排土场散体岩石物料力学特性研究现状

李扬龙 刘学文 杨庚群 刁守轩 陈标 梁维

摘要：指出了散体岩石物料广泛存在于自然界，该类材料颗粒粒径离散性大、颗粒形状与空间分布结构呈现明显的非均匀性，导致其力学特性较为复杂。对散体物料的粒度分布规律、颗粒破碎、击实特性、渗透特性、压缩变形特性和抗剪强度特性6个方面的研究成果进行了总结并论述了相关研究方法。提出了关于散体物料力学特性的研究目前已由以往考虑单一因素发展到针对多因素影响的复杂力学行为研究，以及宏一细观力学特性演化规律，特别是颗粒细观组构性质对宏观力学特性的影响研究，使对散体物料的力学特性有了更深入的认识，同时应加强把已取得的研究成果与工程实践紧密结合，使理论研究和试验研究不断完善，以推动我国在该领域研究工作的进一步发展。

关键词：散体岩石物料;粒度分布;击实特性;渗透特性;压缩变形特性;抗剪强度特性

中图分类号：TU458

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0180-04

1引言

露天矿山排土场是矿山开采过程中排弃物集中排放的场所，随着矿山持续开采，排土场散体岩石物料堆积高度不断增加，排土容积越来越大，在自然条件和外荷载作用下排土场滑坡、泥石流等事故隐患突出，对矿区自然环境保护和安全生产造成了严重的威胁，例如，如2008年8月1日，山西娄烦县尖山铁矿排土场发生特别重大垮塌事件，造成45人遇难;2011年2月27日，四川米易县中禾矿业公司一号排土场发生滑坡事故，约30万m3废土从排土场滑下，淹埋2户人家，6人下落不明，滑坡事故给矿山企业造成了巨大的经济损失，同时也给社会带来恶劣的影响。因此，排土场的安全稳定性研究是矿山安全生产技术的重点研究课题。

国内外研究成果表明，影响排土场稳定性的因素有很多，如排土工艺、工程地质、水文地质、爆破震动、地震、连续降雨等，特别是散体物料的力学性质，由于矿山排土场堆积体主要是由露天开采剥离的表土和废石等散体岩石物料组成，该类材料颗粒粒径离散性大、颗粒形状与空间分布结构呈现明显的非均匀性，导致其力学特性较一般的土体更为复杂，因而要进行排土场安全稳定性的研究工作，首先要对排土场散体岩石物料这类散体介质具有正确的认识，掌握其物理力学特性，为研究排土场边坡稳定性提供可靠的力学参数。

多年来，随着矿业工程的发展，矿山排土场的高度和容积都在不断的增大，其稳定性研究面临着更加严峻的形势.学者们针对散体岩石物料的力学特性开展了广泛的研究，在理论分析和实践工作都取得了丰硕的成果，本文主要分析前人的研究工作，对排土场散体岩石物料力学特性的研究方法进行总结，以作为排土场稳定性分析的有益补充。

2散体物料粒度分布规律的研究

排土场在进行堆排时，由于大粒径与小粒径岩块自身重力的作用，大粒径岩块通常排至坡底，而小粒径岩块则大部分停留在坡顶，在高度上呈现明显的粒度分级特征，在统计学上具有较强的分布规律。

矿山排土场散体物料粒度分布规律的研究是排土场边坡安全稳定性分析的基础，同时为散体物料室内物理力学试验的粒度组成和级配方案提供参考，也是进一步研究排土场破坏模式的重要依据。在粒度分布测试方法上，根据粒径大小不同，现场测定排土场岩块粒度的方法通常有摄影测量图象分析法、直接量测、筛分和沉降分析等方法。在理论分析上，以往研究者大多采用粒度组成分布函数来描述岩块粒度分布的统计特征：Rosin-Rammuler函数、Gaudin-Schuhmann函数和Gibrat函数等。

然而在许多情况下，岩土体受到切割、爆破以及风化的作用，所形成的散体岩块通常表现出分形分布，具有自相似性特征，因而采用分形几何理论对排土场散体物料粒度分布规律进行分维分析。研究结果表明：①排土场散体岩石粒度分布符合分形分布，其粒度组成具有良好的分形结构，在统计意义上满足自相似规律。分维数是定量描述散体物料粒度含量的一个重要的参数，可用于排土场粒度资料的统计分析;②散体岩石粒度的分维数在排土场的分布呈现一定的规律性，随着排土场高度的增加，分维数也增大，但小于3。

分形几何理论主要研究自然界和非线性系统中出现的具有自相似性的不规则几何体，已成为排土场散体物料粒度分析重要的定量分析方法。

3散体物料颗粒破碎的研究

颗粒破碎是指散体物料颗粒受到外部荷载作用时，当外荷载大于颗粒本身所能承受的强度而产生结构破坏或破碎，颗粒发生破碎的具体方式较为复杂，可能发生等分破碎、不等分破碎和整体性破碎。

张家铭就对国内外研究进行了分析，认为国内外对颗粒破碎的研究注意点都集中在对产生破碎的影响因素认识上，对破碎本身的机理缺乏系统的认识;孔德志则通过大型三轴试验研究颗粒破碎，结果表明，破碎颗粒可分为残缺颗粒和完全破碎颗粒，两者的质量分数存在幂函数关系，同时提出常用的颗粒破碎率指标有：①从能量观点出发建立的指标;②残存概率指标;③单一特征粒径指标;④多粒径指标，即以试验前后整个颗分曲线的变化量来衡量颗粒破碎的程度。然而，由于室内试验仪器设备的局限性和限制条件，常常难以满足实际尺度试样的要求，近几年值模拟方法的快速发展和高性能计算机的运用，目前数值模拟也越来越广泛的应用于颗粒破碎的研究中，如DEM数值模拟试验、PFC数值模拟试验、DDA数值模拟试验等，从微观角度分析颗粒破碎的力学行为，研究颗粒破碎的作用机制。

文献[11]研究表明：粗颗粒材料的破碎率随着压力的增大而增加，而增加速率则随着压力的增大而减小，并建立了描述压力与破碎率的关系式;同时颗粒破碎会导致材料抗剪强度的降低，从而提出了考虑破碎对强度影响的强度准则，该准则能描述粗颗粒材料的强度随压力的变化情况，采用该强度准则分析排土場的稳定性，其结果更加接近实际情况，而对于超高排土场的稳定性分析，强度准则更为适用。

4散体物料击实特性的研究

击实特性是散体岩石物料在外载荷作用下能达到的最大干密度及其最优含水率，以及在击实过程中的颗粒破碎规律，为排土场碾压施工达到最佳密实程度提供理论依据。

试验时，先将土样烘干、破碎，通过筛分后制成一定级配和一定含水率的扰动试样，分层装入击实筒中，每铺一层即用击锤按规定的落距和击数击实试样。由于室内试验仪器设备尺寸的限制，无法满足现场超大粒径颗粒的要求，因此，须对超大粒径颗粒进行必要的处理，目前常见的处理方法有剔除法、相似级配法和等量替代法等口胡;或根据试验规程规范自制击实仪，增大击实筒来进行击实试验。反映击实特性的指标多采用干密度来表征，干密度越大，孔隙越小，散体岩石物料越密实，说明击实效果越好。根据干密度与含水率拟合关系，可计算得出各级配试样的最大干密度、最优含水率和孔隙比。

文献[13]采用自行研制的大型击实仪，对土石混合料进行了击实试验，研究结果表明，粗颗粒含量为70%是土石混合料最大干密度变化的分界点;文献[14]通过对多个级配不同的含水率的粗粒土进行试验，研究粗粒土的压实特性和颗粒破碎分形特征，研究结果表明：①粗粒土最大干密度随级配中粗粒含量的增大而增大;②粗粒土颗粒破碎率随含水率的增大而增大;③粗粒土粒度分形维数差值与颗粒破碎率之间具有对应关系，分维数差值的大小能够客观地表征击实后粗粒土颗粒破碎的程度;④粗粒含量和含水率是影响颗粒破碎率的两个重要因素，但相对于含水率而言，粗粒含量对破碎率的影响要更加显著。

5散体物料渗透特性的研究

渗透试验是测定散体物料渗透性能的一种有效方法，通过试验研究散体岩石在不同密实状态下的渗透性能及渗透破坏形式，从而分析排土场在降雨渗水条件下的安全稳定性。散体物料的渗透性能通常采用渗透系数和渗透破坏形式来表征，一般可以通过试验获取，同时也可以利用经验公式来判别：达西定律、太沙基公式、哈增公式、柯森公式、扎乌叶列布公式、康德拉捷夫公式、B.C.伊斯托明娜公式和刘杰公式等。

根据《土工试验规程》（SL237-1999）规定粗粒土室内渗透试验采用常水头渗透仪测试。通过研究人员的探索与创新，文献[16]开发了一种散体岩石渗透试验附加装置与MTS815.02型岩石力学试验系统配套使用，可以完成散体岩石的渗透试验，研究表明：①决定散体岩石渗透特性的直接因素是孔隙的大小及分布，而不是作用于其上的载荷;②散体物料的孔隙与体积应变，具有很好的相关性，因而散体物料的渗透特性与体积应变具有相关性;③散体岩石的渗透特性不单取决于粒径，还与岩性有关;④散体岩石的渗透特性与加载时间有关。

此外，降雨渗透是排土场发生滑坡失稳的重要触发和诱导因素之一，在长历时降雨作用下，排土场安全系数下降幅度可达到15%～38%，随着降雨的停止，安全系数逐步缓慢回升;当降雨时间一定时，随着降雨强度的增加，边坡的安全稳定性系数减小速率增大，边坡将由最初的稳定状态转化为极限平衡状态，若降雨强度和降雨时间持续增加，边坡最终将发展为不稳定状态。总而言之，散体物料的渗透特性在很大程度上直接影响排土场边坡的稳定性及其内部渗流场，在水的作用下导致散体岩石物料的力学性能下降，降低边坡的抗滑阻力，最终引发排土场泥石流、滑坡等自然灾害。因此，通过深入研究排土场散体物料的渗透性能.分析降雨渗透对排土场稳定性的影响，及时有效地采取防治措施，进而保证矿山的安全生产。

6散体物料压缩变形特性的研究

散体物料压缩变形特性是指在竖向荷载作用下其内部结构发生变化导致体积缩小的性质，散体岩石物料的压缩和固结是一个复杂的力学行为，其受到诸多因素的影响，例如：散体物料的类别和状态、边界条件以及受荷方式等。散体物料的压缩变形特性可通过压缩仪进行试验，近些年，国内外许多科研单位研制了可以满足不同粒径的大型三轴压缩仪，可实现宽粒径散體的压缩变形试验。

朱文君等对堆石坝花岗岩粗粒料进行了单向压缩试验研究，结果表明，湿化变形在高竖向压力下作用明显，湿化应变与竖向压力之间呈指数函数关系;张兵等通过大型侧限压缩试验分析了颗粒破碎、级配、母岩岩性、初始孔隙比、泥岩含量等因素对堆石料压缩特性的影响，研究结果显示，堆石料的压缩模量较大一其压缩性较小，认为颗粒破碎、初始级配以及泥岩含量对堆石料的压缩特性有较大影响;孙国亮等在干湿循环、冷热循环、湿冷干热耦合循环等条件下进行了堆石料的压缩变形试验，研究表明堆石体颗粒劣化受到环境循环变化的影响，进而导致高土石坝后期的沉降变形。

通过进行不同条件下的压缩试验，分析散体物料的应力应变曲线，掌握在外荷载和自重应力作用下，以及随着时间的推移，散体颗粒相互挤压、骨架结构发生变形，细颗粒充填于骨架内，导致孔隙体积减小，从而引起散体物料压缩变形的规律，可为排土场的沉降稳定性分析提供可靠的理论支撑。

7散体物料抗剪强度特性的研究

散体岩石物料的抗剪强度是表征其力学特性的重要参数，测定方法主要有三轴压缩试验、直接剪切试验和现场原位实验，其测定结果受到众多因素的影响，例如散体物料的密度、颗粒级配、颗粒几何形状、颗粒强度、含水量、粒径比、试样尺寸、剪切速率、围压等对散体物料的强度和变形特性都有不同程度的影响。

文献[25]利用室内大型直剪实验，考虑剪应力一剪切位移关系曲线变化特征和剪切面破坏特征研究散体物料抗剪强度的取值方法，提出采用临塑抗剪强度和极限抗剪强度来表征散体物料的抗剪强度;文献[26—29]采用离散元数值模拟的方法对不同含石量（级配）散体物料的变形与强度变化规律及内在机理进行了研究，将数值试验的成果与室内试验结果进行对比分析揭示散体物料的抗剪强度特性;同样也可以利用边坡安全系数反演散体物料的抗剪强度参数，与实验结果相互验证口。

文献[4，6，31，32]利用分形几何理论，分析散体物料粒度分形特征及其与含石量的关系，基于室内散体力学试验，建立了分维数与抗剪强度指标c、D值的定量关系;研究表明，散体物料具有统计意义上的自相似性，分维数越大，级配结构中细颗粒含量越多，平均粒径也就越小，分维数与抗剪强度参数内摩擦角ψ呈负指数关系，分维数可作为定量统计散体力学性质的指标，同时也可用于排土场粒度资料的统计分析与抗剪强度参数的预测。

8结语

对于排土场散体岩石物料这一类松散介质的力学特性，学者们进行了大量的研究工作，由以往考虑单一因素发展到针对多因素影响的复杂力学行为的研究，以及宏观力学参数的试验研究到细观力学性质的分析，特别是颗粒细观组构性质对宏观力学性能的影响等方面都取得了长足的进步，使人们对散体物料的力学特性有了更深入的认识，同时应加强把已取得的研究成果与工程实践紧密结合，使理论研究和试验研究不断完善，推动我国在该领域研究工作的进一步发展。

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