某露天矿山排土场抛尾料固结试验研究

胡键，万道春，庞鑫

（攀钢集团矿业有限公司，四川 攀枝花 617000）

排土场是一种人工松散堆垫体，在露天矿山开采中具有砂石转运的功能[1]。排土场边坡的安全稳定性直接关系着露天矿山的生产效率和生产安全性[2]，排土场边坡治理问题一直是露天矿山开采中需要重点关注的问题。

有学者针对露天矿山排土场稳定性问题进行了大量研究[3]，目前基本可以得到大部分学者认可的是，除地震、降水等外界因素外，排土场边坡稳定性还与土体本身物理力学性质有密切联系[4]。其中，边坡土体的压缩性及土体在受压条件下的力学性能是需要考察的重要指标[5]。本文利用YS50-4A 型大型粗粒土压缩（固结）仪对某露天矿山排土场抛尾料土样进行固结试验，对土样压缩沉降曲线、压缩变形量、应力-应变曲线等进行考察，并通过固结试验数据进行压缩系数av、压缩模量Es等考察指标的计算依次来进行压缩性判别，为后期的边坡稳定性治理提供理论参考。

1 试验概况

1.1 土样采集

如图1 所示，抛尾料取样自某露天矿山排土场，取样后按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[6]对抛尾料含水率、孔隙比及密度等基本物理性质进行测定，抛尾料基本物理性质如表1 所示。

表1 某露天矿山排土场抛尾料基本物理性质

图1 抛尾料取样点

1.2 试验装置

本研究使用大型粗粒土压缩（固结）仪进行大三轴固结排水试验，该设备试验箱体尺寸为Φ504.6 mm×300 mm，可以测定粗粒土最大粒径为80 mm 的土体压缩特性指标，试验机应力水平为3.5 MPa、总荷重为700 kN。

仪器为浮环式试样筒，反力框架结构，加载装置为液压油缸，专用电液比例阀稳定固结压力，位移传感器测量试样沉降量， 荷重传感器配用数字显示仪表显示固结应力，计算机自动收集调试数据。试验机如图2 所示。

图2 YS50-4A 型压缩（固结）仪

1.3 试验方法与原理

根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》要求，试样的最大粒径不大于试样尺寸的1/6～1/5 倍。本次试验的标准试样直径为300 mm，故取最大土颗粒直径60 mm。按照前述等量替代缩尺的级配与确定的相对密实度进行土样称重和制备，具体包括制样、土样装填、启动试验机、预接触试样、安装垂直位移计、施加荷载等步骤。

粗粒土的压缩试验是将制备好的土样装入压缩试验机中，并对土样逐级施加荷载至压缩稳定（0.05 mm/h），测得每级压力下土样达到稳定时的竖向变形量s。由于土颗粒在通常的压力范围下可被认为是不可压缩的，因而将土的体积变化完全看作是土的孔隙体积变化，故侧限条件下变形量s和孔隙比e之间具有一一对应关系，如图3 和图4 所示。

图3 土体压缩的三相草图

图4 竖向变形量随时间变化

通过式（1）—式（4）可分别对土样初始孔隙比、某级压力下的孔隙比、压缩系数、压缩模量进行计算。初始孔隙比计算公式如下：

式中：e0为初始土样的孔隙比；ρw为水的密度，单位g/cm3；Gs为土的比重，本次试验取2.70；ω为试样的初始含水率，单位%；ρ0为试样的初始密度，单位g/cm3。

某级压力下的孔隙比计算公式如下：

式中：ei为某级压力下土样的孔隙比；si为某级压力下试样高度变化量，单位cm；H0为试样的初始高度，单位cm。

压缩系数计算公式如下：

式中：av为土样在指定荷载条件下每千帕的压缩系数；ei为前一级压力下土样的孔隙比；ei+1为后一级压力下土样的孔隙比；Pi+1为后一级土样承受的荷载，单位kPa；Pi为前一级土样承受的荷载，单位kPa。

压缩模量计算公式如下：

式中：Es为土样在某一压力范围内的压缩模量，单位kPa。

2 结果与分析

2.1 压缩沉降曲线与压缩变形量

试样在试验前后的压缩情况如图5 所示，依据每级荷载条件及对应的压缩沉降量可以构建试验过程中试样的t-s曲线，如图6 所示。

图5 试验前后试样压缩情况

图6 抛尾料侧限压缩试验t-s 曲线

从图6 试样压缩的t-s曲线观察分析可以看出，试样表现出3 个明显的变形阶段：初始沉降阶段、主固结沉降阶段和次固结沉降阶段[7]。土体试样在每一级荷载作用下变形量主要发生在初始沉降阶段和主固结沉降阶段；当主固结完成后，进入次固结沉降，该阶段土样变形量较小。

2.2 压缩性指标计算与分析

分别对土样的初始孔隙比和每级荷载条件下土样压缩稳定后的孔隙比进行计算，试验土样孔隙比e如表2 所示。

表2 压缩试验土样孔隙比计算结果

一维压缩试验中，随着荷载增大，土样逐级压缩沉降，孔隙比也会随之发生改变，两者变化关系用P-e曲线表示，如图7 所示。

图7 抛尾料侧限压缩试验P-e 曲线

利用上述试验土样孔隙比统计结果，可以对试验土样在不同荷载等级条件下的压缩系数av进行计算，如表3 所示。

表3 压缩试验土样压缩系数计算统计结果

表3 压缩试验土样压缩系数计算统计结果

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压缩系数是表征土压缩特性的重要指标之一，压缩系数越大，土的压缩性越大，反之亦然[8]。由表3分析可知，土样的压缩系数为一变量，从50 kPa 起随着荷载等级的逐级增大，土料的压缩系数av逐渐减小，表征荷载增大，土料的压缩变形量减小，压缩变形减小。侧限压缩试验的结果还可以采用lgP-e曲线表示。用这种形式表示的特点是，在压力较大的部分，lgP-e关系接近直线，其直线段的斜率被称为土的压缩指数Cc，接近于一个常量，不随荷载P变化。依据表3 的统计结果，建立试验土料压缩试验的lgP-e曲线如图8所示。从图8 中可以进一步得到试验土样的压缩指数为0.119 3。

图8 抛尾料压缩试验lgP-e 曲线

依据土样的lgP-e曲线，压缩指数可表征为：

式中：Cc为压缩指数，无量纲。

2.3 应力-应变分析

通常采用压缩试验得到应力-应变曲线分析土样的侧限压缩模量Es。选择横轴为土样压缩的应变，纵轴为土样承受的竖向荷载，建立试验土料应力-应变曲线，如图9 所示。

图9 抛尾料压缩土料应力-应变曲线

通常取土料压缩试验应力应变曲线中任意一小段的割线斜率作为相应于该段应力范围内土的侧限压缩模量Es（常用单位MPa），近似等于该点的切线模量。结合试验土料的应力-应变曲线，可以得到试样土样在0～800 kPa、0～1 600 kPa、0～3 200 kPa 条件下的压缩模量分别为22.58 MPa、26.06 MPa 和27.61 MPa。侧限压缩模量Es的计算公式如下：

2.4 土的压缩类别判定

通常采用表4 所列数值大致判别土的压缩性大小，其中压缩指数为一常数，而压缩系数为变量，为方便相互比较，一般采用竖向荷载100～200 kPa 区间对应的压缩系数进行判别。结合试验土样压缩性能指标，试验土样在荷载100～200 kPa 区间对应的压缩系数为每兆帕0.049 80，所以试验土样的压缩类别为低压缩性。

表4 土的压缩性判别标准

3 结论

利用YS50-4A 型大型粗粒土压缩（固结）仪对某露天矿山排土场抛尾料土样进行大三轴固结排水试验，对土样压缩沉降曲线、压缩变形量、应力-应变曲线等力学性能指标进行研究，主要结论如下。

土样试样压缩沉降曲线表现出3 个明显的变形阶段，分别是初始沉降阶段、主固结沉降阶段和次固结沉降阶段。土体试样在每一级荷载作用下变形量主要发生在初始沉降阶段和主固结沉降阶段；当主固结完成后，进入次固结沉降，该阶段土样变形量较小。一维压缩试验中，随着荷载增大，土样逐级压缩沉降，孔隙比也会随之发生改变，随着荷载等级的逐级增大，土料的压缩系数av逐渐减小，表征荷载增大，土料的压缩变形量减小，压缩变形减小。试验土样压缩性能指标，试验土样在荷载100～200 kPa 区间对应的压缩系数为每兆帕0.049 80，表现为低压缩性土类别。