酸化土体坡脚的排土场边坡稳定性研究

2015-01-17代永新张春

现代矿业 2015年10期

关键词：散体排土场坡脚

代永新张春

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

酸化土体坡脚的排土场边坡稳定性研究

代永新1，2.3张春1，2.3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

长期酸化特性条件下的土体自身结构势必发生改变，散体物料物理力学性质也会发生相应变化，进而对排土场边坡的稳定性产生重要影响。基于室内筛分实验、三轴剪切实验，分析物料级配组成、强度参数变化，揭示土体与酸化时间的变化规律；应用强度折减法对边坡稳定性进行数值模拟分析。结果表明：土体黏聚力随酸化时间的延长逐渐衰减并趋于稳定，内摩擦角主要围绕一个数值上下波动，总体幅度变化不大；边坡潜在滑动面位置随着土体酸化时间的延长不断变化，塑性区不断扩展，逐步向底部台阶迁移，最终在底部台阶呈现稳定状态；安全系数前期下降明显，之后变化趋向稳定。

酸化土壤级配强度参数安全系数

某排土场位于露天采场北口1#沟、2#沟及大岩里沟区域，设计等级为一级。受征地限制，需要扩容改造，形成高520 m的新排土场。由于排土场单台阶全段高排土，下游采用分层拦截，在泥石流作用及氧化矿洗矿矿浆的共同作用下，排土场坡脚处形成了约100 m深厚酸化特性尾泥软基。其西南侧约1 km处主要是露天采场废石排弃堆置场。露天采场剥离岩石包括金矿剥离废石、铜矿基建与生产剥离废石。由于排土场散体物料中存在大量的Cu2+离子，与雨水中的OH-离子结合，使得水体中游离出大量的H+离子富集在坡脚软基土体中，导致土体呈现出强酸性，经实测，pH值为1～3。在酸化特性长期作用下散体物料自身结构势必发生改变，从而引起散体物料物理力学性质的变化，坡脚不稳势必影响整个排土场的稳定性。通过长年大量试验研究，分析散体物料在不同酸化特性情况下对强度参数c、φ的影响，从而为保证排土场的长期安全稳定、避免发生滑坡失稳等自然灾害提供指导依据。

1 强度折减法安全系数的定义

有限差分法全面满足了静力许可、应变相容和应力-应变的本构关系，同时可以不受边坡几何形状的不规则和材料的不均性的限制，是分析边坡应力、变形和稳定性的常用方法。其边坡安全系数定义：使边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩、土体的抗剪强度进行折减的程度。其公式如下

(1)

(2)

以此对边坡进行有限差分法计算，如果根据一定的失稳判据确定边坡达到极限平衡状态，则此时强度折减系数即为边坡的安全系数，否则程序将重复计算，直至边坡达到临界极限平衡状态。

2 实验设计

采用马鞍山矿山研究院YS30-3A型应力控制式大型散体三轴试验机(图1)，其主要技术指标：最大法向荷载为150 kN，最大剪切荷载为200 kN，剪切盒尺寸为30 cm×30 cm×700 cm，位移测量精度可达0.02 mm，荷载测量精度可达0.1 kN，最大剪切位移为90 mm，最大粒径为60 mm。

图1 YS30-3A型散体三轴试验设备

本次实验主要依据《土工实验规程》，研究不同酸性条件下浸泡时间对强度参数的影响规律，分析其内部物理力学变化。

2.1 实验取样

实验室取样均来自于排土场坡脚软基处的酸性土壤，每次都在同一地点、同一深度采样。从2006年7月开始，每年取一次，目前已经采取了8组试样。试样基本力学参数见表1。

表1 试样基本力学性质

2.2 实验土样颗粒级配分析

图2为土样颗粒级配曲线，可以看出：排土场坡脚处的软基土在前4 a里土体粒径总体变化趋势是由粗变细，之后趋向于稳定，一方面可能是由于福建地区常年雨水丰富，散体物料经过雨水浸泡发生软化，颗粒变细；另一方面，由于该地区土体呈酸性特征，使其与散体物料中的某些盐类离子发生物理化学作用，改变了散体物料本来的结构(如矿物含量、离子成分浓度等)，降低其中盐基饱和度、阳离子交换量，使得散体物料颗粒粒径变细。后期趋向于稳定主要是由于散体物料经过常年的物理化学作用，其内部结构组合排列已经充分完成，在外部主要环境变化不大的情况下，散体物料颗粒大小呈稳态特征，故其级配曲线趋向于一致，变化幅度不大。

图2 粒径级配曲线

2.3 散体三轴实验

将现场所取试样进行散体三轴实验，称量并计算出平均密度和含水率,使其误差在规程允许的范围内。采用分级加载固结方式 ,每小时加载100 kPa,3 h后4个试样分别加至100，200，300，400 kPa,固结时间不少于16 h。试验采用电液伺服阀自动控制轴向应力，试验结果见图3、图4。

从图3可以看出，对于该类饱和重塑土散体力学实验，黏聚力随酸化时间的增加而降低，而速率逐渐趋缓。这可能主要是在初期由于散体物料酸化的作用，散体物料内部结构遭到破坏，内部微观结构重新组合，胶结程度变弱，导致黏聚力减小；后期呈现出稳态主要是由于散体物料经过前期长时间充分的物理化学作用，性质趋向于稳定，使得散体物料黏聚力变化不大，拟合的关系式为c=34.499t-0.305。

图3 黏聚力随酸化时间变化曲线

图4 内摩擦角随酸化时间变化曲线

从图4可以看出，内摩擦角虽总体呈现下降趋势，但变化幅度不大，其变化趋势也并不明显，基本上围绕15°上下波动。这主要是由于散体物料虽经过酸化作用，其矿物成分和粒径级配发生变化，但颗粒之间相互摩擦系数变化并不大，克服粒子之间的功也未发生明显改变，故其土体内摩擦角变化较小,拟合的关系式为φ=0.001 5t3-0.008 5t2-0.155 3t+15.871。

3 计算模型与参数

模型离散时，共划分1 706 个节点，889 个单元(zone)，单元类型为四面体，见图5。基岩视为刚体，不对其进行折减，仅对排土场散体物料以及基岩之间的软弱夹层进行折减，为研究软弱夹层中的酸性土壤对排土场边坡稳定性的影响，其强度参数依次取图3、图4中的第1、第3、第5、第7年所对应的值，强度参数见表2。

4 模拟结果分析

不同时期岩土体剪切应变增量见图6，安全系数变化规律见图7。

从图6可以看出：第1年，边坡潜在滑动面在顶部台阶出现比较明显的滑动带，排土场的中部、底部也出现了一定的塑性区，在坡脚处边坡塑性区也出现了比较小的滑动带，这主要是由于在前期排土场散体物料强度参数c、φ值受坡脚处的酸性土壤影响比后期小，其物理力学性质没有发生明显改变，强度参数与初始相比变化不大，故并没有发生沿坡底接触面的整体性滑坡；在第3年，边坡可能发生整体滑坡，边坡塑性区贯穿整个滑动面，这主要是由于福建地区常年雨水丰富，散体物料经过雨水浸泡发生软化，颗粒变细，同时，该地区土体呈现酸性特征，改变了散体物料本来的结构，使得颗粒粒径变细，强度参数c、φ降低比较明显(图3、图4可以看出)，抗剪强度变低，容易导致沿基底接触面滑坡，安全系数变化幅度也比较大，将近20%；第5、第7年边坡潜在滑动面只出现在排土场基底底部，并呈现出一定的稳态特征，这主要是由于后期散体物料经过长时间充分的物理化学作用，性质趋向于稳定，使得其强度参数变化幅度不大，故其潜在滑动面以及安全系数变化幅度变小；同时，排土场边坡的破坏方式呈近似圆弧状，与极限平衡法计算结果类似，安全系数结果较接近，可见应用强度折减法的合理性。