2013粘土包边尾矿砂路基稳定性研究_罗敖

第38卷，第6期2013年12月

公路工程HighwayEngineeringVol．38，No．6

Dec．，2013

［收稿日期］2013—04—19［作者简介］罗敖（1978—），男，重庆人，高级工程师，主要从事岩土、隧道等的勘察设计工作。

粘土包边尾矿砂路基稳定性研究罗敖，熊竹（重庆市市政设计研究院，重庆400020）

［摘要］首先通过电镜扫描等试验手段对尾矿砂的微观结构和物理力学性质进行了研究，表明尾矿砂具有

不易压实、稳定性差的问题，不能直接用于高路堤填筑，因此提出粘土包边尾矿砂路基方案。借助有限元分析手段对粘土包边尾矿砂路基的稳定性进行了分析，分析结果表明粘土包边尾矿砂路基稳定性可以满足规范要求。随着尾矿砂内摩擦角的增大或包边土粘聚力的增大，边坡的稳定安全系数逐渐增大。研究成果对于尾矿砂路用性能研究和特殊填料路基设计具有一定的参考意义。［关键词］尾矿砂；路用性能；粘土包边；路基稳定性；强度折减法

［中图分类号］U416．1［文献标识码］A［文章编号］1674—0610（2013）06—0254—06

StabilityAnalysisofMineTailingSubgradeEnvelopedbyClayLUOAo，XIONGZhu（ChongqingMunicipalAdministrationDesignInstitute，Chongqing，400020，China）

［Abstract］Thephysicalandmechanicalpropertiesofminetailingsaretested，anditisindicatedthatthecompactioneffectandstabilityofminetailingsareunsatisfied．Theminetailingscannotusetofillthehighembankment，soitisproposedthattheminetailingsareenvelopedbytheclaytofillthehighembankment．Thestabilityofminetailingsubgradewhichisenvelopedbyclay，isanalyzedbyFiniteEl-ementAnalysis（FEM）．Theanalysisresultsdemonstratethatthestabilityofminetailingsubgradewhichisenvelopedbyclayissatisfiedtothedesigncode．Thestabilitysafetyfactorwillincreasealongwiththegrowthofminetailings’internalfrictionangleandclay’scohesion．Theresultshavesomereferenceval-ueforstudiesoftheroadperformanceofminetailingsandspecialfillersubgradedesign．［Keywords］minetailings；roadperformance；clayhemming；subgradestability；strengthreduc-tionmethod

0引言特殊路基填料需要特殊的路基处治措施，譬如，文献［1－5］对包边填砂路基等特殊路基进行过广泛研究。据不完全统计，我国各类尾矿库超过1500座，尾矿库对所在地区环境及安全具有重大不利影响。因此，各领域的学者致力于将尾矿砂进行回收利用，由于尾矿砂存量大，并且其结构特性接近于粗粒土，因此在交通建设领域已经开始将尾矿砂作为路基填料［6］。尾矿砂颗粒通常较为均匀，表面粗糙度低，抗剪强度较低，因此需通过施加侧向约束，以提高尾矿砂作为路堤结构的稳定性。笔者以粘土包边尾矿砂路基的稳定性作为研究对象，建立相应的数值分析平台。1尾矿砂工程性质

1．1级配特征

本实验中，先称取200g试样，随后采用筛分法进行筛分，统计后得粒径小于0．075mm的颗粒质量超过式样总质量的10%，所以本试验采用筛分法和移液管法相结合的方法［7］。试验结果处理如表1

所示，尾矿砂颗粒级配曲线见图1。通过分析尾矿砂的颗粒级配曲线可以得知其颗粒的粗细程度、粒径分布情况和级配的优劣，据此可判断尾矿砂作为路基填料时工程性质的好坏，如透

水性、压缩性等等。从表1可以看出，粒径大于0.075mm的颗粒占试验土样总重的50%以上，因

此可根据规定将其定名为尾粉砂。参照图1可确定第6期罗敖，等：粘土包边尾矿砂路基稳定性研究土样的不均匀系数Cu=4＜5，曲率系数Cc=1，由此可推断，该试样的粒径分布比较均匀，属于级配不良的砂。由于颗粒比较均匀，颗粒之间的空隙不易被填充，所以将此种尾矿砂作为路基填料应用于工程实践时不易被压实，尤其是对路基的压实系数要求很高时。

表1颗粒分析试验结果Table1Testresultsofparticleanalysis

粒径/mm小于某粒径累积含量/g小于某粒径土占总土质量的百分比/%

2．000196．298．21．000194．697．40．500176．088．00．250150．475．30．10068．134．00．07542．221．10．05021．210．60．0108．34．20．0057．43．70．0021．80．9

图1尾矿砂级配曲线Figure1Gradingcurveofminetailings

1．2工程力学特性

依据现行《规范》［7］公路土工试验规程［7］，击实试验结果如表2所示，击实曲线如图2所示。表3为不同含水率条件下固结试验结果。表4为不同压实度下直接剪切试验结果。表5为不同压实条件下的渗透试验结果。

表2尾矿砂击实试验结果Table2Compactiontestresultsofminetailings

土样类型最大干密度ρmax/（g·cm－3）最优含水率ω/%尾矿砂1．8114．4

图2尾矿砂击实曲线Figure2Compactioncurveofminetailings

表3固结实验结果Table3Consolidationexperimentalresults

含水率/%压实系数压缩系数

av/MPa－1压缩指数Cc压缩模量

Es/MPa

0．90．110．03714．7212．40．930．090．03116．770．960．080．02718．97

0．90．110．03615．2214．40．930．090．02918．150．960．080．02520．17

0．90．110．03714．7216．40．930．090．0318．090．960．080．02818．55

表4直接快剪试验结果Table4Directsheartestresults

压实度C/kPaφ/（°）0．905．084712．460．937．320013．060．969．847514．05

表5渗透试验结果Table5Penetrationtestresults

压实度孔隙比e0试验温度/℃0．850．735150．900．639150．930．586150．960．537140．980．50514

kT/（10－5cm·s－1）动力粘度比k20/（10－5cm·s－1）

12．291．13313．997．521．1338．526．511．1337．386．051．1637．045．161．1636．00

图3是不同压实条件下尾矿砂的电镜扫描结果。可以看出：在不同压实度下，尾矿砂的基本组成形式都是单粒结构，而单粒多呈不规则的片状结构。尾矿砂中不含有粘粒，先由若干个单粒聚集在

图3尾矿砂电镜扫描放大200倍结果（待续）Figure3200timesmagnifiedscanningelectronmicroscopeofminetailings（tobecontinued）

552公路工程38卷续图3尾矿砂电镜扫描放大200倍结果Figure3200timesmagnifiedscanningelectronmicroscopeofminetailings

一起组成一个粒团，然后一个个粒团聚集在一起组成了单粒结构。压实度较低时，土颗粒之间的孔隙很大，随着压实度的不断增加，土颗粒之间的接触逐渐变得紧密，同时孔隙在不断缩小，从整体上看均属于凝聚（片架）结构。通过高倍显微镜观测可以看出尾矿砂颗粒主要呈多面体或者细长片状，颗粒之间多通过边—面、面—面联结聚合在一起，形成比较分散的凝聚结构，颗粒排列杂乱，粒径均匀。

2路基稳定性分析

2．1计算模型与参数

路基设计为路堤式挡土墙，挡墙高8．0m，其上路堤高度4．0m。路堤尺寸如图4所示。

图4计算断面模型尺寸Figure4Sizeofsectionmodel

挡墙墙背填料为碎石土，其上路堤采用尾矿砂填筑，边坡两侧采用粘土包边，包边土的厚度为2.5m，路堤边坡坡率为1∶1．5，尾矿砂与其两侧包

边粘土高度为2．3m，尾矿砂上部粘土封闭层厚度为0．5m，路面结构（包括垫层）厚度为1．2m。全模型除刚体部分外采用平面应变单元模拟，单元划分如图5所示。本模型路基边坡的自然坡面为自由边界，模型底面边界为固定约束，左右边界为水平约束，竖直向自由；挡墙的边界条件为竖直向和水平向自由。

图5计算模型单元划分Figure5Computationalmodelgrid

表6为材料参数，尾矿砂与粘土采用Mohr-Cou-lomb模型，考虑路面结构与路基结构的自重应力影

响，挡墙设定为刚体。车辆荷载等效为11．5kPa的均布荷载［8］。

表6数值分析模型材料参数Table6Materialparametersofnumericalmodel

填料类别密度ρ/（kg·m－3）弹性模量E/MPa泊松比υ尾矿砂1810180．3粘土1850200．3路面结构22008000．25

粘聚力c/kPa内摩擦角φ/（°）剪胀角ψ/（°）7．3213．06036100———

2．2安全系数确定

笔者采用强度折减法对粘土包边尾矿砂路基的路基边坡稳定性进行了分析。目前采用的强度折减有限元方法多采用收敛性作为判别破坏的标准［9］，

由于影响有限元数值计算收敛性的因素很多，所以简单的把收敛性作为边坡失稳的唯一的合理的评判标准是不严肃的。笔者采用以特征部位（左侧路肩顶点）的位移拐点作为评价标准从而得到路基边坡的安全系数，这是与现场实际情况相吻合的，据调查，粘土包边填砂路基多发生局部变形过大而导致破坏的情况。小变形理论前提下，用有限元强度折减法计算得到特征部位点的位移与折减系数关系的曲线中，当位移达到一定量值时，曲线趋于竖直，竖