季冻区矿山排土场粗粒土冻融界面剪切性能研究

陈国良 牛富俊 穆彦虎 陈 涛 李国玉 杨 晗

（1.西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏拉萨850001；2.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州730000；3.冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州730000；4.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050）

近年来，伴随我国西部大开发和“一带一路”战略的深入实施，具有明显矿产资源优势的西部地区矿产资源的开发规模和强度不断增加，大型、超高排土场日益增多，排土场滑坡、泥石流地质灾害问题也日益突出［1-2］。由于西北、西南地区多个矿产资源集中区位于季节冻土区内，季节冻融作用及冻融过程中的水、热、力过程可与矿山排土场滑坡、泥石流等地质灾害发生联系，有时甚至成为这些灾害关键或重要致灾因素［3-4］。刘传正［3］在对我国1920—2013年间160个案例重大滑坡泥石流灾害成因分析中，将冻融渗透型与包括降雨引发型、地震激发型、切坡卸荷型等其他9类成因并列为崩滑流灾害成因。崔鹏等［5］在对西藏地区泥石流滑坡的分类当中明确指出，在高寒气候条件下，西藏高原泥石流、滑坡发育与其他地区有所不同，除地质地貌和降雨条件外，其类型和性质还受温度和冰雪融水的影响。

在季节冻土区，土体冬季经历冻结，春季随气温回升土体表面开始融化，此时深层冻结土体与浅层融化土体之间会形成一个冻融交界面。该界面是一种相对于融土和冻土更为复杂的过渡带，由于处于剧烈相变区，因此其温度和未冻水含量相对于冻土而言明显较高［6-8］。目前，针对冻融界面的抗剪性能科研人员开展了大量的研究工作。徐学燕等［9］通过试验研究发现冻融交界面的瞬时抗剪强度比融土的瞬时抗剪强度大，冻融界面处土体的粘聚力大于融土的粘聚力。佟治权等［10］开展了砂黏土的室内快剪试验和野外大型快剪试验，发现冻融交界面的抗剪强度均大于冻后全融土的抗剪强度。葛琪、邓爱平等［11-12］利用盐水冰点低的特点来模拟冻融交界面，通过试验数据发现冻融交界面的抗剪强度均低于融土的抗剪强度，与以往结论相反。针对季节公路土质边坡，程永春等［13］设计并开展了有、无冻融界面的边坡稳定性模拟试验，并基于试验结果对土质边坡活动界面临界深度进行了对比；杨让宏等［14］通过数值模拟和现场监测数据分析了冻融界面的变化对多年冻土区斜坡路堤的稳定性影响，研究表明路堤稳定性与冻融界面的位置和形态有相关的对应关系。

排土场是露天矿山用来堆放开采中剥离废石的场所，其长期稳定性不仅关系到矿山能否正常生产，同时还影响排土场周围和下游地区民众的生命财产安全。与普通边坡不同，排土场的物料组成有剥离的表层土体、爆破的岩石等，粒径大小不等，级配较差，压缩性大，因此排土场滑坡的事例已屡见不鲜。为此，研究人员已开展大量粗颗粒土物理力学性质的研究，然而针对冻融环境下排土场粗物料物理力学性质的研究相对较少。本文以西藏某高寒高海拔多金属矿山排土场为研究对象，开展排土场粗粒土冻融界面的大型室内直剪试验，并与全融状态下的直剪试验进行对比，同时考察颗粒级配对冻融界面及全融状态下土体抗剪性能的影响，以期为季节冻土区矿山排土场边坡稳定性分析提供参考。

1 排土场粗粒土冻融界面直剪试验

1.1 试样土样

试样土样取自西藏某多金属矿山排土场，矿区海拔高度自生活区3 900 m至山地露天选矿区约5 400 m。为获得矿山排土场周边气象环境条件及排土场土体冻融规律，在山顶露天选矿区附近架设有气象观测站点1个、排土场10 m深地温测孔1个。已有监测结果表明，矿区山顶气温波动范围为-15～5℃，其中最低气温出现在12月至来年1月初，极端最低温度可达-27.7℃。排土场地温监测结果表明，土体最大季节冻结深度可达1.8 m，冻结期自11月中旬至来年4月上旬，持续时间约5个月，融化期持续时间约7个月。

由于该矿山目前处于建设初期，且土样采集位于排土场上部，因此土料中主要以风化层和风化程度较高的灰岩质砾粒为主，天然含水率为11.5%。考虑到直剪试验样品直径和尺寸效应，对野外采集的土样进行自然风干后，碾压并过20 mm的筛。利用筛分法得到土样颗粒级配如表1所示。可以看出，粒径大于0.075 mm颗粒含量超过土样总质量的50%，因此从土的工程分类上为粗粒土。

由于排土场在不断排弃堆积过程中，受重力作用沿排土场边坡自上而下呈现粒径自然分级，颗粒级配差异显著，而散体物料的粒径大小及级配对其物理力学性质影响显著［15-18］。因此，为考察颗粒级配对土料抗剪性能的影响，本文在原有级配基础上通过控制2～20 mm砾粒土含量P2-20，以间隔为10%的P2-20含量开展3种级配条件下土样的大型直剪试验，土样级配曲线如图1所示。

1.2 试验仪器及方法

本次试验在北京交通大学冻土实验室的全自动土工粗颗粒土直剪试验系统上开展，如图2所示。该设备为1款内置冷夜循环系统的大型数控静力直剪仪，由2台步进伺服电机作为驱动，分别提供垂直压力和横向推力，其最大输出分别为100 kN和150 kN，并带有精确的反馈控制模块，可以分别实现位移和力的精确控制。

剪切盒内侧为钢制结构层，外侧为冷浴循环空腔，在腔内与外界环境有热交换的位置铺设有保温层。系统配有大功率冷浴循环机，对上、下剪切盒进行制冷和温度控制，温控系统组成包括循环冷却温度控制模块、剪切盒内高精度热敏电阻和数据采集反馈模块，具有维持剪切面法向温度梯度的能力。剪切盒最大容积为300 mm（长）×300 mm（宽）×200 mm（高）。

直剪试验土样装填按下述步骤进行，首先将试验用土按不同砾类土含量（P2-20=23%、33%、43%）加入一定质量的蒸馏水调配至目标含水率后倒入搅拌机内进行搅拌，搅拌完成后在限制蒸发条件下静置12 h，以保证试样的含水率均匀分布。随后，按照目标干密度为2.0 g/cm3（压实度约为85%）称量所需土料，将称量好的土样分3层进行装填，然后分别压实至计算高度。第一层装填完毕后，表层刨毛后装填第二层，重复此步骤至最后一层，整平表面。为方便加载，在上剪切盒顶部预留一定距离，本次试验预留2 cm。在剪切面附近，插入高精度热敏电阻温度探头并连接数采仪采集土体温度数据，以掌握剪切面土体温度变化情况。

土样装填完成后，打开冷浴循环，冻结下剪切盒土体并观察剪切面土体温度随时间变化情况，直到接触面温度达到设定温度-0.1℃且没有波动（通常需要15～24 h），说明此时试样内部已经达到热力平衡，温度场已经稳定。此时，进行冻融交界面状态下的不固结快剪试验，启动垂直加载装置，施加设定的垂直压力（100、200、300 kPa），待垂直压力保持稳定时，启动水平加载装置并以0.9 mm/min的速度推动上剪切盒，试验过程中保持下剪切盒不动，剪切过程中剪切面温度波动不超过±0.1℃，两个方向的应力和位移均自动同步记录，采样频率50 Hz。试验结束后卸载，关闭冷浴循环，待试样升温融化后，将土样从剪切盒中取出。同时，为对比分析粗粒土有、无冻融界面剪切性能，开展了相同干密度、含水率条件下全融粗粒土的直剪试验，与存在冻融界面的试验结果进行对比分析。

2 粗粒土直剪试验结果与分析

2.1 融土、冻融界面剪切应力—剪切位移特征

图3给出了全融状态下，不同砾粒组含量土体的剪切应力—剪切位移曲线。从图3可以看出，剪切应力—剪切位移曲线基本呈硬化特征，无峰值强度。在试验初始阶段，剪切位移随剪切应力增加呈线性增加，增长率较大，为弹性变形阶段。随着剪切应力的继续增加，曲线斜率减小，呈现非线性增加，为塑形变形阶段。当剪切位移增加至一定阶段，曲线出现拐点，土样整体呈滑动破坏，随后剪切位移迅速增加，而剪切应力小幅增加或保持稳定。通过3种砾粒组含量条件下试验结果对比，可以看出，随着砾粒组含量的增加，其硬化特征更加明显。

图4给出了不同砾粒组含量条件下冻融界面的剪切应力—剪切位移曲线。从图4可以看出，与全融状态下明显不同，冻融界面的剪切应力—剪切位移曲线呈现应变软化特征，存在明显峰值剪切强度。3种砾粒组含量条件下，峰值应力均出现在剪切位移为1/100左右（3 mm附近）。此后，随着剪切位移的增加，剪切应力逐渐减小。与全融状态下相比，同一法向应力及剪切位移条件下，冻融界面处的剪切应力水平明显较高。

2.2 融土、冻融界面的抗剪强度

图3中融土的剪切应力—剪切位移均为应变硬化，因此按照土工试验规程（SL237-1999）取剪切位移为试样尺寸1/15（20 mm）处时剪切应力为抗剪强度，而图4中冻融界面剪切应力—剪切位移为应变软化，因此取峰值剪切应力为界面抗剪强度。采用摩尔—库仑准则对粗粒土抗剪强度进行描述，包括粘聚强度和摩擦强度：

式中，τ为抗剪强度；c为黏聚力；σ为垂直压力；φ为内摩擦角。图5给出了不同砾粒组含量条件下融土与冻融界面抗剪强度与法向压力的关系，即抗剪强度曲线，并给出了相应的拟合公式和相关系数。

表2给出了不同砾粒组含量条件下冻融界面和融土的黏聚力和内摩擦角拟合结果。可以看出，冻融界面处的黏聚力显著大于融土，当P2-20分别为23%、33%、43%时，冻融界面处的黏聚力比融土的分别大57.75 kPa、62.10 kPa、48.11 kPa。这是由于全融状态下粗粒土的黏聚力主要由细颗粒之间的粘结作用体现，而对于冻融界面处冰的胶结作用同样会对黏聚力有所贡献。对于内摩擦角而言，当P2-20为23%时，冻融界面内摩擦角与融土大致相同，而随着砾粒组含量P2-20增加至33%时，冻融界面的内摩擦角则显著大于融土。粗粒土的内摩擦涉及颗粒之间的相对移动，其物理过程包括颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦和颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。相对于融土，冻融界面处未冻水含量小于融土，水分的润滑作用有所减弱，同时粗颗粒表面的冰包裹作用增强了颗粒之间脱离咬合的咬合摩擦，因此总体上冻融界面的内摩擦角大于融土。

2.3 融土、冻融界面强度指标与砾粒组含量关系

图6给出了冻融交界面、融土黏聚力与砾粒组含量之间的关系。可以看出，对于冻融交界面和融土，随着砾粒组含量的增加，黏聚力均呈减小趋势。对于融土而言，黏聚力主要由细颗粒土体提供，随着砾粒组含量的增加，细颗粒土体含量逐渐降低，因此黏聚力将随着砾粒组含量的增加而快速降低。当砾粒组含量P2-20由22.88%增加至42.88%时，黏聚力下降幅度超过40%。随着砾粒组含量的增加，土样内部砾粒组由最初的悬浮状逐渐过渡形成土样骨架，其含量的进一步增加将最终导致黏聚力的消失。

与融土不同，冻融界面处的黏聚力随砾粒组含量含量的增加减小幅度或速率明显较小。当砾粒组含量P2-20由22.88%增加至42.88%时，黏聚力下降幅度约为20%，只有融土下降幅度的一半。这体现了冻融界面处冰的胶结作用对于土体黏聚力的贡献。通过同一砾粒组含量条件下冻融交界面与融土黏聚力的对比可以发现（表2），界面处冰的胶结作用对于界面整体黏聚强度的贡献约为50～60 kPa。由于各组试验中土样含水量均为11.5%，随着砾粒组含量的增加，土样饱和度相应减小，因此随着砾粒组含量的增加，冰的胶结作用有所减弱，对整个界面土体黏聚力的贡献相应有所减小。

图7给出了给出了冻融交界面、融土内摩擦角与砾粒组含量之间的关系。可以看出，随着砾粒组含量的增加，冻融交界面与融土的内摩擦角均呈增加趋势。对于融土而言，随着砾粒组含量的增加，其内摩擦角最终将接近与砾粒组的休止角。对于冻融交界面而言，其内摩擦角随砾粒组含量的增加速率明显大于融土条件下，其原因已在上一节中讨论，这里不再赘述。通过融土和冻融交界面内摩擦角的对比（表2），能够体现冰对粗颗粒的包裹作用对于其咬合摩擦的贡献，且这种贡献随着砾粒组含量的增加逐渐增强。

3 讨论

如引言中所述，冻融渗透或冰雪冻融渗透作用是高寒高海拔地区滑坡、泥石流灾害发育的重要成因之一。在高寒高海拔地区，地表常见寒冬风化产生的残坡积和崩积松散覆盖层，黏结性差，再加上地形坡度大、相对高差大，其坡面稳定性较为脆弱，季节冻结层的融化以及冰雪融水在重力作用下向融化—冻结界面汇集，润滑了松散体表面，降低粗颗粒之间的摩擦力，软化细颗粒基质的黏结力，使得界面处抗剪强度显著减小，而斜坡后缘继续加载或冰雪融水渗透作用则会对斜坡的整体失稳起到激发作用，宏观上表现为“等粒体”物质的“雪崩式”滑坡碎屑流现象［4］。

然而，在本项目剪切试验中，冻融界面的模拟是以全融状态下对下剪切盒土体进行冻结，在冻结锋面至剪切面时开始剪切试验，因此难以反映和模拟实际情况下斜坡体内部温度分布与变化过程及水分重分布过程。

因此，在后续研究中需对试验方案进行调整，在全部冻结状态下对上剪切盒土体进行缓慢融化，模拟实际春融过程中土体温度沿深度方向的时间变化过程及分布，并容许已融土体内部水分在重力作用下向融化锋面汇集，进而在融化锋面抵达剪切面时开始剪切，以考察融化—冻结界面在水分汇集条件下的抗剪性能，为高寒高海拔地区冻融渗透型滑坡、泥石流灾害及排土场稳定性分析提供依据。

4 结论

针对高寒高海拔矿区排土场边坡经历的季节冻融过程，本项目利用可控温大型直剪仪开展了排土场粗粒土在全融状态下和冻融交界面的剪切试验，同时考察了颗粒级配对粗粒土剪切强度的影响，主要结论如下：

（1）对于粗颗粒融土，剪切应力—剪切位移曲线呈现应变硬化特征，无峰值强度，试验变形可大致分为3个阶段即弹性变形、塑形变形与滑动破坏。与全融土不同，冻融交界面剪切应力—剪切位移曲线呈现应变软化特征，峰值应力发生在1/100剪切位移附近，此后随剪切位移的增加，剪切应力逐渐减小。

（2）同一砾粒组含量条件下，冻融交界面抗剪强度明显大于融土，前者约为后者的3倍以上。相较于融土，冻融界面处冰的胶结作用增加了土体的黏聚力，贡献量值约在50～60 kPa。随着砾粒组的增加，土样饱和度相应减小，冰的胶结作用整个界面土体黏聚力的贡献相应有所减小。在砾粒组含量较高时，冻融界面处土体内摩擦角同样大于融土。相对于融土，冻融界面处未冻水含量小于融土，水分的润滑作用有所减弱，同时粗颗粒表面的冰包裹作用增强了颗粒之间脱离咬合的咬合摩擦，因此总体上冻融界面的内摩擦角大于融土。

（3）对于融土而言，随砾粒组含量的增加，其黏聚力快速减小，这与土样内部粗细颗粒组成有关，而内摩擦角快速增加并逐步趋近于砾粒的休止角。对于冻融界面而言，随砾粒组含量的增加，其黏聚力由于冰胶结作用的贡献，其幅度明显小于融土，而内摩擦角增加幅度明显大于融土，体现了粗颗粒表面冰包裹作用对颗粒咬合摩擦的贡献。