杜 俊，侯克鵬，程 涌，李晨晨

（1.昆明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650214；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，云南 昆明 650093）

高臺(tái)階排土與增加排土場(chǎng)堆高已成為露天礦山應(yīng)對(duì)持續(xù)深凹開采、減少固廢堆場(chǎng)占地的有效途徑［1-3］。排土場(chǎng)增高擴(kuò)容雖然緩解了礦山資源持續(xù)開采的困境，但大量松散堆積的土石混合體受環(huán)境影響，極易誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害［4］，對(duì)露天礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了潛在威脅。開展高臺(tái)階排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究對(duì)露天礦山安全管理具有十分重要的意義。

排土場(chǎng)邊坡具有典型的土石二元混合結(jié)構(gòu)，排土物料經(jīng)傾倒與重力分選，沿排土臺(tái)階粒徑分布規(guī)律顯著［5］，任何一個(gè)局部都不具備代表整體的特性。為分析與評(píng)價(jià)排土場(chǎng)穩(wěn)定性，需要深入研究排土場(chǎng)土石混合體在空間上的不同組構(gòu)特征以及強(qiáng)度和變形規(guī)律。已有研究成果表明，排土場(chǎng)堆積體由數(shù)量眾多、尺度不一且隨機(jī)分布的塊石接觸形成，其力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜。一方面，排土體粒度組成在空間上不斷變化，細(xì)顆粒集中在邊坡上部，粗顆粒多在邊坡底部，中間部位粗細(xì)顆粒參差不齊［6］。另一方面，級(jí)配各異的排土體其力學(xué)特性呈現(xiàn)分層特性［7］，土體強(qiáng)度及變形受其結(jié)構(gòu)特征影響顯著［8］；荷載作用下，土體具有顆粒破碎［9］、剪脹［10］以及應(yīng)力-應(yīng)變硬化和軟化特性［11-12］。因此，排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究應(yīng)考慮排土體級(jí)配組成、結(jié)構(gòu)特征與強(qiáng)度特性沿排土高程的變化，建立符合工程實(shí)際的邊坡力學(xué)分析模型。然而，已有研究在定量表征排土體粒徑分布規(guī)律、揭示排土體強(qiáng)度參數(shù)空間變異特征方面尚有欠缺，仍需深入研究。本文結(jié)合南加排土場(chǎng)工程實(shí)例，采用現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)，研究排土體粒徑分布及其抗剪強(qiáng)度特性，以期為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供有益指導(dǎo)。

1 南加排土場(chǎng)概況

南加排土場(chǎng)位于云南文山都龍錫礦礦區(qū)南加溝內(nèi)，場(chǎng)地為構(gòu)造剝蝕中低山地貌，河谷地段為河流侵蝕地貌，場(chǎng)內(nèi)地形起伏較大，整體地形西北高東南低，兩側(cè)高中部低，溝谷為北西—南東走向，長(zhǎng)約6.0 km，溝底寬30.0～120.0 m，平均縱坡約3°，溝谷兩岸平均坡度20°～35°。地質(zhì)勘察表明，場(chǎng)地主要分布第四系人工堆積層（Q4ml）人工填土，第四系沖、洪積層（Q4al＋pl）卵石、粉質(zhì)黏土，第四系坡殘積層（Q4dl＋el）粉質(zhì)黏土，下伏基巖為晚志留系南溫河序列老城坡組（S3L）片麻狀花崗巖。礦山結(jié)合采剝進(jìn)度，采用“破碎＋膠帶運(yùn)輸＋汽車、推土機(jī)”的排土工藝實(shí)施外排土作業(yè)。排土場(chǎng)設(shè)計(jì)堆高＋580～＋900 m，采用組合臺(tái)階排土推進(jìn)，單臺(tái)階高80 m，總堆置高度320 m，排棄土料由露天采場(chǎng)剝離的第四系表土以及大理巖與云母片巖散體混合組成。

2 排土場(chǎng)粒徑分布規(guī)律

排土場(chǎng)粒徑分布是排棄的土石顆粒受重力沿坡面運(yùn)動(dòng)分級(jí)的結(jié)果。土體沿著排土高程產(chǎn)生的粒徑分布與級(jí)配組成對(duì)分析土體強(qiáng)度參數(shù)的空間變異性有重要作用。然而，排土場(chǎng)粒徑篩分工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高，獲取粒徑分布規(guī)律需要耗費(fèi)大量人力、物力?？梢?jiàn)排土場(chǎng)粒徑分布規(guī)律難以獲取，排土場(chǎng)內(nèi)部的土體級(jí)配組成更是無(wú)法得知。現(xiàn)有技術(shù)條件僅能對(duì)邊坡淺表層粒徑開展勘測(cè)。

本文采用土工篩分與直接量測(cè)方法對(duì)南加排土場(chǎng)660 m排土臺(tái)階（高80 m）進(jìn)行土料粒徑分布測(cè)定。其中，土工篩網(wǎng)孔徑規(guī)格為60、40、20、10、5、2 mm，對(duì)尚不具備篩分條件的塊石采用直接量測(cè)巖塊3個(gè)互相垂直方向的最大線性尺寸獲得。垂直排土推進(jìn)方向，在排土臺(tái)階坡面布設(shè)3條測(cè)線，每條測(cè)線上間距20 m選一個(gè)篩分點(diǎn)，由于坡頂設(shè)置有擋土結(jié)構(gòu)，未進(jìn)行篩分。篩分取樣點(diǎn)的大小應(yīng)充分考慮所在部位巖塊的大小，盡可能滿足最大巖塊粒徑的3～5倍。為滿足研究需要，本文定義篩分點(diǎn)距臺(tái)階坡頂高度h與排土臺(tái)階高度H之比為相對(duì)高度（h／H），顯然h／H的區(qū)間為［0，1］。視粒徑大于5 mm的顆粒為粗顆粒，其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)用P5表示，稱為粗粒含量。統(tǒng)計(jì)后的篩分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同相對(duì)高度（h／H）下的土體篩分結(jié)果

由表1可知，排土場(chǎng)土體粒徑分布范圍廣，具有寬級(jí)配特征，不同相對(duì)高度（h／H）的粒度組成均不相同，但呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律：P5值隨相對(duì)高度（h／H）增加而顯著增多。各測(cè)點(diǎn)粒度組成的級(jí)配曲線見(jiàn)圖1，曲線光滑無(wú)平直段代表排土場(chǎng)土體粒徑分布連續(xù)且無(wú)粒組缺失，隨相對(duì)高度（h／H）增加，曲線下凹表征粗顆粒含量逐漸增多。

圖1 土體顆粒級(jí)配累積曲線

土石混合體粒度組成的大小常用平均粒徑d表示：

式中di為某粒徑組的中值；ri為該粒徑組所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

依據(jù)表1結(jié)果，建立各粒組含量及平均粒徑大小與相對(duì)高度（h／H）的關(guān)系，見(jiàn)圖2～3。

圖2 粒級(jí)含量與相對(duì)高度的關(guān)系曲線

分析圖2可知，－5 mm細(xì)顆粒含量最大為56.8%，分布在臺(tái)階坡面中上部，沿臺(tái)階坡面向下，細(xì)顆粒含量近似線性急劇減小，至臺(tái)階底部（h／H＝1.00）達(dá)到最小值4.3%。隨相對(duì)高度增大，－60＋5 mm顆粒含量呈先增后減的變化趨勢(shì)，在臺(tái)階坡面中下部（h／H＝0.75），該粒組含量達(dá)到最大，為58.6%。＋60 mm超大粒徑塊石在臺(tái)階坡面中上部（h／H＝0.25）分布最少，為2.1%，沿臺(tái)階坡面向下急劇增多，至臺(tái)階底部（h／H＝1.00）含量增至59.5%。

分析圖3可知，自排土臺(tái)階坡頂至坡底，土體平均粒徑逐漸增大，在邊坡下部（h／H＞0.50）平均粒徑變化幅度顯著增大。土體平均粒徑與相對(duì)高度（h／H）之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

圖3 平均粒徑與相對(duì)高度分布的變化規(guī)律

3 排土場(chǎng)土體抗剪強(qiáng)度特性

結(jié)合排土場(chǎng)粒徑分布規(guī)律，依據(jù)不同相對(duì)高度（h／H）土體粗粒含量設(shè)計(jì)室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)。為滿足室內(nèi)剪切儀填料需求，采用混合級(jí)配法［13］對(duì)原型級(jí)配進(jìn)行縮尺處理，并制備粗粒含量P5分別為43.2%、62.4%、84.8%、95.7%的重塑土樣，取天然含水率1.28%、天然容重1.87 g／cm3。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排土高度，設(shè)計(jì)豎向荷載分別為500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa、2 000 kPa。試驗(yàn)操作嚴(yán)格按照《粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》（T／CHES 29—2019）［13］執(zhí)行。

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移特征

不同粗粒含量試驗(yàn)土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

圖4 不同粗粒含量土樣剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

由圖4可知，各粗粒含量與各豎向荷載下的土樣在剪切試驗(yàn)過(guò)程中均沒(méi)有明顯的剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)。剪切位移不超過(guò)20 mm時(shí)，隨剪切位移增加，土體承受的剪應(yīng)力顯著增大；剪切位移超過(guò)20 mm后，土體承受的剪應(yīng)力緩慢增加且逐漸趨于平緩。試驗(yàn)中不同粗粒含量土體均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，并且隨著豎向荷載增大，應(yīng)變硬化特征更加明顯。

從圖4還可得知，試驗(yàn)土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系均表現(xiàn)出不同程度的“跳躍”特征，尤其在試樣剪切屈服以及破壞階段更為明顯?？梢哉J(rèn)為，這種土體剪切變形的“跳躍”現(xiàn)象是土體組構(gòu)特征引起的。試驗(yàn)初始階段，粗細(xì)顆粒接觸形成的土體孔隙體積均相對(duì)較大，土樣剪切變形以擠密為主，孔隙逐漸減小、土顆粒接觸緊密，但顆粒間的接觸力相對(duì)較小且不足以使顆粒之間產(chǎn)生相對(duì)翻滾與錯(cuò)動(dòng)，更不會(huì)形成顆粒的破碎。因此，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線近似線性發(fā)展，且隨著豎向荷載增大，該特征更加顯著。隨著剪切位移持續(xù)增加，土顆粒之間的接觸更加緊密，顆粒間的咬合作用顯著增大，土樣剪應(yīng)力迅速增高，并且伴隨有顆粒擠壓破碎產(chǎn)生，顆粒之間出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)動(dòng)與翻滾。同時(shí)，因顆粒擠壓與咬合儲(chǔ)存的應(yīng)變能迅速釋放，剪應(yīng)力降低，隨剪切位移累積，剪切面上的顆粒再次咬合與翻滾，剪應(yīng)力回升，如此反復(fù)至土樣剪切面完全貫通，土樣產(chǎn)生破壞，該過(guò)程土體剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系表現(xiàn)為“跳躍”特征。

高臺(tái)階排土過(guò)程中，土石混合體受自重沿坡面呈自然分級(jí)逐層堆積，未經(jīng)夯實(shí)的土體具有較大的孔隙體積，且土體處于相對(duì)松散狀態(tài)。受外力作用影響，堆積體產(chǎn)生剪切變形，則大顆粒塊石在剪切過(guò)程中將出現(xiàn)翻滾、咬合、摩擦，導(dǎo)致土樣內(nèi)部原有的土石組構(gòu)特征不斷發(fā)生變化，塊石接觸更加緊密，剪應(yīng)力逐漸增大，土體產(chǎn)生較大的剪切變形，進(jìn)而出現(xiàn)塑性流動(dòng)破壞。

3.2 剪脹特性

土體剪切時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生形狀變化，還會(huì)產(chǎn)生體積變化，將剪應(yīng)力引起的土體體積膨脹（剪脹）和體積收縮（剪縮）統(tǒng)稱為土的剪脹性［14］。直剪試驗(yàn)中，設(shè)定土樣豎向位移向下為正表示剪縮、豎向位移向上為負(fù)表示剪脹。圖5為不同粗粒含量試樣剪切豎向位移與剪切位移的關(guān)系曲線。由圖5可知，在剪切變形過(guò)程中，土樣內(nèi)部塊石相互咬合與摩擦，在剪切面上土石顆粒發(fā)生相對(duì)水平位移與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在垂直剪切面的方向也發(fā)生運(yùn)動(dòng)，更多地表現(xiàn)為土石顆粒之間的相互擠壓接觸與嵌合，從而導(dǎo)致土樣產(chǎn)生體積變化。試驗(yàn)中，各級(jí)配土樣在各豎向荷載條件下均產(chǎn)生了剪縮，未出現(xiàn)剪脹趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果符合粗粒土低壓剪脹、高壓剪縮的特性。究其原因，粗粒土在剪切變形時(shí)，垂壓較小，塊石間的咬合力較大，塊石更易產(chǎn)生摩擦與翻滾，使土體孔隙增大，呈剪脹趨勢(shì)，這種變形過(guò)程周而復(fù)始，直至土體產(chǎn)生較大的塑性變形而破壞；垂壓較大，塊石在剪切變形中產(chǎn)生的咬合力不足以克服壓縮變形荷載，且顆粒相互接觸的應(yīng)力迅速增大，導(dǎo)致大顆粒產(chǎn)生破碎，碎裂的巖屑進(jìn)一步充填于顆?？紫吨校馏w壓縮變形增大、體積縮小，且塊石主要產(chǎn)生沿剪切面的滑動(dòng)，較少出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與翻滾，直至土體產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變破壞。

圖5 不同粗粒含量土樣豎向位移-剪切位移關(guān)系曲線

不同粗粒含量試樣的剪縮差異主要表現(xiàn)為最大剪縮量的不同。土樣最大剪縮量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。分析表2，粗粒含量相同的土樣，隨豎向荷載增大，土樣剪縮現(xiàn)象愈加顯著，且最大剪縮量與豎向荷載呈正比例關(guān)系；相同豎向荷載條件下，隨著粗粒含量增加，土樣剪縮現(xiàn)象逐漸減弱，且最大剪縮量與粗粒含量呈反比例關(guān)系。可以認(rèn)為，豎向荷載增大，抑制了塊石之間滾動(dòng)與翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，土樣剪切變形中更多的是顆粒破碎與孔隙的充填，且豎向荷載愈大，顆粒破碎及巖屑充填孔隙的現(xiàn)象愈突出，土樣體積減小顯著。若豎向荷載保持不變，土樣粗粒含量增加，塊石粒度增大，土樣剪切變形中塊石顆粒間的接觸增多，剪切面上塊石總的咬合力增強(qiáng)，塊石更多出現(xiàn)的是摩擦滾動(dòng)及相互翻轉(zhuǎn)，較少產(chǎn)生顆粒破碎，剪應(yīng)力引起土樣體積的膨脹愈加明顯。

表2 不同粗粒含量土樣的最大剪縮量

由此來(lái)看，排土體表征出的剪脹特性不僅與其所受的荷載條件有關(guān)，還受土體相對(duì)密實(shí)狀態(tài)的影響。高臺(tái)階排土，排土荷載普遍較大，且排土體受自重作用，沿坡面自然分選堆積，常呈松散堆積狀、欠密實(shí)。因此，排土體在外力作用剪切變形破壞時(shí)常呈剪縮特征。

3.3 抗剪強(qiáng)度特征

排土場(chǎng)土體抗剪強(qiáng)度取值的合理性對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性有非常重要的影響。通常取直剪試驗(yàn)中土體剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線的峰值或穩(wěn)定值（殘余強(qiáng)度）為土的抗剪強(qiáng)度［15］。然而，實(shí)際情況并非如此。一方面，排土場(chǎng)土體在剪切變形時(shí)，剪應(yīng)力逐步增大至峰值，土體不斷屈服、產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變，剪切面上的土石顆粒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)與翻滾，出現(xiàn)了變形破壞，采用峰值強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)過(guò)高估計(jì)邊坡穩(wěn)定性。另一方面，土體剪切變形趨于穩(wěn)定時(shí)的殘余強(qiáng)度表示土體已經(jīng)完全破壞，運(yùn)用該強(qiáng)度計(jì)算得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)會(huì)偏于保守。因此，在進(jìn)行排土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析時(shí)，土體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度不足以反映排土工程的客觀實(shí)際。本文選取土體剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線上的“爬坡強(qiáng)度”（峰值應(yīng)力的2／3）作為分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)的依據(jù)。不難發(fā)現(xiàn)，土體剪切變形超過(guò)彈性極限后迅速進(jìn)入到塑性屈服階段，且土體抗剪強(qiáng)度不斷增大，土體內(nèi)的裂隙開始擴(kuò)展并逐步貫通，至峰值應(yīng)力時(shí)，塊石顆粒咬合擠壓極為強(qiáng)烈，土體內(nèi)已形成破壞面。當(dāng)土體出現(xiàn)“爬坡強(qiáng)度”時(shí)，塊石顆粒由于旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)產(chǎn)生相互咬合，且裂隙并未完全貫通，土體仍能夠承受一定的抗剪能力，當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)“爬坡強(qiáng)度”后，土體才真正進(jìn)入到滑移、破壞階段。因此，選用爬坡強(qiáng)度更能表征排土場(chǎng)土石顆粒之間的相互咬合以及變形破壞情況，也能科學(xué)客觀地反映排土堆積體的工程特征。因此，依據(jù)莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，結(jié)合試驗(yàn)土體的“爬坡強(qiáng)度”，采用最小二乘法計(jì)算得到不同粗粒含量土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同粗粒含量土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)

建立排土場(chǎng)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)與相對(duì)高度的關(guān)系，見(jiàn)圖6。

分析圖6可知，相對(duì)高度不同，土體的級(jí)配組成亦不相同，排土場(chǎng)土石混合體抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨相對(duì)高度變化差異顯著，具有空間變異特征。隨著相對(duì)高度增加，土體黏聚力c值減小、內(nèi)摩擦角φ值增大。其原因是：一方面，相對(duì)高度h／H＝0.25，表示排土臺(tái)階中上部，土體細(xì)粒含量多且土粒間黏結(jié)特性強(qiáng)，從而其黏聚力較大；相對(duì)高度h／H＝1.00，表示排土臺(tái)階底部，土體超大粒徑塊石及粗粒含量多，顆粒多為架空結(jié)構(gòu)，并且顆粒之間無(wú)黏結(jié)，多呈擠壓接觸，黏聚力小且表現(xiàn)為顆粒間的機(jī)械咬合力。另一方面，隨著相對(duì)高度增加，排土堆積體平均粒徑也增大，顆粒的棱角愈加明顯，散體材料的摩擦特性增強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角亦增大。南加排土場(chǎng)高臺(tái)階排土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨相對(duì)高度（h／H）的變化關(guān)系式為：

圖6 抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨相對(duì)高度的分布規(guī)律

本文研究?jī)H局限于排土臺(tái)階坡面塊石粒徑分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)排土臺(tái)階內(nèi)部土石顆粒的組成特征及分布規(guī)律還有待后續(xù)研究。排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析不僅需要建立能反映排土物料級(jí)配組成的地質(zhì)力學(xué)模型，還需要賦予合理的巖土力學(xué)參數(shù)才能得到較為精準(zhǔn)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 結(jié) 論

1）土石顆粒沿排土臺(tái)階坡面粒徑分級(jí)顯著，由坡頂至坡底，細(xì)顆粒含量呈線性急劇減小，平均粒徑呈指數(shù)增大。排土臺(tái)階底部多為超大粒徑塊石，常呈顆粒架空結(jié)構(gòu)。

2）不同粗粒含量土樣剪切特性均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。豎向荷載愈大、硬化現(xiàn)象愈明顯；塊石顆粒間強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)、咬合與翻滾作用使得土樣最終產(chǎn)生塑性流動(dòng)破壞。

3）高壓剪切條件下，不同粗粒含量土樣均呈現(xiàn)剪縮現(xiàn)象。粗粒含量與豎向荷載是影響土樣剪縮量的兩個(gè)重要因素。其中，增加豎向荷載，土體剪縮量增大；粗粒含量增多，土體剪縮量減小。4）排土場(chǎng)顆粒粒徑自然分選結(jié)果導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨相對(duì)高度變化發(fā)生變化，具有明顯的空間變異性。隨著相對(duì)高度增加，土體粗粒含量增多，其黏聚力減小而內(nèi)摩擦角增大。