飽和尾礦穩(wěn)態(tài)特性研究

潘建平 劉湘平 王宇鴿 石滿生 彭 勃

(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.江西銅業(yè)集團(tuán)公司，江西 貴溪 335400)

飽和尾礦穩(wěn)態(tài)特性研究

潘建平1劉湘平1王宇鴿1石滿生2彭 勃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.江西銅業(yè)集團(tuán)公司，江西 貴溪 335400)

飽和尾礦的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度和變形特性是尾礦壩能否發(fā)生流滑破壞的關(guān)鍵因素，通過(guò)試驗(yàn)充分了解尾礦的穩(wěn)態(tài)特性是尾礦壩穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。以江西九江某尾礦壩體的尾礦為對(duì)象，進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究飽和尾礦的穩(wěn)態(tài)特性。結(jié)果表明：飽和松散尾礦的三軸固結(jié)不排水剪切曲線具有明顯的軟化特性，曲線軟化程度隨圍壓的增大而減小，同一圍壓下孔隙比越小軟化現(xiàn)象越不明顯。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立尾礦的穩(wěn)態(tài)線，論證了穩(wěn)態(tài)是尾礦的固有屬性，即穩(wěn)態(tài)線具有唯一性。指出穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角是尾礦變形最終可動(dòng)用的有效內(nèi)摩擦角，并求出尾礦穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角。

尾礦 三軸試驗(yàn) 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度 穩(wěn)態(tài)線 穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角

尾礦是將原礦經(jīng)過(guò)破碎與磨礦作業(yè)，選取有用組分后所排放的礦山固體廢棄物。目前，除少數(shù)尾礦得到利用外，大部分尾礦只能筑壩堆存。而國(guó)內(nèi)近90%以上的尾礦壩，都采用工藝簡(jiǎn)單、管理方便、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低的上游法筑壩[1]。壩體密實(shí)度較低，浸潤(rùn)線偏高，導(dǎo)致大部分壩體處于飽和狀態(tài)，在靜、動(dòng)荷載作用下易發(fā)生液化或流滑。飽和尾礦流動(dòng)破壞，具有突發(fā)性、危害性大的特點(diǎn)。大多數(shù)研究者試圖從找出觸發(fā)液化的條件入手，進(jìn)而避免尾礦液化的發(fā)生[2-3]。然而，由于尾礦液化的觸發(fā)受邊界條件等因素的影響很大，室內(nèi)研究很難將各個(gè)影響因子考慮全面；另一方面，尾礦的穩(wěn)態(tài)特性與邊界條件無(wú)關(guān)，主要取決于尾礦的固有特性及其密度[4]。因此，對(duì)飽和尾礦的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行研究，比進(jìn)行液化判斷對(duì)規(guī)避壩體液化流滑破壞更具有實(shí)際意義。

砂土的流滑失穩(wěn)已引起人們廣泛關(guān)注，對(duì)此問(wèn)題較為一致的認(rèn)識(shí)是土體應(yīng)變軟化導(dǎo)致了后續(xù)的漸進(jìn)性破壞[5]。自Castro、Poulos等人將穩(wěn)態(tài)理論用于砂土液化評(píng)價(jià)后[6-9]，有學(xué)者針對(duì)砂土和黃土的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行一些研究。如余湘娟、魏松等人對(duì)砂土的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，指出飽和松砂應(yīng)變軟化是地震后土層中液化范圍擴(kuò)大，并發(fā)生漸進(jìn)破壞的根本原因[10-11]。楊振茂、周永習(xí)等分析了飽和黃土的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度與液化特性，并對(duì)比了黃土與砂土穩(wěn)態(tài)特性的異同[12-13]。劉紅軍等通過(guò)三軸試驗(yàn)，對(duì)黃河三角洲粉質(zhì)土穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了研究，定量分析了粉質(zhì)土中的黏粒含量對(duì)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度線的影響[14]。朱建群等以南京砂的固結(jié)不排水試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)其穩(wěn)態(tài)特征進(jìn)行了研究，建立了南京砂峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的關(guān)系，認(rèn)為微小孔隙比變化可導(dǎo)致南京砂軟化程度的較大變化[5]。

尾礦是一種特殊的砂土，其物理力學(xué)性質(zhì)的研究還未形成一套系統(tǒng)的理論，在壩體安全評(píng)價(jià)中，仍使用普通砂土的研究成果[15]。飽和尾礦的穩(wěn)態(tài)特性是尾礦壩是否發(fā)生流滑破壞的關(guān)鍵因素，而針對(duì)尾礦的穩(wěn)態(tài)特性研究很少。本研究通過(guò)對(duì)某尾礦壩取樣進(jìn)行室內(nèi)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，研究其穩(wěn)態(tài)特性，為尾礦壩工程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)提供支持。

1 試樣及試驗(yàn)方案

1.1 尾礦試樣

試驗(yàn)所用尾礦取自江西九江某銅礦尾礦壩體；物理性質(zhì)指標(biāo)及顆粒大小分析曲線分別見(jiàn)圖1和表1?？梢?jiàn)試樣級(jí)配不良，粒徑較粗，從礦山尾礦庫(kù)管理人員處得知，壩體部分尾礦是經(jīng)過(guò)二次選礦后進(jìn)行堆存的。

表1 尾礦樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of tailings sample

圖1 尾礦樣顆粒大小分析曲線Fig.1 Grain size distribution curve of tailings sample

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用浙江土工生產(chǎn)的STSZ-ZD型全自動(dòng)應(yīng)變控制三軸儀，電機(jī)控制剪切速率，配套計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 制樣與飽和

濕擊樣法可以得到較大范圍孔隙比的試樣，因此本試驗(yàn)所制樣均采用濕擊樣法，含水率為5%[16]。試樣直徑D=3.91 cm，高h(yuǎn)=8 cm，分3層擊實(shí)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Arrangement of test

試樣飽和采用先通二氧化碳再水頭飽和的方法進(jìn)行。二氧化碳飽和時(shí)氣流速度宜慢不宜快，防止過(guò)快氣流對(duì)試樣密實(shí)度造成影響，據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，2 s左右冒1個(gè)氣泡為好。水頭飽和過(guò)程中，規(guī)范要求施加20 kPa圍壓避免水頭差對(duì)試樣造成膨脹影響，但據(jù)實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，20 kPa圍壓對(duì)試樣有擠壓效果，致使水頭飽和后飽和度達(dá)不到要求，故建議15 kPa左右圍壓為好[17]。試樣經(jīng)上述方法飽和后，飽和度均能達(dá)到95%以上。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方法采用固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(CU)。飽和完成后的試樣，分別在100、200、300 kPa的圍壓下進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后進(jìn)入剪切階段。不排水剪切的速率按規(guī)程中的砂土取值，此處取0.8 mm/min。由于本試驗(yàn)的目的是研究尾礦的穩(wěn)態(tài)特性，因而需要測(cè)定飽和松散尾礦在大應(yīng)變下的殘余強(qiáng)度。故在剪應(yīng)力達(dá)到峰值之后，還要繼續(xù)進(jìn)行剪切，直至軸向應(yīng)變達(dá)到20%左右，以便出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，觀察到明顯的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變-孔壓關(guān)系

以ρd=1.30 g/cm3試樣為例，圖2、圖3分別為試樣在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變及孔隙水壓力增長(zhǎng)曲線?？梢钥闯?，在剪切初期，隨著軸向應(yīng)變不斷增大，剪切應(yīng)力及孔隙水壓均持續(xù)增長(zhǎng)。剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，孔隙水壓力繼續(xù)上升，根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體強(qiáng)度開(kāi)始下降，此時(shí)軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)很快。在剪切應(yīng)變達(dá)20%左右以后，達(dá)到密度、法向有效應(yīng)力、孔隙水壓和剪應(yīng)力不變的情況下產(chǎn)生持續(xù)等速剪應(yīng)變的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即所謂的穩(wěn)態(tài)；此狀態(tài)時(shí)，飽和尾礦原有結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，形成新的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，飽和松散尾礦的固結(jié)不排水曲線具有明顯的軟化特性。而且隨著圍壓的增大，剪切曲線軟化程度逐漸降低，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)則隨之上升，這也進(jìn)一步證實(shí)了高尾礦壩體深部不易發(fā)生液化破壞。

圖2 不同圍壓下試樣(ρd=1.30)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 The stress-stain curve (ρd=1.30)▲—圍壓100 kPa;●—圍壓200 kPa;■—圍壓300 kPa

圖3 不同圍壓下試樣(ρd=1.30)孔隙水壓力增長(zhǎng)曲線Fig.3 The pore water pressure curve (ρd=1.30)▲—圍壓100 kPa;●—圍壓200 kPa;■—圍壓300 kPa

圖4、圖5分別為不同初始孔隙比的試樣在同一圍壓(200 kPa)下的應(yīng)力-應(yīng)變及孔隙水壓力增長(zhǎng)曲線?？紫侗却蟮脑嚇?，剪切時(shí)發(fā)生剪縮，屬應(yīng)變軟化型。砂土密實(shí)度是無(wú)黏性土的重要結(jié)構(gòu)特征，也是砂土液化重要影響因素之一[18]。因孔隙比是反應(yīng)材料密實(shí)程度的重要指標(biāo)，故孔隙比越大，試樣越疏松，剪切強(qiáng)度則越低。從孔隙水壓力發(fā)展曲線來(lái)看，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的孔隙水壓力隨孔隙比的增大而增大，這是因?yàn)樵嚇佑杷蓜t在同一圍壓下擠壓效果愈明顯，故穩(wěn)定時(shí)的孔隙水壓力也逐漸增大。

圖4 不同孔隙比下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ3=200 kPa)Fig.4 The stress-stain curve (σ3=200 kPa)▲—孔隙比1.2;●—孔隙比1.1;■—孔隙比1.0

圖5 不同孔隙比下孔隙水壓力增長(zhǎng)曲線(σ3=200 kPa)Fig.5 The pore water pressure curve (σ3=200 kPa)▲—孔隙比1.2;●—孔隙比1.1;■—孔隙比1.0

2.2 穩(wěn)態(tài)線的求解

據(jù)已有研究得知，穩(wěn)態(tài)時(shí)孔隙比對(duì)土體的性能起關(guān)鍵作用，固定孔隙比對(duì)應(yīng)著固定有效平均應(yīng)力[13]。穩(wěn)態(tài)時(shí)平均有效應(yīng)力

(1)

剪應(yīng)力

(2)

圖6 飽和尾礦穩(wěn)態(tài)線Fig.6 Steady state lines of saturated tailings

如圖6所示，在算術(shù)坐標(biāo)上，尾礦穩(wěn)態(tài)線是一條直線，與黃土、南京砂的穩(wěn)態(tài)線相類(lèi)似[5,13]。直線坡度較陡，這主要是因?yàn)樵撐驳V具有角狀的顆粒含量較多。利用Origin進(jìn)行數(shù)值擬合的關(guān)系式分別為

(3)

(4)

穩(wěn)態(tài)線是一分界線，將不同有效應(yīng)力作用下的飽和尾礦分成2個(gè)區(qū)域，即潛在液化流動(dòng)區(qū)與無(wú)液化流動(dòng)區(qū)。由于只有松砂才可能發(fā)生孔壓升高和流動(dòng)滑移破壞，緊密砂只可能發(fā)生循環(huán)變形或循環(huán)軟化，而不可能發(fā)生流動(dòng)滑移破壞，因而通常認(rèn)為當(dāng)砂土處于穩(wěn)態(tài)線上方受到剪切時(shí)土體呈現(xiàn)剪縮性，才可能發(fā)生流滑破壞。而線以下區(qū)域則為具有剪脹性的土體，液化時(shí)不會(huì)觸發(fā)流滑。

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度是指土體在穩(wěn)態(tài)變形狀態(tài)下可以動(dòng)用的強(qiáng)度，其大小決定了土體在靜、動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定性和永久變形，是驗(yàn)算震后土體是否發(fā)生漸進(jìn)破壞的重要特性參數(shù)[10-11]。當(dāng)驅(qū)動(dòng)剪應(yīng)力小于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度時(shí)，尾礦只能產(chǎn)生有限的變形，而不能產(chǎn)生失穩(wěn)流動(dòng)破壞，只有驅(qū)動(dòng)剪應(yīng)力大于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度時(shí)，才有可能產(chǎn)生失穩(wěn)流動(dòng)破壞。

2.3 穩(wěn)態(tài)的固有性及描述穩(wěn)態(tài)的參數(shù)

對(duì)于均質(zhì)尾礦，穩(wěn)態(tài)線是唯一不受土的結(jié)構(gòu)、初始密度和壓力影響的參考線，是土體的內(nèi)在固有屬性，剪切過(guò)程中是否排水對(duì)其沒(méi)有影響，因此可以用土體共有的某種參數(shù)結(jié)合各自的初始條件來(lái)描述其穩(wěn)態(tài)特性[13,16]。筆者擬從施加外荷載(不同圍壓)的角度出發(fā)，以驗(yàn)證尾礦穩(wěn)態(tài)的固有性。

(5)

圖7 尾礦穩(wěn)態(tài)時(shí)與間的關(guān)系Fig.7 Relation between the deviatoric stress and the mean effective stress for tailings in steady state 實(shí)線—圍壓100 kPa;虛線—圍壓200 kPa

描述穩(wěn)態(tài)的參數(shù)可以采用穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角，即當(dāng)土體發(fā)生穩(wěn)態(tài)變形時(shí)，土體內(nèi)原有顆粒結(jié)構(gòu)遭到徹底破壞，顆粒之間產(chǎn)生新的重組結(jié)構(gòu)[10-13]。所以穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角是土體變形最終可動(dòng)用的有效內(nèi)摩擦角，這也是穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角的物理含義。

根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，尾礦穩(wěn)態(tài)時(shí)的內(nèi)摩擦角可通過(guò)下式反算得到[5,11]：

(6)

根據(jù)式(4)中的Ks，計(jì)算得到φss=36.35°(σ3=100 kPa)，φss=36.80°(σ3=200 kPa)，對(duì)于同一尾礦只有1個(gè)內(nèi)摩擦角，取平均值φss=36.575°。

3 結(jié) 論

(1)飽和松散尾礦的三軸固結(jié)不排水剪切曲線具有明顯的軟化特性，試樣在軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)到20%左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

(2)隨著試驗(yàn)圍壓的增大，剪切曲線軟化程度逐漸降低，尾礦穩(wěn)態(tài)點(diǎn)則隨之上升。在同一圍壓下，孔隙比愈大軟化現(xiàn)象愈明顯，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的孔隙水壓力也愈高。

(3)穩(wěn)態(tài)是尾礦的固有屬性，與外界條件無(wú)關(guān)。在算術(shù)坐標(biāo)上，尾礦的穩(wěn)態(tài)線是一條直線，這與南京砂、黃土的穩(wěn)態(tài)線類(lèi)似。

(4)穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角是尾礦變形最終可動(dòng)用的有效內(nèi)摩擦角，試驗(yàn)分析得該尾礦的有效內(nèi)摩擦角為φss=36.575°。建立穩(wěn)態(tài)線可以用來(lái)研究尾礦壩的液化流滑機(jī)理，當(dāng)驅(qū)動(dòng)剪應(yīng)力大于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度時(shí)，有可能發(fā)生流滑破壞。

(5)飽和尾礦的峰值強(qiáng)度在相同初始孔隙比條件下是隨著初始圍壓的增大而提高的，而穩(wěn)態(tài)特性是砂土的固有屬性。因此，用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性分析更具合理性。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Study on Steady-state Properties of Saturated Tailings

Pan Jianping1Liu Xiangping1Wang Yuge1Shi Mansheng2Peng Bo1

(1.SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China; 2.JiangxiCopperCorporation,Guixi335400,China)

The steady-state strength and deformation characteristics of saturated tailings play a major role in flow slide of tailings dams.Through the tests，it is fully understood that the steady-state properties of tailings is an important content for dam stability evaluation.Taking a tailing dam of Jiujiang in Jiangxi as the research object，the steady-state properties of saturated tailings were studied by CU test.The results showed that triaxial shear curve of saturated loose tailings has obviously softening characteristic，and softening degree of curve decreases with increasing of confining pressure.Under the same confining pressure，the less the pore is，the more the softening phenomenon is not obvious.The steady line of tailings is established according to the test results，and it is proved that steady-state is inherent property of tailings，namely the steady state line is unique.The steady-state internal friction angle is the effective internal friction angle that tailings deformation ultimately can utilize，and then the value of internal friction angle is calculated.

Tailings，Triaxial tests，Steady-state properties，Steady-state line，Steady-state internal friction angle

2013-11-04

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)，江西省教育廳科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：GJJ12340)。

潘建平(1978—)，男，博士，副教授。

X833

A

1001-1250(2014)-01-145-05