移动扫码阅读
陆 翔 ，吴榕真，周 伟，尚 涛,舒继森,韩 流
(中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)
摘 要：随着各类大型工程项目的不断开展，土石混合体逐渐受到工程界和学术界的广泛关注，同时，松散土石混合体也是组成露天煤矿排土场的基本岩体材料，排土场的稳定关系到矿山生产和生命财产安全。静止侧压力系数K0值是岩土工程中十分重要的参数，是研究土石混合体变形特征和应力状态的基础。试验选取安太堡露天矿黏土和砂岩，混合重塑，利用GDS三轴试验仪，分别进行了固结应力为100、200、500、1 000、2 000、4 000 kPa下的K0固结试验，进而分析了黏土-砂岩混合体的固结变形特征和静止侧压系数K0变化规律。结果表明，随着固结应力的增加，黏土-砂岩混合体密度呈现幂指数增长，且增长速率逐渐减小；同时，压缩性逐渐降低，含石率50%的黏土-砂岩混合体压缩模量为7.778 MPa，属于中压缩性土；固结应力增加过程中，静止侧压系数K0先减小后趋于稳定。
关键词：露天矿；土石混合体；K0固结；压缩曲线
中图分类号：TD824
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)06-0093-05
LU Xiang,WU Rongzhen,ZHOU Wei,SHANG Tao,SHU Jisen,HAN Liu
(School of Mines，China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116，China)
Abstract:With the continuous development of various large-scale projects, the clay-sandstone mixture has been widely concerned by engineering and academic community.At the same time, the loose earth-rock mixture is also the basic material that constitutes the dumping ground of open pit mines and the stability of the dumping site is related to mine production as well as life and property safety.The static side pressure coefficient K0 is an important parameter in geotechnical engineering and is the basis for studying the deformation characteristics and stress state of the clay-sandstone mixture .The clay and sandstone of Antaibao Open-Pit Mine were selected and mixed and the K0 Consolidation Tests under the conditions of consolidation stress of 100,200,500,1 000,2 000 and 4 000 kPa were carried out respectively using GDS triaxial tester in order to study the consolidation deformation characteristics and coefficient K0 of clay-sandstone mixture.The results show that with the increase of consolidation stress, the density of clay-sandstone mixture increases exponentially and the growth rate decreases gradually and the compressibility decreases accordingly; the compressive modulus of clay-sandstone mixture containing 50% of rock is 7.778 MPa, which falls in the medium level compressive soil; and during the increase of consolidation stress, the K0 value decreases first and then stabilizes.
Key words:open-pit mine; soil-rock mixture; K0 Consolidation; compression curve
移动扫码阅读
陆 翔，吴榕真，周 伟,等.露天矿黏土-砂岩重塑混合体K0固结试验研究[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：93-97.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.014
LU Xiang,WU Rongzhen,ZHOU Wei,et al.Study on K0 Consolidation Test of clay-sandstone remolded mixture in open-pit mine[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：93-97.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.014
收稿日期：2018-11-22
责任编辑：曾康生
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0501103)；江苏省自然科学基金青年基金资助项目(BK20160259)；国家自然科学基金面上资助项目(51774271,51574222)
作者简介：陆 翔(1992—)，男，河北张家口人， 博士研究生。E-mail：Xianglu@cumt.edu.cn
我国幅员辽阔，地质条件极为复杂，易发生浅表层地质灾害，如崩塌、滑坡、泥石流等[1-3]。这些地质灾害会产生大量的堆积物，这种堆积物与一般的土体有很大的区别，一般为土与一定尺寸块石的混合体。土石混合体滑坡是滑坡地质灾害中较为普遍的一种类型，如发生在1985年12月的新滩滑坡，其滑动体约为300万m3的土石混合体，其中约200万m3以每秒4 m的速度滑入长江，形成40 m高的涌浪[4]；还有2004年6月30日发生在宜宾市兴文县的油坪嘴滑坡等自然土石混合体滑坡均造成了巨大的经济损失，严重危害了生命财产安全。另外，随着我国经济发展浪潮中各类大型建设工程的不断开展，许多工程地质体(如边坡、地基、隧道、大坝等)的稳定性都与土石混合体的物理力学性质密切相关。土石混合体作为一种由土、石、水和空气组成的极度不均匀的四相体系，由于土和块石的弹性不匹配、物理力学性质差异极大，土石混合体的物理力学特性、变形强度规律、渗透性等与一般的土体和岩体有着较大的差异。为研究这类特殊的地质体，MEDLEY等[5]将其命名为Bimsoil(Block in matrix soil)，在国内通常被称为“土石混合体”(Soil- Rock Mixtures，S-RM )。
在自然界中，土石混合体分布广泛，总量较为丰富。因为土石混合体具有很好的压实性能、抗剪强度较高、透水性能较强、沉陷变形较小和较高承载力等工程特性，土石混合体被普遍应用到了各种工程实践中[6]。例如，土石坝或排土场的填筑、边坡工程、桥梁的墩台、铁路的路基及用砂石垫层处理的软弱地基，世界范围内粗粒土堆石料土石坝占到所有大坝的70%～80%。近年来，随着各类大型工程建设项目的蓬勃发展，土石混合体受到工程和学术界的广泛关注，越来越多的专家学者针对土石混合体的物理力学性质进行了多方面的研究和探索，并取得了良好的成果。王宇等[7]应用CT试验和数值模拟方法研究得出，土石混合体破坏的根本原因是块石与土体的弹性不匹配和土-石界面的差异滑动,破坏的实质是内部裂纹产生、扩展、互锁和贯通的过程。MEDLEY等[5]以土石混合体回填土的含石量以及石块的形状与分布特点为研究对象，对Francisca地带S-RM进行了系统性的分析，提出了土石阀值的概念；徐文杰等[8]通过大尺度直剪试验研究发现，土石混合体的内部块石含量特征在很大程度上控制了其变形破坏机制，薛亚东等[9]探究了含水率对土石混合体力学性质的影响；金磊等[10]在基于CT扫描的不规则颗粒三维离散元精细建模技术的基础上,提出了一种不规则块石三维离散元模型随机生成技术,并建立了符合宏观统计规律的土石混合体三维离散元模型。
室内土样在侧限条件完成的固结，称为K0固结[11-13],并可令静止侧压系数为K0。露天矿排土场的形成过程实质上为土石混合体的一种有侧限的压缩固结。K0固结试验则是研究侧压系数的重要试验手段。李校兵等[14]利用GDS三轴仪对原状温州饱和软黏土进行了5种应力路径下的K0固结三轴不排水试验,分析了不同应力路径下土体的应力-应变关系、孔压发展及有效应力路径。王艳芳等[15]利用K0固结试验探究了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的蠕变特性，发现Merchant和Burgers蠕变模型对淤泥土都有较好拟合精度。以往学者的研究多数侧重对于土石混合体的力学性质和微观特征研究。但在各类实际工程实践中，土石混合体的压缩固结特性往往发挥着最为基础的作用。土石混合体的固结沉降变形特征对于自然土石混合体边坡、各类人工堆积体、排土场边坡稳定性等有着重大的意义和价值。基于此，笔者将探究固结应力对于土石混合体固结特性的影响规律。
本次试验所制备土石混合体试样中的土体和块石均选自安太堡露天矿排土场砂质黏土与砂岩。试样尺寸为ø50 mm×100 mm，土体选择过孔径ø2 mm筛的黏土，块石选择粒径为5～8 mm均质的砂岩，含石量为50%，含水率为15%。
根据《土工试验方法》(GB/T 50123—1999)，采用比重瓶法测定所选用砂质黏土的密度为2.657 g/cm3，利用液塑限联合测定仪测出其塑性指数为29.5%，通过排水法测定出所选用砂岩密度为2.683 g/cm3。
设备采用英国GDS仪器设备有限公司生产的全自动室内岩土静三轴试验仪(图1)。试验仪主要由GDS压力架、三轴压力室、压力系统和GDSLAB软件4部分构成。轴向加载方式分为应力控制和位移控制2种方式，应力、变形、孔压、围压等参数自动采集，最大轴压为50 kN,最大围压为3 MPa。采用GDSLAB软件模块，可以在计算机下运行诸如固结试验、高级加载试验、常水头渗透试验、三轴固结不排水剪(CU)、三轴固结排水剪(UU)、应力路径试验、低频循环加载试验等。
图1 GDS三轴固结仪
Fig.1 GDS triaxial system
本试验研究的目的是获得有侧限约束条件下，不同固结应力条件下黏土-砂岩混合体的固结变形特征及静止侧压力系数K0的变化规律。
1)将收集到的土和块石进行破碎、过筛。
2)将土石混合体试样统一在WG型杠杆固结仪上预固结，目的是使土石混合体成样。
3)将成样的土石混合体试样安装在GDS三轴试验仪上，排净各管路中的空气，先进行反压饱和经B检测直到B值超过0.95，再选择K0固结模块，考虑试样中超孔隙水压力消散时间和试验操作时间，控制加压速率为0.25 kPa/min，既能保证固结效果，又可以使试样在固结过程中充分排水。固结应力分别设置为0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0 MPa，试样固结过程中排水速度符合标准要求时(每小时排水体积不大于60 mm3)，认为固结过程完成。
4)固结完成后，测量试样的高度和质量，最后测其含水率。
土石混合体在压缩固结过程中，在不同的固结应力作用下，试样中的土体和块石在空间上一定区域内相互作用，重新分布，试样被压实，密度也随之变化。试样固结后的密度见表1和如图2所示。
表1 不同固结应力下试样的密度
Table 1 Density of specimens under different consolidation stress
图2 试样密度与固结应力关系曲线
Fig.2 Curves of density and consolidation stress
由图2可知，随着固结压应力的增加，试样中的水逐渐排出，超孔隙水压力逐渐减小，有效应力增加，土石混合体的密度也在增加，密度与固结应力呈幂函数的关系，但是增加速率越来越慢。
土石混合体的压缩性是指土石混合体在压力作用下体积减小的性能，其包括土石混合体体积的缩小、膨胀和体积不变下土石混合体形状的改变。一般来说，土石混合体在外力作用下都是可以压缩的，这是由土石混合体的组成和结构所决定的。土石混合体的压缩主要是由于孔隙中水和气体向外排出而引起的。压缩曲线反映了土石混合体受压后的压缩特性，其形状与试样的成分、结构、含石率、颗粒级配及受力历史等因素有关。压缩曲线的坡度可以形象地说明土的压缩性的高低。本试样初始孔隙度e0=0.40，初始高度h0=105.0 mm。
1)压缩系数α。压缩系数α是描述土石混合体压缩性大小的物理量，定义为e-p曲线上某一压力段割线的斜率绝对值，不同区段的α值不同，压缩系数α与固结应力的关系曲线如图3所示。
(1)
式中：e1为压缩过程位置1处孔隙率；e2为位置2处孔隙率；p1为位置1处固结应力；p2为位置2处孔隙率；Δe为2个位置孔隙率差的绝对值；Δp为2个位置固结应力差的绝对值。
图3 孔隙度与固结应力关系曲线
Fig.3 Curve of porosity and consolidation stress
从图3可以看出，压缩系数越大，曲线越陡，土石混合体的压缩性也就越高。随着固结应力的增大，土石混合体的压缩性逐渐减小，试样越难被压缩，每一级固结完成时的位移越来越小。试样的压缩系数并不是常数，压缩系数与土石混合体所受的荷载大小有关，将随着压力的增加而减小。为了便于同一比较，《建筑地基基础设计规范》(GB 5007—2011)中规定，工程中一般采用100～200 kPa压力区间内对应的压缩系数来评价土的压缩性，即α<0.1 MPa-1，属低压缩性土；0.1 MPa-1<α<0.5 MPa-1，属中压缩性土；α≥0.5 MPa-1，属高压缩性土。
经过计算得α=0.13 MPa-1，所以该土石混合体按照土的压缩性评价来分类属于中压缩性土。根据试样制备过程可知，土石混合体的压缩性影响因素包括含石率、固结应力、土石性质以及含水率等。
2)压缩模量Es。土石混合体在完全侧限的条件下竖向应力增量Δp与相应的轴向应变ε的比值，称为压缩模量，且本次固结试验视为一维固结，故
ε=(H2-H1)/H2=ΔH/H2
(2)
(3)
式中：ε为轴向应变；H2为固结完成时试样高度；H1为固结前试样高度；Es为压缩模量；ΔH为固结前后试样高度差的绝对值；Δp为试样固结前后固结应力差的绝对值。
同样，也可以用100～200 kPa压力区间内对应的压缩量值来评价试样的压缩性，及Es<4MPa，属高压缩性土；4 MPa≤Es≤15 MPa，属中压缩性土，Es>15 MPa，属低压缩性土。将实验数据代入(3)计算得到Es=7.778 MPa，所以通过该种土的压缩性指标评价得到的土石混合体仍为中压缩性土。
土样在侧限条件下完成的固结称为K0固结。土体静止侧压力系数K0定义为土体在无侧向变形条件下侧向有效应力与轴向有效应力之比。土石混合体的天然沉积过程符合K0固结状态。它是土体中的一个传统的重要参数，可反映土体中水平向应力的变化，也可直接计算作用于挡土结构物上的土压力分布及工程的安全性，如计算作用于挡土墙上的静止土压力、土石坝施工期间的孔隙水压力、桩侧向摩擦力、确定场地中初始的水平应力状态等，以及计算分析隧道衬砌、地下洞室边墙、土中填埋管道等地下结构物等。
图4 K0与固结应力系数关系曲线
Fig.4 Curve of K0 and consolidation stress coefficient
土石混合体固结过程中的K0系数变化关系曲线如图4所示。随着固结应力的逐渐增加，黏土-砂岩混合体的K0值逐渐减小，减小幅度较大，原因为土石混合体试样在一定的固结应力下，随着孔隙水的不断排出，黏土和块石在试样内一定区域范围重新排布，相互接触、作用，重塑形成新的骨架结构，直观表现为K0值的大幅减小。而当固结应力超过1 MPa时，K0值变化幅度很小，基本稳定在0.41左右。此时，土石混合体的结构性已基本形成，试样整体的K0值趋于稳定。
1)重塑黏土-砂岩混合体试样在固结过程中逐渐被压实，密度随着固结应力的增加呈幂指数增长关系，增长速率逐渐减小。
2)土石混合体的压缩性随着固结应力的增大逐渐减小，按照土的压缩性评价分类，黏土-砂岩混合体试样(含石率为50%)压缩系数为0.13 MPa-1，压缩模量为7.778 MPa，属中压缩性土。
3)目前工程中对于土石混合体的K0值研究较少，一般视为定值，忽略了固结应力对于K0值的影响，本试验得出，土石混合体的K0值是固结应力的函数，随着固结应力的增加，K0值逐渐减小，最终趋于稳定。
参考文献(References):
[1] 齐 丹.土石混合介质堆积体力学特性的试验研究[D].郑州:华北水利水电大学,2016.
[2] 欧阳振华,李世海,戴志胜.块石对土石混合体力学性能的影响研究[J].实验力学,2010,25(1):61-67.
OUYANG Zhenhua,LI Shihai,DAI Zhisheng.On the influence factors of mechanical properties for soil-rock mixture [J]Journal of Experimental Mechanics,2010,25(1):61-67.
[3] 高 谦,刘增辉,李 欣,等.露天坑回填土石混合体的渗流特性及颗粒元数值分析[J].岩石力学与工程学报,2009，28(11):2342-2348.
GAO Qian,LIU Zenghui,LI Xin,et al.Permeability characteristics of rock and soil aggregate of backfilling open-pit and particle element numerical analysis [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(11):2342-2348.
[4] 徐文杰.大型土石混合体滑坡空间效应与稳定性研究[J]岩土力学,2009,30(S2):328-333.
XU Wenjie.Study of spatial effect and stability of large scale soil-rock mixture landslide [J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(S2)：328-333.
[5] MEDLEY E.The engineering characterization of melanges and similar Rock-in-Mixtrix Rocks (Bimrocks)[D].Berkeley:University of California at Berkeley,1994.
[6] 张东亮.地震作用下土石混合体边坡稳定性研究[D].成都:西华大学,2010.
[7] 王 宇,李 晓,李守定,等.单轴压缩条件下土石混合体开裂特征研究[J]岩石力学与工程学报,2015,34(S1):3541-3552.
WANG Yu,LI Xiao,LI Shouding,et al.Cracking deformation characteristics for rock and soil aggregate under uniaxial compressive test [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(S1):3541-3552.
[8] 徐文杰,胡瑞林,岳中琦,等.基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(5):996-1007.
XU Wenjie,HU Ruilin,YUE Zhongqi,et al.Research on relationship between rock block proportion and shear strength of soil-rock mixtures based on digital image analysis and large direct shear test [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(5):996-1007.
[9] 薛亚东,岳 磊,李硕标.含水率对土石混合体力学特性影响的试验研究[J].工程地质学报,2015,23(1):21-29.
XUE Yadong,YUE Lei,LI Shuobiao.Experimental study on mechanical properties of soil-rock mixture containing water [J].Journal of Engineering Geology,2015,23(1):21-29.
[10] 金 磊,曾亚武,李 欢,等.基于不规则颗粒离散元的土石混合体大三轴数值模拟[J].岩土工程学报,2015,37(5):829-838.
JIN Lei,ZENG Yawu,LI Huan,et al.Three limensional stochastic model of soil-rock mixture and its numerical experiments based on DEM of irregularly shaped particles[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(5):829-838.
[11] 刘家顺,王来贵,张向东,等.K0固结粉质黏土非共轴特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2017,36(S2):4205-4211.
LIU Jiashun,WANG Laigui,ZHANG Xiangdong,et al.Experimental study on non-coaxial characteristics of K0 consolidation saturated silty clay [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(S2):4205-4211.
[12] 王立忠,但汉波.K0固结软黏土的弹黏塑性本构模型[J].岩土工程学报,2007,29(9):1344-1354.
WANG Lizhong,DAN Hanbo.Elastic visco-plastic constitutive model for K0-consolidated soft clays [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(9):1344-1354.
[13] 王 欢,程 鹏,纪文栋,等不同加载速率下碱渣K0固结试验研究[J]水道港口,2016,37(2):193-197.
WANG Huan,CHENG Peng,JI Wendong,et al.Study on K0 consolidation of soda residue with different loading rates[J].Journal of Waterway and Harbor,2016,37(2):193-197.
[14] 李校兵,郭 林,蔡袁强,等.K0固结饱和软黏土的三轴应力路径试验研究[J].中南大学学报:自然科学版,2015,46(5):1820-1825.
LI Xiaobing,GUO Lin,CAI Yuanqiang,et al.Stress path triaxial tests on K0-consolidated saturated soft clay [J].Journal of Central South University:Science and Technology,2015,46(5):1820-1825.
[15] 王艳芳,周治刚,蔡燕燕.基于K0固结条件的淤泥土排水蠕变特性试验研究[J].南水北调与水利科技,2017,15(3):139-144.
WANG Yanfang,ZHOU Zhigang,CAI Yanyan.Drained creep characteristic of silt soil based on K0 consolidation [J].South-to-North Water Transfers and Water Science and Technology,2017,15(3):139-144.
[16] WANG Y,LI X,ZHENG B.Stress-strain behavior of soil-rock mixture at medium strain rates-response to seismic dynamic loading[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2017,93(S2):7-17.
[17] 蒋爱辞.基于离散元的土石混合料动力特性分析[D].郑州：郑州大学,2010.