杨福卿，陆 翔，周 伟，田 涯，王晋辉，才庆祥

(1.昆明煤炭设计研究院，云南 昆明 650011；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

露天煤矿开采实质为巨型规模的土石方移运工程，按照一定的程序和方法将采场内煤层上覆的土岩进行松碎，采装，运输，排弃形成了排土场。排土场物料在自然环境与堆载载荷作用下固结、胶结、重塑，产生了与原始松散体不同的物理力学特性[1]，岩土力学性质与原岩应力分布影响着边坡的稳定性[2]，边坡稳定与否影响着露天煤矿的安全生产与经济效益[3]。排土场形成过程实则为剥离物的侧限堆积，类似土体K0固结过程，静止侧压力系数K0值是重要参数，K0系数直接影响着固结过程中的力学特性和变形特征[4]。

K0系数的研究可以借鉴传统土力学研究方法。高彦斌[5]以上海软黏土原状土样和重塑土样为研究对象，得到了不同固结剪切试验下的强度关系，揭示出两种土样的不同结构对K0正常固结软黏土强度比的影响；刘清秉[6]在常规固结仪上开展侧限膨胀试验并采用GDS三轴试验仪进行恒定偏应力差的三轴膨胀试验，获得了考虑初始压实度、含水率、上覆压力耦合关联影响的K0膨胀模型；陈存礼等[7]用K0固结仪对不同含水率原状黄土进行了K0固结试验，分析了轴向应力及含水率对侧向应力及K0系数的影响，提出了静止土压力系数K0与轴向应力及含水率的关系表达式，揭示了土体K0系数不是常数。另外，一些学者还对K0条件下土体在动剪切、加卸载、大型模型及温度梯度情况下的力学特性进行了研究，取得了较为详实的研究成果[8-12]。目前，对于单纯土体的K0固结研究成果较为丰富，而针对重塑土石混合体的K0固结研究较少。

1 试验条件及方法

1.1 试验材料及试验设备

本次试验土石混合体试样中的土体和块石均取自哈尔乌素露天煤矿排土场的黏土和砂岩。固结后的试样尺寸参考岩石标准试样尺寸，为∅50mm×100mm，黏土直径小于2mm，块石为5～8mm，含石率50%，含水率15%。

分级加载试验采用WG型单杠杆固结仪，连续加载固结试验采用全自动室内岩土静三轴仪，试验仪主要由GDS压力架、三轴压力室、压力系统和GDSLAB软件4部分构成，最大轴压为50kN，最大围压为3MPa。可以进行等向固结试验、K0固结试验、三轴固结不排水剪(CU) 、三轴固结排水剪(UU)试验等。该设备采用伺服电机压力/体积控制器施加围压与反压，控制精度为总量程0.1%。

1.2 试样制备及试验思路

1)将现场取样的黏土和块石进行破碎，过筛。

2)将松散土石混合体按照一定配比与含水率均匀混合，在单杠杆固结仪上进行不同压力下的分级加载固结，成样。初期固结压力Pc设置为0.2MPa，0.5MPa，1.0MPa，2.0MPa。

3)对初步固结的试样进行切削打磨制备得到∅50mm×100mm标准试样。

4)将试样置于真空饱和器中饱和12h，将完全饱和的土石混合体试样安装在GDS试验仪上，然后选择K0固结模块，开始试验。

分级加载固结试验的主要目的是为了制备土石混合体标准试验并进行土石混合体力学特性的分析，初期固结试验中不同固结压力的选择模拟的是排土场不同埋深的物料的固结压力，GDS中进行的连续加载固结试验是为了得到土石混合体材料固结过程的应力、位移及K0系数的变化规律。

2 试验结果分析

传统土力学中K0系数定义对应的取值方法有：总应力法、有效应力法及有效应力增量法。总应力法定义的K0系数为：

K0=σh/σv

(1)

式中，σh为水平向总应力，MPa；σv为竖向总应力，MPa。

有效应力法定义的K0系数为：

有效应力增量法定义的K0为：

本试验得到的K0值均采用有效应力法计算值。在试验过程中，为了保证GDS三轴固结仪乳胶膜和试样的贴合以及前期进行的饱和度试验结果，在试样进行连续加载K0固结试验前先给予试样一定的围压，使试样在开始固结时已经存在了一定的总应力和较小的有效应力。总应力定义法选取的是总的径向应力与轴向应力比值，由于初始施加的围压也对其取值有非常大的影响，故首先排除此种取值方法。在前期固结压力较小的低固结压力段，有效应力法和有效应力增量法得到的K0值较为相近，而对于前期固结压力较大的高固结压力段，有效应力增量法得到的K0值要比有效应力法得到的明显大一些。由于土石混合体并不是由单一物料组成的，其波动性性较大，所以曲线在二次固结压力阶段较为离散，线性程度不是很高，采用有效应力增量法所受影响较大，土石混合体K0系数均通过有效应力法得到。

2.1 正常固结段K0

图1 不同初期固结压力下试样的的关系曲线

不同先期固结压力下的K0系数如图2所示。由图2可知，初期固结压力为0.2MPa的试样在正常低压固结阶段K0值约为0.454，初期固结压力为0.4MPa的试样在正常低压固结阶段K0值约为0.432，而对于初期固结压力为1.0MPa的试样，其在正常固结阶段，K0值随有效轴压的增大缓慢上升，K0值约为0.415，对应规律可用拟合公式(4)表示。

K0=0.3519+0.00004x

(4)

式中，x为固结压力，kPa。

图2 不同先期固结压力下的K0系数

初期固结压力为2.0MPa试样正常固结阶段K0值约为0.415。

由三轴剪切试验得到此次土石混合体的有效内摩擦角φ′为33.98°，带入适用于黏土的K0系数计算经验公式[13]：

K0=1-sinφ′

(5)

计算得到K0系数为0.441，与低固结压力(如0.2MPa、0.4MPa)试样正常固结K0值基本吻合，而相比初期固结压力较大(如1.0MPa)试样的正常固结阶段K0值偏大。所以，对于初始固结压力较小试样的低固结压力阶段，黏土K0经验计算公式(5)是比较适用的。这是由于当前期固结压力较小时，土石混合体内部本身孔隙较多，结构较为松散，物料颗粒的运动互相阻碍的影响较小，从而试样特性表现与粘土相似。

图3 初期固结压力为0.2MPa试样的关系曲线

图4 初期固结压力为1.0MPa试样的关系曲线

通过有效应力比得到的每一点比值，按加载时的有效轴压依次排序，先期固结压力为0.2MPa和1MPa试样的K0系数如图5、图6所示。由图5、图6可知，在曲线“拐弯”后，图5近似平稳的水平直线，而图6则缓慢上扬。

图5 先期固结压力为0.2MPa试样的K0系数

图6 先期固结压力为1.0MPa试样的K0系数

2.2 K0系数变化原因分析

初期固结压力大小的不同造成了K0系数变化规律的不同。先期固结压力较大的试样，轴向加压开始时，其内部形成的稳定结构能够抵抗相对较强的外力，轴向应变较小，通过内部的挤压和力的传递造成的径向应力和应变也相对较小。

随着轴向应力的进一步增大，试样抵抗变形的能力逐渐减弱，径向应力增加速率相应地加快；先期固结压力较小的试样，结构强度较小，抵抗变形的能力较差，内部变形和力的传递较为“敏感”，所以有效轴向和径向应力就会以较为恒定的速率增加。

土力学研究范畴多限于单一土体，自然界中土大多存在于地表表层，所以通常对土体固结规律研究中其轴向应力上限较小，大约在1.0MPa左右，模拟现实深度约为50m。露天煤矿排土场为人工堆积形成的，高度可达200m左右，其底部对应的轴向应力可达到4.0MPa左右，因此在土石混合体固结试验中加载载荷要比传统土固结加载载荷大。

土石混合体试样在经过初次成样固结之后，本身已经具有了一定的结构性，相对纯粘土来说，块石的加入使其结构性更强。所以当试样进行二次固结时，从有效轴压和围压相等的情况开始K0固结，只要开始固结的有效围压小于先期固结压力且加载速度及其他试验条件相同时，土石混合体自身已有的整体结构性就会得到体现，K0系数曲线中的“转弯”区域几乎为同一区段，之后的K0系数图像将稳定不变或较为平稳地变化。而这一区段几乎不受先期固结压力和自身处于正常固结或超固结阶段的影响，其值是大致固定的，只与土石混合体组成及二次固结的加载速度有关。

2.3 初期固结压力对K0系数的影响

通过计算不同初期固结压力下试样连续加载固结各阶段K0系数的平均值能够更加直观地体现K0系数的规律特点，如图7所示。

图7 不同初期固结压力下的K0系数平均值

在超固结阶段各试样K0系数的平均值均是各自不同阶段的最大值，因为试样是从具有一定有效围压的初始状态开始固结的，有效围压会有一个缓慢上升的阶段，此阶段内K0值较大，导致K0系数的均值也偏大。而初期固结压力为0.2MPa试样超固结阶段的K0均值明显高于其他试样，这是因为该试样超固结阶段均在结构应力重塑区之前，该区段处在应力调整及有效轴向应力和有效径向应力从相等到差距迅速拉大阶段。

初期固结压力较大的试样在正常固结阶段的K0均值比正常固结阶段开始后0.5MPa内的均值大，是因为试样在较大固结压力阶段会出现K0系数不断增大的情况。0.5MPa内的均值会将这一差异缩小，能较好体现正常固结阶段刚开始时的K0均值。

3 结 论

1)露天煤矿排土场是由松散土石混合体固结重塑形成的，是一种由土、石、水和空气组成的极度不均匀的四相体系，其K0系数影响着土石混合体固结过程中力学特性和变形特征，试验测得露天煤矿排土场不同埋深对K0系数有着显著影响，自然界中土大多存在于地表的土体，土力学理论在排土场深部表现有所偏差。

3)初期固结压力对土石混合体试样的K0系数变化规律影响明显。初期固结压力越大，在相同有效轴压的情况下，K0系数越小。而在结构应力重塑区之后的区段内，初期固结压力较小的试样K0系数基本保持稳定；而初期固结压力较大的试样，随着轴向应力的增加，K0系数短暂的稳定后便开始逐渐变大。