存在，抗剪强度持续增加，当翻跃结束后，颗粒破碎、颗粒接触结构也发生调整，此时土体抗剪强度充分发挥。

3.2 直接剪切试验结果

排土体快剪应力⁃位移曲线见图4～5。

图4 低压剪切试验剪应力⁃剪切位移曲线

图5 高压剪切试验剪应力⁃剪切位移曲线

由图4 可知，土样低压（竖向荷载100 ～400 kPa）剪切中，其“爬坡强度”出现在剪切位移10%前后，峰值强度出现在剪切位移20%～30%，峰值强度后，土样剪切强度呈现弱化趋势。 “爬坡强度”是指岩土体正在或已经产生破坏时的强度，表征为竖向加载压力表指针抬升时对应的强度值。 低压条件下，土体强度弱化是由于剪切面上的土石颗粒咬合力弱，较小的水平推力即可使得土体产生较大的剪切位移，土体剪切面上的大粒径块石在翻转、摩擦、剪断过程中，土体剪切强度逐步达到峰值，且土体剪切位移迅速增大，剪切强度逐渐下降，直至土体产生整体剪切破坏。

由图5 可知，土样高压（竖向荷载600～1 200 kPa）剪切中，“爬坡强度”出现在剪切位移20%前后，峰值强度出现在剪切位移30%～40%，随着剪切位移逐步增大，土体抗剪强度无弱化趋势，基本保持恒定的强度特征；当垂直荷载增至1 200 kPa，土体在剪切后期呈现微弱的硬化特征。 其原因是，增大竖向荷载，土样剪切面上的土石颗粒相互啮合，且咬合力较大，水平推剪力在短时间内迅速增大。 相比低压状态，高压条件下土样剪切面相互咬合的块石颗粒较难产生翻转、摩擦，更多的是发生剪断，试验中能清晰地听到块石断裂的声音，当剪切面上的大粒径块石剪断后，由于垂向压力保持不变，剪切面仍然处于紧密状态，水平推剪力未出现减小，土样在较为恒定的水平推剪力作用下，剪切位移逐步增大至土样完全剪坏。

4 排土体强度与变形分析

4.1 抗剪强度参数的变化

排土场是典型的离散颗粒集合体，易发生剪切破坏。土体是否达到剪切破坏状态，除了取决于它本身的性质外，还与所受的应力组合密切相关［12］。 这种破坏时的应力组合关系称为破坏准则。 目前被认为较能拟合试验结果、为生产实践所广泛采用的破坏准则是莫尔⁃库伦准则：

式中τ为剪切应力，kPa；σ为主应力，kPa；c为土体黏聚力，kPa；φ为土体内摩擦角，（°）。

整理试验数据，分别绘制三轴压缩与快剪土体的抗剪强度包络线见图6～7。

图6 终排土体固结排水剪切强度包络线

图7 在排土体抗剪强度曲线

分析图6～7 可知：①终排土体黏聚力指标均大于在排土体黏聚力指标，其原因是终排土体固结排水充分，土体填筑密度大，颗粒集合体接触充分，在剪切破坏时颗粒之间的咬合、翻滚、摩擦作用强烈，故机械作用力较大，进而宏观黏聚力大于新近排土体。 ②就在排土体快剪试验结果而言，堆高20 ～60 m 土体相比堆高60～90 m 土体，黏聚力偏小、内摩擦角偏大。 这是由于堆高20 ～60 m 土体受压荷载小，剪切破坏中，剪切面上的颗粒破碎滞后于块石间的相互摩擦、抬升、翻转，土体剪胀、结构疏松，块石间的机械咬合作用力减小，摩擦作用显著。 堆高60 ～90 m 土体受压荷载较大，剪切破坏中土体剪切面上颗粒首先发生剪断或颗粒破碎，大颗粒逐渐变小，块石间的翻滚、摩擦减弱，孔隙体积减小，剪切面土样更为密实，颗粒间的机械作用力增强。 ③相比而言，三轴压缩试验确定的土体黏聚力偏大，内摩擦角偏小。 其原因大致是，直剪试验是侧限条件下的水平推剪，土样受剪切盒刚度约束，块石颗粒只能产生竖向的抬升、翻转、咬合与摩擦作用，并不能产生侧向的变形；三轴压缩试验土样周围是一层弹性橡胶膜，土样在垂直荷载压缩条件下，不仅产生竖向变形也会产生侧向变形，而剪切过程中侧向变形的增加使得土体体积增大，剪切面积增大，相同压应力条件下，土体强度增加。 ④不同堆置状态下，排土体抗剪强度指标取值不同。 排土场边坡稳定性分析应综合排土条件，选取不同的土体抗剪强度指标。

4.2 宏观变形机制的分析

排土场粗粒土典型的“土⁃石”二元混合结构，及其在工程尺度上表征的颗粒聚合堆积特征，使其更容易在荷载作用下发生破坏。 一方面，排土场堆土增高、荷载增大，碎散的土体颗粒之间受荷载作用产生孔隙的闭合，由于土颗粒的刚度较大，逐步增加荷载，颗粒之间发生摩擦、翻滚、咬合，直至荷载足够大时产生碎裂。另一方面，土体颗粒尺度上表征出的一系列荷载响应，又进一步反馈在土体材料尺度上，使得土体结构特征不断发生变化（剪缩或剪胀），应力状态随之改变，抗剪强度在土体内部呈现出各向异性，从而导致宏观工程尺度内部逐渐产生剪裂面，随着剪裂面上绕石、穿石现象加剧，地质体形成不可恢复的变形，最终发生滑动和流动破坏。

5 结 论

1） 排土场终排土体固结排水充分，宜选取有效应力指标；在排土体施工速度快，固结排水不充分，宜选取总应力强度指标。

2） 终排土体固结充分，土体填筑密度大，其三轴压缩试验应力⁃应变曲线表征为先弹性后屈服再弱硬化的特点。 其体积⁃应变曲线有拐点，低围压时先剪缩后剪胀，高围压时主要以剪缩为主。

3） 堆高20 ～60 m 在排土体，抗剪强度曲线呈现弱化趋势，土体爬坡强度在剪切位移10%前后出现，峰值强度在剪切位移20%～30%之间；堆高60 ～90 m在排土体，随着剪切位移逐步增大，颗粒被剪断、剪切面接触紧密，直至剪切破坏，土体强度基本保持恒定或略有增长。

4） 不同堆置状态排土体抗剪强度参数取值各不相同。