露天礦排土場土石混合體K0系數試驗研究

楊福卿，陸 翔，周 偉，田 涯，王晉輝，才慶祥

(1.昆明煤炭設計研究院，云南 昆明 650011；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

露天煤礦開采實質為巨型規模的土石方移運工程，按照一定的程序和方法將采場內煤層上覆的土巖進行松碎，采裝，運輸，排棄形成了排土場。排土場物料在自然環境與堆載載荷作用下固結、膠結、重塑，產生了與原始松散體不同的物理力學特性[1]，巖土力學性質與原巖應力分布影響著邊坡的穩定性[2]，邊坡穩定與否影響著露天煤礦的安全生產與經濟效益[3]。排土場形成過程實則為剝離物的側限堆積，類似土體K0固結過程，靜止側壓力系數K0值是重要參數，K0系數直接影響著固結過程中的力學特性和變形特征[4]。

K0系數的研究可以借鑒傳統土力學研究方法。高彥斌[5]以上海軟黏土原狀土樣和重塑土樣為研究對象，得到了不同固結剪切試驗下的強度關系，揭示出兩種土樣的不同結構對K0正常固結軟黏土強度比的影響；劉清秉[6]在常規固結儀上開展側限膨脹試驗并采用GDS三軸試驗儀進行恒定偏應力差的三軸膨脹試驗，獲得了考慮初始壓實度、含水率、上覆壓力耦合關聯影響的K0膨脹模型；陳存禮等[7]用K0固結儀對不同含水率原狀黃土進行了K0固結試驗，分析了軸向應力及含水率對側向應力及K0系數的影響，提出了靜止土壓力系數K0與軸向應力及含水率的關系表達式，揭示了土體K0系數不是常數。另外，一些學者還對K0條件下土體在動剪切、加卸載、大型模型及溫度梯度情況下的力學特性進行了研究，取得了較為詳實的研究成果[8-12]。目前，對于單純土體的K0固結研究成果較為豐富，而針對重塑土石混合體的K0固結研究較少。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗材料及試驗設備

本次試驗土石混合體試樣中的土體和塊石均取自哈爾烏素露天煤礦排土場的黏土和砂巖。固結后的試樣尺寸參考巖石標準試樣尺寸，為?50mm×100mm，黏土直徑小于2mm，塊石為5～8mm，含石率50%，含水率15%。

分級加載試驗采用WG型單杠桿固結儀，連續加載固結試驗采用全自動室內巖土靜三軸儀，試驗儀主要由GDS壓力架、三軸壓力室、壓力系統和GDSLAB軟件4部分構成，最大軸壓為50kN，最大圍壓為3MPa。可以進行等向固結試驗、K0固結試驗、三軸固結不排水剪(CU) 、三軸固結排水剪(UU)試驗等。該設備采用伺服電機壓力/體積控制器施加圍壓與反壓，控制精度為總量程0.1%。

1.2 試樣制備及試驗思路

1)將現場取樣的黏土和塊石進行破碎，過篩。

2)將松散土石混合體按照一定配比與含水率均勻混合，在單杠桿固結儀上進行不同壓力下的分級加載固結，成樣。初期固結壓力Pc設置為0.2MPa，0.5MPa，1.0MPa，2.0MPa。

3)對初步固結的試樣進行切削打磨制備得到?50mm×100mm標準試樣。

4)將試樣置于真空飽和器中飽和12h，將完全飽和的土石混合體試樣安裝在GDS試驗儀上，然后選擇K0固結模塊，開始試驗。

分級加載固結試驗的主要目的是為了制備土石混合體標準試驗并進行土石混合體力學特性的分析，初期固結試驗中不同固結壓力的選擇模擬的是排土場不同埋深的物料的固結壓力，GDS中進行的連續加載固結試驗是為了得到土石混合體材料固結過程的應力、位移及K0系數的變化規律。

2 試驗結果分析

傳統土力學中K0系數定義對應的取值方法有：總應力法、有效應力法及有效應力增量法。總應力法定義的K0系數為：

K0=σh/σv

(1)

式中，σh為水平向總應力，MPa；σv為豎向總應力，MPa。

有效應力法定義的K0系數為：

有效應力增量法定義的K0為：

本試驗得到的K0值均采用有效應力法計算值。在試驗過程中，為了保證GDS三軸固結儀乳膠膜和試樣的貼合以及前期進行的飽和度試驗結果，在試樣進行連續加載K0固結試驗前先給予試樣一定的圍壓，使試樣在開始固結時已經存在了一定的總應力和較小的有效應力。總應力定義法選取的是總的徑向應力與軸向應力比值，由于初始施加的圍壓也對其取值有非常大的影響，故首先排除此種取值方法。在前期固結壓力較小的低固結壓力段，有效應力法和有效應力增量法得到的K0值較為相近，而對于前期固結壓力較大的高固結壓力段，有效應力增量法得到的K0值要比有效應力法得到的明顯大一些。由于土石混合體并不是由單一物料組成的，其波動性性較大，所以曲線在二次固結壓力階段較為離散，線性程度不是很高，采用有效應力增量法所受影響較大，土石混合體K0系數均通過有效應力法得到。

2.1 正常固結段K0

圖1 不同初期固結壓力下試樣的的關系曲線

不同先期固結壓力下的K0系數如圖2所示。由圖2可知，初期固結壓力為0.2MPa的試樣在正常低壓固結階段K0值約為0.454，初期固結壓力為0.4MPa的試樣在正常低壓固結階段K0值約為0.432，而對于初期固結壓力為1.0MPa的試樣，其在正常固結階段，K0值隨有效軸壓的增大緩慢上升，K0值約為0.415，對應規律可用擬合公式(4)表示。

K0=0.3519+0.00004x

(4)

式中，x為固結壓力，kPa。

圖2 不同先期固結壓力下的K0系數

初期固結壓力為2.0MPa試樣正常固結階段K0值約為0.415。

由三軸剪切試驗得到此次土石混合體的有效內摩擦角φ′為33.98°，帶入適用于黏土的K0系數計算經驗公式[13]：

K0=1-sinφ′

(5)

計算得到K0系數為0.441，與低固結壓力(如0.2MPa、0.4MPa)試樣正常固結K0值基本吻合，而相比初期固結壓力較大(如1.0MPa)試樣的正常固結階段K0值偏大。所以，對于初始固結壓力較小試樣的低固結壓力階段，黏土K0經驗計算公式(5)是比較適用的。這是由于當前期固結壓力較小時，土石混合體內部本身孔隙較多，結構較為松散，物料顆粒的運動互相阻礙的影響較小，從而試樣特性表現與粘土相似。

圖3 初期固結壓力為0.2MPa試樣的關系曲線

圖4 初期固結壓力為1.0MPa試樣的關系曲線

通過有效應力比得到的每一點比值，按加載時的有效軸壓依次排序，先期固結壓力為0.2MPa和1MPa試樣的K0系數如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，在曲線“拐彎”后，圖5近似平穩的水平直線，而圖6則緩慢上揚。

圖5 先期固結壓力為0.2MPa試樣的K0系數

圖6 先期固結壓力為1.0MPa試樣的K0系數

2.2 K0系數變化原因分析

初期固結壓力大小的不同造成了K0系數變化規律的不同。先期固結壓力較大的試樣，軸向加壓開始時，其內部形成的穩定結構能夠抵抗相對較強的外力，軸向應變較小，通過內部的擠壓和力的傳遞造成的徑向應力和應變也相對較小。

隨著軸向應力的進一步增大，試樣抵抗變形的能力逐漸減弱，徑向應力增加速率相應地加快；先期固結壓力較小的試樣，結構強度較小，抵抗變形的能力較差，內部變形和力的傳遞較為“敏感”，所以有效軸向和徑向應力就會以較為恒定的速率增加。

土力學研究范疇多限于單一土體，自然界中土大多存在于地表表層，所以通常對土體固結規律研究中其軸向應力上限較小，大約在1.0MPa左右，模擬現實深度約為50m。露天煤礦排土場為人工堆積形成的，高度可達200m左右，其底部對應的軸向應力可達到4.0MPa左右，因此在土石混合體固結試驗中加載載荷要比傳統土固結加載載荷大。

土石混合體試樣在經過初次成樣固結之后，本身已經具有了一定的結構性，相對純粘土來說，塊石的加入使其結構性更強。所以當試樣進行二次固結時，從有效軸壓和圍壓相等的情況開始K0固結，只要開始固結的有效圍壓小于先期固結壓力且加載速度及其他試驗條件相同時，土石混合體自身已有的整體結構性就會得到體現，K0系數曲線中的“轉彎”區域幾乎為同一區段，之后的K0系數圖像將穩定不變或較為平穩地變化。而這一區段幾乎不受先期固結壓力和自身處于正常固結或超固結階段的影響，其值是大致固定的，只與土石混合體組成及二次固結的加載速度有關。

2.3 初期固結壓力對K0系數的影響

通過計算不同初期固結壓力下試樣連續加載固結各階段K0系數的平均值能夠更加直觀地體現K0系數的規律特點，如圖7所示。

圖7 不同初期固結壓力下的K0系數平均值

在超固結階段各試樣K0系數的平均值均是各自不同階段的最大值，因為試樣是從具有一定有效圍壓的初始狀態開始固結的，有效圍壓會有一個緩慢上升的階段，此階段內K0值較大，導致K0系數的均值也偏大。而初期固結壓力為0.2MPa試樣超固結階段的K0均值明顯高于其他試樣，這是因為該試樣超固結階段均在結構應力重塑區之前，該區段處在應力調整及有效軸向應力和有效徑向應力從相等到差距迅速拉大階段。

初期固結壓力較大的試樣在正常固結階段的K0均值比正常固結階段開始后0.5MPa內的均值大，是因為試樣在較大固結壓力階段會出現K0系數不斷增大的情況。0.5MPa內的均值會將這一差異縮小，能較好體現正常固結階段剛開始時的K0均值。

3 結 論

1)露天煤礦排土場是由松散土石混合體固結重塑形成的，是一種由土、石、水和空氣組成的極度不均勻的四相體系，其K0系數影響著土石混合體固結過程中力學特性和變形特征，試驗測得露天煤礦排土場不同埋深對K0系數有著顯著影響，自然界中土大多存在于地表的土體，土力學理論在排土場深部表現有所偏差。

3)初期固結壓力對土石混合體試樣的K0系數變化規律影響明顯。初期固結壓力越大，在相同有效軸壓的情況下，K0系數越小。而在結構應力重塑區之后的區段內，初期固結壓力較小的試樣K0系數基本保持穩定；而初期固結壓力較大的試樣，隨著軸向應力的增加，K0系數短暫的穩定后便開始逐漸變大。