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第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY unsaturated soil material; freezing-thawing cycles; soil-water characteristic curve; slope stability 露天采矿剥离岩土往往形成巨型的人工松散堆 积体，这一特点使露天矿排土场易形成滑坡、泥石 流等次生地质灾害， 不仅严重影响矿山的正常生产， 也威胁到矿山及附近居民的生命财产安全[1]。近年 来，针对季冻区的冻融循环作用对非饱和土料力学 性质影响的研究开展较多，张泽等[2]发现冻融循环 使土的结构、基本物理力学性质发生改变；方丽莉 等[3]研究得出冻融循环作用通过改变土的结构从而 ChaoXing 第 5 期 王雪冬等 冻融循环作用对露天矿排土场土料土水特征的影响 139 改变土的力学性质，且强度参数的变化与土颗粒的 胶结、重排列、颗粒重分配以及孔隙大小比例的变 化有关。倪万魁等[4-5]利用扫描电镜对土料的微观结 构进行观测，发现冻融循环作用使颗粒间固有的胶 结作用逐渐减弱直至完全破坏。已有的研究成果表 明冻融循环作用破坏土体结构进而影响土体的强度 特征。因此，冻融循环作用影响土料力学性质得到 了普遍认可[6]，但针对矿山排土场自身特点开展土 料非饱和特性的研究较少。 土水特征曲线SWCC反映了非饱和土料水 分和基质吸力之间的定量关系，是研究土水动力 学性质必不可少的参数。基质吸力的准确测量一 直是非饱和土体性质研究的核心问题，常用测试 方法有滤纸法、TDR 法、压力板法和 GDS 法等， I. S. Mcqueen 等[7]及汪东林等[8]认为滤纸法具有 操作简便、造价低、宽量程、高精度等优点，是 一种值得推广的测试方法， 众多学者[9-11]采用滤纸 法对不同土体的土水特征曲线、抗剪强度等进行 了 专 项 研 究 ， 并 通 过 试 验 结 果 获 得 了 合 适 的 SWCC 预测模型；李萍等[12]研究发现黄土非饱和 渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用 指数函数表示；郑敏洲等[13]采用 Origin 软件用于土 水特征曲线的拟合研究， 预测效果良好， 说明结合实 测数据对土料的 SWCC 进行预测是可行的。矿山排 土场土料具有特殊的堆积特征， 以往研究较少地考虑 冻融循环作用下土料的非饱和力学特性， 因此， 研究 不同含水率状态下土料在经历不同冻融循环次数后 的基质吸力与宏细观结构的变化规律， 在此基础上提 出适合内蒙古赤峰元宝山露天矿内排土场土料的 SWCC 预测模型，可为排土场边坡稳定性分析及防 护设计提供有价值的理论依据。 1 试验材料与方法 1.1 试验材料 元宝山露天矿位于内蒙古自治区赤峰市， 是典 型的季节性冻土区域， 开展冻融循环条件下排土场 非饱和土料土水特征试验研究，对矿山安全开发 具有十分重要的价值。试验选取元宝山露天矿排 土场具有代表性的黏性土料，土料呈棕黄色。依据 GB/T 501231999土工试验方法标准 ，测得土料 的天然含水率为 17.6，天然干密度为 1.63 g/cm3， 土粒密度为 2.67 g/cm3。 将试验所取的非饱和土料自 然风干过 2 mm 标准筛，取出具有代表性的土料 600 g，采用筛析法测得非饱和土料的颗粒级配曲 线，如图 1 所示。 图 1 非饱和土料的颗粒级配 Fig.1 Grain size distribution curve of unsaturated soil 1.2 滤纸法原理 试验采用滤纸法测量土料基质吸力，滤纸属于 多孔吸水介质材料，依据热力学平衡理论，在恒温 条件下，将其放入非饱和土体，让土–水–空气间的 水分相互迁移，待水分迁移平衡时，非饱和土样与 滤纸的吸力值相同，根据平衡时滤纸的含水率代入 相应的率定公式即可获得非饱和土样的吸力值。 试验采用直接接触法测量非饱和土吸力，所用 滤纸为 Whatman’s No. 42 型滤纸，其率定方程[14]可 由式1表示 fpfp fpfp ln5.2370.0779,47 ln2.4120.0135, 47 WW WW        ≤ 1 式中 Ψ 为基质吸力，kPa；Wfp为滤纸含水率，。 1.3 试样制备及试验方法 制备试样前将土料碾碎，放入 105℃烘箱烘干， 根据设计含水率加水浸润 24 h，使土中水分充分运 移。根据非饱和土的天然干密度，采用击样法制备 体积含水率为 13.04、17.93、23.08、34.23、 40.75、 47.27、 57.05、 65.20非饱和重塑试样。 用镊子取中间层滤纸放在千分天平上称重，再取烘 干滤纸作为上下保护层，将 3 层滤纸放在制备好的 2 个土样中间压实，保证土样和滤纸充分接触，装 入密闭容器中， 置于恒温箱中 10 d[15]， 如图 2 所示， 确保水分迁移达到平衡状态。 图 2 滤纸法密封试样 Fig.2 Specimens sealed by filter paper 依据新排土料的实际特征，试验设计的冻融循 ChaoXing 140 煤田地质与勘探 第 47 卷 环次数分别为 0 次、1 次、3 次、5 次、10 次。将水 分迁移平衡的试验样品置于试验用低温箱中，在–20℃ 的温度下冷冻 48 h， 取出置于 20℃恒温箱融化 48 h 为 一个循环。冻融循环结束后将试样再置于恒温箱 10 d，进行水分迁移。10 d 后取出滤纸，用千分天 平称取中间层滤纸的质量，计算滤纸平衡含水率， 根据滤纸的率定方程获得试样在不同含水率下的基 质吸力值。 2 试验结果与分析 2.1 不同含水率和冻融循环条件下 SWCC 特征 利用滤纸法测得上述冻融循环条件下不同体积 含水率露天矿排土场非饱和土料的 SWCC，如图 3 所示。 从图 3 中可以看出，在相同含水率条件下，随 着冻融循环次数的增加，土料的基质吸力减小，且 基质吸力的变化趋势随冻融循环次数的增加而减 小，最终趋于稳定。基质吸力在初次冻融循环的变 化幅度最大，5 次冻融循环后基质吸力基本不再变 化。表明 5 次冻融循环后，冻融循环次数的变化对 基质吸力的影响较小。 图 3 不同冻融次数非饱和土 SWCC Fig.3 SWCC of unsaturated soil with different freezing-thawing cycles 2.2 体积含水率对土料基质吸力的影响 根据图 3 显示， 不同冻融循环试验条件下， 基质 吸力随体积含水率的变化规律相近。 以 3 次冻融循环 下非饱和土 SWCC 和试验测得数据为例，如图 4、 表 1 所示，对基质吸力随含水率变化规律进行分析。 从表 1 中可以看出在试验测得数据范围内， 当体积含水率小于 40.86时，基质吸力对体积含水 率的变化率均大于 1104，体积含水率的变化对基 质吸力影响显著；当体积含水率为 40.8646.23 时，基质吸力对体积含水率的变化率均在 1103 1104，体积含水率变化对基质吸力的影响较为显 著；当含水率大于 46.23时，基质吸力对体积含水 率的变化率均小于 1103，体积含水率变化对基质 吸力的影响较小。因此，可以将非饱和土 SWCC 曲 线划分为敏感阶段、亚敏感阶段和不敏感阶段进行 分析。 导致基质吸力随含水率变化产生明显差异的主 要原因在敏感阶段，体积含水率较低，基质吸力 主要由范德华力和氢键力控制， 毛细管力相对较弱， 导致基质吸力对体积含水率变化影响显著；在亚敏 感阶段，体积含水率升高，毛细管力作用提高，范 德华力和氢键力的主导地位削弱，导致基质吸力对 体积含水率的变化敏感程度下降；在不敏感阶段， 体积含水率较高，基质吸力主要受毛细管力控制， 范德华力和氢键力较弱，导致基质吸力对体积含水 率的变化不敏感。 图 4 不同体积含水率非饱和土的 SWCC Fig.4 SWCC of unsaturated soil with different volumetric water content 表 1 3 次冻融循环不同体积含水率下 的基质吸力及变化率 Table 1 Matrix suction value and change rate under different volumetric water content in three freezing- thawing cycles 体积含水率/ 基质吸力/kPa 变化率 19.85 26 436.26 25.48 8 352.18 32.80 2 597.16 40.86 430.72 46.23 48.76 53.33 15.39 62.15 6.47 68.95 1.45 321 580.40 78 634.39 26 850.63 7 122.58 469.53 101.19 73.85 2.3 冻融循环次数对土料基质吸力的影响 由图 3 可得，冻融循环次数对不同含水率下土 料基质吸力的影响规律相似，选取敏感阶段体积含 水率 θ25.48的曲线进行分析，其变化曲线如图 5 所示。 ChaoXing 第 5 期 王雪冬等 冻融循环作用对露天矿排土场土料土水特征的影响 141 从图 5 可以看出随着冻融循环次数的增加， 基质吸力逐渐减小，且减小幅度逐渐趋于平缓。在 03 次冻融循环条件下，基质吸力受冻融循环次数 影响大；经历 3 次冻融循环以后，基质吸力变化受 冻融循环次数影响减小。在冻融循环过程中，冻胀 作用在一定程度上破坏土体原有的孔隙结构，使土 体孔隙率变大，致使土体的基质吸力减小；同时， 冻融循环作用对土体孔隙破坏作用是有限的，3 次 冻融循环后对基质吸力影响变微弱。 图 5 冻融循环次数对基质吸力的影响 Fig.5 Influence of freezing-thawing cycles on matrix suction 2.4 冻融循环作用对土体结构的影响 通过对土样进行 X 射线衍射试验，获得如图 6 所示的衍射图谱，得知土样矿物成分主要为原生矿 物中的石英、云母和长石，说明土料经历的化学和 生物风化作用微弱。由于黏土矿物含量较低，颗粒 间胶结能力弱，在经历冻融循环时，冻胀作用使土 颗粒受压，颗粒间空隙变大，破坏土颗粒间原有的 胶结结构；融化时，亲水的黏土矿物相互结合，使 原有土颗粒与黏土的均匀程度增大，进而使土体孔 隙率增大，这种现象在 1 次冻融循环最为显著，此 后这种变化趋于平衡，土样孔隙率变化趋于稳定。 图 6 土样 X 衍射图谱 Fig.6 X-ray spectra of soil samples 为进一步研究冻融循环作用对土体结构的影 响，采用体视显微镜 XYH-06A，分别选取冻融循环 次数为 0 次、1 次、3 次、5 次、10 次具有代表性土 样进行结构拍摄，放大倍数为 40 倍，结果如图 7 所 示。可以看出在没有经历冻融循环时，土颗粒间 的排列最为紧密，面孔隙率最小；经历 1 次冻融循 环，土体结构变化最大，颗粒间的胶结程度变化最 大，面孔隙率增加幅度最大；经历 3 次以上冻融循 环，土体结构变化不大，颗粒间的胶结程度变化较 小，面孔隙率的变化趋于稳定。 图 7 经历不同冻融循环次数的体视镜图像 Fig.7 Stereoscopic images with different freezing-thawing cycles 3 排土场土料 SWCC 的模型验证 土料的SWCC预测模型对于分析排土场稳定性 至关重要，目前国内外拟合实测数据结果的经验模 型有Van-Genuchten 模型、Fredlund-Xing 模型、 Gardner 模型。Van-Genuchten 模型是最为常用的水 ChaoXing 142 煤田地质与勘探 第 47 卷 土特征曲线数学模型，该模型能够表示全负压范围 内的水土特征曲线，对不同类型介质有很高的拟合 精度，具有广泛的适用性 [16]。因此，本文采用 Van-Genuchten 模型对不同冻融循环条件下的非 饱和土样实测数据进行拟合分析，Van-Genuchten 模型[14]如式2所示。 r sr 1 [1/ ] n m a      2 式中 θ 为土样当前体积含水率，；θs为饱和体积 含水率，；θr为残余体积含水率，；Ψ 为基质吸 力，kPa；a、m 与 n 为拟合参数，参数 a 与土的进 气状态有关；参数 n 与土的孔径分布有关；参数 m 与 SWCC 的整体对称性有关，常与参数 n 具有 m1–1/n 或 m1–1/2n 的函数关系。 陈卫金等[16]研究 得出 m1–1/n 的函数关系更适合粒径较细的土料。 因此，本研究选用 m1–1/n 的参数进行拟合。 研究采用 RETC 软件进行 Van-Genuchten 模型的 拟合，其中 0 次冻融循环下的拟合曲线如图 8 所示。 不同冻融循环次数下SWCC模型的拟合参数如 表 2 所示，由模型拟合结果可以看出，拟合度R2 均大于 0.98。因此，Van-Genuchten 模型可以很好地 拟合冻融循环条件下元宝山露天矿内排土场土料的 土水特征曲线，可为本露天矿内的排土场设计及安 全开采提供设计依据，也可为相似矿山排土场土料 的 SWCC 研究提供参考。 图 8 0 次冻融循环下的拟合曲线 Fig.8 Fitting curve under 0 freezing-thawing cycle 表 2 不同冻融循环次数下 SWCC 拟合参数 Table 2 SWCC fitting parameters under different freezing-thawing cycles SWCC 拟合参数 冻融次数 θr/ θs/ a n R2 0 42.986 73.068 0.013 891.370 67 0.998 86 1 40.422 73.673 0.020 081.624 68 0.988 87 3 37.988 72.186 0.022 471.574 10 0.996 80 5 31.318 72.807 0.060 141.319 02 0.996 11 10 32.865 73.257 0.081 351.340 57 0.980 97 4 结 论 a. 随着冻融循环次数的增加， 在相同基质吸力条 件下， 土体体积含水率下降； 在相同含水率的条件下， 土体基质吸力减小最终趋于稳定，减小速率受冻融循 环次数影响，初次冻融循环的减小幅度最大。 b. 在经历相同冻融循环次数时，基质吸力随体 积含水率增加而减小， 可将 SWCC划分为敏感阶段、 亚敏感阶段和不敏感阶段。控制基质吸力的因素由 范德华力和氢键力过渡到由范德华力、氢键力以及 毛细管力共同控制最后转向由毛细管力控制。 c. 随着冻融循环次数的增加，基质吸力逐渐减 小，且减小幅度逐渐趋于平缓，冻胀作用使土体颗 粒受压，颗粒间原有胶结结构发生不可逆转破坏， 颗粒间空隙变大，融化过程中亲水黏土矿物相互结 合，颗粒的均匀程度增大，颗粒间空隙进一步增大， 由于土料黏土矿物少，面孔隙率变化在经历 1 次冻 融循环时最为显著。 d. 不同冻融循环次数下的 SWCC 可用 Van- Genuchten 模型进行拟合且拟合度较高，获得的 SWCC 拟合参数和预测模型能为赤峰元宝山露天矿 内排土场边坡设计提供有价值的理论依据。 参考文献 [1] 王光进. 超高台阶排土场散体介质力学特性及边坡稳定性研 究[D]. 重庆重庆大学，2011. 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