试验的露天矿碎石力学研究

引言

在季节性冻土区，由于土体经受年复一年的周期性冻融循环作用，冻害对工程边坡等岩土体的稳定性有着严重的影响。周期性的冻融作用改变了土体的性质，使土体内部结构从不稳定向动态稳定平衡方向发展。随着季节的交替，冻融作用会反复发生，在冷生水化风化作用下，细小土粒和矿物的微裂隙中的水膜的楔开压力也随着发生变化，从而导致细小土粒和矿物的破坏，使粒径变小;在相反的物理—化学作用下，胶体和粘粒凝聚成微集合体，使土的粒径增大。冻融作用使岩土体遭受破坏，松散沉积物受到挠动与再分选，从而形成各种冻土地貌。高原岩土体的周期性冻融作用加剧该区域的地面不稳定性，并引发出更多的工程地质问题，不利于大型采矿、房屋和道路桥梁工程的建设。因此科学地开展室内及现场土力学试验、准确把握岩土的力学参数对大型工程稳定性分析与计算和治理工程设计至关重要。本文研究的高原碎石土位于西部某矿，距拉萨市121km，在邦达普曲中游，河谷两侧为谷坡地带，山体坡度在15～45°之间，斑岩体出露区地势相对平缓，坡度6～17°。矿区地势总体趋势为东高西低、北高南低，地形起伏较大。矿区一般海拔4520～5354m之间，相对高差约834m，属高山深切割区。矿区第四系松散堆积物较发育，且厚度分布不均匀，山坡上密灌丛生或为腐殖覆盖或为寒冻风化形成的倒石堆覆盖，厚度一般在15～40m不等。在常年周期性冻融作用和高地应力的条件下，矿区形成了联结力低、颗粒粒径较大的碎石土覆盖层。基于该矿区高原碎石土特殊的地质条件和力学成因，很有必要进行各种条件下的大型剪切试验对土体力学性质进行研究。在大型剪切试验研究方面，20世纪70年代中期国内首台DJ-I型现场大型直剪仪，剪切环的内径356.9mm，高140mm，可实现垂直压力与试样同步移动，解决了剪切过程中垂直压力的偏心问题［1］。河海大学(2000年)研制了大型单、直剪仪，用于测定粗粒料土体的抗剪强度，以及不同材料的接触面特性等方面的试验研究［2］。清华大学张嘎、张建明等［3］研制了TH-20t大型土与结构接触面循环加载剪切仪，可用于粗粒土与结构的接触面单调和循环加载试验，研究接触面的受力变形机理及规律。四川大学水利水电学院研制了一台大型粗粒土直剪试验机，采用齿轮齿条机构来固定剪切面中心的位置，同时运用线性比列调压技术使正应力恒定，解决了剪切面中心位置偏移、剪切面上正应力分布不均的问题［4］。长江科学研究院土工研究所的室内DHJ60型叠环式剪切试验机，试样是尺寸为600mm×600mm×600mm的立方体;该种直剪仪的最大特点是消除了常规直剪仪中剪切面单一的缺点，使试样有可能沿最弱的剪切面发生破坏［5］。

1试验样品和试验设备

1.1试验样品本文研究的1#土样和3#土样，分别取自海拔5100m和4500m的边坡碎石土，土样规格为25cm×25cm×25cm。原状土取样前先去除了表层0.3m厚的松散堆积层，然后用专用切土刀小心切取。为避免运输过程中含水率的改变，保证土体的原状结构不受到破坏，将土样密封在双层防水聚乙烯厚防护膜中并装在与土样规格相应的木箱中。经室内试验测定:1土样的密度分别为1.74g/cm3和1.96g/cm3，天然含水率分别为7.8%和10.7%，各土样颗粒组成情况如表1。1.2试验设备试验采用中科院武汉岩土力学所与香港大学共同研制的应变控制式大型室内及现场两用直剪装置，该仪器具有整体可拆卸、试样受剪速率恒定、试样变形均匀、可进行反复剪切试验、适用范围广等优势。该仪器属拼装式结构，主要由整体可拆卸式外框架、水平加载系统、垂直加载系统、剪切盒、量测系统组成［6］。该大型直剪仪经过中科院岩土所与香港大学研发人员的改进，是目前最精确、最实用的大型应变控制式试验仪器之一，其最大容许粒径可以达到50mm，最大剪切位移可达到140mm，可以对500mm×500mm×410mm的试样进行剪切试验，同时还配备不同尺寸的插件，可以测试较小尺寸的试样。该直剪仪能准确反映试验试样变形全过程并通过往复运动确定试样的残余抗剪强度，适用于各种类型的岩土体及土工合成材料的抗剪强度试验、蠕变试验，利用大尺寸试样，可以获得更加有代表性的强度值。该设备可以用于获得多种材料之间的内摩擦角和不同岩土体材料之间的摩擦系数。比较特殊的应用如矿山、隧道、土坝或其它堤防工程土体强度参数的获取。1.3试验内容共进行1#和3#原状土样以及和原状土样具有相同状态重塑样的大尺寸(25cm×25cm×25cm)剪切试验，试验垂直压力分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，以把握原状土样的力学参数;进行1#土样和3#土样干密度与原状样相同和含水率与原状样相同(7.8%、10.7%和12.1%)的重塑样分别在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa垂直压力下的剪切试验，对比分析原状样与相同干密度、相同含水率重塑样力学特性的差别;进行1#土样与干密度和原状样相同、含水率为5.8%与10.2%的重塑样，在各级垂直压力下的剪切试验，对比分析研究不同含水率对土体黏聚力和内摩擦角的影响;3#土样配制成含有不同量石灰的重塑样并在相同的垂直压力(200kPa)下进行剪切试验，研究不同石灰含量对土体强度参数的影响;另外对1#土样和3#土样分别在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa垂直压力下进行小型直剪试验，对大型直剪试验与小型直剪试验结果进行比较。

2试验结果整理分析

在试验过程中计算机自动采集了试样的应力和应变，由自动采集的试验数据描绘出剪切应力与位移的关系曲线，代表不同垂直荷载下的剪切曲线按从上到下为正应力减小的顺序排列。在剪应力较低时，试样的水平位移随水平推剪力的增加速率一般较低，随着水平位移的增加，试样的水平位移速率也逐渐增大。原状样和相同干密度、相同含水率的重塑样剪切过程典型剪切位移—剪切应力对比曲线见图2。从图中可以看出，原状碎石土和重塑碎石土剪切过程中剪切位移—剪切应力曲线存在一定的差异，主要表现为原状碎石土在较低垂直压力下具有明显的峰值强度，呈现明显的应变软化特性;在较高垂直压力下剪切峰值不明显，为弱硬化型。而具有相同干密度、相同含水率的重塑碎石土，剪切过程中不论垂直压力如何，剪切峰值不明显，即重塑碎石土为应变硬化型。原状样剪切强度也明显高于相同干密度和含水率的重塑碎石土，说明碎石土虽然胶结弱，但经过长期的周期性冻融作用和高地应力作用，碎石颗粒和土粒之间逐渐密合嵌咬而具有一定的密实稳定结构，从而具有一定的结构性强度。试验采用的是不固结快剪，试验过程中重塑碎石土样由于垂直压力的压密作用以及剪切过程中剪切面上颗粒重排，小颗粒填充进入由大粗粒部分形成的孔隙中，从而剪切应力随剪切位移增大而增加，没有明显峰值。不同含水率试样强度拟合见图3，相同干密度不同含水率的重塑样剪切位移—剪切应力曲线见图4，可以发现，所有含水率不同的重塑样均没有明显的峰值强度，具有应变硬化特征，强度指标受含水率影响较大。c值随含水率增加急剧减小，含水率由5.8%增加到临界含水率7.9%时，φ值略有上升，而后φ值随含水率增加而减小，这与文献［7］所得结论一致，这也同时证明了该矿区碎石土具有临界含水率。c、φ值随含水率变化关系见图5。(1)从公式(1)中可以看出数据符合二次函数拟合，相关性良好。由图2、图4还可以看出:剪切过程中的剪应力上下浮动，曲线具有“跳跃”现象，分析认为，这是由于:(1)试验过程中，垂直加载系统存在稳压问题，在试验开始阶段垂直压力较小时正应力有波动;(2)随着剪切位移增大剪切面在不断变化，剪切面的变化又与颗粒的翻滚、滑移、破碎及重新排列等紧密相关。由于沿剪应力集中带内的薄弱面逐渐形成连续的破坏面，而破坏面不是理想的平面，包含着颗粒的翻滚及剪切破坏面整体“爬跃”某大颗粒等，而且不断地有颗粒被剪碎造成了曲线的“跳跃”现象。这种剪切过程中的“跳跃”也正是碎石土剪胀性的表现。3#不同石灰含量的试样在相同垂直压力下的剪切位移—剪切应力曲线见图6。可以发现，含有不同石灰含量的试样均表现为应变硬化特性，都没有明显的峰值强度。随着石灰含量的增大，试样的剪切应力逐渐增大，说明石灰能改善碎石土的力学性 能，增大碎石土的抗剪强度，分析认为这是由于:(1)石灰能够和土样中的水发生化学反应，降低土样的含水率，增大了土颗粒以及土颗粒与碎石之间的咬合作用;(2)石灰中的氧化物与土中的硅酸盐发生反应，生成硅酸钙、铝酸钙形成骨架碎石，空隙间的土颗粒与碎石胶接成一个整体。1#土样与3#土样大剪与小剪试样结果对比如图7所示，可以看出两组试样的大型剪切试验得出的c值均明显大于小型剪切试验，而两组试验结果的φ值却相差不大。这是由于大剪试样中含粗颗粒较多而小型剪切试验受剪切盒限制往往不含粗颗粒所造成的，因此大型剪切试验的结果更能反应矿区现场土体的实际情况。

3结论

(1)该露天矿高原碎石土粗颗粒表现出骨架作用，且粗颗粒的碎石被细粒土充填，粗颗粒的咬合作用较明显，在低垂直压力下还是能表现出一定的剪胀性。但在不同垂直压力时，剪应力—应变曲线表现出不同的形式。(2)由于剪切破坏面不是理想的平面，而包含着颗粒的翻滚及剪切破坏面整体“爬跃”某大颗粒等，而且不断地有颗粒被剪碎造成了碎石土剪应力—应变曲线的“跳跃”现象。(3)原状样在较低和较高垂直压力下分别呈应变软化和应变硬化特性，而所有重塑样均呈应变硬化特性。原状样剪切强度也明显高于相同状态的重塑样，说明碎石土虽然胶结弱，但经过长期的周期性冻融作用和高原固结作用，碎石颗粒和土粒之间逐渐密合嵌咬而具有一定的密实稳定结构，从而具有一定的结构性强度。(4)该露天矿高原碎石土剪切强度指标φ值随土样含水率由5.8%增加到7.8%时略有上升，而后φ值随含水率增加而减小，φ值与含水率w符合二次函数关系式:φ=－0.1728ω2+2.5883ω+22.236。c值随含水率增加急剧减小，c值与含水率w符合二次关系式:c=－1.1588ω2+9.0392ω+114.15。(5)石灰能明显改善高原碎石土的剪切强度，当石灰含量在0～9%范围内土体的剪切强度随石灰含量增加而增大。(6)该露天矿高原碎石土含粗颗粒较多，而小型剪切试验由于受仪器限制，往往不包含粗颗粒，所以大型剪切试验c值均明显大于小型剪切试验，而两组试验结果的φ值相差不大。大型剪切试验的结果更能反应矿区现场土体的实际情况。