含水排土場蠕變特性及長期強度研究

常 劍, 郭 霽, 蘇 強, 王浩然, 孫鴻昌

(中煤科工集團沈陽研究院有限公司, 煤礦安全技術國家重點實驗室, 遼寧 撫順 113122)

據不完全統計,截至2022年末,我國有露天礦357座,煤礦產能11.62億t,約為井工煤礦的3倍[1]。隨著露天開采的高速發展,排土場規模也隨之擴大。排土場本身是由生產剝離的無用土巖堆砌構成,因其松散、膠結程度較差,易發生剪切失穩破壞[2]。同時排土場隨著形成時間的推移,受荷載、地下水、地應力等因素影響,巖土體結構進一步破壞,孔隙率降低、滲透性降低、孔隙水壓上升,特別是其強度指標降低。因此研究其蠕變特性和長期強度對維護排土場穩定有重要意義。

近年來,許多學者針對蠕變特性和長期強度開展一系列研究。Wang等[3]對含單裂隙砂巖試樣進行蠕變試驗,明確裂隙角度對長期強度的影響及蠕變狀態下石灰巖、砂巖、泥巖內部裂縫發育程度規律;Li和Yin[4]在添加擾動因素基礎上,分析砂巖在擾動狀態下蠕變變形模式,探究擾動荷載對砂巖的力學特性影響,建立砂巖在擾動荷載作用下的蠕變本構模型;王游等[5]基于非線性函數、Kelvin模型,得到一個非線性損傷西原體模型,反映巖石穩定蠕變階段力學參數變化和加速蠕變變形特性;徐剛等[6]通過不同含水率煤樣蠕變試驗,研究分析不同含水率煤樣的蠕變特征,進而改進傳統Burgers模型;李昂等[7]通過不同應力狀態和含水率下的單軸剪蠕變試驗,建立時間、含水率和應力狀態的3因素經驗蠕變模型,提高了對黃土蠕變特性的表達;王新剛等[8]開展不同含水率滑坡滑帶土三軸蠕變試驗,明確含水率對黃土蠕變特性影響,并基于等時曲線法得出其長期強度;周瑞鶴等[9]基于巷道圍巖開挖實際應力調整路徑,開展粉砂巖分級卸載蠕變試驗,分析不同圍壓下蠕變特性,并引入黏塑性蠕變啟動元件,建立粉砂巖卸荷蠕變模型。

綜上可知,眾多學者針對蠕變特性及長期強度已進行多方面研究,但是在露天礦排土場巖土體方面研究較少。本文以內蒙古某礦內排土場為例,著重研究其在不同含水率下巖土體蠕變特性及長期強度變化規律,以期為同類型排土場工程活動奠定基礎。

1 蠕變試驗

1.1 試驗儀器

試驗儀器包括ZLB-1型三聯蠕變直剪蠕變儀、天平、電烘箱、鱷式破碎機、真空泵。

ZLB-1型三聯蠕變直剪蠕變儀是目前國內先進的直剪蠕變儀之一,主要由杠桿、剪切盒、量力環、測豎向蠕變應變及剪切蠕變應變的儀表及有機玻璃保濕盒組成,杠桿提供加載所需的豎向荷載及剪切荷載。儀器豎向最大荷載為600 kPa,其控制精度為±1%,剪切最大荷載亦為600 kPa,其控制精度亦為±1%。ZLB-1型三聯蠕變直剪蠕變儀及試樣如圖1所示。

圖1 ZLB-1型三聯蠕變直剪蠕變儀及試樣

1.2 試樣制備

試驗選取內排土場下部松散泥巖物料(礦區主要剝離松散物為泥巖),采用鱷式破碎機將大塊泥巖擊碎,然后對破碎的物料進行篩分,剔除較大的顆粒,篩分出10、5、2 mm顆粒,基于現有顆粒比例,采用分層壓實配置試驗試樣。采用烘干法測量試樣天然含水率為7.23%。采用抽氣飽和法,利用真空泵制備飽和試樣,測量飽和泥巖含水率為39.2%,同時烘干剩余試樣。根據測出的天然含水率和飽和含水率范圍制備不同含水率試樣,含水率取15%、25%、35%、39.2%,配置出的不同含水率試樣,放置在保濕器里預存。

1.3 試驗流程

1.3.1 剪應力等級設計

按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)從保濕器中取出巖樣進行快剪試驗,測定快剪抗剪強度指標,求得不同法向力級的剪應力破壞值τP。不同含水率試樣快剪結果見表1。

表1 不同含水率試樣快剪應力破壞值τP

計算蠕變試驗剪應力等級按式(1)計算相對應正應力和剪應力等級梯度,則每級的剪切應力增量為

τσi=kτp/n

(1)

式中:τP為不同法向力級的剪應力破壞值,kPa;k為巖土介質常數,一般情況下k=0.5～0.85;τσi為每級加載的剪切應力,kPa;n為直剪蠕變試驗剪切荷載的加載級數,n=4～6。

1.3.2 試驗方案

本次蠕變試驗測量不同含水率及固結壓力下泥巖蠕變特性,基于含水率及固結壓力不同,共需做16組試驗。試驗根據表1直剪試驗結果,采用分級加載方式,從第1級到第n級加載載荷分別是快剪強度的60%、70%、80%、90%、100%,加載直至試件破壞。

1.3.3 蠕變試驗過程

(1)調整剪切荷載施加裝置,安設剪切變形測表,記錄初始讀數,拔去剪切盒上的固定銷,按第一級剪力施加剪切荷載砝碼,開始蠕變試驗。

(2)試驗加載第1天,按1/6、1/2、1、2、4、8、24 h記錄剪切蠕變變形,第2天后,每24 h讀一次,維持7 d并測取每天的變形量,可得每一級剪應力下的剪切蠕變變形和時間t的數據。

(3)7 d后,施加第2級剪切荷載,重復上述操作測取蠕變變形,第n周以后測得i組關系數據。

(4)試驗加載試樣直至破壞后,撤去剪切荷載和垂壓,取出試樣直到試樣被破壞。

2 試驗結果與分析

2.1 蠕變曲線

蠕變指的是在保證應力恒定時,其變形隨時間增加變形量增大的現象,可劃分為穩定蠕變和不穩定蠕變兩種類型。穩定蠕變即蠕變變形存在極限值,且隨時間變形速率逐步降低最終趨于0;不穩定蠕變變形不受時間影響,逐步增加直至試樣破壞。

本次試驗根據上述試驗方案得到16組試驗結果,采用Boltzmann應變疊加原理進行計算,繪制剪應變-時間γ-t變化曲線。受篇幅所限,選取典型蠕變曲線進行分析。①保持100 kPa正壓力不變,不同含水率下的蠕變曲線(圖2);②保持39.2%飽和含水率不變,不同固結壓力下的蠕變曲線(圖3)。

圖2 100 kPa正應力作用下剪應變與時間關系曲線

圖3 飽和含水率(39.2%)下剪應變與時間關系曲線

由圖2和圖3可知,蠕變特性變化規律如下。

(1)除破壞階段外,試樣加載后均會產生較大變形,隨時間流逝變形速率逐步降低,并趨于平緩,并且隨著剪切荷載降低,其蠕變曲線趨于水平時間越短。根據曲線規律分析,剪應力較小時,蠕變曲線表現為衰減穩定蠕變,如圖2(a)τ=44.9 kPa;當剪應力逐步增大時,則蠕變曲線表現為衰減穩定和非穩定等速蠕變并存狀態,如圖2(a)52.4 kPa≤τ≤67.3 kPa;剪應力較大時,蠕變曲線表現為加速蠕變,如圖2(a)τ=74.8 kPa,此時試樣變形速率不受時間影響,將迅速發生變形破壞。且瞬時剪應變與剪應力和含水率均呈現正相關。這是因為試樣在加載瞬間排出多余水分,使試樣出現多孔隙,受荷載作用發生變形;隨著巖土體失水,顆粒間含水分少,土體孔隙降低,密實程度提高,膠結程度提高,黏聚力變大,抗剪能力變大。

(2)隨含水率增加其破壞所需剪應力降低,剪應變增大,且除飽和試樣外,其余試樣破壞所需剪應力小于等于快剪試驗結果。飽和試樣破壞剪應力為快剪試驗結果的120%～130%,正壓力100 kPa破壞為快剪時120%,200、300、400 kPa均為130%,表明存在隨固結程度增加,破壞所需剪力增幅程度越大,當固結達到一定程度,破壞所需剪力增幅將不變。

(3)由圖3和圖2(d)進一步分析其蠕變特性。相同含水率,隨固結壓力越大,巖土體密實程度增加,孔隙降低,其破壞所需的剪應力越大。相同等級加載對應的剪應變變化如下:200 kPa固結壓力時,剪應變最大;100 kPa固結壓力時,剪應變最小;300、400 kPa固結壓力時,剪應變基本一致。表明剪應變隨時間呈現先增大再降低趨勢,最終趨勢逐步趨近于0,蠕變特性與穩定蠕變基本一致。

2.2 蠕變模型

蠕變模型理論主要探討的是應力、應變和時間三者的關系,可分經驗法和蠕變模型理論法兩大類。經驗法與蠕變模型理論法相比較,缺乏內部機理特性,但其表現形式簡潔直觀,且在現場實際工程中應用較為廣泛,現階段經驗蠕變模型公式有指數函數、冪函數、對數函數形式[10-11]。采用指數函數經驗模型[式(2)]對上述蠕變曲線進行擬合,以100 kPa固結壓力15%含水率為例,其擬合結果見表2。根據相關系數R2可知,蠕變曲線擬合度在95%以上,表明指數經驗模型能很好地描述排土場巖土體蠕變特性。

表2 蠕變模型擬合結果

(2)

式中:γ(t)為t時刻剪應變;γ0為瞬時應變;A為時間影響系數;t0瞬時應變時間。

2.3 長期強度

長期強度是指巖土體在長期荷載作用下,強度參數隨時間增長而降低(增長),是計算邊坡穩定性分析的重要指標[12]?，F階段長期強度確定方法主要有直接法和間接法。直接法是通過大量試驗測定巖土體破壞的臨界閾值,具有試驗組數多且時間長的特點。間接法目前常用的有:①等時曲線法,主要依據曲線拐點確定,是應用最廣的方法;②過渡蠕變法,認為不發生穩態蠕變時所需的最大荷載,即為巖石的長期強度,且得到的長期強度與蠕變試驗的應力等級差有關;同時依據過渡蠕變法理論引申出“穩態蠕變速率法”,由穩態蠕變速率與非穩態蠕變速率間的突變值確定長期強度[13-15]。

依據巖石力學試驗規范,選取等時曲線法求取其長期強度。以100 kPa正壓力下不同含水率蠕變曲線為例,選取1、24、126 h數據,繪制其相應的剪應力-剪應變的等時曲線(圖4)。

圖4 100 kPa正壓力作用下剪應變與剪應力關系曲線

由圖4可知,不同時刻剪應力-應變關系曲線皆不是直線,表明試樣剪切蠕變呈現非線性變化,剪應力與剪應變呈現正比關系;同一級別荷載下,隨含水率增加,剪應力與剪應變逐步降低;不同時段變化規律基本吻合,且隨時間增加曲線逐漸聚攏。

剪應力隨剪應變增加而增加,且關系曲線存在明顯拐點,根據等時曲線變化拐點可知,在100 kPa正壓力作用下,不同含水率試樣對應的剪應力為59.8、46.5、33.4、18.4 kPa。同理可得出200、300、400 kPa正壓力對應的剪應力值。根據各正應力對應的剪應力繪制不同正壓力下剪應力變化曲線,如圖5所示。

圖5 不同含水率下正應力與剪應力變化曲線

根據圖5可知,在相同含水率情況下剪應力隨正應力增加呈現線性增長趨勢,并隨含水率升高而降低。這是因為當前含水率范圍內,隨著固結壓力的升高會提高試樣的固結度,進一步提高了顆粒間的接觸力,促使破壞所需剪應力增加;在相同正應力下,剪應力隨含水率增加呈現降低趨勢。這是因為隨著含水率持續增加,顆粒間存在大量的自由水,引起顆粒間連接力降低進而導致破壞所需剪應力降低。通過對比16組數據可知,含水率由15%增加到39.2%過程中,其抗剪強度平均降低約70%,這表明試樣受水體侵蝕后,其強度指標將發生弱化。

基于摩爾-庫侖準則,τ=c+σtanφ,對圖5進行線性擬合,得到不同含水率下巖土體長期強度指標如下:15%含水率下擬合公式τ=33.25+0.364 5σ(R2=0.95),即黏聚力c=33.25 kPa,內摩擦角φ=20.1°;25%含水率擬合公式τ=18.7+0.303 4σ(R2=0.99),即黏聚力c=18.7 kPa,內摩擦角φ=16.9°;35%含水率擬合公式τ=15.2+0.169σ(R2=0.99),即黏聚力c=15.2 kPa,內摩擦角φ=9.6°;飽和含水率(39.2%)擬合公式τ=11.3+0.1086σ(R2=0.93),即黏聚力c=11.3 kPa,內摩擦角φ=6.2°。不同含水率下擬合曲線相關系數較高,表明試驗得出的內排土場巖土體長期強度指標較為合理。

為了進一步分析排土場巖土體長期強度指標與含水率的變化規律,根據試驗得出的長期強度指標繪制不同含水率下強度指標變化曲線,并進行擬合,如圖6所示。

圖6 含水率與長期強度變化曲線

由圖6曲線分析變化規律如下。

(1)15%～39.2%含水率范圍內,根據擬合結果可知,排土場巖土體黏聚力滿足y=-2.130 54e(-x/-17.830 08)+25.192 48指數函數變化規律。黏聚力隨含水率增長呈現指數遞減趨勢,且存在明顯梯度分布,隨含水率降低梯度先增大后降低,達到飽和狀態黏聚力最終降低約66%。含水率由15%提升到25%黏聚力降低14.55 kPa,約降低43.76%;含水率由25%提升到35%黏聚力降低3.5 kPa,約降低18.72%。分析其原因是顆粒間存在大量的自由水,隨含水率增加,誘發巖土體顆粒間連接力降低,黏聚力下降。

(2)15%～39.2%含水率范圍內,根據曲線擬合結果可知,巖土體內摩擦滿足y=92.184 19e(-x/-10.890 63)+9.921 62指數函數變化規律。內摩擦角隨含水率增加呈現指數降趨勢,達到飽和狀態內摩擦角最終降低約69%。內摩擦角反映土體間顆粒的摩擦力,本地區泥巖含有大量的伊利石,屬于強親水性礦物,在充水條件下,具有較強的吸附水分子于顆粒表面的能力,進而在顆粒周圍形成水化膜,隨含水率的增加導致顆粒周圍水膜增厚,顆粒間的摩擦力減小,所以會出現內摩擦角降低現象。

綜上研究成果可知,水體對內排土場巖土體危害巨大。為確保邊坡安全,排土場排棄過程中應做好疏干排水工程。同時含水率、內摩擦角及黏聚力滿足上述指數經驗公式,通過經驗公式可以明確得到不同含水率下c、φ值,進而借助極限平衡法可以更加精準地計算該地區或同類型含水條件下內排土場穩定性,縮短計算周期,提高工程效率,具有一定的實用性。

3 結論

(1)排土場巖土體具有明顯蠕變特性,蠕變曲線滿足指數經驗公式。剪應力較低時呈現衰減蠕變趨勢,隨剪應力增加呈現衰減蠕變、非穩定蠕變趨勢,最終呈現加速蠕變趨勢,直至試樣破壞。

(2)水體對排土場巖土體具有弱化作用,隨含水率增加其抗剪強度呈現降低趨勢,含水率由15%增加到39.2%,其抗剪強度平均降低約70%,與固結程度關系不大。

(3)相對15%含水率,飽和含水率狀態下排土場巖土體長期強度指標發生大幅度降低,黏聚力降低66%,內摩擦角降低69%。飽和含水率下,黏聚力c=11.3 kPa,內摩擦角φ=6.2°。

(4)在15%～39.2%含水率范圍內,長期強度指標均呈現指數降低趨勢,但降低梯度存在不同。黏聚力在25%含水率前降低梯度逐步大,25%含水率后降低梯度逐步減小;內摩擦角降低梯度呈現增大趨勢。