楊 凱 呂淑然 張媛媛

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070)

尾礦壩中尾砂的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

楊 凱 呂淑然 張媛媛

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070)

通過尾砂的三軸固結(jié)排水試驗(yàn)(CD試驗(yàn))和壓縮試驗(yàn)，對(duì)尾礦壩中尾砂的力學(xué)特性進(jìn)行研究，討論了2種試驗(yàn)中尾砂在不同密實(shí)程度條件下的強(qiáng)度特性和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著尾砂相對(duì)密實(shí)度的增加(由0.47增加到0.73)，尾礦砂的強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)均有所增加；壓縮試驗(yàn)表明，同一孔隙比的尾砂，隨著豎向壓力的增大(從100 kPa增加到400 kPa)，尾砂的壓縮系數(shù)減小、壓縮模量增大，但是壓縮指數(shù)幾乎保持不變。隨著尾礦料孔隙比的增大，砂的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)增大，壓縮模量減小，從而尾砂的抗壓強(qiáng)度也隨之增加。因此，在實(shí)際工程中增加尾礦壩壩體中尾砂的密實(shí)度，可以提高壩體的強(qiáng)度，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。

尾砂 三軸固結(jié)排水試驗(yàn) 壓縮試驗(yàn) 抗剪強(qiáng)度

在工程實(shí)踐中，出于對(duì)施工安全的考慮，往往要對(duì)壩基的穩(wěn)定性、地基的承載力、擋土墻的壓力與穩(wěn)定性以及邊坡穩(wěn)定等進(jìn)行測(cè)算，而這些安全評(píng)價(jià)都與砂的抗剪強(qiáng)度有著密切的關(guān)系。常規(guī)三軸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)在實(shí)際工程施工中應(yīng)用廣泛，是一種測(cè)定砂體力學(xué)性質(zhì)的重要方法，可以較為接近地模擬砂體實(shí)際環(huán)境的受力情況，從而測(cè)得砂體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)[1-2]。

尾礦庫(kù)是礦山重要生產(chǎn)設(shè)施，同樣也是人造具有高勢(shì)能的危險(xiǎn)源，尾礦庫(kù)運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)礦山生產(chǎn)和周邊居民的生活產(chǎn)生巨大的影響。尾礦庫(kù)的邊坡穩(wěn)定性主要受其中尾砂的穩(wěn)定性所影響，尾砂的液化、滑移都與其抗剪強(qiáng)度有關(guān)。本研究利用三軸固結(jié)排水試驗(yàn)和尾砂壓縮試驗(yàn)來(lái)探索尾砂的力學(xué)性質(zhì)，從而得出控制尾砂力學(xué)穩(wěn)定性的相關(guān)因素。

1 試驗(yàn)原理

1.1 靜三軸試驗(yàn)

尾礦壩壩料的靜力學(xué)特性包括砂土的變形特性和強(qiáng)度特性。砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括黏聚力和內(nèi)摩擦角。三軸壓縮試驗(yàn)是室內(nèi)測(cè)定砂體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的一種主要試驗(yàn)方法。通過不同相對(duì)密度下試樣的靜三軸試驗(yàn)，測(cè)定尾礦料的排水應(yīng)力應(yīng)變曲線，求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力、內(nèi)摩擦角，為變形和強(qiáng)度計(jì)算分析提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)。

1776年，庫(kù)侖在直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)了庫(kù)侖公式[3]：

(1)

式中，τf為剪切破壞面上的剪應(yīng)力，即土的抗剪強(qiáng)度；σ為破壞面上的法向應(yīng)力；φ為砂的內(nèi)摩擦角；c為砂的黏聚力，對(duì)于無(wú)黏性砂，c=0。

1900年莫爾(Mohr)提出，在砂的破壞面上的抗剪強(qiáng)度是作用在該面上的正應(yīng)力σf的單值函數(shù)[4-5]：

(2)

用該函數(shù)即可判斷砂體是否破壞。由該函數(shù)確定的曲線稱為抗剪強(qiáng)度包線，又稱莫爾破壞包線。如果砂體單元某一個(gè)面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力落在破壞包線外，則砂體發(fā)生破壞，反之則沒有；如果剛好落在破壞包線上，稱砂體到達(dá)了極限狀態(tài)。

根據(jù)材料力學(xué)，一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可以用莫爾圓來(lái)表示，由圖1表示的就是多個(gè)試樣破壞時(shí)的應(yīng)力莫爾圓包線。根據(jù)這一關(guān)系，利用三軸試驗(yàn)進(jìn)行多個(gè)圍壓下的剪切試驗(yàn)，就可求得砂體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖1 應(yīng)力莫爾圓包線

1.2 壓縮試驗(yàn)

固結(jié)儀壓縮試驗(yàn)是研究尾砂一維變形特性的測(cè)試方法[6]。壓縮試驗(yàn)的主要指標(biāo)有試驗(yàn)壓縮系數(shù)、壓縮模量、壓縮指數(shù)。試驗(yàn)所得的各項(xiàng)指標(biāo)用來(lái)分析壩料的壓縮性。

室內(nèi)壓縮試驗(yàn)是取原狀砂樣放入壓縮儀內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，由于砂樣受到環(huán)刀和護(hù)環(huán)等剛性護(hù)壁的約束，在壓縮過程中只能發(fā)生垂向壓縮，不可能發(fā)生側(cè)向膨脹，所以又叫側(cè)限壓縮試驗(yàn)。

砂體在外力作用下的體積變化是由孔隙體積變化引起的。在側(cè)限條件下，砂樣截面面積不變，因此試樣的豎向應(yīng)變等于體應(yīng)變?chǔ)?，也就是孔隙比的變化率，可表示為[7]

(3)

式中，s為砂樣在應(yīng)力Δp作用下的壓縮量，cm；H為砂樣在初始條件下的厚度，cm；e0、e1分別為砂樣的初始孔隙比和在Δp作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比。

由式(3)得到e1的表達(dá)式為

(4)

由式(4)可知，只要知道砂樣在初始條件下p0=0時(shí)的高度H和孔隙比e0，就可以根據(jù)壓縮試驗(yàn)測(cè)得的每級(jí)荷載pi作用下的壓縮量si求出相應(yīng)的孔隙比ei。由(pi，ei)可以繪出e-p曲線或e-lgp曲線，如圖2所示。

圖2 試樣的壓縮曲線、回彈、再壓縮曲線

由壓縮曲線可得到一系列表征砂體壓縮特性的參數(shù)，包括壓縮系數(shù)a、壓縮模量Es、體積壓縮系數(shù)mv、壓縮指數(shù)Cc等，如表1所示。

表1 側(cè)限壓縮試驗(yàn)中砂的壓縮性指標(biāo)

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)試樣制備

試驗(yàn)用細(xì)尾砂取至某尾礦庫(kù)，其顆粒分級(jí)如圖3。

圖3 尾礦料的顆粒分級(jí)曲線

顆粒分級(jí)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如圖3及表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該尾礦壩壩體材料的不均勻系數(shù)為CU<5，砂級(jí)配不良，砂粒粒徑集中在0.04～0.8 mm的區(qū)間范圍內(nèi)(約占總砂質(zhì)量的90%)。

表2 尾礦料的級(jí)配常數(shù)

通過對(duì)試樣進(jìn)行相對(duì)密實(shí)度，試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明該尾礦砂的最大孔隙比和最小孔隙比分別為1.13及0.47，當(dāng)尾礦砂的干密度分別為1.64 g/cm3、1.54 g/cm3和1.48 g/cm3的時(shí)候，尾礦砂的相對(duì)密實(shí)度分別為0.73、0.58和0.47，見表3。按照砂密實(shí)度的判別標(biāo)準(zhǔn)，由于0.73>0.67、0.33<0.47<0.58<0.67，故以上3種不同干密度的砂依次對(duì)應(yīng)的尾砂的物理狀態(tài)為密實(shí)狀態(tài)、中密狀態(tài)和中密狀態(tài)。由于以上3種不同的干密度已經(jīng)反映了尾砂從中密到密實(shí)的狀態(tài)，因此在接下來(lái)的靜力學(xué)特性試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)中將按照這3種干密度制備試樣，測(cè)得的參數(shù)能涵蓋尾礦砂在尾礦壩壩體中的所有狀態(tài)。

表3 尾礦砂樣干密度和相對(duì)密度

2.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)內(nèi)容2.2.1 靜三軸試驗(yàn)

本研究采用的靜三軸試驗(yàn)為應(yīng)變控制式三軸儀，如圖4所示。

圖4 應(yīng)變式三軸儀

按照尾礦料的實(shí)際工作狀態(tài)，本次試驗(yàn)采用固結(jié)排水試驗(yàn)。按照控制的相對(duì)密度制備試樣，然后將試樣裝在三軸儀上，采用水頭飽和的方式飽和，飽和完畢后施加圍壓，打開排水閥，使試樣在圍壓作用下完成固結(jié)。打開底座發(fā)動(dòng)機(jī)，開始剪切。同時(shí)記錄測(cè)量軸向變形和量力環(huán)變形的百分表讀數(shù)，當(dāng)量力環(huán)變形出現(xiàn)峰值或軸向變形達(dá)到15%時(shí)終止試驗(yàn)。重復(fù)做圍壓為100、200、300、400 kPa下的三軸剪切試驗(yàn)。在1個(gè)坐標(biāo)系上繪制不同圍壓下試驗(yàn)的莫爾圓，做出4個(gè)莫爾圓的公切線，公切線的傾角為內(nèi)摩擦角，與縱軸截距為黏聚力。

2.2.2 壓縮試驗(yàn)

本試驗(yàn)通過三聯(lián)杠桿壓縮儀來(lái)測(cè)定，如圖5所示，試樣放于沒有側(cè)向變形的厚壁壓縮儀內(nèi)。

圖5 壓縮試驗(yàn)儀

首先按照試驗(yàn)操作的要求準(zhǔn)備好儀器，同時(shí)按事先配置的3種密實(shí)度來(lái)制作砂樣。檢查完儀器后將裝好砂樣的壓縮盒放入儀器內(nèi)，調(diào)整杠桿水平，裝上百分表。在進(jìn)行正式加壓前，先施加預(yù)壓，以保證試樣與儀器上下之間各個(gè)部位接觸良好。然后加壓，一般按照0.1、0.2、0.3 MPa順序加壓，每級(jí)按15 min讀數(shù)1次，在每次加壓后應(yīng)立即調(diào)整杠桿之水平。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剪強(qiáng)度分析

通過不同固結(jié)圍壓下摩爾圓和抗剪強(qiáng)度包線的繪制，抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角得以確定。圖6(a)給出了相對(duì)比密度為0.47時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖6(b)給出了相對(duì)比密度為0.47時(shí)的抗剪強(qiáng)度包線。相對(duì)密度為0.58和0.73的2組砂樣試驗(yàn)通過相同的步驟也能得到應(yīng)力應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度包線。

尾礦料靜力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，尾礦砂的內(nèi)摩擦角為30.17° ～39.43°，黏聚力大小為3.63～4.50 kPa。隨著尾礦砂相對(duì)密實(shí)度的增加(由0.47增加到0.73)尾礦砂的強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)均有所增加，黏聚力的值較小，變化的幅度不大。因此，在實(shí)際工程中增加尾礦壩壩體中尾砂的密實(shí)度，可以提高壩體的強(qiáng)度，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

根據(jù)壓縮試驗(yàn)成果繪制孔隙比與壓力的關(guān)系曲線，即稱壓縮曲線，如圖7所示。

圖6 e=0.82時(shí)CD試驗(yàn)結(jié)果

表4 尾砂三軸固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果

壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表5，試驗(yàn)結(jié)果表明：同一種砂，隨著豎向壓力的增大(從100 kPa增加到400 kPa)，砂的壓縮系數(shù)減小、壓縮模量增大，但是壓縮指數(shù)幾乎保持不變。隨著尾礦料孔隙比的增大(從0.65增加到0.82)，砂的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)增大，壓縮模量減小?？紫侗扔?.65增加到0.82時(shí)，壓縮系數(shù)增加近2倍。因此，隨著孔隙比的增加，相對(duì)密度的減小，尾砂的抗壓強(qiáng)度也增加。

圖7 不同孔隙比尾礦砂壓縮曲線

表5 尾礦料壓縮試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)隨著尾砂相對(duì)密實(shí)度的增加(由0.47增加到0.73)，尾礦砂的強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)均有所增加。

(2)壓縮試驗(yàn)表明，同一孔隙比的尾砂，隨著豎向壓力的增大(從100 kPa增加到300 kPa)，砂的壓縮系數(shù)減小、壓縮模量增大，但是壓縮指數(shù)幾乎保持不變。隨著尾礦料孔隙比的增大，砂的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)增大，壓縮模量減小。

(3)在實(shí)際工程中增加尾礦壩壩體中尾砂的密實(shí)度，可以提高壩體的強(qiáng)度，增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Experimental Study of Strength Characteristics of Tailing Sand in Tailings Dam

Yang Kai Lu Shuran Zhang Yuanyuan

(SchoolofSafetyandEnvironmentEngineering，CapitalUniversityofEconomicsandBusiness，Beijing100070，China)

The mechanical property of tailing sand in tailings dam were studied through the consolidated drained triaxial (CD) tests and compression tests.The strength characteristics and stress-strain curve of tailing sand under different compaction degree were discussed.The results showed that，with the relative density of tailing sand increased (from 0.47 to 0.73)，its strength index (cohesion and friction angle) were increased.The compression tests indicated that for tailing sand with the same porosity ratio，its compression factor was reduced，the compression modulus increased，but the compression index remained almost unchanged with the vertical pressure increasing (from 100 kPa to 400 kPa).With the porosity ratio increasing，the compression factor and compression index of tailing sand increased，and the compression modulus decreased.Thus，its compressive strength also increases.Therefore，in the actual project，an increase of tailing sand density can improve the strength and the stability of the tailings dam.

Tailing sand，Consolidated drained triaxial (CD) test，Compression test，Shear strength

2013-11-27

2011年度北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教深化計(jì)劃人才創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(編號(hào)：PHR201107143)。

楊 凱(1986—)，男，博士研究生。

TD926

A

1001-1250(2014)-02-166-05