某排土场抛尾料侧限压缩实验研究

徐金宇

（中铁二十五局集团第二工程有限公司，南京 210046）

排土场是矿山和土石方工程中常见的土地资源利用方式，用于存放和处理大量的尾料[1-2]。然而，在排土场使用过程中，由于尾料的特殊性质和不断堆积的压力，在坡面稳定性和土体的侧限压缩特性方面存在各种问题和挑战[3]。某排土场作为一个典型的尾料堆放地，具有较大的规模和复杂的土体结构，其稳定性和抛尾料侧限压缩性质的研究对排土场的设计和管理具有重要意义。然而，目前对于某排土场抛尾料的侧限压缩实验的研究尚不充分，缺乏详细的理论和实践依据。本文的目的是探究某排土场抛尾料的侧限压缩特性，以期提供更准确的理论与实践指导。通过在实验室中进行侧限压缩实验，研究土体在不同加载条件下的力学行为特征并计算侧限压缩参数，深入了解其内在的变形机制。这将有助于改进排土场的设计和管理方法，提高安全性和效益，并减少环境风险。

1 实验概况

1.1 土样采集与试样制备

取样点周边环境如图1 所示，在对实验土样基本物理性质测定后，制取试样。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[4]要求，试样的最大粒径不大于试样尺寸的1/6～1/5 倍，本次实验的标准试样直径为300 mm，故取最大土颗粒直径60 mm。试样制备过程如下：首先将风干土样按粒度组成筛分备用，依据实验确定的级配、密度、含水量、填装层数及试样尺寸，计算称量实验所需土样。试样分3 次击实填入制样桶，为消除每次填料时粗细颗粒分离，应分层称取待装土样。

图1 抛尾料取样点

1.2 实验装置及原理

本次实验所使用的固结试验设备是四川大学华西岩土所生产的YS50-4A 型大型粗粒土压缩（固结）仪。该设备的试验箱尺寸为Φ504.6 mm×300 mm，可以测量最大粒径为80 mm 粗粒土的压缩特性。浮环试验箱的内部结构如图2 所示，压缩试验机构造如图3 所示。

图2 浮环试验箱体内部构造

图3 压缩试验机构造

由于土颗粒在通常的压力范围下可认为是不可压缩的，因而将土的体积变化看作完全是土的孔隙体积变化，故侧限条件下压缩量s和孔隙比e之间具有一一对应的关系[5]。土样装填过程如下：将主机架水槽推出，提起试样筒，水槽内放入浮圈垫块，后放下试样筒，在筒内依次放入透水板、土工布，并在试样筒上部放置浮圈套。为减少土颗粒与浮圈筒内部的摩擦与拆样便捷，在浮圈筒内部均匀地涂抹1 层医用凡士林，随后将焖好的土石混合料分3 层装入浮圈筒并进行击实，每一层的高度控制在10 cm，每一层击实后进行凿毛处理，再装入下一层土料。装料完毕后在试样表面依次放置土工布、透水板及上传力板，然后取出浮圈套及浮圈垫块，将装好试样的水槽推入主机架内止动。

2 结果与分析

2.1 侧限压缩s-t 曲线

依据每级荷载条件及对应的压缩沉降量，建立排土场坝材料压缩s-t曲线如图4 所示。

图4 抛尾料侧限压缩s-t 曲线

从图4 中可以看出，侧限压缩s-t曲线主要分为4个阶段。①初始压实阶段。在初始阶段，土体受到侧限压缩作用时，沉降速率较快。在此阶段，曲线呈现出急剧下降的趋势，表示土体发生了较快的压实。②压实阶段。在此阶段，土体的沉降速率逐渐减小，并趋于稳定，呈现出一个平缓的下降趋势。③弹性阶段。在一定应力水平下，土体达到一定的沉降后，曲线出现一个水平平台。④限制压实阶段。在限制压实阶段，土体的沉降速率会进一步减小，曲线出现几乎平直的趋势。对土样压缩实验变形量进行统计见表1。通过对压缩沉降曲线的分析，可以评估土体的压实性能、变形特性及固结过程中的变化规律。同时，还可以确定土体的侧限压缩模量、压缩指数，以及其他与变形相关的指标，并为工程设计和处理土体提供依据。

表1 土样压缩实验变形量统计结果

2.2 孔隙比-竖向荷载曲线

对试样初始孔隙比以及不同应力条件下压缩稳定后孔隙比进行计算见表2。孔隙比-竖向荷载曲线（e-P曲线）如图5 所示。

表2 压缩实验土样孔隙比计算结果

图5 侧限压缩e-P 曲线

从图5 可以看出，随着竖向荷载等级的增加，孔隙比不断减小，呈负相关关系，使用二次函数对数据进行拟合，拟合关系良好（R2=0.993 7）。可以从颗粒排列密度的角度进行解释[6-7]：较高的孔隙比意味着土体中空隙的比例较高，颗粒之间的接触点较少。这可能导致颗粒的排列更为松散，而松散的颗粒排列会导致土体在受到竖向荷载时的相对变形较大。因此，较高的孔隙比通常会对竖向荷载产生较大的沉降或下沉。

2.3 压缩性指标

通常通过考察压缩系数av和压缩指数Cc来判断土的压缩性[8]。将应变变化除以应力变化以及孔隙比变化（即压缩前后的孔隙比差）的比率，即可得到压缩系数av。可通过式（2）对压缩系数进行计算。表3 给出了不同荷载等级下的压缩系数，从表3 可以看出，压缩系数随着荷载等级的增大而减小。在承受较小荷载时，试样颗粒之间的接触紧密程度较小，导致初始压缩较大，即压缩系数较大。随着荷载的增大，试样颗粒逐渐变得更加紧密堆积，导致剩余空隙的减少，因此，压缩系数逐渐减小。斜说明试样在承受荷载后会发生压实，密度增加，体积减小。

表3 压缩实验土样压缩系数av 计算统计结果

压缩指数Cc是土的压缩性的另一个重要指标，是指土在侧限压缩过程中的体积压缩量与应力增量之间的关系，通常通过由e-P曲线演化而来的e-lgP的基础上利用公式（3）进行计算。基于图5 的e-P曲线，可以得到e-lgP曲线如图6 所示，进而可以得到实验土样压缩指数为0.122 5。

图6 侧限压缩e-lgP 曲线

参考土的压缩性判别标准[9]（表4），实验土样的压缩系数和压缩指数均处于低压缩性区间，因此，实验土样的压缩性为低压缩性。

表4 土的压缩性判别标准[9]

3 结论

通过对某排土场抛尾料进行侧限压缩实验，计算了相应的压缩指数和压缩系数。通过实验结果的分析和比较发现：实验土样具有相对较小的压缩性，即在受到荷载时变形较小，其在工程建设中可能会表现出较小的沉降和变形风险。本研究可为后续排土场边坡设计提供一定的参考。仍需进一步以更多综合实验和实地应用为基础的研究深入探究实验土样的力学行为和性质。