耿俊涵

（華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450046）

水露溝尾礦庫擴(kuò)建工程位于欒川縣獅子廟鄉(xiāng)白石崖村，是在原水露溝尾礦庫一期工程設(shè)計(jì)標(biāo)高1 225 m的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二期擴(kuò)建，擴(kuò)建后堆積壩頂標(biāo)高1300m，總壩高210 m，總庫容5 989.55×104m3，有效庫容5 390.60×104m3，新增有效庫容4 037.60×104m3，可接納眾和公司、洛鉬集團(tuán)選礦一公司馬圈選礦廠和三強(qiáng)鉬鎢有限公司共計(jì)117 000 t/d 的尾礦放礦規(guī)模，新增服務(wù)年限17.97 a。建設(shè)內(nèi)容主要包括防排洪設(shè)施，壩體觀測(cè)設(shè)施，新建庫區(qū)道路、隧道，改造現(xiàn)有尾礦輸送系統(tǒng)和回水設(shè)施。該項(xiàng)目總投資33 166.62 萬元，其中環(huán)保投資113 萬元。

土工試驗(yàn)顧名思義就是對(duì)巖土體進(jìn)行工程試驗(yàn)，大體上分為室內(nèi)試驗(yàn)和施工場地試驗(yàn)，具體試驗(yàn)內(nèi)容主要是對(duì)巖土體的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，包括對(duì)巖土密度、壓縮系數(shù)、含水量、干密度、顆粒級(jí)配及快剪等試驗(yàn)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析也同樣是土工試驗(yàn)的一部分，通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，使用規(guī)范公式對(duì)其進(jìn)行整合就能得到一些新的土性指標(biāo)，例如滲透系數(shù)、內(nèi)摩擦角和粘聚力等[1]。土工試驗(yàn)在工程勘察中起到十分重要的作用，特別是對(duì)地形錯(cuò)綜復(fù)雜，不容易在直觀上進(jìn)行判斷的巖土工程。通過對(duì)土工試驗(yàn)測(cè)量所得到的信息進(jìn)行對(duì)比和分析，可以很好地減少意外因素的干擾，降低不確定性和提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[2]。

直剪試驗(yàn)是用來測(cè)量土體抗剪強(qiáng)度的一種較為直接的方法，有著制樣簡單、操作方便和出結(jié)果快等優(yōu)點(diǎn)。但直剪試驗(yàn)很容易就受到剪切儀器和剪切速率的影響，因此在使用儀器時(shí)應(yīng)該盡量控制剪切速率和規(guī)范操作，從而減小試驗(yàn)誤差[3]。

1 試驗(yàn)儀器及方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過開展堆積壩壩料的顆分、直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)和滲透變形試驗(yàn)等一系列靜力試驗(yàn)，給出各分區(qū)堆積壩料不同應(yīng)力條件下的基本物理特性指標(biāo)、變形指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)（有效應(yīng)力、總應(yīng)力）和滲透特性，給出各分區(qū)堆積壩料力學(xué)參數(shù)指標(biāo)體系。分析各分區(qū)堆積壩料力學(xué)參數(shù)隨圍壓（不同堆高階段應(yīng)力）變化規(guī)律（試驗(yàn)最大壓力應(yīng)與壩體的實(shí)際應(yīng)力一致），為水露溝尾礦庫全面安全性復(fù)核提供基本的參數(shù)依據(jù)。

針對(duì)水露溝尾礦庫堆積壩壩料分別開展動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)，包括動(dòng)力變形特性試驗(yàn)、動(dòng)力殘余變形特性試驗(yàn)、動(dòng)孔壓和動(dòng)強(qiáng)度特性試驗(yàn)，以及穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，提出相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算參數(shù)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，將試驗(yàn)材料按照多種制樣控制密度進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)于其他試驗(yàn)，將每種材料按照一種代表性級(jí)配和一種制樣控制密度考慮。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)需要用到的儀器有：自動(dòng)直剪儀、千分之一壓力天秤、烘箱、動(dòng)靜三軸試驗(yàn)儀、比重瓶、燒杯、純凈水、0.05 mm 篩網(wǎng)、真空泵和環(huán)刀等。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 密度和含水率試驗(yàn)

針對(duì)鉆孔開展原狀尾礦砂取樣，并在相應(yīng)部位取一定數(shù)量擾動(dòng)尾礦砂樣，在每一個(gè)鉆孔取10～12 個(gè)深度不一樣的土樣（圖1）。采用環(huán)刀法取原狀尾礦砂樣，在整平期的兩端，環(huán)刀（圖2）的內(nèi)壁涂上一層薄薄的凡士林。刃口垂直試樣表面。土樣用切土刀（或鋼絲鋸）削成比環(huán)刀直徑稍大一些的土柱。再將環(huán)刀豎直下壓，邊壓邊削，直到把環(huán)刀伸出土樣為止。將兩端余土削去修平。把修理平整后的環(huán)刀及土樣放于電子天平上稱重，根據(jù)規(guī)范要求選擇百分制或者千分制的電子天平。其次測(cè)量圓形鋁盒的重量，將稱重過的環(huán)刀中的土樣取出一部分碾碎后放入鋁盒中，大約裝滿1/3 或者1/2即可，之后擦除鋁盒外部多余土樣放置于天平上稱重。把稱重過后的土樣及鋁盒一起放到烘箱里，烘箱溫度調(diào)到98～102 ℃，烘烤16 h 即可取出，稱出剩余重量，計(jì)算出該土樣的天然密度及含水率。

圖1 粉砂土

圖2 環(huán)刀

2.2 比重試驗(yàn)

為了解各分區(qū)尾礦砂的顆粒大小分布情況，開展顆粒分析試驗(yàn)。粒徑為0.075～60 mm 的顆粒采用篩析法，粒徑小于0.075 mm 的顆粒采用密度計(jì)法。根據(jù)對(duì)土樣的觀察，為了獲得所需要的粒徑使用0.05 mm 的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分。將篩出來的粉砂土放到鋁盤上進(jìn)行研磨，取一張光滑白紙，卷成沙漏狀，方便接下來往比重瓶里裝碎土。先用純凈水（絕對(duì)純凈沒有雜質(zhì)的水）清洗比重瓶，清洗后把水倒出，放于千分之一電子秤上進(jìn)行稱重，稱出瓶子加掛壁水珠的重量，然后將砂粉通過漏斗狀紙倒入瓶口中稱重，加純凈水至比重瓶頸處，放入真空機(jī)中進(jìn)行真空處理。待約2 h 后真空完畢后，取出比重瓶加水至溢出瓶口，放置天平稱重，即可計(jì)算出比重。

2.3 壓縮試驗(yàn)

為了了解土體的壓變系數(shù)，需要對(duì)該土體進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。用環(huán)刀取出土樣后，與壓縮試驗(yàn)儀卡槽進(jìn)行固定，用力按壓環(huán)刀讓土體平緩地滑入試驗(yàn)儀中，調(diào)整壓力計(jì)讓表盤歸零，先加小重量砝碼確認(rèn)土體能正常收到壓力后，再依次加50、100、200、400 kPa 的砝碼，并在試驗(yàn)開始后的1、2、3、4、24 h 分別進(jìn)行讀數(shù)即可計(jì)算出土體的壓縮系數(shù)。

2.4 液塑限試驗(yàn)

取0.5 mm 篩網(wǎng)篩出具有代表性的尾礦粉砂顆粒土樣200 g，分別放入盛土的3 個(gè)器皿中，加入數(shù)量不等的蒸餾水。攪拌均勻后進(jìn)行壓密排除土體中的殘余氣體。在聯(lián)合測(cè)定儀（圖3）上將裝有攪拌好土樣的試杯放在升降座上。調(diào)整儀器高度讓尖錐在恰好觸碰土體表面的位置，啟動(dòng)儀器讓尖錐進(jìn)行自由落體，讀出錐頭沒入土體的深度，當(dāng)深度分別在3～5 cm、10～12 cm 和17～19 cm時(shí)，取對(duì)應(yīng)土體進(jìn)行含水率試驗(yàn)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以含水率為橫坐標(biāo)，錐入土體深度為縱坐標(biāo)點(diǎn)繪出3 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，連此3 點(diǎn)應(yīng)呈一條直線，得出液塑限數(shù)據(jù)。

圖3 液塑限儀

2.5 直剪試驗(yàn)

用環(huán)刀取出適量土樣放置于直剪儀（圖4）中，上下分別墊上濾紙和透水石，把儀器固定好后使儀器處于始動(dòng)未動(dòng)的狀態(tài)，拔出直剪儀上的銷釘，加上50 kPa的砝碼，確定壓力成功加載后緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪，直到數(shù)字從刻度“0”處有細(xì)微變化，記下以此時(shí)位置為起點(diǎn)，然后用15 s/圈的速度轉(zhuǎn)動(dòng)直剪儀，觀察表盤數(shù)字變化直到指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)并且有回彈趨勢(shì)時(shí)，說明土體已經(jīng)完全剪切，記錄下此時(shí)的讀數(shù)和直剪儀的編號(hào)，重復(fù)試驗(yàn)依次加砝碼100 kPa 和200 kPa。3 個(gè)為一組，記錄數(shù)據(jù)。在操作剪切儀器時(shí)，應(yīng)該著重注意于對(duì)手動(dòng)儀器的規(guī)范操作，如果在規(guī)范操作下進(jìn)行試驗(yàn)則剪切儀器對(duì)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響就很小，反之就會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果。做這個(gè)試驗(yàn)時(shí)最需要注意的部分就是手動(dòng)剪切時(shí)，受到人體機(jī)理的不可控性，很難對(duì)剪切速率進(jìn)行準(zhǔn)確穩(wěn)定的控制，從而增加抗剪切強(qiáng)度的離散性，會(huì)給試驗(yàn)造成極大誤差，剪切速率之所以對(duì)剪切試驗(yàn)有如此影響，主要是由于在剪切過程中，土樣會(huì)直接受到剪力箱的切動(dòng)，從而使剪力箱在水平方向上對(duì)土體產(chǎn)生切應(yīng)力和剪應(yīng)力。在上述2 種應(yīng)力的作用下，土體內(nèi)部孔隙力受應(yīng)力影響就會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力。由于土樣水平向受壓產(chǎn)生的垂向變形受垂直壓力的制約，在垂直向上會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，而垂直方向增大的孔隙水壓力在開始時(shí)就全部承擔(dān)了這部分應(yīng)力。由于剪切儀器內(nèi)部土體上下2 處均放置有透水石，所以，當(dāng)超孔隙水壓力產(chǎn)生后，很快就會(huì)散去。這些孔隙水壓力會(huì)轉(zhuǎn)化為一種有效的受力作用。而豎向有效應(yīng)力的增大，又不可避免地提高了土體的剪切強(qiáng)度。因此，當(dāng)剪切速率不同時(shí)，剪損時(shí)間就不同，孔隙水壓力消散的程度就不同，垂直方向轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力的程度也不同，所得到的抗剪強(qiáng)度也就會(huì)出現(xiàn)較大的差異。

圖4 手動(dòng)環(huán)剪儀

2.6 動(dòng)三軸試驗(yàn)

采用大型動(dòng)力三軸試驗(yàn)機(jī)（試樣尺寸φ30×H 75 cm）對(duì)初期壩堆石料材料飽和樣進(jìn)行動(dòng)力變形特性試驗(yàn)，尾礦堆積壩料飽和樣采用共振柱儀進(jìn)行動(dòng)力變形特性測(cè)試。測(cè)定試驗(yàn)材料在動(dòng)應(yīng)力作用下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線，確定最大動(dòng)剪切模量Gmax 與有效固結(jié)壓力的關(guān)系（即Gmax-σ0 關(guān)系曲線），確定最大動(dòng)剪切模量Gmax 與有效固結(jié)壓力的關(guān)系（即Gmax-σ0 關(guān)系曲線）、動(dòng)剪切模量G 和阻尼比D 與動(dòng)剪應(yīng)變的關(guān)系（即G/Gmax-γ，D-γ 關(guān)系曲線），確定不同分區(qū)壩料的泊松比。

2.7 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度反映了穩(wěn)態(tài)變形條件下土體的抗剪切能力，其大小決定了地震中和震后土體的穩(wěn)定程度和可能發(fā)生的變形程度。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度的測(cè)定在室內(nèi)試驗(yàn)中經(jīng)常采用應(yīng)變控制式固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)測(cè)定。

試驗(yàn)中，擬對(duì)不同分區(qū)尾礦堆積壩料飽和樣進(jìn)行飽和固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。首先根據(jù)情況，對(duì)每種試驗(yàn)材料，采用4～5 個(gè)有效固結(jié)壓力進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定其殘余強(qiáng)度參數(shù)，為尾礦庫地震后地震穩(wěn)定性計(jì)算提供依據(jù)。然后，在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在每個(gè)有效固結(jié)圍壓力，調(diào)整制樣控制密度，飽和固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)對(duì)不同固結(jié)相對(duì)密度（或孔隙比）試樣進(jìn)行檢驗(yàn)。找出每種有效固結(jié)圍壓力對(duì)應(yīng)的臨界相對(duì)密度（或孔隙比）。對(duì)5～6 個(gè)不同密度的試樣，重復(fù)上述試驗(yàn)，最終確定試驗(yàn)材料強(qiáng)度穩(wěn)態(tài)線，作為判別尾礦庫地震后是否發(fā)生大變形的參考依據(jù)。

3 試驗(yàn)分析

通過上述試驗(yàn)得出下列數(shù)據(jù)，同類土樣會(huì)根據(jù)取土深度變化而產(chǎn)生明顯的物理性質(zhì)差別，隨著取土深度的提高，土體自然含水率也隨之提高，天然密度也在增大，推斷可能是深度增加，下部土體受到上部的壓力也增大，土體被壓得更密實(shí)，因?yàn)橥馏w密度和密實(shí)度均有增大。觀察含水率可以發(fā)現(xiàn)在淺層的含水率較低，之后升高，再往深處開挖時(shí)，含水率又有明顯降低，這可能是因?yàn)樵跍\層處的土體因?yàn)槭艿教柟獾恼丈渌终舭l(fā)因此含水率比較低，而土體的下層含水率是因?yàn)檩^深，土體蓄水不夠?qū)е碌模▓D5）。

圖5 含水率變化折線圖

通過分析動(dòng)三軸試驗(yàn)的結(jié)果與試樣原本的天然重度作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)天然重度的增加，最大動(dòng)剪切模量也隨之增加，這可能是由于天然重度的增加，因此在同體積土體試樣情況下，土體內(nèi)部孔隙減少，土體的壓縮系數(shù)變大，土體顆粒與顆粒之間的抗剪強(qiáng)度也增大，因此剪切模量增加（圖6）。

圖6 土體抗剪能力變化折線圖

從上述樣品鉆孔點(diǎn)取不同深度試樣分別做三軸試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)不固結(jié)不排水的土樣的土體穩(wěn)定性最弱，而固結(jié)排水后的土體穩(wěn)定性最好，并且發(fā)現(xiàn)在同一種方式下，取土深度更淺的粘聚力會(huì)比較小，這是因?yàn)橥馏w表層存在更多的是一些比較粗大的顆粒，而深處的土體則經(jīng)過擠壓和應(yīng)力作用使得細(xì)顆粒占更大一部分。而深處的土體內(nèi)摩擦角小于表層，猜測(cè)可能是因?yàn)樯钐幫馏w顆粒分布更為均勻，因此在試驗(yàn)特異性的影響下導(dǎo)致內(nèi)摩擦角小于表層土體（表1）。

表1 土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）水露溝尾礦庫顆粒性質(zhì)較為松散，即使在固結(jié)排水情況下土體最大內(nèi)摩擦角依然小于35°，屬于松散土體范疇，因此在進(jìn)行尾礦壩擴(kuò)壩工程時(shí)應(yīng)先以加固土體穩(wěn)定性為首要工作。

2）做直剪試驗(yàn)時(shí)候，預(yù)固結(jié)的時(shí)間也會(huì)影響抗剪強(qiáng)度的變化，因此試樣固定后就需要立馬做試驗(yàn)，并對(duì)其他因素的變量進(jìn)行嚴(yán)格控制，以減少測(cè)試誤差。

3）土體最大動(dòng)剪切模量與天然重度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，因此做三軸試驗(yàn)驗(yàn)證土體穩(wěn)定性時(shí)候需要控制天然重度為同一量以達(dá)到控制變量。