高应力条件下排土场非线性强度参数及稳定性分析研究

1、高应力条件下排土场非线性强度参数及稳定性分析研究崔旋，张树茂（矿冶科技集团有限公司，北京 100160）摘要:本文通过在实验室内开展排土物料的大型高压静力三轴剪切试验，研究了高排土场物料应力-应变关系及非线性强度指标，为排土场稳定性分析提供基础力学数据。在此基础上建立了能够反映排土场实际边界条件的计算模型，并充分考虑高围压颗粒破碎现象对边坡稳定性的影响，其研究成果对高排土场堆排及加固具有一定的指导意义。关键词：排土场；稳定性；非线性；高应力中图分类号：TD854 文献标识码：AResearch on Nonlinear Strength Parameters and Stability Ana

2、lysis of Waste Dump under High Stress ConditionsCUI Xuan, ZHANG Shumao(BGRIMM Technology Group，Beijing，China，100160)Abstract: In order to study the stress-strain relationship and nonlinear strength indexes of high dumping materials, the large-scale high-pressure static triaxial shear test of dumping

3、 materials is carried out in the laboratory and provide basic mechanical data for the stability analysis. On this basis, a calculation model that can reflect the actual boundary conditions of the dump has been established, and the slope stability has been fully considered the impact of the crushing

4、phenomenon under high confining pressure. The research has some significance for heaping and reinforcement of high waste dump.Key words: waste dump; stability; nonlinear; high stress1.前言排土场是一种特殊的人工建造形成的高、大散体介质堆积体，主要用于集中堆存矿山采矿排弃物。随着排土场堆载高度的增加，在排废过程中，颗粒较大的排土物料集中在排土场的下部，颗粒较小的排土物料集中在排土场的上部，颗粒中等的排土物料主要分布

5、在排土场中间部位，具有一定的分选性1-7。在排土场边坡稳定性分析中，排土物料强度参数的合理取值是一个重要影响因素，而不同颗粒组成又对排土物料的强度有较大的影响，为此一些专家和学者开展了相关领域的研究。赵光思8认为，物料的颗粒破碎率与其强度特性密切相关。Marsal9提出：物料在受力后，由于应力状态的改变导致了物料本身发生破碎现象，物料的破碎也是影响其强度参数的主要因素。本文将在以往研究的基础上，针对排土物料原始级配性质，开展室内大三轴压缩试验，最终确定排土场物料的强度特性并对排土场进行稳定性分析论证。2.项目背景某排土场位于河北省境内，台阶高度为4045m，每个台阶的平台宽度30m，排土高度达

6、265m，为超大型排土场，平面布置图如图1所示。排土场总体地势东南高、西北低，区域出露地层主要为太古界迁西群三屯营组变质岩系、中元古界长城系和第四系。太古界迁西群三屯营组变质岩系与其上覆的中元古界长城系二者呈不整合接触，第四系则出露于沟谷及山前平原中。图1 排土场平面布置图Fig.1 The layout plan of waste dump3. 大型高压静力三轴剪切试验通过大型三轴剪切试验，研究了排土物料的应力应变关系及强度特性，提出了线性、非线性抗剪强度指标。3.1主要试验设备试样直径300mm、高700mm，最大轴向荷载2500kN，最大围压力7.0MPa，剪切速率0.357mm/s，试

7、验研究的主要设备为中国水利水电科学研究院研制的SJ-70大型高压静力三轴试验机，如图2所示。图2 大型高压静力三轴试验机Fig.2 The large high pressure static triaxial testing machine3.2试验方法本文进行饱和固结排水剪切试验，采用抽气饱和方法对试样进行饱和，待试样充分饱和后，开始对试样施加围压，直至试样排出的水量不再增加，即代表固结完成。三轴试验过程中破坏点的确定方法：取应力-应变关系曲线峰值点为破坏点，当曲线无峰值时，则取应变值15%所对应的点为破坏点。图3三轴试验过程Fig.3 The process of triaxial te

8、st 3.3试验结果三轴压缩试验结果见表1和图4。从试验结果可以看出，内摩擦角值随着法向应力s的增加而减少，抗剪强度与其法向应力之间的比例关系并不是一个固定常数，而是呈非线性特点。s与内摩擦角的关系为=0-logs/Pa，0、为物料试验参数，可由0logs/Pa关系曲线获得。从图4可知，由于物料强度包线表现出非线性特点，为了准确地表达物料在不同应力阶段的强度，有效内摩擦角计算公式如下：=0-log10(3/Pa) （1）式中：0围压力为一个大气压时的内摩擦角；随压力变化的的内摩擦角；s周围压力；Pa标准大气压。表1 试验强度指标Table 1 The index of test intensi

9、ty 试样名称干密度g/cm3非线性强度指标线性强度指标c（MPa） () () c（MPa）（）排土料2.000374.50.0333.4 （a）(1-3)1(b) v1(c) 强度包线 图4试验结果曲线Fig.4 The curve of test result在饱和固结排水剪（CD）条件下，排土料的摩擦角为33.4，凝聚力为0.03MPa。4. 高应力条件下排土场稳定性计算4.1 计算断面该排土场最大堆置高度达265m，为探明堆置过程中颗粒破碎效应引起的排土料强度改变对排土场边坡稳定性的影响，本文选取一个典型排土场设计剖面，采用考虑排土料颗粒破碎效应的非线性强度指标，对自然工况下设计标高

10、排土场的稳定性进行了论证，并对降雨工况和地震工况下的排土场稳定性进行了校核。计算典型剖面如图5所示，主要采用等参四边形和少量退化的三角形，共剖分为3029个节点，2962个单元。（a）地质剖面 （b）计算网格图5稳定性计算断面Fig.5 The section of stability calculation4.2 计算参数自然工况、降雨工况和地震工况下排土场稳定性计算的材料参数表2所示，排土物料考虑高应力下强度弱化效应，采用上述表1中非线性强度指标。表2 计算材料参数Table 2 The parameters of calculated material名称容重 (kN/m3)粘聚力c (

11、kPa)内摩擦角 ()第四系残坡积层16.2020.0030.30基岩27.56800.0042.25在计算排土场应力状态时截面底部为X、Y双向固定约束边界，两侧垂直边界为X向固定约束边界。4.3 应力分析计算剖面竖向应力和大、小主应力云图分别见图6。沿竖直方向从上之下，排土场内大主应力随着深度的增加逐渐增大，最大值约为4900kPa，小主应力呈现出类似的趋势，排土场底部小主应力最大值约为1800kPa。（a）大主应力云图（kPa） （b）小主应力云图（kPa）图6应力计算结果Fig.6 The result of stress calculation4.4 稳定性分析随着排土场内部压应力的增

12、加，排土碎石料的内摩擦角存在一定程度的减小，表现为碎石料抗剪强度在一定范围内的弱化，且围压越大，这种碎石料抗剪强度弱化的效果越大，因此对于高压条件下的排土场进行稳定性分析，应充分考虑高围压作用对碎石料抗剪强度的弱化，以免高估排土场的边坡抗滑稳定性。图7 REF _Ref15105 h * MERGEFORMAT 给出计算剖面内摩擦角的分布情况，该设计剖面基于Morgenstern-Price法、Bishop法和Spencer法的边坡稳定安全系数见表3，基于Morgenstern-Price 法的最危险滑动面见图8。图7内摩擦角分布图Fig.7 The distribution of inter

13、nal friction angle表3 安全系数计算结果Table 3 The calculation result of safety factor计算工况计算方法安全系数规范自然工况Morgenstern-Price1.4351.30Bishop1.437Spencer1.435降雨工况Morgenstern-Price1.2511.25Bishop1.252Spencer1.251地震工况Morgenstern-Price1.2041.20Bishop1.207Spencer1.204（a）自然工况 （b）降雨工况 （c）地震工况图8最危险滑动面分布图Fig.8 The distrib

14、ution of the most dangerous sliding surface可以看出，越远离边坡，值越小，在排土至最终断面时，自然工况、降雨工况、地震工况下最小安全系数分别为1.435、1.251、1.204，满足冶金矿山排土场设计规范（GB51119-2015）要求。最危险滑动面形式在不同计算工况下差别不大，滑动面以穿过排土体为主，从坡脚滑出。相对于自然工况，降雨工况下排土场安全系数略有降低，滑块体积略有增加。这是因为降雨影响岸坡附近排土场的孔隙水压力分布，孔压的增加导致该区域排土料有效应力的降低，降低了该区域土体的抗滑能力。地震工况下，安全系数均为三个工况里面最低，这是因为当水平

15、向惯性力方向指向坡外、和竖直向地震惯性力方向上的时候，均会减小土体的抗滑力，降低排土场的安全系数。5. 结论本文采用材料的非线性强度指标反映碎石料内摩擦角随着围压的变化程度，基于非线性强度指标的Morgenstern-Price法、Bishop法及Spencer法，对自然工况下某排土场堆排至设计标高时的稳定性进行了计算，并对降雨工况及地震工况下的排土场稳定性进行了校核，主要结论如下：1.内摩擦角是表征散粒体排土材料强度特性的主要指标，排土场内部排土料内摩擦角表现出明显的非线性，越远离排土边坡，内摩擦角越小。2.通过对选取的典型计算剖面进行稳定性分析表明，自然工况、降雨工况、地震工况下最小安全系

16、数均满足规范要求。3.降雨作用和地震荷载会明显降低排土场的整体边坡稳定性，建议加强降雨等恶劣天气及地震作用后排土场边坡变形监测。参考文献1阚生雷，孙世国，李晓芳等山坡堆积型排土场厚软基底边坡变形破坏规律数值分析J有色金属(矿山部分)，2006，62(6)KAN Sheng lei, SUN Shi guo, LI Xiao fang, etc. Numerical Analysis of Slope Deformation and Destroy Law for Huge Soft Hill Base on Hill side Stack DumpJ. NONFERROUS METALS (M

17、ining Section),2006,62(6).2 张卫国黄土地基排土场基底型滑坡机理研究J中国矿业，2006，15(11)Zhang Wei guo. Study On Mechanism Of Basal-Type Landslide In Dumping Site On Loess BasementJ. CHINA MINING MAGAZINE,2006,15(11).3 孙庆山基于 FLAC3D的黄土基底排土场边坡破坏机理研究J采矿技术，2011，11(4)Sun Qing shan. Study on the failure mechanism of the slope of

18、loess base dump based on FLAC3DJ. Mining Technology,2011,11(4).4 贺跃光,颜荣贵,曾卓乔.排土场基底承载力与极限堆高J. 中国有色金属学报,1999,9(3):672676.He Yue guang, Yan Rong gui, Zen Zhuo qiao. Bearing capacity of dump substrate and limiting dump heightJ. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 1999,9(3):672676.5张永乐，周玉新永平铜矿西部排土场

19、排土方案及其稳定性分析J金属矿山，2008，4Zhang Yong le, ZhouYu xin. Analysis of Earth Dumping Scheme for Western Dump in Yongping Copper Mine and Its StabilityJ. METALMINE,2008,4.6 周荣军软基底高排土场的基底承载力分析J.岩土工程技术,2002,2:7982.Zhou Rong jun. Analysis of the Bearing Capacity of Soft Foundation in High Earth-Disposing SiteJ. Geotechnical Engineering Technique,2002,2:7982.7 谢学斌，潘长良.排土场散体岩石