張慧穎 楊 松 鄭沖泉

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院;2.云南水投牛欄江滇池補(bǔ)水工程有限公司)

尾礦壩是由尾礦堆積碾壓而成的壩體，主要用于堆存礦石選別后排出的尾礦或冶煉后的工業(yè)廢渣。尾礦壩一層一層分期筑壩，每層尾礦料的固結(jié)度不同，這種特殊的筑壩形式使得分層固結(jié)對(duì)研究其變形特性尤為重要。另一方面，壩體在自然條件下不斷的干濕循環(huán)，不僅需要考慮飽和固結(jié)問(wèn)題，還需要考慮非飽和尾礦料的固結(jié)問(wèn)題。陳敬松等[1]通過(guò)飽和尾礦砂的動(dòng)三軸液化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固結(jié)圍壓對(duì)動(dòng)剪應(yīng)力比的影響不大。阮元成等[2]通過(guò)飽和尾礦料試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在往返加荷條件下，同一種尾礦料對(duì)于不同的固結(jié)比，其壓力效應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果可以近似用同一條直線(xiàn)來(lái)表示。劉庭發(fā)等[3]通過(guò)試驗(yàn)得到了尾礦料的比重、滲透系數(shù)、強(qiáng)度、固結(jié)系數(shù)等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。鞠潔[4]通過(guò)銅礦尾礦料的三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)強(qiáng)度隨固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大。保華富等[5]通過(guò)鉛鋅礦尾礦料的試驗(yàn)得出了尾礦料在不同固結(jié)壓力、不同孔隙比下的滲透系數(shù)與破壞比降。于浩等[6]通過(guò)尾礦壩料的固結(jié)不排水動(dòng)力三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)振動(dòng)荷載下，對(duì)同一固結(jié)比，動(dòng)剪應(yīng)力隨圍壓的增大而增大；同一圍壓下，動(dòng)剪應(yīng)力隨固結(jié)比的增大而增大。本文針對(duì)某磷礦尾礦料的分層固結(jié)特性，對(duì)不同干密度、不同飽和度的非飽和尾礦料試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和分層固結(jié)試驗(yàn)，以期獲得磷礦尾礦料的力學(xué)性質(zhì)。

1 某磷礦尾礦料物化性質(zhì)

某磷礦屬于沉積礦床，由風(fēng)化、沉積作用形成，經(jīng)過(guò)分異作用的影響，與內(nèi)生礦相比，礦物成分單一，主要為膠磷礦和白云石，膠磷礦在精選過(guò)程中被選走，留下磷礦尾礦料，粒度很細(xì)小。因此，磷礦尾礦料中白云石為主要礦物成分，通過(guò)X射線(xiàn)熒光光譜儀檢測(cè)結(jié)果(表1)可以看出，尾礦料中MgO、CaO的含量明顯高，P2O5含量較高。與金屬礦床相比，磷礦尾礦料的成分中硅質(zhì)含量明顯較低，硬度也明顯低于金屬尾礦料，而且磷礦尾礦料中的成分不如金屬礦尾礦料復(fù)雜，化學(xué)性能具有很大差異性，從而導(dǎo)致顆粒組成結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)特征都有所不同。磷礦尾礦料的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 磷礦尾礦料化學(xué)成分 %

表2 磷礦尾礦料基本物理力學(xué)指標(biāo)

2 壓縮固結(jié)試驗(yàn)

尾礦料顆分試驗(yàn)結(jié)果表明,尾礦料的顆粒組成級(jí)配連續(xù)，結(jié)合尾礦料的液限、塑限測(cè)試結(jié)果，確定尾礦料顆粒為粉粒?？紤]尾礦壩的分層特性，在固結(jié)試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了5個(gè)干密度：1.3，1.4，1.5，1.6，1.7 g/cm3。制樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著飽和度的增大，尾礦料強(qiáng)度急劇降低，試樣流動(dòng)性增大，成樣困難。為保證試樣的完整性，飽和度設(shè)計(jì)為30%、40%、50%；垂直壓力逐級(jí)增大，分別為25，50，100，200，300，400 kPa，每級(jí)壓力下的固結(jié)時(shí)間為24 h，24 h后試樣變形不大于0.005 mm/h認(rèn)為穩(wěn)定。

2.1 30%飽和度

飽和度為30%時(shí)，不同干密度尾礦料的壓縮特性的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。為消除初始加壓時(shí)試驗(yàn)儀器帶來(lái)的誤差，在固結(jié)壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)上，壓縮系數(shù)從25 kPa算起，圖中50 kPa所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)是壓力差為25 kPa所對(duì)應(yīng)的孔隙比，以此類(lèi)推。

從圖1可以看出：

圖1 飽和度為30%時(shí)不同干密度尾礦料的壓縮特性

(1)當(dāng)土樣飽和度為30%時(shí)，隨著垂直壓力的增大，試樣的孔隙比不斷減小。

(2)孔隙比的變化范圍主要集中在0.65～0.75，在尾礦料的壓縮過(guò)程中,初始干密度的變化并沒(méi)有顯著地改變顆粒的孔隙比,即初始固結(jié)壓力的施加能消除初始干密度對(duì)尾礦料的壓縮特性的影響。

(3)尾礦料的壓縮特性對(duì)應(yīng)力歷史不敏感。

(4)固結(jié)壓力為50 kPa時(shí)，各干密度下的壓縮系數(shù)相差不大；隨著固結(jié)壓力的增大，壓縮系數(shù)略有變化，但仍然只是在小范圍內(nèi)波動(dòng)，尾礦料在壓縮過(guò)程中，初始固結(jié)壓力對(duì)孔隙比影響很大。

2.2 40%飽和度

飽和度為40%時(shí)，不同干密度尾礦料的壓縮特性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯?/p>

(1)當(dāng)土樣飽和度為40%時(shí)，壓縮規(guī)律與飽和度為30%時(shí)一致，即隨著垂直壓力的增大，試樣的孔隙比不斷減小。此時(shí)試樣孔隙比的變化范圍主要集中在0.59～0.68，與飽和度為30%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果相比，孔隙比的變化范圍仍然不大，初始干密度的變化在尾礦料的壓縮過(guò)程中并沒(méi)有顯著地改變顆粒的孔隙比。只是飽和度提高后，在相同的固結(jié)壓力下，試樣的密實(shí)程度顯然更好，顆粒的間距縮小，孔隙比降低。但仍然反映出尾礦料的壓縮特性對(duì)應(yīng)力歷史不敏感。

(2)固結(jié)壓力為50 kPa時(shí)，壓縮系數(shù)還比較分散，但隨著固結(jié)壓力的增大，各初始干密度下的壓縮系數(shù)逐漸逼近，當(dāng)固結(jié)壓力達(dá)到400 kPa時(shí)，壓縮系數(shù)都在0.05左右。

2.3 50%飽和度

飽和度為50%時(shí)，不同干密度尾礦料的壓縮特性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出：

(1)當(dāng)試樣飽和度為50%時(shí)，不同干密度下的e-p曲線(xiàn)，其變化規(guī)律基本一致。在初始固結(jié)壓力加載后，基本能消除干密度所帶來(lái)的差異。即在初始階段，非飽和尾礦料迅速壓縮，到達(dá)一個(gè)相當(dāng)?shù)拿軐?shí)度。在飽和度為30%、40%、50%的尾礦料中都出現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象。這表明，非飽和尾礦料中基質(zhì)吸力對(duì)其壓縮固結(jié)特性影響不大。

(2)當(dāng)飽和度為50%時(shí)，壓縮系數(shù)相對(duì)于飽和度30%、40%明顯降低。這表明，當(dāng)尾礦料中的含水率增加時(shí)，試樣在較小的固結(jié)壓力下，就能得到較好的密實(shí)程度。當(dāng)固結(jié)壓力增大到300，400 kPa時(shí)，不同干密度下的壓縮系數(shù)相差不大。這也進(jìn)一步表明，應(yīng)力歷史對(duì)尾礦料影響不大。

圖2 飽和度為40%時(shí)不同干密度尾礦料的壓縮特性

圖3 飽和度為50%時(shí)不同干密度尾礦料的壓縮特性

3 分層固結(jié)特性試驗(yàn)

為測(cè)量所需要的物理量，尾礦料堆積在一個(gè)由有機(jī)玻璃制成的透明長(zhǎng)方體箱子內(nèi)，箱子側(cè)面設(shè)有排水孔，方便土樣堆積過(guò)程中排水固結(jié)，在透明的有機(jī)玻璃箱正面設(shè)置了6個(gè)觀(guān)察點(diǎn)，如圖4所示。通過(guò)測(cè)量尾礦料堆積后的沉降量來(lái)反映其固結(jié)特性。

圖4 尾礦料堆積分層固結(jié)模型試驗(yàn)

由于尾礦料的土樣含水率很大，故配制時(shí)含水率為22%，大于尾礦料的液限，尾礦料處于流動(dòng)狀態(tài)。由左到右依次將觀(guān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#、6#；尾礦料分3層堆積，每層堆積時(shí)間為72 h。各層堆積厚度見(jiàn)表3。

表3 模型試驗(yàn)各層堆積厚度

第一層尾礦在不同時(shí)間的沉降量見(jiàn)表4，第二層、第三層尾礦堆積后，第一層尾礦不同時(shí)間下的沉降量分別見(jiàn)表5、表6。

表4 第一層尾礦不同時(shí)間下的沉降量

表5 第二層尾礦堆積后第一層尾礦不同時(shí)間下的沉降量

表6 第三層尾礦堆積后第一層尾礦不同時(shí)間下的沉降量

從表4～表6可以看出：

(1)當(dāng)?shù)谝粚游驳V堆積后，在24 h內(nèi)其固結(jié)很快，沉降量很大；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，第一層尾礦的沉降量明顯減小，次固結(jié)并不明顯。

(2)當(dāng)?shù)诙游驳V加到第一層尾礦上，第一層尾礦也只是在初始階段有微小的沉降，其后趨于穩(wěn)定。

(3)當(dāng)?shù)谌龑游驳V加到第二層尾礦上，第一層尾礦的沉降也很微小，隨時(shí)間基本上沒(méi)有明顯的變化。

由此表明，飽和尾礦料具有和非飽和尾礦料相似的性質(zhì)。在很小的初始固結(jié)壓力下，土樣會(huì)趨于穩(wěn)定，應(yīng)力歷史對(duì)尾礦料的影響不大。這是由尾礦料特殊的顆粒結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)所決定的。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)某磷礦尾礦料分層固結(jié)特性，通過(guò)對(duì)不同干密度、不同飽和度的非飽和尾礦料試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到了飽和度分別為30%、40%、50%時(shí)的垂直壓力與孔隙比、固結(jié)壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)，同時(shí)分析了相同飽和度下不同干密度尾礦料的壓縮系數(shù)；然后，采用含水率為22%尾礦料進(jìn)行堆積分層固結(jié)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，施加初始固結(jié)壓力能消除初始干密度對(duì)尾礦料的壓縮特性的影響，尾礦料的壓縮特性對(duì)應(yīng)力歷史不敏感，非飽和尾礦料中基質(zhì)吸力對(duì)其壓縮固結(jié)特性影響不大。在尾礦壩分期填筑過(guò)程中，試驗(yàn)用磷礦尾礦料都具有較好的密實(shí)度，能有效保證尾礦壩的安全。

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