路基應用場景下尾礦土的力學特性試驗研究

摘要：尾礦土的大量積存是目前亟待處理的重要問題，而將其作為填料用于路基修筑已在實際工程中被證明是合理有效的解決途徑。為揭示路基應用場景下尾礦土的力學特性，文章開展了考慮濕度與圍壓變化的不固結不排水三軸剪切試驗。結果表明：不同濕度與應力狀態下尾礦土應力應變曲線均為硬化或穩定型，且Konder雙曲線模型可準確描述尾礦土的變形行為；尾礦土的彈性模量與峰值破壞強度表現出明顯的濕度敏感性與應力依賴性，具體表現為含水率的升高與圍壓的降低均導致彈性模量與峰值破壞強度發生衰減。此外，隨著濕度水平逐漸增大，尾礦土的粘聚力與內摩擦角有所降低。研究所得可為路基工程中尾礦土的資源化利用提供理論依據與技術指導。

關鍵詞：尾礦土；路基工程；力學特性；三軸剪切

中圖分類號：U416.1 A 10 034 4

0 引言

礦質的開采導致其經優選篩分后產生了大量尾礦土，尾礦土的積存不僅占用了寶貴的土地資源還造成了嚴重的環境污染，致使人民的生產與生活水平遭受威脅［1］。隨著國家公路建設的持續發展，開山采石和開挖取土等方式獲得的天然填料已不能滿足“綠色環保”這一時代背景下的路基填筑所需。近年來，國內外部分實際工程將尾礦土用于路基填筑，使尾礦土的大規模合理利用成為可能，如美國明尼蘇達州城鎮道路［2］、河北野興二級公路［3］、黑龍江鶴大高速公路［4］均設置了試驗段，對尾礦土開展了現場應用研究。

目前，已有學者對尾礦土的工程性能進行了研究。李芬等［5］研究發現酸性環境對尾礦土壩體的長期穩定性影響顯著，數值計算結果顯示，堆放100年后的邊坡安全系數與初期相比下降幅度可達30%，并提出了酸性環境下控制尾礦壩體處于安全狀態的處治方法。楊春和等［6］采用電鏡和CT掃描等微觀分析手段，對尾礦土試件進行了三維重構處理，隨后揭示了荷載作用下尾礦土細觀結構演化機制以及化學離子的遷移特征。史硯春［7］的室內試驗結果表明，尾礦土自身的透水性較弱，且在摻加白泥或亞黏土之后其滲透性進一步降低，表現出良好的水穩定性。王緒旺等［8］開展了室內沖刷試驗，證明了“7%水泥+21%粉煤灰”改良的鐵尾礦渣路基填料具備良好的抗沖刷性能。

綜上所述，已有研究對掌握尾礦土的工程表現提供了有益參考，但關于三軸條件下的力學特性還鮮有報道。為此，本研究針對尾礦土開展了不同應力狀態與濕度水平下的三軸剪切試驗，選取應力-應變關系、彈性模量、峰值破壞強度和抗剪強度指標為分析要素，以期揭示路基應用場景下尾礦土的力學特性，為同類工程提供參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

本研究試驗用尾礦土取自廣西某尾礦堆積場，根據《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）中規定的各項指標測試步驟，確定了所選尾礦土的主要技術參數（見表1）。

1.2 試件制備及測試方案

路基土在最佳含水率的條件下被壓實填筑，隨著運營時間的不斷增長，路基受到降雨等外界環境的持續影響，導致路基濕度逐漸升高并達到平衡狀態。已有研究人員通過現場開挖的方式探究了通車數年后路基內部的濕度狀態，發現路基土的平衡含水率約為最佳含水率（OMC）的1.26倍［9］，故本研究將試件含水率設定為OMC、1.1 OMC、1.2 OMC和1.3 OMC，以覆蓋路基可能出現的濕度水平。同時，將試件的干密度統一設置為1.76 g/cm3。

按目標含水率與壓實度配制完成的尾礦土分5層靜壓成直徑為100 mm、高度為200 mm的圓柱試件，隨后用保鮮膜將其包裹并靜置24 h以保證試樣內部水分分布均勻。考慮到尾礦土的低滲透性和路基壓實過程中土體的超固結應力歷史，通車運營期間填料基本不發生固結與排水現象［10］，因此，三軸剪切試驗采用不固結不排水（UU）的方式進行，圍壓的選擇按路基填高6 m考慮，分別設置為30 kPa、60 kPa、90 kPa和120 kPa。荷載采用控制應變的形式予以施加，速率為0.8%/min。

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變關系

應力-應變關系是表征荷載作用下路基土變形行為的有效方法，也是分析土體力學特性的直接基礎。不同含水率與圍壓水平下尾礦土的三軸剪切試驗結果如圖1所示。對于應變軟化型應力-應變曲線，其表現為隨著軸向應變的發展，偏應力先達到峰值再逐漸減小；而對于應變硬化型或穩定型曲線，偏應力則隨著軸向應變的增加而增大或基本保持不變［11］。由圖1可知，不同工況下，尾礦土三軸剪切試驗結果中出現了應變硬化型與應變穩定型曲線，并未觀察到應變軟化型曲線。與此同時，可以發現濕度的升高導致尾礦土的剪切曲線有所下降，顯然濕化作用會使尾礦土的抗變形能力發生衰減。此外，相同濕度水平下尾礦土的應力-應變曲線隨圍壓的增大而升高，這與其他學者關于黏土等土質的試驗規律相一致［12-13］。究其原因，在于圍壓對試件具有一定的約束與保護作用，有助于抵抗軸向變形。進一步采用Konder雙曲線模型［14］，采用式（1）對各工況下尾礦土的三軸剪切試驗結果予以擬合，結果如表2所示。由表2可知，16組結果的擬合精度均超過0.9，證明Konder模型在描述路基應用場景下尾礦土的應力-應變曲線時具有顯著優勢。

ε1σ1-σ3=a+bε1（1）

式中：ε1——軸向應變；

σ1——大主應力；

σ3——圍壓（小主應力）；

a、b——擬合參數；

1/a——初始切線模量E0；

1/b——極限偏應力（σ1-σ3）lim。

2.2 彈性模量

彈性模量是反映土體剛度特性的關鍵參數，在分析土工構筑物的變形特點時必不可少。土體的彈性模量被定義為應力-應變曲線在彈性階段的斜率［15］，采用式（2）計算得到不同濕度與應力水平下的尾礦土彈性模量結果如圖2所示。結果顯示，尾礦土的彈性模量表現出明顯的濕度敏感性與應力依賴性，即濕度的升高與圍壓的降低均導致其彈性模量有所減小，剛度出現損失。

E=（σ2.0%-σ0）/（ε2.0%-ε0）（2）

式中：E——彈性模量；

σ2.0%——軸向應變達到2.0%時（ε2.0%）的偏應力；

σ0和ε0——初始偏應力與初始軸向應變。

2.3 峰值破壞強度

峰值破壞強度作為評估土體承載能力的指標在工程實際中需嚴格關注。《粘性土的無側限抗壓強度標準試驗方法》（ASTM D2166）中規定，對于應變軟化型土樣，應力-應變曲線峰值點對應的偏應力值即為峰值破壞強度，而對于應變硬化或穩定型土樣，以軸向應變達到15%時對應的偏應力作為峰值破壞強度。圖3所示為不同含水率與圍壓水平對應的尾礦土峰值破壞強度值，亦發現其與濕度和應力水平間有顯著的相關關系，具體表現為降低濕度與升高圍壓均可提高尾礦土的峰值破壞強度，有助于提升其承載能力。

2.4 抗剪強度指標

土的抗剪強度指標特別是粘聚力和內摩擦角是工程穩定性分析中最常用的參數，也是計算邊坡安全系數時的基本輸入。根據摩爾應力圓方程和各工況下的峰值破壞強度，繪制如圖4所示的摩爾應力半圓，并采用直線形式即摩爾-庫侖準則即式（3）構建摩爾應力半圓的公切線［16］，進而確定不同濕度狀態下的粘聚力與內摩擦角，結果如圖5、圖6所示。圖5～6表明，尾礦土的抗剪強度指標即粘聚力與內摩擦角均隨濕度的增加而降低，這一現象應在工程應用中重點考慮。

τf=σtanφ+c（3）

式中：τf與σ——剪切面上的切應力與正應力；

c——粘聚力；

φ——內摩擦角。

3 結語

本文通過對尾礦土開展考慮濕度與圍壓變化的不固結不排水三軸剪切試驗，得到以下主要結論：

（1）路基尾礦土的三軸剪切試驗結果曲線均為應變硬化或應變穩定型，即濕度與應力水平的變化并未影響其應力-應變曲線形態。同時，Konder模型可以較好地描述本研究中尾礦土在三軸剪切作用下的變形行為，擬合精度均＞0.9。

（2）隨著含水率的升高和圍壓的降低，尾礦土的峰值破壞強度有所減小。此外，尾礦土的剛度具有明顯的濕度與應力依賴特征，具體表現為濕化作用下其彈性模量發生衰減，而較高的圍壓則對尾礦土剛度產生了一定的保護效果。

（3）本研究中尾礦土的抗剪強度指標對濕度變化較為敏感，當含水率逐漸增大時，其粘聚力與內摩擦角有所降低。因此，尾礦土路基的長期安全狀態分析時應充分考慮濕度影響，在南方等濕潤地區應予以加固處理，以預防滑坡坍塌。

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收稿日期：2022-07-01