潘建平 王宇鴿 宋應(yīng)潞

(1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行萍鄉(xiāng)分行，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

細(xì)粒含量對(duì)高應(yīng)力尾砂不排水剪切強(qiáng)度特性的影響

潘建平1王宇鴿2宋應(yīng)潞1

(1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行萍鄉(xiāng)分行，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

通過三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，對(duì)飽和尾砂的剪切強(qiáng)度特性和顆粒破碎特性進(jìn)行研究，討論了試驗(yàn)中尾砂在不同細(xì)粒含量和圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、孔隙水壓力特性、應(yīng)力路徑和顆粒破碎程度。試驗(yàn)結(jié)果表明：在細(xì)粒含量小于15%時(shí)，高應(yīng)力尾砂的剪切強(qiáng)度和軟化程度隨細(xì)粒含量的增大而減小。增加細(xì)粒含量使得孔隙水壓力達(dá)到更高值，不同細(xì)粒含量時(shí)應(yīng)力路徑均屬于完全軟化-剪縮模式。顆粒破碎程度隨著細(xì)粒含量的增大而減弱，且顆粒破碎程度與圍壓之間呈冪函數(shù)型增長(zhǎng)關(guān)系。為此，建議在實(shí)際工程中盡可能采用粗顆粒尾砂筑壩，或采取其他工程措施，以提高尾礦壩體的穩(wěn)定性。

尾砂 細(xì)粒含量 剪切強(qiáng)度 顆粒破碎 高應(yīng)力

尾礦壩是用選礦廠尾砂堆積而成的人工構(gòu)筑物。在工程實(shí)踐中，出于對(duì)壩體安全的考慮，往往要對(duì)壩基承載力、擋土墻壓力以及壩坡失穩(wěn)等進(jìn)行分析，而這些安全評(píng)價(jià)都與尾礦剪切強(qiáng)度密切相關(guān)[1]。長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，尾礦的剪切強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)除與礦石成分、筑壩方式以及礦漿的沉積特性有關(guān)外，還與尾礦的粒度組成有關(guān)[2]。

隨著資源狀況、產(chǎn)品質(zhì)量要求以及選礦技術(shù)的發(fā)展，目前，我國(guó)選礦廠尾砂總體變得越來越細(xì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于細(xì)粒含量對(duì)砂土工程特性的影響進(jìn)行了少量研究，如Polito研究了砂中粉粒對(duì)液化阻力的影響，指出砂的液化阻力僅由相對(duì)密度控制，與粉粒含量無關(guān)[3]。Mehmet等通過三軸壓縮試驗(yàn)得出，當(dāng)細(xì)粒含量為0～20%、且砂粒與細(xì)粒的平均粒徑比很小時(shí)，干凈砂土的液化敏感性隨著細(xì)粒含量的增加而增大[4]。劉雪珠等[5]對(duì)不同黏粒含量的南京粉細(xì)砂進(jìn)行液化研究，結(jié)果表明黏粒含量對(duì)粉細(xì)砂抗液化能力影響很大。石杰等[6]對(duì)3組不同細(xì)粒含量的粗細(xì)?；旌贤吝M(jìn)行固結(jié)排水試驗(yàn)，得出在圍壓相同條件下，應(yīng)力水平隨著細(xì)粒含量的增加而降低。張超等[7]指出當(dāng)細(xì)粒含量為35%時(shí)，尾砂的抗液化能力最好。王勇等[8]通過三軸試驗(yàn)得出，砂土阻尼比隨著細(xì)粒含量的增加呈現(xiàn)非單調(diào)性的先增后減趨勢(shì)。

尾礦是一種人工砂土，其工程特性、力學(xué)性質(zhì)研究遠(yuǎn)未形成一套系統(tǒng)的理論，若仍將普通砂土工程性質(zhì)的成果推廣到尾礦壩工程中，常常致使壩體安全評(píng)價(jià)存在很大的不確定性與風(fēng)險(xiǎn)性[9]。國(guó)內(nèi)外考慮細(xì)粒含量對(duì)尾砂剪切強(qiáng)度特性和顆粒破碎特性影響的研究很少見到，尤其是對(duì)高應(yīng)力環(huán)境下的研究則鮮有報(bào)道。當(dāng)尾礦賦存在高應(yīng)力環(huán)境中，壩體尾礦的力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)出與表層尾礦有較大差異。為此，通過開展不同細(xì)粒含量時(shí)高應(yīng)力尾砂的剪切試驗(yàn)，分析細(xì)粒含量對(duì)飽和尾砂剪切強(qiáng)度特性和顆粒破碎特性的影響，為創(chuàng)新尾礦壩堆筑技術(shù)、壩體加高及工程安全評(píng)價(jià)提供參考。

1 試樣及試驗(yàn)方法

1.1 試 樣

試驗(yàn)所用尾礦取自江西九江某尾礦庫子壩，主要成分為石英，金屬礦物含量很低?，F(xiàn)場(chǎng)尾礦經(jīng)過濕篩，各粒級(jí)分別經(jīng)過不少于8 h的烘干處理，裝袋后置于干燥皿中。不同細(xì)粒級(jí)(<0.075 mm粒級(jí))含量的試樣粒度組成及主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 不同細(xì)粒含量試樣的粒度組成及主要物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

所采用的試驗(yàn)儀器為STSZ-ZD型全自動(dòng)應(yīng)變控制三軸剪切儀，電機(jī)控制剪切速率，計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在剪切速率為0.4 mm/min、不同高圍壓(圍壓值>500 kPa)與不同細(xì)粒含量條件下，對(duì)飽和尾砂進(jìn)行多組固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，觀察不同細(xì)粒含量時(shí)尾砂剪切強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律，然后對(duì)所有試驗(yàn)后試樣進(jìn)行篩分，通過比較試驗(yàn)前后級(jí)配變化來分析不同細(xì)粒含量時(shí)尾砂顆粒破碎隨圍壓的變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)粒含量對(duì)不排水剪切強(qiáng)度影響試驗(yàn)

在圍壓(σ3)為1 600 kPa情況下對(duì)各細(xì)粒含量尾砂進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，得到的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1，孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2，應(yīng)力路徑曲線見圖3。

從圖1可知：①試樣剪切強(qiáng)度在試驗(yàn)初期均迅速增長(zhǎng)，達(dá)到峰值強(qiáng)度后均呈現(xiàn)不同程度的軟化；②隨細(xì)粒含量增加，峰值強(qiáng)度變小，軟化程度越來越弱。這是由于細(xì)粒含量增加、粗粒含量減少，粒間空隙被細(xì)粒填充，從而抑制了顆粒破碎的發(fā)生，軟化程度被弱化。

從圖2可知，孔隙水壓力隨著剪切強(qiáng)度的增長(zhǎng)先顯著上升后升幅趨緩；細(xì)粒含量越高孔隙水壓力越高。細(xì)粒含量增加，填充的粒間空隙也增加，使得孔隙水壓力增長(zhǎng)更迅速。

圖1 不同細(xì)粒含量時(shí)主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2 不同細(xì)粒含量時(shí)孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 不同細(xì)粒含量時(shí)應(yīng)力路徑曲線

根據(jù)Yoshinmine等[10]對(duì)飽和砂土不排水剪切破壞模式的分類(見圖4)，從圖3可知，在不同細(xì)粒含量時(shí)尾砂的應(yīng)力路徑均屬于完全軟化-剪縮模式，且不同細(xì)粒含量的應(yīng)力路徑也有明顯差異。

圖4 飽和砂土不排水剪切破壞模式

2.2 細(xì)粒含量對(duì)顆粒破碎的影響

在高應(yīng)力環(huán)境下，土粒可發(fā)生破碎，其主要影響因素有顆粒大小、顆粒形狀、有效應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑、相對(duì)密度以及顆粒礦物成分等。顆粒破碎時(shí)，土顆粒的強(qiáng)度主要由摩擦和顆粒破碎共同控制[11]。

由于尾砂是人工砂土，微觀上看有一定的棱角，比一般砂土顆粒更易破碎。為了研究不同細(xì)粒含量時(shí)尾砂顆粒破碎隨圍壓變化的規(guī)律，對(duì)6組不同細(xì)粒含量的尾砂在5個(gè)不同圍壓下進(jìn)行了不排水剪切試驗(yàn)。

為了更直觀地反映細(xì)粒含量與顆粒破碎間的關(guān)系，采用Marsal[12]的“多粒徑指標(biāo)”法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尾砂顆粒破碎程度(Bg)與圍壓的關(guān)系見圖5，各細(xì)粒含量時(shí)顆粒的破碎程度與圍壓關(guān)系的擬合結(jié)果見表2。

從圖5可見，顆粒的破碎程度隨著圍壓的增大而增大，隨著細(xì)粒含量的增加而減少。

圖5 不同細(xì)粒含量時(shí)顆粒破碎程度與圍壓的關(guān)系

細(xì)粒含量/%擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R20Bg=12.74286σ30.25198-17.304120.995423Bg=0.46895σ31.00965+0.012600.993086Bg=0.14194σ31.31768+0.995250.992689Bg=0.05693σ31.53112+1.664910.9976012Bg=1.62493σ30.54301-2.185470.9974715Bg=0.80237σ30.67334-0.840420.99878

從表2可見，顆粒的破碎程度與圍壓間大體呈冪函數(shù)型增長(zhǎng)關(guān)系。

3 結(jié) 論

(1)相同圍壓條件下，飽和尾砂的不排水抗剪強(qiáng)度和軟化程度隨著細(xì)粒含量的增多而減少。細(xì)粒含量的增加使得孔隙水壓力達(dá)到更高值，不同細(xì)粒含量時(shí)應(yīng)力路徑均屬于完全軟化-剪縮模式。

(2)顆粒破碎程度隨著圍壓的增大而增大，隨著細(xì)粒含量的增加而降低，且顆粒破碎程度與圍壓值之間呈冪函數(shù)型增長(zhǎng)關(guān)系。

(3)建議礦山企業(yè)盡可能采用粗粒尾砂堆筑壩體，如不具備條件，可采用部分替代砂土或采取加固措施(如鋪設(shè)土工格柵、土工布等)，以提高壩體的穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Effect of Fines Content on Undrained Shear Strength of Tailings Under High Stress

Pan Jianping1Wang Yuge2Song Yinglu1

(1.SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000，China;2.PingxiangBranch，AgricultureBankofChina，Pingxiang337000，China)

The shear strength and particle breakage characteristics of saturated tailings were studied by the consolidated undrained triaxial (CU) tests.The stress-strain relationship，pore water pressure characteristics，stress path，and particle breakage degree of tailings sand were discussed under different fines content and confining pressure.The testing results showed that，the shear strength and stress softening degree of the high stress tailings are decreased with fines content increasing at the fines content less than 15%.The increase of fines content leads the pore water pressure to a higher value.The stress path is completely softening-contractive model under different fines content.The breakage degree of particles is decreased with fines content increasing，and there is a power function growth relationship between particle breakage parameters and confining pressure.Therefore，in order to improve the stability of tailings dam，the scheme of coarse particle tailings used to build dam in practice projects was proposed，or taking other engineering measures.

Tailings sand，F(xiàn)ines content，Shear strength，Particle breakage，High stress

2015-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51204076)，江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：20114BAB216011)，江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：20133BBG70103)，江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào)：GJJ14435)。

潘建平(1978—)，男，副教授，博士。

TU411.7

A

1001-1250(2015)-09-166-04