高應(yīng)力條件下排土場非線性強度參數(shù)及穩(wěn)定性分析研究

1、高應(yīng)力條件下排土場非線性強度參數(shù)及穩(wěn)定性分析研究崔旋，張樹茂（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）摘要:本文通過在實驗室內(nèi)開展排土物料的大型高壓靜力三軸剪切試驗，研究了高排土場物料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及非線性強度指標，為排土場穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)力學(xué)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上建立了能夠反映排土場實際邊界條件的計算模型，并充分考慮高圍壓顆粒破碎現(xiàn)象對邊坡穩(wěn)定性的影響，其研究成果對高排土場堆排及加固具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：排土場；穩(wěn)定性；非線性；高應(yīng)力中圖分類號：TD854 文獻標識碼：AResearch on Nonlinear Strength Parameters and Stability Ana

2、lysis of Waste Dump under High Stress ConditionsCUI Xuan, ZHANG Shumao(BGRIMM Technology Group，Beijing，China，100160)Abstract: In order to study the stress-strain relationship and nonlinear strength indexes of high dumping materials, the large-scale high-pressure static triaxial shear test of dumping

3、 materials is carried out in the laboratory and provide basic mechanical data for the stability analysis. On this basis, a calculation model that can reflect the actual boundary conditions of the dump has been established, and the slope stability has been fully considered the impact of the crushing

4、phenomenon under high confining pressure. The research has some significance for heaping and reinforcement of high waste dump.Key words: waste dump; stability; nonlinear; high stress1.前言排土場是一種特殊的人工建造形成的高、大散體介質(zhì)堆積體，主要用于集中堆存礦山采礦排棄物。隨著排土場堆載高度的增加，在排廢過程中，顆粒較大的排土物料集中在排土場的下部，顆粒較小的排土物料集中在排土場的上部，顆粒中等的排土物料主要分布

5、在排土場中間部位，具有一定的分選性1-7。在排土場邊坡穩(wěn)定性分析中，排土物料強度參數(shù)的合理取值是一個重要影響因素，而不同顆粒組成又對排土物料的強度有較大的影響，為此一些專家和學(xué)者開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究。趙光思8認為，物料的顆粒破碎率與其強度特性密切相關(guān)。Marsal9提出：物料在受力后，由于應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致了物料本身發(fā)生破碎現(xiàn)象，物料的破碎也是影響其強度參數(shù)的主要因素。本文將在以往研究的基礎(chǔ)上，針對排土物料原始級配性質(zhì)，開展室內(nèi)大三軸壓縮試驗，最終確定排土場物料的強度特性并對排土場進行穩(wěn)定性分析論證。2.項目背景某排土場位于河北省境內(nèi)，臺階高度為4045m，每個臺階的平臺寬度30m，排土高度達

6、265m，為超大型排土場，平面布置圖如圖1所示。排土場總體地勢東南高、西北低，區(qū)域出露地層主要為太古界遷西群三屯營組變質(zhì)巖系、中元古界長城系和第四系。太古界遷西群三屯營組變質(zhì)巖系與其上覆的中元古界長城系二者呈不整合接觸，第四系則出露于溝谷及山前平原中。圖1 排土場平面布置圖Fig.1 The layout plan of waste dump3. 大型高壓靜力三軸剪切試驗通過大型三軸剪切試驗，研究了排土物料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強度特性，提出了線性、非線性抗剪強度指標。3.1主要試驗設(shè)備試樣直徑300mm、高700mm，最大軸向荷載2500kN，最大圍壓力7.0MPa，剪切速率0.357mm/s，試

7、驗研究的主要設(shè)備為中國水利水電科學(xué)研究院研制的SJ-70大型高壓靜力三軸試驗機，如圖2所示。圖2 大型高壓靜力三軸試驗機Fig.2 The large high pressure static triaxial testing machine3.2試驗方法本文進行飽和固結(jié)排水剪切試驗，采用抽氣飽和方法對試樣進行飽和，待試樣充分飽和后，開始對試樣施加圍壓，直至試樣排出的水量不再增加，即代表固結(jié)完成。三軸試驗過程中破壞點的確定方法：取應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線峰值點為破壞點，當曲線無峰值時，則取應(yīng)變值15%所對應(yīng)的點為破壞點。圖3三軸試驗過程Fig.3 The process of triaxial te

8、st 3.3試驗結(jié)果三軸壓縮試驗結(jié)果見表1和圖4。從試驗結(jié)果可以看出，內(nèi)摩擦角值隨著法向應(yīng)力s的增加而減少，抗剪強度與其法向應(yīng)力之間的比例關(guān)系并不是一個固定常數(shù)，而是呈非線性特點。s與內(nèi)摩擦角的關(guān)系為=0-logs/Pa，0、為物料試驗參數(shù)，可由0logs/Pa關(guān)系曲線獲得。從圖4可知，由于物料強度包線表現(xiàn)出非線性特點，為了準確地表達物料在不同應(yīng)力階段的強度，有效內(nèi)摩擦角計算公式如下：=0-log10(3/Pa) （1）式中：0圍壓力為一個大氣壓時的內(nèi)摩擦角；隨壓力變化的的內(nèi)摩擦角；s周圍壓力；Pa標準大氣壓。表1 試驗強度指標Table 1 The index of test intensi

9、ty 試樣名稱干密度g/cm3非線性強度指標線性強度指標c（MPa） () () c（MPa）（）排土料2.000374.50.0333.4 （a）(1-3)1(b) v1(c) 強度包線 圖4試驗結(jié)果曲線Fig.4 The curve of test result在飽和固結(jié)排水剪（CD）條件下，排土料的摩擦角為33.4，凝聚力為0.03MPa。4. 高應(yīng)力條件下排土場穩(wěn)定性計算4.1 計算斷面該排土場最大堆置高度達265m，為探明堆置過程中顆粒破碎效應(yīng)引起的排土料強度改變對排土場邊坡穩(wěn)定性的影響，本文選取一個典型排土場設(shè)計剖面，采用考慮排土料顆粒破碎效應(yīng)的非線性強度指標，對自然工況下設(shè)計標高

10、排土場的穩(wěn)定性進行了論證，并對降雨工況和地震工況下的排土場穩(wěn)定性進行了校核。計算典型剖面如圖5所示，主要采用等參四邊形和少量退化的三角形，共剖分為3029個節(jié)點，2962個單元。（a）地質(zhì)剖面 （b）計算網(wǎng)格圖5穩(wěn)定性計算斷面Fig.5 The section of stability calculation4.2 計算參數(shù)自然工況、降雨工況和地震工況下排土場穩(wěn)定性計算的材料參數(shù)表2所示，排土物料考慮高應(yīng)力下強度弱化效應(yīng)，采用上述表1中非線性強度指標。表2 計算材料參數(shù)Table 2 The parameters of calculated material名稱容重 (kN/m3)粘聚力c (

11、kPa)內(nèi)摩擦角 ()第四系殘坡積層16.2020.0030.30基巖27.56800.0042.25在計算排土場應(yīng)力狀態(tài)時截面底部為X、Y雙向固定約束邊界，兩側(cè)垂直邊界為X向固定約束邊界。4.3 應(yīng)力分析計算剖面豎向應(yīng)力和大、小主應(yīng)力云圖分別見圖6。沿豎直方向從上之下，排土場內(nèi)大主應(yīng)力隨著深度的增加逐漸增大，最大值約為4900kPa，小主應(yīng)力呈現(xiàn)出類似的趨勢，排土場底部小主應(yīng)力最大值約為1800kPa。（a）大主應(yīng)力云圖（kPa） （b）小主應(yīng)力云圖（kPa）圖6應(yīng)力計算結(jié)果Fig.6 The result of stress calculation4.4 穩(wěn)定性分析隨著排土場內(nèi)部壓應(yīng)力的增

12、加，排土碎石料的內(nèi)摩擦角存在一定程度的減小，表現(xiàn)為碎石料抗剪強度在一定范圍內(nèi)的弱化，且圍壓越大，這種碎石料抗剪強度弱化的效果越大，因此對于高壓條件下的排土場進行穩(wěn)定性分析，應(yīng)充分考慮高圍壓作用對碎石料抗剪強度的弱化，以免高估排土場的邊坡抗滑穩(wěn)定性。圖7 REF _Ref15105 h * MERGEFORMAT 給出計算剖面內(nèi)摩擦角的分布情況，該設(shè)計剖面基于Morgenstern-Price法、Bishop法和Spencer法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表3，基于Morgenstern-Price 法的最危險滑動面見圖8。圖7內(nèi)摩擦角分布圖Fig.7 The distribution of inter

13、nal friction angle表3 安全系數(shù)計算結(jié)果Table 3 The calculation result of safety factor計算工況計算方法安全系數(shù)規(guī)范自然工況Morgenstern-Price1.4351.30Bishop1.437Spencer1.435降雨工況Morgenstern-Price1.2511.25Bishop1.252Spencer1.251地震工況Morgenstern-Price1.2041.20Bishop1.207Spencer1.204（a）自然工況 （b）降雨工況 （c）地震工況圖8最危險滑動面分布圖Fig.8 The distrib

14、ution of the most dangerous sliding surface可以看出，越遠離邊坡，值越小，在排土至最終斷面時，自然工況、降雨工況、地震工況下最小安全系數(shù)分別為1.435、1.251、1.204，滿足冶金礦山排土場設(shè)計規(guī)范（GB51119-2015）要求。最危險滑動面形式在不同計算工況下差別不大，滑動面以穿過排土體為主，從坡腳滑出。相對于自然工況，降雨工況下排土場安全系數(shù)略有降低，滑塊體積略有增加。這是因為降雨影響岸坡附近排土場的孔隙水壓力分布，孔壓的增加導(dǎo)致該區(qū)域排土料有效應(yīng)力的降低，降低了該區(qū)域土體的抗滑能力。地震工況下，安全系數(shù)均為三個工況里面最低，這是因為當水平

15、向慣性力方向指向坡外、和豎直向地震慣性力方向上的時候，均會減小土體的抗滑力，降低排土場的安全系數(shù)。5. 結(jié)論本文采用材料的非線性強度指標反映碎石料內(nèi)摩擦角隨著圍壓的變化程度，基于非線性強度指標的Morgenstern-Price法、Bishop法及Spencer法，對自然工況下某排土場堆排至設(shè)計標高時的穩(wěn)定性進行了計算，并對降雨工況及地震工況下的排土場穩(wěn)定性進行了校核，主要結(jié)論如下：1.內(nèi)摩擦角是表征散粒體排土材料強度特性的主要指標，排土場內(nèi)部排土料內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出明顯的非線性，越遠離排土邊坡，內(nèi)摩擦角越小。2.通過對選取的典型計算剖面進行穩(wěn)定性分析表明，自然工況、降雨工況、地震工況下最小安全系

16、數(shù)均滿足規(guī)范要求。3.降雨作用和地震荷載會明顯降低排土場的整體邊坡穩(wěn)定性，建議加強降雨等惡劣天氣及地震作用后排土場邊坡變形監(jiān)測。參考文獻1闞生雷，孫世國，李曉芳等山坡堆積型排土場厚軟基底邊坡變形破壞規(guī)律數(shù)值分析J有色金屬(礦山部分)，2006，62(6)KAN Sheng lei, SUN Shi guo, LI Xiao fang, etc. Numerical Analysis of Slope Deformation and Destroy Law for Huge Soft Hill Base on Hill side Stack DumpJ. NONFERROUS METALS (M

17、ining Section),2006,62(6).2 張衛(wèi)國黃土地基排土場基底型滑坡機理研究J中國礦業(yè)，2006，15(11)Zhang Wei guo. Study On Mechanism Of Basal-Type Landslide In Dumping Site On Loess BasementJ. CHINA MINING MAGAZINE,2006,15(11).3 孫慶山基于 FLAC3D的黃土基底排土場邊坡破壞機理研究J采礦技術(shù)，2011，11(4)Sun Qing shan. Study on the failure mechanism of the slope of

18、loess base dump based on FLAC3DJ. Mining Technology,2011,11(4).4 賀躍光,顏榮貴,曾卓喬.排土場基底承載力與極限堆高J. 中國有色金屬學(xué)報,1999,9(3):672676.He Yue guang, Yan Rong gui, Zen Zhuo qiao. Bearing capacity of dump substrate and limiting dump heightJ. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999,9(3):672676.5張永樂，周玉新永平銅礦西部排土場

19、排土方案及其穩(wěn)定性分析J金屬礦山，2008，4Zhang Yong le, ZhouYu xin. Analysis of Earth Dumping Scheme for Western Dump in Yongping Copper Mine and Its StabilityJ. METALMINE,2008,4.6 周榮軍軟基底高排土場的基底承載力分析J.巖土工程技術(shù),2002,2:7982.Zhou Rong jun. Analysis of the Bearing Capacity of Soft Foundation in High Earth-Disposing SiteJ. Geotechnical Engineering Technique,2002,2:7982.7 謝學(xué)斌，潘長良.排土場散體巖石