白雉山某鐵礦尾礦料物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

阮　慶，阮　波，張佩知，蔣　穎

(1. 中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430000)

我國(guó)每年選礦產(chǎn)生的尾礦料約為 3億 t，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分堆存于尾礦庫(kù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已形成一定規(guī)模的尾礦庫(kù)1 500余座[1]。尾礦料是經(jīng)過(guò)機(jī)械破碎、人工篩選和各種藥劑作用而形成的一種筑壩材料[2]，由于其與天然土石形成條件不同，其物理力學(xué)性質(zhì)與天然土石也有差異，因此研究尾礦料的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)尾礦壩設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)尾礦料物理力學(xué)性質(zhì)做了大量研究工作。Michel等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了某尾礦料的粒徑、孔隙比和滲透性之間的關(guān)系；Shamsai等[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了伊朗某銅礦尾礦壩尾礦料不同固結(jié)比下尾礦內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化規(guī)律；Ozcan等[5]對(duì)土耳其黑海地區(qū)某銅鋅礦庫(kù)尾礦進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出該尾礦天然含水率為16.2%～21.0%，比重為 2.53～2.70，抗剪強(qiáng)度指標(biāo) c′和 φ′均值分別為17.3 kPa和34°，并分析了尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性。尹光志等[6]認(rèn)為羊拉銅礦尾礦料顆粒越粗，孔隙比越大，滲透系數(shù)和內(nèi)摩擦角也越大，尾礦料的各向異性和非均勻性對(duì)尾礦料的滲透性影響很大；劉庭發(fā)等[7]認(rèn)為我國(guó)西北某尾礦庫(kù)高含硫尾礦的壓縮模量比低含硫量尾礦高2～4倍，低含硫尾礦的摩擦角比高含硫尾礦高24%；于丹等[8]認(rèn)為遼寧東鞍山西果尾礦庫(kù)的尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土的含水量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈非線性關(guān)系以及孔隙比、干密度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈線性關(guān)系；張亞先等[9]認(rèn)為陜西栗西尾礦堆積壩尾礦砂隨著顆粒變細(xì)黏聚力c增大而內(nèi)摩擦角φ減小，同一種尾礦土抗剪強(qiáng)度隨著密度的增大而增大。本文在前人對(duì)尾礦料物理力學(xué)性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合從湖北黃石市白雉山某鐵礦尾礦壩中提取的3種尾礦料，采用室內(nèi)試驗(yàn)研究了其物理力學(xué)性質(zhì)，并橫向討論了3種尾礦料物理力學(xué)性質(zhì)的差異性，研究成果可供尾礦壩的穩(wěn)定性分析及工程實(shí)踐參考。

1　尾礦料物理性質(zhì)試驗(yàn)研究

本文按照規(guī)范[10?11]要求，對(duì)從湖北黃石市白雉山某鐵礦尾礦壩提取的3種尾礦料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。

1.1　尾礦料的顆粒組成

尾礦料A，尾礦料B和尾礦料C的顆粒分析試驗(yàn)分別進(jìn)行了36組、87組和29組，試驗(yàn)成果采用試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　尾礦料顆粒分析成果統(tǒng)計(jì)表Table1　Summary sheet of particle analysis results

從表1中可以看出：1) 尾礦料A的顆粒分析試驗(yàn)中，粒徑大于0.075 mm顆粒質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量的50%，根據(jù)規(guī)范[11]可以判尾礦料A為尾粉砂。

2) 上述 3種尾礦料的 Cu平均值均大于5，Cc的平均值均在1～3之間，說(shuō)明此3種尾礦料顆粒均級(jí)配良好，連續(xù)級(jí)配分布均勻，對(duì)尾礦料的固結(jié)以及尾粉砂的抗液化有利。

3) 尾粉砂中砂粒含量較高，粉粒和黏粒含量較少，尾粉砂具有的毛細(xì)作用和粒間的水聯(lián)結(jié)關(guān)系較明顯，黏著性較低；而尾礦料B和尾礦料C中砂粒含量較低，粉粒和黏粒含量較高，所以尾礦料B和尾礦料C的黏著性較高而毛細(xì)作用和粒間水聯(lián)結(jié)關(guān)系不太明顯。

1.2　界限含水率

由于在顆粒分析試驗(yàn)中已將尾礦料 A定名為尾粉砂，屬于砂類(lèi)土，故采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法僅測(cè)定尾礦料B和尾礦料C的液塑限。聯(lián)合測(cè)定儀上的圓錐儀錐重76 g，試驗(yàn)時(shí)圓錐儀沉入土中深度設(shè)定為10 mm。尾礦料B和尾礦料C分別進(jìn)行32組和25組界限含水率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，尾礦料B的塑性指數(shù)平均值為 8.89，而在顆粒分析試驗(yàn)中尾礦料 B粒徑大于0.075的顆粒質(zhì)量小于總質(zhì)量的50%，則根據(jù)規(guī)范[11]可以判定尾礦料B為尾粉土；尾礦料C的塑性指數(shù)平均值為14.36，此塑性指數(shù)平均值大于10且小于17，則根據(jù)規(guī)范[11]可以判定尾礦料 C為尾粉質(zhì)黏土。

表2　液塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果Table2　Results of the liquid limit and plastic limit tests

1.3　尾礦料原狀土的物理指標(biāo)與分析

尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土原狀土物理性質(zhì)試驗(yàn)分別做了33組、80組和28組，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　原狀土主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table3　Geotechnical index properties of the undisturbed soil

由表3可知：1) 上述3種尾礦料含水率和飽和度平均值由尾粉砂到尾粉質(zhì)黏土依次減小，結(jié)合尾礦壩土層分布，可以說(shuō)明飽和度隨著深度的增加而逐漸增大。

2) 一般來(lái)說(shuō)，天然狀態(tài)土的密度平均值一般為1.75～2.10 g/cm3，粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土密度平均值分別為 1.90～2.05，1.95～2.10 和 1.90～2.10，土的比重通常在 2.65～2.75之間，而砂土、粉土和粉質(zhì)黏土比重平均值分別為2.65，2.70和2.71[12]。經(jīng)分析，上述3種尾礦料的天然密度和比重平均值均高于一般土的天然密度和比重平均值，尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土的天然密度分別是粉砂、粉土和粉質(zhì)黏的天然密度的 1.10～1.18倍，1.10～1.18倍和1.07～1.18倍，尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土的比重平均值分別是粉砂、粉土和粉質(zhì)黏的比重平均值的1.20倍，1.17倍和1.14倍。由于該尾礦料是鐵礦的尾礦料，而鐵的密度是7.87 g/cm3，相對(duì)密度是7.87，均明顯高于土的密度和比重，所以可以認(rèn)為上述 3種尾礦料中均夾雜有鐵或者鐵的化合物。

2　尾礦料力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

2.1　尾礦滲透性

通過(guò)滲透試驗(yàn)獲得溫度為 20 ℃時(shí)尾礦的滲透系數(shù)k20試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　滲透系數(shù)k20統(tǒng)計(jì)表Table4　Summary sheet of osmotic coefficient k20

從表4中可以看出，與尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土相比，尾粉土的滲透系數(shù)極差比較大，數(shù)量級(jí)從10?4～10?7，最大和最小相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，這主要是由于尾粉土與尾粉質(zhì)黏土的互層多，受細(xì)顆粒的影響所致。從滲透系數(shù)平均值來(lái)看，滲透系數(shù)平均值由大到小依次是尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土，說(shuō)明尾粉砂的滲透性較后兩者好。尾粉砂粒徑最大，尾粉質(zhì)黏土粒徑最小，說(shuō)明尾礦料的滲透性與顆粒粒徑有關(guān)，顆粒粒徑越小，孔隙比越小，其滲透系數(shù)也越小。

2.2　尾礦壓縮特性

采用固結(jié)試驗(yàn)獲取尾礦料的固結(jié)特性參數(shù)，尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土固結(jié)試驗(yàn)分別進(jìn)行了31組，41組和29組，試驗(yàn)采用逐級(jí)加載的方式，低壓固結(jié)試驗(yàn)荷載依次為0，50，100和200 kPa；高壓固結(jié)試驗(yàn)荷載依次為 0，50，100，200，400，800，1 600，3 200和4 000 kPa，尾礦料的壓縮性通過(guò)固結(jié)壓力在100～200 kPa區(qū)間壓縮指標(biāo)采用壓縮系數(shù)av1?2和壓縮模量ES1?2表示，固結(jié)壓力在3 200～4 000 kPa區(qū)間的壓縮指標(biāo)采用壓縮系數(shù) av32?40和壓縮模量ES32?40來(lái)反映，試驗(yàn)成果見(jiàn)表5。

表5　尾礦料壓縮試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table5　Summary sheet of consolidation test results

從表5可以得出：1) 尾礦料的無(wú)論是高壓還是低壓固結(jié)，壓縮系數(shù)平均值由大到小依次是為尾粉質(zhì)黏土、尾粉土和尾粉砂，而壓縮模量平均值由大到小依次是尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土，說(shuō)明尾礦料的壓縮性從高到低依次是尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土。

2) 從尾粉砂到尾粉質(zhì)黏土壓縮系數(shù)平均值是依次增大的，這說(shuō)明尾礦料的壓縮性與尾礦料顆粒組成和滲透系數(shù)有關(guān)，尾粉砂和尾粉土粒徑較大，滲透系數(shù)大，尾礦料排水條件好，排水快，特別是尾粉砂在尾礦堆積過(guò)程中尾粉砂主要位于最上層，很大一部分位于浸潤(rùn)線以上，不完全飽和，多呈現(xiàn)低等或中等壓縮性；而尾粉質(zhì)黏土的顆粒較細(xì)，排水條件不是太好，并且多處于浸潤(rùn)線以下，長(zhǎng)期浸水處于飽和狀態(tài)，多呈現(xiàn)高壓縮性。

2.3　尾礦料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.3.1直接剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土原狀樣在低壓條件下直剪試驗(yàn)和固結(jié)快剪試驗(yàn)分別進(jìn)行了 29組和23組，27組和32組，26組和24組，原狀樣低壓抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表 6；每種密度的尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土擾動(dòng)樣的高壓和低壓的固結(jié)快剪試驗(yàn)分別進(jìn)行10組，13組和12組，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表7。

表6　原狀樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table6　Shear strength indexes of the undisturbed soil on the low pressure consolidation

表7　擾動(dòng)樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table7　Shear strength indexes of the disturbed soil on the low-pressure and high-pressure consolidation

分析表6和表7可以得出：1) 同一種尾礦料原狀樣，高壓固結(jié)快剪的尾礦料擾動(dòng)樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均大于低壓固結(jié)快剪時(shí)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)密度相同時(shí)，高壓固結(jié)快剪的黏聚力約為低壓固結(jié)快剪黏聚力的 10倍，說(shuō)明在尾礦壩同一種尾礦料下部尾礦料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大于上部的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2) 同一種尾礦料，黏聚力及內(nèi)摩擦角隨著尾礦料密度的增大而增大，但內(nèi)摩擦角增大幅度較??；同一種尾礦，當(dāng)固結(jié)條件相同時(shí)，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著密度的減小而減小，這說(shuō)明尾礦料的密度也是尾礦料抗剪強(qiáng)度的重要影響因素。

2.3.2三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土進(jìn)行了固結(jié)不排水剪切(CU)試驗(yàn)和固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn),固結(jié)壓力分別為100，200，300和400 kPa；尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的CU試驗(yàn)和CD試驗(yàn)各做15組；尾粉土的CU試驗(yàn)和CD試驗(yàn)各做17組。經(jīng)整理[13]三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8　尾礦三軸試驗(yàn)成果匯總表Table8　Shear strength parameters of the triaxial test results for tailings

從表8可以看出，固結(jié)排水剪切和固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)得到的黏聚力平均值由大到小依次是尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)黏土，內(nèi)摩擦角則相反。固結(jié)排水試驗(yàn)獲得尾粉砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角大于固結(jié)不排水測(cè)得的黏聚力和內(nèi)摩擦角；固結(jié)排水試驗(yàn)測(cè)得尾粉土和尾粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角均大于固結(jié)不排水試驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)摩擦角，但固結(jié)排水試驗(yàn)測(cè)得的黏聚力均大于固結(jié)不排水試驗(yàn)測(cè)得的黏聚力。由于尾粉砂的黏聚力不為 0，說(shuō)明尾粉砂中夾雜有尾粉土或尾粉質(zhì)黏土。

3　結(jié)論

1) 通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)得出尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土顆粒級(jí)配良好，連續(xù)級(jí)配分布均勻。

2) 尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土的密度平均值分別是粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土密度平均值的 1.10～1.18倍，1.10～1.18倍和1.07～1.18倍；尾粉砂、尾粉土和尾粉質(zhì)黏土的比重平均值分別是粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土比重平均值的 1.20倍，1.17倍和1.14倍。

3) 尾礦料中大粒徑的顆粒含量越多，黏粒含量越少，尾礦的滲透系數(shù)越大；尾礦的壓縮性與其顆粒組成和滲透系數(shù)有關(guān)。

4) 在尾礦壩中同一種尾礦料深部尾礦料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大于淺層尾礦料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；密度是尾礦料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的重要影響因素。