干密度對尾礦砂強(qiáng)度和滲流的影響

溫仁節(jié)， 萬　里， 王　琛

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065)

礦山在精選出精礦后，會產(chǎn)生大量尾礦砂。一般這些尾礦砂堆放在礦山附近的尾礦庫中[1]。但隨著尾礦砂堆排量逐年增加，許多尾礦庫設(shè)計庫容已不能滿足存放需求，且由于土地資源的限制，難以新建尾礦庫。因而許多礦山開始調(diào)整工藝，在現(xiàn)有尾礦庫濕排結(jié)束后，充分利用上部空間實施干堆加高[2]。由于受沉積因素影響，濕堆干密度在空間上分布不均；而干堆受碾壓質(zhì)量影響，其干密度分布也不均勻，且濕堆和干堆干密度亦有較大差異，這些差異將嚴(yán)重影響到尾礦強(qiáng)度及滲透性。因此，開展干密度對尾礦砂強(qiáng)度和滲流性質(zhì)影響的試驗具有重要意義。

國內(nèi)外一些學(xué)者開展了尾礦砂力學(xué)特性影響因素的研究。張林[3]通過不同上覆壓力銅尾礦砂的試驗發(fā)現(xiàn)，隨上覆壓力增大，尾礦料側(cè)限壓縮模量增大，而滲透系數(shù)減?。还朳4]認(rèn)為尾礦干密度越小，尾礦越松散，其壓縮模量越小、滲透系數(shù)越大。

本文針對某礦山尾礦砂，開展了三軸固結(jié)排水壓縮和變水頭滲透試驗，分析了干密度對其強(qiáng)度和滲流性質(zhì)的影響。

1　試驗

1.1　試驗土料

試驗土料為某礦山尾礦砂，相對密度Gs=3.133，最大粒徑dmax=2 mm，砂粒(2～0.075 mm)占90.2 %，分類定名為含細(xì)粒土砂SF[5]。由相對密度試驗得尾礦砂最大干密度ρdmax=2.16 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.60 g/cm3。另據(jù)重型擊實試驗，尾礦砂最優(yōu)含水率wop=10.5 %，試驗制樣即采用該含水率。

1.2　試驗程序

據(jù)地勘資料，該礦山尾礦庫在自然沉積和碾壓作用下的最小干密度為1.75 g/cm3，最大干密度為2.08 g/cm3。試驗最大和最小干密度即采用該地勘數(shù)據(jù)，并在之間內(nèi)插2個干密度，總共4個干密度，分別為1.75 g/cm3、1.86 g/cm3、1.99 g/cm3和2.08 g/cm3。

對4種不同干密度的尾礦砂進(jìn)行三軸壓縮和滲透試驗。其中，三軸壓縮試驗試樣尺寸為φ61.8 mm×125 mm，分5層用擊實法制樣，采用水頭飽和法飽和試樣，圍壓分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，剪切方式為固結(jié)排水剪，剪切速率0.088 mm/min；變水頭滲透試驗試樣尺寸為φ61.8 mm×40 mm，采用壓樣法制樣，每個試樣滲透系數(shù)測量5次再取均值。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1　干密度對強(qiáng)度的影響

三軸壓縮試驗中，不同圍壓下相同干密度試樣偏應(yīng)力q-軸向應(yīng)變εa關(guān)系曲線、體變εv-軸向應(yīng)變εa關(guān)系曲線規(guī)律基本相似，故僅給出圍壓在σ3=200 kPa下，不同干密度尾礦砂q-εa關(guān)系曲線和εv-εa關(guān)系曲線(圖1、圖2)。

圖1　不同干密度下q-εa關(guān)系曲線(σ3=200 kPa)

圖2　不同干密度下εv-εa關(guān)系曲線(σ3=200 kPa)

由圖1和圖2可知，隨干密度增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸由應(yīng)變硬化型過渡為應(yīng)變軟化型，試樣剪脹性逐漸增大，逐漸由減縮過渡為剪脹，且干密度較大時，試樣先減縮后剪脹。

不同干密度下尾礦砂破壞偏應(yīng)力qf-圍壓σ3關(guān)系如圖3。由圖3可知，破壞偏應(yīng)力隨干密度的增大而增大。

用摩爾-庫倫強(qiáng)度理論處理圖3數(shù)據(jù)，可得不同干密度下尾礦砂的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，結(jié)果見表1。

據(jù)表1可知：

(1)尾礦砂內(nèi)摩擦角φ隨干密度增大而增大，其原因為干密度的增大使得試樣愈加密實，土顆粒間咬合作用增強(qiáng)，相互錯動愈加困難，宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角φ的增大。

圖3　不同干密度破壞偏應(yīng)力qf-圍壓σ3關(guān)系

干密度ρd/(g·cm-3)摩擦角φ/°粘聚力c/kPa滲透系數(shù)k20/(10-4cm·s-1)1.7528.5329.51.8631.8396.21.9934.5484.52.0837.4672.9

(2)隨干密度增大，土顆粒間接觸點愈多，因而單位體積試樣接觸面亦隨之增加，使得土顆粒間化學(xué)膠結(jié)面增多，從而宏觀上表現(xiàn)為黏聚力c隨干密度的增大而增大，此結(jié)論亦被表1結(jié)果所驗證。

為得到內(nèi)摩擦角φ與干密度ρd的關(guān)系，用表1中數(shù)據(jù)繪制φ-ρd關(guān)系曲線，如圖4。據(jù)圖4可知，散點基本在一條直線上，故對其做線性擬合，得線性擬合公式φ=26.1ρd-17.1，相關(guān)系數(shù)0.9934；同理，如圖5，對黏聚力c-干密度ρd關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得指數(shù)函數(shù)擬合公式c=0.737e2.14ρd。特別指出，以上兩個擬合公式是由干密度ρd=1.75～2.08 g/cm3的尾礦砂試驗結(jié)果所得[6]。

圖4　內(nèi)摩擦角φ-干密度ρd關(guān)系曲線

圖5　黏聚力c-干密度ρd關(guān)系曲線

2.2　干密度對滲透性質(zhì)的影響

隨干密度增大，土的密實度增加，孔隙比變小，土的滲透性亦隨之減小。土的干密度對滲透系數(shù)的影響雖不及顆粒級配的影響大，但亦不可忽略。一些學(xué)者也給出了砂土的滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系，如柯森-卡門公式[7]即可描述砂土滲透系k數(shù)與孔隙比e之間的關(guān)系：

(1)

式中：ck為顆粒形狀與水的實際流動方向相關(guān)的系數(shù)，近似取0.125；F為顆粒比表面積，m2/cm3；ρw為水的密度，g/cm3；η為水的動力粘滯系數(shù)，g·s/cm2。

式(1)表明：在顆粒形狀與實際水流方向相關(guān)系數(shù)ck和比表面積F不變時，砂土滲透系數(shù)k與孔隙比函數(shù)e3/(1+e)成正比。對同一尾礦砂，上述兩個參數(shù)在干密度不同時基本不變，故采用式(1)對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，得k20-e3/(1+e)關(guān)系曲線，如圖6。

圖6　k20-e3/(1+e)關(guān)系曲線

3　結(jié)束語

通過對不同干密度尾礦砂進(jìn)行三軸固結(jié)排水壓縮和變水頭滲透試驗，分析了干密度對其強(qiáng)度參數(shù)和滲透性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)隨著干密度的增大，尾礦砂剪脹性逐漸增大，試樣逐漸由減縮過渡為剪脹，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸由應(yīng)變硬化型過渡為應(yīng)變軟化型。

(2)隨著干密度的增大，尾礦砂內(nèi)摩擦角線性增大，黏聚力呈指數(shù)增大。

(3)隨著干密度的增大，尾礦砂滲透系數(shù)減小，其滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系可由柯森-卡門公式表示。