冻融作用对粗粒土强度特性及矿山排土场边坡稳定性的影响研究

发布时间：2020-06-03 11:00

【摘要】：冻融作为一种强风化作用,将导致岩土体工程性质产生一定的变化。在高寒高海拔区域,季节冻融作用强烈,与冻融循环作用相关的系列地质灾害问题时常发生,给区域内的工程建设与维护和社会经济生产活动产生了严重的影响。对于高寒高海拔地区的矿山排土场而言,由于其本身特有的性质,在冻融作用的不利影响下容易发生包括滑坡、泥石流等严重地质灾害,威胁矿山的安全生产和下游及周边的人民生命财产。本文以西藏甲玛铜多金属矿山排土场为研究背景,通过系统的冻融循环试验和单轴抗压强度、三轴压缩试验,研究了不同颗粒级配条件下排土场粗粒土力学性质随冻融循环作用的变化规律,量化了冻融循环作用导致的粗粒土强度劣化过程。针对高寒高海拔季节冻融作用,开展了粗粒土冻融界面大型直剪试验研究,对比研究了融土与冻融界面的剪切力学行为差异。在此基础上,对天然工况和经历不同冻融循环次数工况下的排土场边坡稳定性进行模拟研究,分析了冻融作用对排土场边坡稳定性的不利影响。以此,希望可为寒区相关边坡工程冻融灾害的防控提供参考。主要结论如下:(1)粗粒土单轴抗压强度试验研究:在冻融循环作用下,粗粒土单轴抗压性能发生显著变化。经历多次冻融循环作用后,粗粒土的应力-应变曲线形式逐渐由应变软化向应变硬化转变。随着冻融循环次数的增加,单轴抗压强度和弹性模量均呈现指数形式减小的趋势,9次冻融循环前,衰减速率较大。9次冻融循环后,基本保持不变。随着冻融循环次数的增加,粗粒土的破坏应变呈现缓慢增加的趋势。在相同冻融循环次数条件下,随着细砾组P_(2-5)含量的增加,粗粒土的抗压强度和弹性模量均呈减小的趋势,此外,随着细砾组P_(2-5)含量的增加,试样的破坏应变整体呈现增大的趋势。(2)粗粒土三轴压缩试验研究:当细砾组P_(2-5)含量为23%时,随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线由弱应变软化逐渐过渡为应变硬化状态。但随着细砾组P_(2-5)含量的增加,冻融循环作用对应力-应变曲线的影响不再明显。相同冻融次数的试样,随着细砾组P_(2-5)含量的增加,应力应变曲线关系由弱应变软化逐渐向应变硬化状态过渡。随着冻融循环次数的增加,粗粒土的抗剪强度和黏聚力等力学参数均表现出不同程度的减小,并整体呈现指数形式下降趋势,且在5~9次冻融循环次数后抗剪强度均基本保持不变。弹性模量随冻融循环次数的增加整体呈现减弱趋势。与以上变化规律不同,在冻融循环作用下,内摩擦角上下波动较大,无明显变化规律。在相同冻融次数条件下,随着细砾组P_(2-5)含量的增加,粗粒土的抗剪强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角等力学参数呈递减趋势,另外,随着细砾组P_(2-5)含量的增加,抗剪强度、弹性模量和黏聚力受冻融作用的影响逐渐减弱。(3)粗粒土冻融界面抗剪强度试验研究:融土与冻融界面土体的剪切应力-剪切位移曲线存在明显的差异,其中融土的曲线形式均呈现应变硬化特征,无峰值强度,而冻融界面的曲线呈现应变软化特征,且峰值应力基本发生在1/100剪切位移左右。在相同砾粒组P_(2-20)含量条件下,冻融界面抗剪强度明显大于融土,约为后者的两倍。这主要是由于冻融界面处冰的胶结作用增加了土体的黏聚力,贡献量值约在50~60kPa。对于抗剪强度指标而言,随着砾粒组含量P_(2-20)的增加,融土的黏聚力呈现快速减小的趋势,而内摩擦角逐渐增加。随着砾粒组P_(2-20)含量的增加,冻融界面的黏聚力由于冰胶结作用的贡献,其减小幅度明显小于融土,而内摩擦角增加幅度明显大于融土,体现了粗颗粒表面冰包裹作用对颗粒咬合摩擦的贡献。(4)高寒高海拔矿山排土场边坡稳定性模拟研究:对目前天然工况下排土场的边坡进行了模拟计算分析,计算结果显示边坡处于安全状态。随着坡角和坡高的不断增加,边坡安全系数均呈现线性关系减小,通过以上计算结果给出了天然工况下最佳排土方案。排土场边坡温度场的模拟计算表明,浅表层土体受冻融作用的影响比较显著,最大影响深度为4m左右。随深度的增加,土体温度波动幅度逐渐减小,10m深度以下土体温度基本不随外界气温变化而变化。考虑冻融循环作用对粗粒土强度参数的影响,对经历不同冻融循环次数的边坡进行模拟计算,结果显示边坡的安全系数随冻融循环次数的增加呈指数形式递减,且最大衰减率为11%左右。
【图文】：

排土场

冻融作用对粗粒土强度特性及矿山排土场边坡稳定性的影响研究开采的联合形式，角岩型矿体采用露天开采，除一期工程开山露天采场）以外的矽卡岩型矿体均采用地下开采方式。87m、4470m、4450m 四个开采中段已进行开采作业，较高 4650m、4700m 进行开采，南坑采场及 5300m 角岩区已开规模 40000t/d，其中露采、地采设计规模各 20000t/d。矿所示。

边坡破坏模式,滑坡区,矿山排土场,泥石流

图 1.3 滑坡区工程地质模型及边坡破坏模式散堆积体在充足的水体和本身重力条件下极易形成较大方石流现象。从成因上分析，泥石流大致可分为水动力泥石。由于矿山排土场多数位于坡度较陡的山谷地带，这给强象提供了条件，其松散的堆积体在水流的冲刷作用下极易力泥石流多数发生在矿山排土场。重力作用下的泥石流主生软化现象，当含水量达到一定的临界状态时，岩土体形而导致泥石流现象的发生。泥石流现象的发生将对矿山的生命财产安全造成巨大的影响，例如在强降雨条件下，福976 年 5 月 26 日发生 1.5 万 m3的泥石流灾害，造成工业场毁。永平铜矿西北排土场在 1977 年发生 3 次泥石流灾害[11]。1996 年齐大山矿山排土场发生泥石流灾害，造成矿山排土场在排土施工过程中，由于弃渣土体较为松散，弃渣沿坡面发生滚动，，再加上风力作用，会产生大量的粉尘，[13
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD854.6

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