排土場散體物料強度對邊坡潛在滑動面的影響

張 春 吳 超(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 23000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 23000；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 23000；.馬鞍山市開發區管委會，安徽 馬鞍山 23000)

排土場散體物料強度對邊坡潛在滑動面的影響

張 春1，2,3吳 超4
(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4.馬鞍山市開發區管委會，安徽 馬鞍山 243000)

高臺階或超高臺階排土場的散體物料塊度分布呈現明顯的粒徑分級特征，物料強度力學特性隨塊度布組成不同而發生顯著變化。通過室內直剪試驗揭示排土場散體物料強度參數C、φ與塊度組成規律。在此基礎上，應用強度折減法，通過對排土場采取逐級分層的方式，研究其強度參數隨高度變化時的邊坡潛在滑動面及安全系數變化趨勢。試驗與數值模擬研究表明：其內摩擦角隨粗顆粒含量的增多而不斷增大，并呈現線性關系；黏聚力呈曲線變化，其總體變化趨勢是不斷減小的；邊坡潛在滑動面隨著散體物料分層的不斷細分，潛在滑動面出口位置不斷向上抬升，塑性區不斷向上擴展，最終呈現穩定狀態；安全系數隨著層數的增加逐漸減小，減小到一定數值(1.125左右)后，隨著層數的增加，安全系數又出現一定上升，但變化趨勢趨向穩定。

強度特性 潛在滑動面 強度折減法 安全系數

露天礦排土場是堆放剝離廢巖(土)的場所。目前，我國大部分露天礦山已進入深凹開采階段，對排土場的容積要求不斷增大，為減少礦山排土場占地，節約資源，排土場段高不斷加大。然而，高臺階排土場不同于一般的土質邊坡，其具有一個突出特點：排土場堆積散體具有明顯的粒級分級特征。因此，其力學特性隨排土場高度也是變化的，受堆排時間和自然固結密實的影響，散體介質破碎，力學強度隨之發生了改變。另一方面，由于目前技術條件的限制，科研設計人員在排土場強度參數取值時，往往依據實驗室數據同時并結合類似材料的經驗值綜合考慮，這將可能導致人們搜索到的最危險滑動面可能并不是真正意義上的臨界滑動面，邊坡中次級滑動面也可能不滿足設定的安全系數，甚至在邊坡破壞分析中起控制作用。因此，深入研究排土場散體介質強度特性隨排土場塊度組成的變化規律以及邊坡內部潛在滑動面、安全系數隨其變化對排土場規劃設計將有重要意義。

1 直剪試驗方案和方法

1.1 試驗方案

本次采用室內剪切試驗。試樣均取某采場剝離的廢石和地表的第四世紀土的混合散體物料，取樣質量總計約1.5 t。試驗采用應力控制式大型直剪剪切儀,將粗顆粒的含量分為6個等級，分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%，共6組。根據郭慶國等人的研究[1-5]，粗細顆粒的區分以5 mm界限粒徑比較適合，即小于5 mm為細粒土，大于5 mm為粗粒土，大于60 mm作為超粒徑顆粒，將以等量代替法的方式加以處理，其級配方案如表1所示。

表1 級配組成Table 1 Grading composition

1.2 試驗方法

本次試驗的軸向荷載加載級別為100、200、300、400 kPa 4個等級。在施加預定的軸向載荷后，記錄垂直、水平千斤頂、變形計等的讀數。隨即開動水平千斤頂，施加水平荷重，每30 s測讀水平變形計和垂直變形計的讀數，起始水平荷重按垂直荷重的7%～10%施加。當某級水平荷重下的剪切位移超過前一級剪切位移的1.5～2.0 mm/min時，改為按5%施加。每施加一級水平荷重，測讀垂直和水平變形記一次數據。

當水平荷重讀數不再增加或剪切變形急驟增長，即認為已剪壞。若無上述兩種情況出現，可控制剪切變形達試樣直徑1/15～1/10,方可停止試驗。應控制試樣在5～10 min內達到剪切破壞。試驗結束后，對剪切面做簡要描述，取剪切面附近的試樣，測定其剪切后含水量與顆粒級配。

1.3 應力-應變特性分析

排土場散體物料的抗剪強度是其重要的力學性質之一，反映了土體抵抗剪切破壞的能力，通過直剪實驗可以揭示其力學特性變化規律；特選取粗顆粒含量分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%這6組直剪實驗數據，限于篇幅，只選取30%、75%這組應力-應變關系曲線予以說明。

圖1 剪應力與剪切位移關系曲線

2 試驗結果分析

從圖1中可以看出其應力-應變曲線不十分光滑，在局部地區存在一定的波動現象，但其總體趨勢比較明顯，在試驗初期，初期階段排土場散體物料中的接觸點處的摩阻力較小，其顆粒相互之間發生擠壓、滑動，壓縮系數逐漸變小，因而初始加載階段的變形加大，近似呈現直線。因此，該階段為屬于彈性變形階段，隨著軸壓繼續增大，物料顆粒繼續重新排列、滑動，達到一個新的平衡過程，這一過程在宏觀上表現為變形持續發展，這時物料處于初始屈服階段,該階段曲線較為平緩,松散物料中粗細顆粒首先達到屈服度。

最終，松散體骨架中充填成分細顆粒的進一步破壞,使得物料中原本沒有接觸的大粒徑塊石和碎石發生接觸,不同粒徑顆粒的相互咬合、摩擦導致物料強度的再次增加,直至達到完全破壞。

2.1 塊度組成與強度參數C、φ關系

巖石塊度對于排土場的力學性質和穩定性具有重要的影響，顆粒越小則強度越低，所以在評價排土場穩定性狀態時，除了在巖性、水文地質條件和地基條件外，更要研究排土場的巖石塊度構成及其分布規律。礦山排土場散體物料在堆排過程中，受其重力影響作用下產生明顯的粒徑分級特征，其力學特性也隨之變化，為研究其塊度組成對其強度參數C、φ的影響，通過對不同的粗顆粒含量來加以分析。由σ-τ關系曲線圖，根據摩爾-庫倫準則：τ=σtanφ+C，用最小二乘法進行線性回歸得出散體試樣的抗剪強度參數見表2。

表2 試樣抗剪強度參數Table 2 Shear strength parameters of the sample

2.2 粗顆粒含量與內摩擦角之間關系

如圖2所示，其φ值與粗粒含量P>5 mm總體呈線性關系。這是由于粗粒土的內摩擦角值主要受物料組成級配的影響。當粗粒含量P>5 mm較小時，細骨料充填散體物料之間的相互孔隙，導致粗顆粒之間不能充分接觸咬合，因此φ值較小；但隨著粗骨料含量P>5 mm的不斷增多，顆粒之間形成骨架結構，使粗顆粒之間得到充分的接觸、滑移、咬合，物料之間摩阻力增大，使得內摩擦角值不斷增長。

圖2 散體內摩擦角隨粗顆粒含量變化關系

2.3 粗顆粒含量與黏聚力之間關系

如圖3所示，其黏聚力C值隨著粗顆粒含量增多，呈現先減小后增大，之后隨著又減小的特征。黏聚力C減小的原因是隨著細顆粒的減少，粗顆粒之間相互間隙比較大，但沒有足夠的細顆粒來填充，導致物料塊度相互之間不能充分接觸和咬合，因此C值減小；之后出現增大的趨勢是因為當粗骨料和細骨料各50%的時候，物料的組成骨架優良，密實程度較高、使得孔隙率變得比較小，粗細料之間咬合接觸的比較好。

圖3 黏聚力隨粗顆粒含量變化的關系

3 邊坡潛在滑動面

排土場散體物料由于在重力的作用下產生粒徑分級現象，其塊度分布總體呈現細顆粒大多在排土場上部，大塊巖石則集中在排土場底部，中間部位各種塊度參差不等，但以中值塊度居多的特征。因此，其力學特性隨塊度的不同也是變化的，為研究其給邊坡潛在滑動面的影響，通過ANSYS軟件[6-8]建立起數值模型并導入FLAC3D中，采用FLAC3D中的強度折減法命令流(二分法)對邊坡進行計算。由于排土場堆高達105 m，其力學特性隨其高度變化比較大，故本研究采取依次對排土場散體物料進行逐級分層(等分)方式，即將其分為3層、4層、5層、6層、7層、8層、9層(限于篇幅，只選取3層、6層、9層進行說明)，直到潛在滑動面和安全系數相對穩定為止，每層強度參數值根據圖2、圖3擬合的塊度組成與強度參數之間的關系式選取(具體見表3)，從而研究排土場強度參數隨高度變化時，邊坡中潛在滑動面的發展狀況以及安全系數變化規律，其剪切應變增量圖、塑性區分布見圖4，安全系數見圖5。

結果分析如下。

(1)潛在滑動面。從排土場剪切應變增量圖、塑性區發展可以看出：當排土場散體物料分為3層時，邊坡潛在滑動面的出口從第3層的節點略向下滑出，塑性區相類似，隨著排土場分層數的增加，潛在滑動面出口位置不斷向上抬升，塑性區不斷向上擴展，但當分層數為6層時(每層約為17 m)，即使層數增加，排土場滑動面的剪出口位置趨向穩定，塑性區也趨向于穩定，兩者變化都很小，其潛在滑動面位置總體位于第1、2層物料之間，入口位置總體保持不變。邊坡破壞總體呈現局部破壞，不會發生整體性破壞，但總體都處于穩定狀態，邊坡的破壞方式呈現近似圓弧狀，與極限平衡法計算結果相類似。

表3 每層強度參數值
Table 3 Strength parameters value of each layer

層號C1φ1C2φ2C3φ3C4φ4C5φ5C6φ6C7φ7C8φ8C9φ93層12.325.110.730.79.136.34層12.524.411.128.610.632.88.737.05層12.72411.027.410.930.710.733.88.837.76層12.823.710.926.510.728.811.032.110.334.98.438.07層13.023.511.325.910.828.311.230.711.133.110.235.58.438.28層13.222.311.625.510.927.610.927.610.929.711.031.710.835.98.338.39層13.323.311.825.110.82710.628.811.130.711.232.610.634.49.736.37.138.4

圖4 排土場散體物料分層模型、剪切應變增量、塑性區分布

圖5 安全系數與物料分層之間關系式

出現上述原因主要是由于排土場在重力作用下，其塊度組成呈現出比較明顯的粒級分級特征，細顆粒物料大多在排土場上部，塊度較大的物料則集中在排土場下部，中間部位粗細物料相對均勻；與此同時，通過篩分試驗可知，排土場粗顆粒含量隨著高度的增大而不斷增多；另一方面，由室內直剪試驗得出，內摩擦角與粗顆粒含量呈正比關系，黏聚力變化趨勢總體上隨著其增多而減小。所以在排土場頂部，其強度參數相對比較小，故其潛在滑動面位置總體處于排土場中上部而沒有向排土場底部發展。當土層劃分為6層之后滑動面發展出現了相對停止狀態，這主要是由于隨著排土場土層不斷地被細劃，每一土層變得越來越薄，其塊度組成變化相對比較小，故其強度參數不會發生明顯的變化，導致其滑動面位置和形態趨向于穩定。

(2)安全系數。從圖5可以看出，在層數分為2～4層時，安全系數隨著層數的增加逐漸減小，之后，隨著層數的增加，安全系數又出現一定上升，但變化趨勢趨向穩定(當排土場被劃分為5層時，即每1層高約為21 m)。這主要是由于在前期排土場潛在滑動面位置位于中部，此時，粗顆粒含量占多數，導致其內摩擦角相對黏聚力而言起主導作用。所以在前期，安全系數隨層數的增加而不斷減小；在后期，潛在滑動面位置主要處于排土場頂部，由于排土場頂部細顆粒含量居多，導致黏聚力起主導作用，故其安全系數出現一定的增長；之后，隨著排土場土層不斷地被細分，其塊度組成變化相對比較小，故強度參數不會發生明顯的變化導致其安全系數相對穩定。邊坡潛在滑動面的發展也從側面證實了該結論的合理性。出現局部的波動可能是由于網格的劃分、強度參數黏聚力(曲線變化)的近似選取等因素所導致。

4 結 論

(1)排土場散體物料內摩擦角隨粗顆粒含量的增多逐漸變大，呈正比關系，擬合關系式為：與y=22.83x+21.51；黏聚力C值隨著粗顆粒含量增多，呈現先減小后增大，之后隨著又減小的特征，但變化的趨勢總體是減小的，中間出現起伏的主要原因是受散體物料密實度的影響,擬合關系式為：y=-65.98x3+71.63x2-26.16x+14.35。

(2)排土前期，排土場剪出口位置不斷向上抬升，且潛在滑動面發展相比安全系數表現出一定的滯后性。隨著排土場層數的增加，排土場物料塊度組成變化趨于穩定，剪出口位置也趨于穩定，入口位置總體保持穩定(排土場被劃分為6層時，即每層約為17 m)，其破壞模式呈近似圓弧狀。安全系數變化趨勢先減小后增大，最終也趨向穩定，這體現了與潛在滑動面發展的一致性。

排土場分層區間存在一定的規律性，即在潛在滑動面和安全系數變化總體呈穩態時，劃分層數比較合適。該結論對類似排土場合理、正確分層以及物料取樣提供參考，也為排土場的合理規劃設計以及穩定性分析奠定基礎。

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(責任編輯 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

張 春(1985—)，男，碩士,助理工程師。

文獻標志碼 A 文章編號 1001-1250(2015)-01-133-05