某排土場拋尾料側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)研究

徐金宇

（中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司，南京 210046）

排土場是礦山和土石方工程中常見的土地資源利用方式，用于存放和處理大量的尾料[1-2]。然而，在排土場使用過程中，由于尾料的特殊性質(zhì)和不斷堆積的壓力，在坡面穩(wěn)定性和土體的側(cè)限壓縮特性方面存在各種問題和挑戰(zhàn)[3]。某排土場作為一個典型的尾料堆放地，具有較大的規(guī)模和復(fù)雜的土體結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性和拋尾料側(cè)限壓縮性質(zhì)的研究對排土場的設(shè)計(jì)和管理具有重要意義。然而，目前對于某排土場拋尾料的側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)的研究尚不充分，缺乏詳細(xì)的理論和實(shí)踐依據(jù)。本文的目的是探究某排土場拋尾料的側(cè)限壓縮特性，以期提供更準(zhǔn)確的理論與實(shí)踐指導(dǎo)。通過在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)，研究土體在不同加載條件下的力學(xué)行為特征并計(jì)算側(cè)限壓縮參數(shù)，深入了解其內(nèi)在的變形機(jī)制。這將有助于改進(jìn)排土場的設(shè)計(jì)和管理方法，提高安全性和效益，并減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 土樣采集與試樣制備

取樣點(diǎn)周邊環(huán)境如圖1 所示，在對實(shí)驗(yàn)土樣基本物理性質(zhì)測定后，制取試樣。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]要求，試樣的最大粒徑不大于試樣尺寸的1/6～1/5 倍，本次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣直徑為300 mm，故取最大土顆粒直徑60 mm。試樣制備過程如下：首先將風(fēng)干土樣按粒度組成篩分備用，依據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的級配、密度、含水量、填裝層數(shù)及試樣尺寸，計(jì)算稱量實(shí)驗(yàn)所需土樣。試樣分3 次擊實(shí)填入制樣桶，為消除每次填料時粗細(xì)顆粒分離，應(yīng)分層稱取待裝土樣。

圖1 拋尾料取樣點(diǎn)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

本次實(shí)驗(yàn)所使用的固結(jié)試驗(yàn)設(shè)備是四川大學(xué)華西巖土所生產(chǎn)的YS50-4A 型大型粗粒土壓縮（固結(jié)）儀。該設(shè)備的試驗(yàn)箱尺寸為Φ504.6 mm×300 mm，可以測量最大粒徑為80 mm 粗粒土的壓縮特性。浮環(huán)試驗(yàn)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示，壓縮試驗(yàn)機(jī)構(gòu)造如圖3 所示。

圖2 浮環(huán)試驗(yàn)箱體內(nèi)部構(gòu)造

圖3 壓縮試驗(yàn)機(jī)構(gòu)造

由于土顆粒在通常的壓力范圍下可認(rèn)為是不可壓縮的，因而將土的體積變化看作完全是土的孔隙體積變化，故側(cè)限條件下壓縮量s和孔隙比e之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系[5]。土樣裝填過程如下：將主機(jī)架水槽推出，提起試樣筒，水槽內(nèi)放入浮圈墊塊，后放下試樣筒，在筒內(nèi)依次放入透水板、土工布，并在試樣筒上部放置浮圈套。為減少土顆粒與浮圈筒內(nèi)部的摩擦與拆樣便捷，在浮圈筒內(nèi)部均勻地涂抹1 層醫(yī)用凡士林，隨后將燜好的土石混合料分3 層裝入浮圈筒并進(jìn)行擊實(shí)，每一層的高度控制在10 cm，每一層擊實(shí)后進(jìn)行鑿毛處理，再裝入下一層土料。裝料完畢后在試樣表面依次放置土工布、透水板及上傳力板，然后取出浮圈套及浮圈墊塊，將裝好試樣的水槽推入主機(jī)架內(nèi)止動。

2 結(jié)果與分析

2.1 側(cè)限壓縮s-t 曲線

依據(jù)每級荷載條件及對應(yīng)的壓縮沉降量，建立排土場壩材料壓縮s-t曲線如圖4 所示。

圖4 拋尾料側(cè)限壓縮s-t 曲線

從圖4 中可以看出，側(cè)限壓縮s-t曲線主要分為4個階段。①初始壓實(shí)階段。在初始階段，土體受到側(cè)限壓縮作用時，沉降速率較快。在此階段，曲線呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢，表示土體發(fā)生了較快的壓實(shí)。②壓實(shí)階段。在此階段，土體的沉降速率逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出一個平緩的下降趨勢。③彈性階段。在一定應(yīng)力水平下，土體達(dá)到一定的沉降后，曲線出現(xiàn)一個水平平臺。④限制壓實(shí)階段。在限制壓實(shí)階段，土體的沉降速率會進(jìn)一步減小，曲線出現(xiàn)幾乎平直的趨勢。對土樣壓縮實(shí)驗(yàn)變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見表1。通過對壓縮沉降曲線的分析，可以評估土體的壓實(shí)性能、變形特性及固結(jié)過程中的變化規(guī)律。同時，還可以確定土體的側(cè)限壓縮模量、壓縮指數(shù)，以及其他與變形相關(guān)的指標(biāo)，并為工程設(shè)計(jì)和處理土體提供依據(jù)。

表1 土樣壓縮實(shí)驗(yàn)變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 孔隙比-豎向荷載曲線

對試樣初始孔隙比以及不同應(yīng)力條件下壓縮穩(wěn)定后孔隙比進(jìn)行計(jì)算見表2。孔隙比-豎向荷載曲線（e-P曲線）如圖5 所示。

表2 壓縮實(shí)驗(yàn)土樣孔隙比計(jì)算結(jié)果

圖5 側(cè)限壓縮e-P 曲線

從圖5 可以看出，隨著豎向荷載等級的增加，孔隙比不斷減小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，使用二次函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合關(guān)系良好（R2=0.993 7）。可以從顆粒排列密度的角度進(jìn)行解釋[6-7]：較高的孔隙比意味著土體中空隙的比例較高，顆粒之間的接觸點(diǎn)較少。這可能導(dǎo)致顆粒的排列更為松散，而松散的顆粒排列會導(dǎo)致土體在受到豎向荷載時的相對變形較大。因此，較高的孔隙比通常會對豎向荷載產(chǎn)生較大的沉降或下沉。

2.3 壓縮性指標(biāo)

通常通過考察壓縮系數(shù)av和壓縮指數(shù)Cc來判斷土的壓縮性[8]。將應(yīng)變變化除以應(yīng)力變化以及孔隙比變化（即壓縮前后的孔隙比差）的比率，即可得到壓縮系數(shù)av。可通過式（2）對壓縮系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。表3 給出了不同荷載等級下的壓縮系數(shù)，從表3 可以看出，壓縮系數(shù)隨著荷載等級的增大而減小。在承受較小荷載時，試樣顆粒之間的接觸緊密程度較小，導(dǎo)致初始壓縮較大，即壓縮系數(shù)較大。隨著荷載的增大，試樣顆粒逐漸變得更加緊密堆積，導(dǎo)致剩余空隙的減少，因此，壓縮系數(shù)逐漸減小。斜說明試樣在承受荷載后會發(fā)生壓實(shí)，密度增加，體積減小。

表3 壓縮實(shí)驗(yàn)土樣壓縮系數(shù)av 計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

壓縮指數(shù)Cc是土的壓縮性的另一個重要指標(biāo)，是指土在側(cè)限壓縮過程中的體積壓縮量與應(yīng)力增量之間的關(guān)系，通常通過由e-P曲線演化而來的e-lgP的基礎(chǔ)上利用公式（3）進(jìn)行計(jì)算。基于圖5 的e-P曲線，可以得到e-lgP曲線如圖6 所示，進(jìn)而可以得到實(shí)驗(yàn)土樣壓縮指數(shù)為0.122 5。

圖6 側(cè)限壓縮e-lgP 曲線

參考土的壓縮性判別標(biāo)準(zhǔn)[9]（表4），實(shí)驗(yàn)土樣的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)均處于低壓縮性區(qū)間，因此，實(shí)驗(yàn)土樣的壓縮性為低壓縮性。

表4 土的壓縮性判別標(biāo)準(zhǔn)[9]

3 結(jié)論

通過對某排土場拋尾料進(jìn)行側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了相應(yīng)的壓縮指數(shù)和壓縮系數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和比較發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)土樣具有相對較小的壓縮性，即在受到荷載時變形較小，其在工程建設(shè)中可能會表現(xiàn)出較小的沉降和變形風(fēng)險(xiǎn)。本研究可為后續(xù)排土場邊坡設(shè)計(jì)提供一定的參考。仍需進(jìn)一步以更多綜合實(shí)驗(yàn)和實(shí)地應(yīng)用為基礎(chǔ)的研究深入探究實(shí)驗(yàn)土樣的力學(xué)行為和性質(zhì)。