季凍區(qū)礦山排土場粗粒土凍融界面剪切性能研究

陳國良 牛富俊 穆彥虎 陳 濤 李國玉 楊 晗

（1.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏拉薩850001；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅蘭州730000；3.凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；4.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

近年來，伴隨我國西部大開發(fā)和“一帶一路”戰(zhàn)略的深入實(shí)施，具有明顯礦產(chǎn)資源優(yōu)勢的西部地區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度不斷增加，大型、超高排土場日益增多，排土場滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害問題也日益突出［1-2］。由于西北、西南地區(qū)多個(gè)礦產(chǎn)資源集中區(qū)位于季節(jié)凍土區(qū)內(nèi)，季節(jié)凍融作用及凍融過程中的水、熱、力過程可與礦山排土場滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生聯(lián)系，有時(shí)甚至成為這些災(zāi)害關(guān)鍵或重要致災(zāi)因素［3-4］。劉傳正［3］在對(duì)我國1920—2013年間160個(gè)案例重大滑坡泥石流災(zāi)害成因分析中，將凍融滲透型與包括降雨引發(fā)型、地震激發(fā)型、切坡卸荷型等其他9類成因并列為崩滑流災(zāi)害成因。崔鵬等［5］在對(duì)西藏地區(qū)泥石流滑坡的分類當(dāng)中明確指出，在高寒氣候條件下，西藏高原泥石流、滑坡發(fā)育與其他地區(qū)有所不同，除地質(zhì)地貌和降雨條件外，其類型和性質(zhì)還受溫度和冰雪融水的影響。

在季節(jié)凍土區(qū)，土體冬季經(jīng)歷凍結(jié)，春季隨氣溫回升土體表面開始融化，此時(shí)深層凍結(jié)土體與淺層融化土體之間會(huì)形成一個(gè)凍融交界面。該界面是一種相對(duì)于融土和凍土更為復(fù)雜的過渡帶，由于處于劇烈相變區(qū)，因此其溫度和未凍水含量相對(duì)于凍土而言明顯較高［6-8］。目前，針對(duì)凍融界面的抗剪性能科研人員開展了大量的研究工作。徐學(xué)燕等［9］通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)凍融交界面的瞬時(shí)抗剪強(qiáng)度比融土的瞬時(shí)抗剪強(qiáng)度大，凍融界面處土體的粘聚力大于融土的粘聚力。佟治權(quán)等［10］開展了砂黏土的室內(nèi)快剪試驗(yàn)和野外大型快剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融交界面的抗剪強(qiáng)度均大于凍后全融土的抗剪強(qiáng)度。葛琪、鄧愛平等［11-12］利用鹽水冰點(diǎn)低的特點(diǎn)來模擬凍融交界面，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)凍融交界面的抗剪強(qiáng)度均低于融土的抗剪強(qiáng)度，與以往結(jié)論相反。針對(duì)季節(jié)公路土質(zhì)邊坡，程永春等［13］設(shè)計(jì)并開展了有、無凍融界面的邊坡穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土質(zhì)邊坡活動(dòng)界面臨界深度進(jìn)行了對(duì)比；楊讓宏等［14］通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了凍融界面的變化對(duì)多年凍土區(qū)斜坡路堤的穩(wěn)定性影響，研究表明路堤穩(wěn)定性與凍融界面的位置和形態(tài)有相關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

排土場是露天礦山用來堆放開采中剝離廢石的場所，其長期穩(wěn)定性不僅關(guān)系到礦山能否正常生產(chǎn)，同時(shí)還影響排土場周圍和下游地區(qū)民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。與普通邊坡不同，排土場的物料組成有剝離的表層土體、爆破的巖石等，粒徑大小不等，級(jí)配較差，壓縮性大，因此排土場滑坡的事例已屢見不鮮。為此，研究人員已開展大量粗顆粒土物理力學(xué)性質(zhì)的研究，然而針對(duì)凍融環(huán)境下排土場粗物料物理力學(xué)性質(zhì)的研究相對(duì)較少。本文以西藏某高寒高海拔多金屬礦山排土場為研究對(duì)象，開展排土場粗粒土凍融界面的大型室內(nèi)直剪試驗(yàn)，并與全融狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)考察顆粒級(jí)配對(duì)凍融界面及全融狀態(tài)下土體抗剪性能的影響，以期為季節(jié)凍土區(qū)礦山排土場邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

1 排土場粗粒土凍融界面直剪試驗(yàn)

1.1 試樣土樣

試樣土樣取自西藏某多金屬礦山排土場，礦區(qū)海拔高度自生活區(qū)3 900 m至山地露天選礦區(qū)約5 400 m。為獲得礦山排土場周邊氣象環(huán)境條件及排土場土體凍融規(guī)律，在山頂露天選礦區(qū)附近架設(shè)有氣象觀測站點(diǎn)1個(gè)、排土場10 m深地溫測孔1個(gè)。已有監(jiān)測結(jié)果表明，礦區(qū)山頂氣溫波動(dòng)范圍為-15～5℃，其中最低氣溫出現(xiàn)在12月至來年1月初，極端最低溫度可達(dá)-27.7℃。排土場地溫監(jiān)測結(jié)果表明，土體最大季節(jié)凍結(jié)深度可達(dá)1.8 m，凍結(jié)期自11月中旬至來年4月上旬，持續(xù)時(shí)間約5個(gè)月，融化期持續(xù)時(shí)間約7個(gè)月。

由于該礦山目前處于建設(shè)初期，且土樣采集位于排土場上部，因此土料中主要以風(fēng)化層和風(fēng)化程度較高的灰?guī)r質(zhì)礫粒為主，天然含水率為11.5%?？紤]到直剪試驗(yàn)樣品直徑和尺寸效應(yīng)，對(duì)野外采集的土樣進(jìn)行自然風(fēng)干后，碾壓并過20 mm的篩。利用篩分法得到土樣顆粒級(jí)配如表1所示。可以看出，粒徑大于0.075 mm顆粒含量超過土樣總質(zhì)量的50%，因此從土的工程分類上為粗粒土。

由于排土場在不斷排棄堆積過程中，受重力作用沿排土場邊坡自上而下呈現(xiàn)粒徑自然分級(jí)，顆粒級(jí)配差異顯著，而散體物料的粒徑大小及級(jí)配對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)影響顯著［15-18］。因此，為考察顆粒級(jí)配對(duì)土料抗剪性能的影響，本文在原有級(jí)配基礎(chǔ)上通過控制2～20 mm礫粒土含量P2-20，以間隔為10%的P2-20含量開展3種級(jí)配條件下土樣的大型直剪試驗(yàn)，土樣級(jí)配曲線如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

本次試驗(yàn)在北京交通大學(xué)凍土實(shí)驗(yàn)室的全自動(dòng)土工粗顆粒土直剪試驗(yàn)系統(tǒng)上開展，如圖2所示。該設(shè)備為1款內(nèi)置冷夜循環(huán)系統(tǒng)的大型數(shù)控靜力直剪儀，由2臺(tái)步進(jìn)伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，分別提供垂直壓力和橫向推力，其最大輸出分別為100 kN和150 kN，并帶有精確的反饋控制模塊，可以分別實(shí)現(xiàn)位移和力的精確控制。

剪切盒內(nèi)側(cè)為鋼制結(jié)構(gòu)層，外側(cè)為冷浴循環(huán)空腔，在腔內(nèi)與外界環(huán)境有熱交換的位置鋪設(shè)有保溫層。系統(tǒng)配有大功率冷浴循環(huán)機(jī)，對(duì)上、下剪切盒進(jìn)行制冷和溫度控制，溫控系統(tǒng)組成包括循環(huán)冷卻溫度控制模塊、剪切盒內(nèi)高精度熱敏電阻和數(shù)據(jù)采集反饋模塊，具有維持剪切面法向溫度梯度的能力。剪切盒最大容積為300 mm（長）×300 mm（寬）×200 mm（高）。

直剪試驗(yàn)土樣裝填按下述步驟進(jìn)行，首先將試驗(yàn)用土按不同礫類土含量（P2-20=23%、33%、43%）加入一定質(zhì)量的蒸餾水調(diào)配至目標(biāo)含水率后倒入攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌，攪拌完成后在限制蒸發(fā)條件下靜置12 h，以保證試樣的含水率均勻分布。隨后，按照目標(biāo)干密度為2.0 g/cm3（壓實(shí)度約為85%）稱量所需土料，將稱量好的土樣分3層進(jìn)行裝填，然后分別壓實(shí)至計(jì)算高度。第一層裝填完畢后，表層刨毛后裝填第二層，重復(fù)此步驟至最后一層，整平表面。為方便加載，在上剪切盒頂部預(yù)留一定距離，本次試驗(yàn)預(yù)留2 cm。在剪切面附近，插入高精度熱敏電阻溫度探頭并連接數(shù)采儀采集土體溫度數(shù)據(jù)，以掌握剪切面土體溫度變化情況。

土樣裝填完成后，打開冷浴循環(huán)，凍結(jié)下剪切盒土體并觀察剪切面土體溫度隨時(shí)間變化情況，直到接觸面溫度達(dá)到設(shè)定溫度-0.1℃且沒有波動(dòng)（通常需要15～24 h），說明此時(shí)試樣內(nèi)部已經(jīng)達(dá)到熱力平衡，溫度場已經(jīng)穩(wěn)定。此時(shí)，進(jìn)行凍融交界面狀態(tài)下的不固結(jié)快剪試驗(yàn)，啟動(dòng)垂直加載裝置，施加設(shè)定的垂直壓力（100、200、300 kPa），待垂直壓力保持穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)水平加載裝置并以0.9 mm/min的速度推動(dòng)上剪切盒，試驗(yàn)過程中保持下剪切盒不動(dòng)，剪切過程中剪切面溫度波動(dòng)不超過±0.1℃，兩個(gè)方向的應(yīng)力和位移均自動(dòng)同步記錄，采樣頻率50 Hz。試驗(yàn)結(jié)束后卸載，關(guān)閉冷浴循環(huán)，待試樣升溫融化后，將土樣從剪切盒中取出。同時(shí)，為對(duì)比分析粗粒土有、無凍融界面剪切性能，開展了相同干密度、含水率條件下全融粗粒土的直剪試驗(yàn)，與存在凍融界面的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 粗粒土直剪試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 融土、凍融界面剪切應(yīng)力—剪切位移特征

圖3給出了全融狀態(tài)下，不同礫粒組含量土體的剪切應(yīng)力—剪切位移曲線。從圖3可以看出，剪切應(yīng)力—剪切位移曲線基本呈硬化特征，無峰值強(qiáng)度。在試驗(yàn)初始階段，剪切位移隨剪切應(yīng)力增加呈線性增加，增長率較大，為彈性變形階段。隨著剪切應(yīng)力的繼續(xù)增加，曲線斜率減小，呈現(xiàn)非線性增加，為塑形變形階段。當(dāng)剪切位移增加至一定階段，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，土樣整體呈滑動(dòng)破壞，隨后剪切位移迅速增加，而剪切應(yīng)力小幅增加或保持穩(wěn)定。通過3種礫粒組含量條件下試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出，隨著礫粒組含量的增加，其硬化特征更加明顯。

圖4給出了不同礫粒組含量條件下凍融界面的剪切應(yīng)力—剪切位移曲線。從圖4可以看出，與全融狀態(tài)下明顯不同，凍融界面的剪切應(yīng)力—剪切位移曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，存在明顯峰值剪切強(qiáng)度。3種礫粒組含量條件下，峰值應(yīng)力均出現(xiàn)在剪切位移為1/100左右（3 mm附近）。此后，隨著剪切位移的增加，剪切應(yīng)力逐漸減小。與全融狀態(tài)下相比，同一法向應(yīng)力及剪切位移條件下，凍融界面處的剪切應(yīng)力水平明顯較高。

2.2 融土、凍融界面的抗剪強(qiáng)度

圖3中融土的剪切應(yīng)力—剪切位移均為應(yīng)變硬化，因此按照土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999）取剪切位移為試樣尺寸1/15（20 mm）處時(shí)剪切應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度，而圖4中凍融界面剪切應(yīng)力—剪切位移為應(yīng)變軟化，因此取峰值剪切應(yīng)力為界面抗剪強(qiáng)度。采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則對(duì)粗粒土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行描述，包括粘聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度：

式中，τ為抗剪強(qiáng)度；c為黏聚力；σ為垂直壓力；φ為內(nèi)摩擦角。圖5給出了不同礫粒組含量條件下融土與凍融界面抗剪強(qiáng)度與法向壓力的關(guān)系，即抗剪強(qiáng)度曲線，并給出了相應(yīng)的擬合公式和相關(guān)系數(shù)。

表2給出了不同礫粒組含量條件下凍融界面和融土的黏聚力和內(nèi)摩擦角擬合結(jié)果?？梢钥闯觯瑑鋈诮缑嫣幍酿ぞ哿︼@著大于融土，當(dāng)P2-20分別為23%、33%、43%時(shí)，凍融界面處的黏聚力比融土的分別大57.75 kPa、62.10 kPa、48.11 kPa。這是由于全融狀態(tài)下粗粒土的黏聚力主要由細(xì)顆粒之間的粘結(jié)作用體現(xiàn)，而對(duì)于凍融界面處冰的膠結(jié)作用同樣會(huì)對(duì)黏聚力有所貢獻(xiàn)。對(duì)于內(nèi)摩擦角而言，當(dāng)P2-20為23%時(shí)，凍融界面內(nèi)摩擦角與融土大致相同，而隨著礫粒組含量P2-20增加至33%時(shí)，凍融界面的內(nèi)摩擦角則顯著大于融土。粗粒土的內(nèi)摩擦涉及顆粒之間的相對(duì)移動(dòng)，其物理過程包括顆粒之間滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦和顆粒之間脫離咬合狀態(tài)而移動(dòng)所產(chǎn)生的咬合摩擦。相對(duì)于融土，凍融界面處未凍水含量小于融土，水分的潤滑作用有所減弱，同時(shí)粗顆粒表面的冰包裹作用增強(qiáng)了顆粒之間脫離咬合的咬合摩擦，因此總體上凍融界面的內(nèi)摩擦角大于融土。

2.3 融土、凍融界面強(qiáng)度指標(biāo)與礫粒組含量關(guān)系

圖6給出了凍融交界面、融土黏聚力與礫粒組含量之間的關(guān)系?？梢钥闯觯瑢?duì)于凍融交界面和融土，隨著礫粒組含量的增加，黏聚力均呈減小趨勢。對(duì)于融土而言，黏聚力主要由細(xì)顆粒土體提供，隨著礫粒組含量的增加，細(xì)顆粒土體含量逐漸降低，因此黏聚力將隨著礫粒組含量的增加而快速降低。當(dāng)?shù)[粒組含量P2-20由22.88%增加至42.88%時(shí)，黏聚力下降幅度超過40%。隨著礫粒組含量的增加，土樣內(nèi)部礫粒組由最初的懸浮狀逐漸過渡形成土樣骨架，其含量的進(jìn)一步增加將最終導(dǎo)致黏聚力的消失。

與融土不同，凍融界面處的黏聚力隨礫粒組含量含量的增加減小幅度或速率明顯較小。當(dāng)?shù)[粒組含量P2-20由22.88%增加至42.88%時(shí)，黏聚力下降幅度約為20%，只有融土下降幅度的一半。這體現(xiàn)了凍融界面處冰的膠結(jié)作用對(duì)于土體黏聚力的貢獻(xiàn)。通過同一礫粒組含量條件下凍融交界面與融土黏聚力的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)（表2），界面處冰的膠結(jié)作用對(duì)于界面整體黏聚強(qiáng)度的貢獻(xiàn)約為50～60 kPa。由于各組試驗(yàn)中土樣含水量均為11.5%，隨著礫粒組含量的增加，土樣飽和度相應(yīng)減小，因此隨著礫粒組含量的增加，冰的膠結(jié)作用有所減弱，對(duì)整個(gè)界面土體黏聚力的貢獻(xiàn)相應(yīng)有所減小。

圖7給出了給出了凍融交界面、融土內(nèi)摩擦角與礫粒組含量之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著礫粒組含量的增加，凍融交界面與融土的內(nèi)摩擦角均呈增加趨勢。對(duì)于融土而言，隨著礫粒組含量的增加，其內(nèi)摩擦角最終將接近與礫粒組的休止角。對(duì)于凍融交界面而言，其內(nèi)摩擦角隨礫粒組含量的增加速率明顯大于融土條件下，其原因已在上一節(jié)中討論，這里不再贅述。通過融土和凍融交界面內(nèi)摩擦角的對(duì)比（表2），能夠體現(xiàn)冰對(duì)粗顆粒的包裹作用對(duì)于其咬合摩擦的貢獻(xiàn)，且這種貢獻(xiàn)隨著礫粒組含量的增加逐漸增強(qiáng)。

3 討論

如引言中所述，凍融滲透或冰雪凍融滲透作用是高寒高海拔地區(qū)滑坡、泥石流災(zāi)害發(fā)育的重要成因之一。在高寒高海拔地區(qū)，地表常見寒冬風(fēng)化產(chǎn)生的殘坡積和崩積松散覆蓋層，黏結(jié)性差，再加上地形坡度大、相對(duì)高差大，其坡面穩(wěn)定性較為脆弱，季節(jié)凍結(jié)層的融化以及冰雪融水在重力作用下向融化—凍結(jié)界面匯集，潤滑了松散體表面，降低粗顆粒之間的摩擦力，軟化細(xì)顆?；|(zhì)的黏結(jié)力，使得界面處抗剪強(qiáng)度顯著減小，而斜坡后緣繼續(xù)加載或冰雪融水滲透作用則會(huì)對(duì)斜坡的整體失穩(wěn)起到激發(fā)作用，宏觀上表現(xiàn)為“等粒體”物質(zhì)的“雪崩式”滑坡碎屑流現(xiàn)象［4］。

然而，在本項(xiàng)目剪切試驗(yàn)中，凍融界面的模擬是以全融狀態(tài)下對(duì)下剪切盒土體進(jìn)行凍結(jié)，在凍結(jié)鋒面至剪切面時(shí)開始剪切試驗(yàn)，因此難以反映和模擬實(shí)際情況下斜坡體內(nèi)部溫度分布與變化過程及水分重分布過程。

因此，在后續(xù)研究中需對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)整，在全部凍結(jié)狀態(tài)下對(duì)上剪切盒土體進(jìn)行緩慢融化，模擬實(shí)際春融過程中土體溫度沿深度方向的時(shí)間變化過程及分布，并容許已融土體內(nèi)部水分在重力作用下向融化鋒面匯集，進(jìn)而在融化鋒面抵達(dá)剪切面時(shí)開始剪切，以考察融化—凍結(jié)界面在水分匯集條件下的抗剪性能，為高寒高海拔地區(qū)凍融滲透型滑坡、泥石流災(zāi)害及排土場穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

4 結(jié)論

針對(duì)高寒高海拔礦區(qū)排土場邊坡經(jīng)歷的季節(jié)凍融過程，本項(xiàng)目利用可控溫大型直剪儀開展了排土場粗粒土在全融狀態(tài)下和凍融交界面的剪切試驗(yàn)，同時(shí)考察了顆粒級(jí)配對(duì)粗粒土剪切強(qiáng)度的影響，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于粗顆粒融土，剪切應(yīng)力—剪切位移曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征，無峰值強(qiáng)度，試驗(yàn)變形可大致分為3個(gè)階段即彈性變形、塑形變形與滑動(dòng)破壞。與全融土不同，凍融交界面剪切應(yīng)力—剪切位移曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，峰值應(yīng)力發(fā)生在1/100剪切位移附近，此后隨剪切位移的增加，剪切應(yīng)力逐漸減小。

（2）同一礫粒組含量條件下，凍融交界面抗剪強(qiáng)度明顯大于融土，前者約為后者的3倍以上。相較于融土，凍融界面處冰的膠結(jié)作用增加了土體的黏聚力，貢獻(xiàn)量值約在50～60 kPa。隨著礫粒組的增加，土樣飽和度相應(yīng)減小，冰的膠結(jié)作用整個(gè)界面土體黏聚力的貢獻(xiàn)相應(yīng)有所減小。在礫粒組含量較高時(shí)，凍融界面處土體內(nèi)摩擦角同樣大于融土。相對(duì)于融土，凍融界面處未凍水含量小于融土，水分的潤滑作用有所減弱，同時(shí)粗顆粒表面的冰包裹作用增強(qiáng)了顆粒之間脫離咬合的咬合摩擦，因此總體上凍融界面的內(nèi)摩擦角大于融土。

（3）對(duì)于融土而言，隨礫粒組含量的增加，其黏聚力快速減小，這與土樣內(nèi)部粗細(xì)顆粒組成有關(guān)，而內(nèi)摩擦角快速增加并逐步趨近于礫粒的休止角。對(duì)于凍融界面而言，隨礫粒組含量的增加，其黏聚力由于冰膠結(jié)作用的貢獻(xiàn)，其幅度明顯小于融土，而內(nèi)摩擦角增加幅度明顯大于融土，體現(xiàn)了粗顆粒表面冰包裹作用對(duì)顆粒咬合摩擦的貢獻(xiàn)。