超高排土場顆粒破碎與剪切強度試驗研究

1顆粒破碎與粗粒材料的關(guān)系目前，中國的海拔高度為100.30米，有些多層海拔高度超過300米（例如，海南最大的海拔高度為200米，南芬斯特礦廟兒溝海拔高度為280米，朱薩包裹海拔高度為148.280米，福建省潘羅礦體大高排氣場的排氣量為240米，紫金山黑山排氣場的排氣量超過450米）。此超高排土場與一般排土場不同之處在于:超高排土場的粒級分級更加明顯,深部土(下部廢石土)的出現(xiàn)也是超高排土場的又一特征。趙光思認(rèn)為,深部土的強度特性與顆粒破碎率的大小密切相關(guān)。這是因為顆粒破碎會改變顆粒粒徑、顆粒級配、密實程度、顆粒間接觸壓力等,從而使顆粒間接觸壓力重新調(diào)整,接觸壓力均勻化,阻礙了剪脹的發(fā)揮,從而降低巖土材料的抗剪強度。同時,Marsal也經(jīng)過大量的試驗指出:當(dāng)顆粒材料受力后,其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,從而引起顆粒本身的破碎,這種破碎是影響材料抗剪強度最重要的因素之一。因此,粒徑級配和顆粒破碎是影響超高排土場散體材料抗剪強度特性的兩個主要因素。事實上,顆粒破碎試驗對排土場和堆石壩具有實際的工程意義:在堆筑過程中,散體材料首先要經(jīng)過開采、運輸、堆排等工序,這將會引起小部分的顆粒破碎;其次,散體材料要經(jīng)過振動碾壓,此過程顆粒將發(fā)生明顯的破碎,這也是顆粒產(chǎn)生破碎的主要原因;隨著堆排高度的增加,在自重作用下底部土亦將發(fā)生一部分的破碎,特別是當(dāng)下部粗粒土處于水庫中時,長期浸泡對顆粒破碎作用也是比較明顯的,以上階段的破碎總稱為主壓縮破碎。由于很少有關(guān)于排土場或堆石壩現(xiàn)場顆粒破碎的資料報道,所以只有通過室內(nèi)試驗來研究粗粒土的顆粒破碎。梁軍認(rèn)為,室內(nèi)試驗的顆粒破碎與實際工程中的主壓縮破碎具有一定相關(guān)性。自從Terzaghi對砂樣的顆粒破碎研究以來。許多學(xué)者都對顆粒破碎進行了試驗研究,Kjaernsli、Sande對砂樣進行了三軸壓縮試驗,發(fā)現(xiàn)在給定的應(yīng)力下,不規(guī)則的、表面粗糙的顆粒更易發(fā)生破碎。Hall、Gordon發(fā)現(xiàn),在一定的應(yīng)力下,級配良好的砂的破碎要比級配不良的少得多。劉漢龍根據(jù)三軸試驗獲知,顆粒破碎的增加將導(dǎo)致粗粒料抗剪強度降低,峰值內(nèi)摩擦角與顆粒破碎率之間呈冪函數(shù)關(guān)系。魏松等通過三軸濕化顆粒破碎試驗指出:濕化引起的顆粒破碎量隨著圍壓的增加和濕化應(yīng)力水平的增加而增大,濕化軸變與濕化顆粒破碎近似呈線性關(guān)系。張家銘認(rèn)為,在低圍壓下,鈣質(zhì)砂的剪脹對其強度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒破碎,而隨著圍壓的增加,鈣質(zhì)砂顆粒破碎加劇,剪脹影響越來越小,而顆粒破碎的影響則越來越顯著。堆石料在剪切過程中發(fā)生破碎主要集中在20~60mm粒徑之間顆粒的表面區(qū)域,且破裂的大部分都研碎成5mm以下的細(xì)顆粒。以往的研究多是在圍壓下的三軸顆粒破碎試驗,其尺寸效應(yīng)明顯,且很少考慮不同粒徑級配下顆粒破碎對抗剪強度的影響。而大型直剪儀試樣尺寸較大,可以最大程度上保留土樣的原始級配,弱化尺寸效應(yīng),且直剪試驗操作簡便、適用范圍廣,而應(yīng)用最為普遍,故本文采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所和香港大學(xué)聯(lián)合研制的應(yīng)變控制式大型室內(nèi)及現(xiàn)場兩用直剪儀研究不同粗粒含量下顆粒破碎及強度特性。2試驗與研究2.1最大開縫寬度本次試驗采用的兩用直剪儀屬于拼裝式結(jié)構(gòu),主要由整體可拆卸式外框架、水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、剪切盒等組成。剪切盒的凈空幾何尺寸為:長×寬×高=500mm×500mm×410mm。下剪切盒與整體框架連接在一起,上、下剪切盒之間的最大開縫寬度為10mm。由于此直剪儀剪切過程中下剪盒固定,上剪盒只能在水平面內(nèi)移動,所以剪切縫不會由于試樣的剪脹作用而發(fā)生改變,從而使試樣的變形較傳統(tǒng)的直剪儀更加均勻。與現(xiàn)場應(yīng)力控制式直剪儀相比,本直剪儀能反映巖土體變形的全過程,最大剪切位移可達(dá)140mm。1910年摩爾提出表示材料的剪切破壞面的函數(shù)是一條曲線(即摩爾包線),而并非是直線。為了使直剪儀試驗值更接近真實值和研究較大垂直壓力下的顆粒破碎,在保證原直剪儀整體性質(zhì)基本不變的情況下,加固了該試驗直剪儀承載力部分,加大了傳感器量程,改裝后直剪儀垂直壓力可以加到1300kPa,改進的大型直剪儀如圖1。2.2土樣的尺寸效應(yīng)試驗試驗材料選自江西某銅礦排土場。根據(jù)文獻(xiàn):本文將小于5mm的土稱為細(xì)粒土,大于5mm的土稱為粗粒土。本文采用具有代表性的6種不同粗粒含量P>5mm(大于5mm的質(zhì)量百分含量)進行不同的直剪試驗。另處,文獻(xiàn)通過大量的試驗研究表明:當(dāng)D/dmax=4~6才可基本消除試樣的尺寸效應(yīng)(D為剪切盒的尺寸;dmax為最大的試驗粒徑尺寸)。按照以上直剪儀的設(shè)計尺寸,本次試樣的最大粒徑選用80mm。其試驗各粒級組含量見圖2。為了研究水對粗粒土的顆粒破碎影響,試驗選用干密度為2.08g/cm3,在非飽和樣(含水率為4%)、飽和樣與浸泡樣進行試驗,每組試驗垂直壓力分別為50、100、200、400、700、1000、1300kPa。此處的浸泡樣是指:將按配比稱重后的風(fēng)干土樣放入裝水的容器中,在無外力的作用下保證土樣處于全飽和狀態(tài),封存一個月之后的土樣。試驗之前,將現(xiàn)場取回土樣風(fēng)干后進行篩分,稱重并按要求加水拌勻(飽和樣需加水至使土樣處于全飽和狀態(tài)),分3層裝料振實。然后對試樣進行人工固結(jié),固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)控制在0.0025mm/min,變形穩(wěn)定后進行直剪試驗,試驗的水平剪切速率為1.4mm/min,剪切應(yīng)變?yōu)?0%時停止試驗。試驗完成后,再次風(fēng)干土樣并篩分,從而研究顆粒破碎情況。3試驗結(jié)果的分析3.1垂直壓力和粗粒含量對破碎率的影響根據(jù)Hardin定義:相對顆粒破碎率rB是試驗前后級配曲線間的面積Bt除以初始破碎勢Bp,即Br=Bt/Bp,相對顆粒破碎率能夠反映試驗前后試樣內(nèi)各個粒徑的變化量。因此,本文采用試驗剪切后的相對顆粒破碎率Br分析研究顆粒破碎率與垂直壓力σ和粗粒含量P>5mm之間的關(guān)系,其關(guān)系見圖3。從圖中可知,顆粒破碎率rB與垂直壓力和粗粒含量密切相關(guān)。根據(jù)試驗結(jié)果,在不同粗粒含量下,垂直壓力小于400kPa下粗粒土的顆粒破碎不明顯,并且在50、100、200、400kPa的破碎率都相差不大。但在垂直壓力從400kPa增加到1300kPa時,同一顆粒含量P>5mm時的破碎率明顯增大。這是由于在較低垂直壓力下,顆粒之間接觸力還沒有達(dá)到大多數(shù)顆粒破碎的強度,但隨著垂直壓力的增加,必定造成接觸點的應(yīng)力加大,一旦應(yīng)力達(dá)到或超過顆粒所能承受的強度時,顆粒就通過顆粒破碎(增加顆粒接觸點數(shù)或接觸面積)來分散應(yīng)力。一般而言,垂直壓力越大,顆粒的接觸面積和接觸點數(shù)會相應(yīng)地增加。同時,在同一粗粒含量P>5mm時,垂直壓力從400kPa變化到1300kPa時,顆粒會發(fā)生進一步的破碎,但其顆粒破碎速率有所減緩。這可以解釋為顆粒破碎導(dǎo)致小顆粒的增多,使小顆粒不斷的填充相對大顆粒間的孔隙,從而增加了顆粒間的接觸面積,減小了顆粒破碎。這種趨勢也表明:當(dāng)壓力增加到一定值時,顆粒破碎率極小。另外,根據(jù)圖3破碎率隨粗粒含量變化可知,在P>5mm<46.0%時,顆粒破碎率基本不隨粗粒含量而變化,這是由于此時的細(xì)顆粒含量較多,顆粒間細(xì)粒能充分填塞孔隙,顆粒能充分接觸,所以隨壓力增加,其粗粒含量對破碎率的變化不是很明顯。當(dāng)P>5mm>46.0%時,破碎率有明顯增大的趨勢。說明此時粗顆粒土已形成骨架,隨粗粒含量的增加,顆粒間接觸點的數(shù)量減少,顆粒容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致顆粒發(fā)生明顯的破碎。通過擬合不同粗粒含量下的破碎率rB與垂直壓力σ的關(guān)系,相對破碎率Br與垂直壓力σ可用雙曲線式表示:式中:σ為垂直壓力;aP為大氣壓力;0A為與粗粒含量(?P)有關(guān)的參數(shù),其關(guān)系式可用下式表示:0A=1.31-1/(2?P);1A=-1/50~1/50。此處引入大氣壓力是為了將坐標(biāo)化為無因次量。3.2直剪破碎情況對顆粒的影響郭慶國認(rèn)為,粗粒含量P>5mm為30%和70%是影響工程特性變化的特征點,結(jié)合本試驗成果,本文選擇P>5mm=24.0%和P>5mm=78.0%作為代表性粒徑含量。在相同試驗條件下,對比了粗粒土在含水率為4%、飽和樣和浸泡樣3種土樣直剪后的顆粒破碎情況,結(jié)果見圖4。從圖中可以看出,在同一P>5mm下,飽和樣的破碎率相對于非飽和樣的破碎率有所增加,但增加不是很明顯。相反,粗粒土經(jīng)過一個月的飽和浸泡后,其顆粒破碎相當(dāng)明顯,比飽和和非飽和情況下土樣的破碎率要大很多。并且,在垂直壓力為400kPa時,浸泡樣的破碎率也很明顯,說明粗粒土在水的長期浸泡下,土顆粒自身組織結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)微變化,其強度降低比較明顯。所以從長期來說,水對粗粒土具有軟化作用,然而短暫的水流對粗粒土的顆粒破碎并不明顯。同時,從圖中看出,粗粒含量在78.0%時的浸泡樣比粗粒含量在24.0%的破碎率要大。3.3剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析一般,粗粒土的剪切破壞面并不是理想的平面。因為粗粒土在貫穿性剪切面完全形成過程中,剪切帶內(nèi)的粗粒土伴有顆粒的翻滾和滑移、破碎、重新排列等現(xiàn)象,所以粗粒土的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出硬化型和軟化型。粗粒土的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖5,圖中“︱”表示出現(xiàn)明顯峰值的位置。實際上,當(dāng)P>5mm=24.0%時,粗粒土細(xì)顆粒含量較多,顆粒間的孔隙小,大小顆粒得到相互填充,顆粒擠得較緊,因此,盡管此時粗顆粒較少,但粗粒土在低垂直壓力下還是能表現(xiàn)出一定的剪脹性。但在不同垂直壓力時,剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出不同的形式。如圖5(a)表示粗粒含量P>5mm=24.0%的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖,從圖中可知,在低垂直壓力下,其剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈微軟化或微硬化型,在較高垂直壓力時,其剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈輕微軟化型。這主要是在低垂直壓力下,此時曲線沒有明顯的峰值,剪切面的局部區(qū)域不僅存在顆粒的翻滾,而且土顆粒的重排和充填使孔隙有減少趨勢。此時如果顆粒翻滾起主導(dǎo)作用,其剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)微軟化型(如50kPa);當(dāng)土顆粒的充填表現(xiàn)明顯時,剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈微硬化型(如100~400kPa)。在較高垂直壓力時,達(dá)到峰值后,此時可認(rèn)為貫穿性剪切破壞面已基本形成,隨剪切變形的增加,此時土體的強度也有所降低,從而使剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈輕微軟化型。當(dāng)粗粒含量為78.0%,此時粗顆粒含量較多,粗顆粒土表現(xiàn)出明顯的骨架作用,此時粗粒部分相互架空形成較大的孔隙,土體處于相對疏松狀態(tài),粗顆粒的咬合作用較明顯。但在不同垂直壓力時,剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線也表現(xiàn)出不同的形式。圖(5)(b)表示粗粒含量P>5mm=78.0%的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,從圖中可以看出,在低垂直壓力時,剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型;在較高垂直壓力時,其曲線表現(xiàn)出輕微硬化型。這是因為在較低的垂直壓力下,此時垂直壓力較小,粗粒含量多,其垂直壓力不足以限制顆粒翻越,此時剪切帶內(nèi)顆粒表現(xiàn)出明顯的顆粒翻滾,從而使剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型。在較高垂直壓力時,較高的垂直壓力對顆粒翻越有明顯地限制作用,所以剪切帶內(nèi)的顆粒主要表現(xiàn)為顆粒重排和填充,另外,此時顆粒破碎也較明顯,從而使得較高垂直壓力時其剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈輕微硬化型。以上結(jié)論尚需進行更多的試驗來進一步驗證。3.4內(nèi)摩擦角值的計算此試驗以應(yīng)變15%(即剪切位移75mm)為剪應(yīng)力的取值點,在15%之前有峰值的取其峰值。其抗剪強度擬合圖見圖6,從圖中可以看出,當(dāng)粗粒含量大于46.0%時,抗剪強度包線在400kPa時有向下彎曲的趨勢,其強度包線呈現(xiàn)非線性特征,在粗粒含量為89.0%時表現(xiàn)得最為明顯。但此時在σ=0~400kPa和σ=400~1300kPa范圍內(nèi)的抗剪強度與垂直壓力之間還是呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,并且σ=0~400kPa擬合的內(nèi)摩擦角值大于σ=400~1300kPa所擬合的內(nèi)摩擦角值。顆粒破碎導(dǎo)致顆粒間接觸壓力重新調(diào)整,接觸壓力均勻化,阻礙了剪脹效應(yīng)的發(fā)揮,從而使土體在剪切過程中的強度降低。同時,根據(jù)前文對顆粒破碎的研究可知:當(dāng)粗粒含量大于46.0%后的顆粒破碎明顯。這也說明顆粒破碎是剪切特性呈現(xiàn)明顯非線性的主要原因。在σ<400kPa和σ>400kPa獲得的內(nèi)摩擦角?與粗粒含量P>5mm的關(guān)系見圖7。從圖中可以看出,其?值與粗粒含量P>5mm呈增函數(shù)關(guān)系。這是因為粗粒土的內(nèi)摩擦角值主要受粗粒含量的影響。當(dāng)P>5mm較小時,粒間孔隙被細(xì)顆粒完全充填,此時的粗顆粒不能充分接觸咬合,因此,?值較小;但隨著P>5mm的增加,粗顆粒形成骨架,其粗粒部分得到充分的接觸咬合,使得?值不斷增大。同時,從圖3中可看出,當(dāng)粗粒含量小于46.0%時,此時的破碎率不大,所以顆粒的破碎并不引起峰值內(nèi)摩擦角顯著降低,但當(dāng)粗粒含量大于46.0%時,此時隨粗粒含量的增加顆粒破碎率明顯增大,導(dǎo)致內(nèi)摩擦值有明顯的降低。這說明當(dāng)相對顆粒破碎率達(dá)到一定值后,顆粒的繼續(xù)破碎將引起峰值內(nèi)摩擦角明顯降低。Vesic和Clough認(rèn)為:這是因為粗粒土等散體粒狀材料存在一個破碎值,超過此破碎值,初始孔隙比和剪脹效應(yīng)對強度的影響將明顯減弱,顆粒破碎將逐漸成為影響強度的主導(dǎo)因素。4長期浸泡于水中的顆粒破碎率隨靜水比的變化(1)垂直壓力低于400kPa破碎不明顯,當(dāng)垂直壓力從400kPa增加到1300kPa時,顆粒發(fā)生明顯破碎。其相對破碎率與垂直壓力的關(guān)系可以用雙曲線表示。(2)P>5mm<46.0%時相對破碎率小;在P>5mm>46.0%時,隨粗粒含量的增加顆粒破碎率增加明顯。同時,由于水的軟化作用,導(dǎo)致長期浸泡于水中的土樣顆粒破碎率增加非常明顯。(3)在粗粒含量P>5mm=24.0%時,低垂直壓力時的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈微軟化或微硬化型