土工試驗(yàn)成果在尾礦壩勘察中的作用分析

陳霞追

（中國有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011）

很多已建運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間的尾礦庫根據(jù)生產(chǎn)需要，須對(duì)尾礦庫進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核勘察工作，并為加高擴(kuò)容可行性分析提供地質(zhì)資料。在整個(gè)尾礦壩的勘測(cè)工程中，土工試驗(yàn)則對(duì)整個(gè)勘察起到了非常重要的作用，不僅僅是對(duì)勘察的理論起到了指導(dǎo)作用，而且對(duì)于實(shí)際勘察的內(nèi)容也有很大的幫助[1]。因?yàn)橥凉ぴ囼?yàn)是依據(jù)相關(guān)理論規(guī)程，經(jīng)過對(duì)特定樣品測(cè)試所得出來的結(jié)果，對(duì)于工程的建設(shè)具有實(shí)際意義，本文結(jié)合湖南某尾礦庫項(xiàng)目擴(kuò)容勘察論述土工試驗(yàn)在尾礦勘察工程中的作用。

1 土工試驗(yàn)相關(guān)成果及其在尾礦勘察工程中作用

1.1 土工試驗(yàn)成果

該尾礦庫為一狹長(zhǎng)形山谷，庫內(nèi)縱深長(zhǎng)度約1.0km，庫區(qū)為炭酸鹽巖分布區(qū)，對(duì)于該尾礦庫曾經(jīng)有過兩次勘測(cè)。本次勘察在尾礦庫區(qū)采取原狀土試料進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，并利用了此前的部分勘察成果，進(jìn)行了對(duì)比分析。提交的試驗(yàn)成果包括基本物理性指標(biāo)如含水率、密度、比重、液塑限，顆粒特性指標(biāo)顆粒組成，土層滲透性指標(biāo)滲透系數(shù)，土層變形特性如常規(guī)壓縮、固結(jié)系數(shù)，土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)直剪試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)，以及工程設(shè)計(jì)需要的其它試驗(yàn)項(xiàng)目。各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)為工程建設(shè)可行性論證及尾礦庫的穩(wěn)定性分析計(jì)算提供可靠的定量的依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)指標(biāo)作用分析

尾礦是由固、液、氣三相物質(zhì)所組成的散粒體，三相物質(zhì)的比例關(guān)系和它們的組成形式及相互結(jié)合的強(qiáng)弱和狀態(tài)決定了尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)，土工試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)從不同方面表征尾礦的狀態(tài)和性質(zhì)，實(shí)際應(yīng)用也各有用途。

（1）基本物理性指標(biāo)：含水率、天然密度、比重三項(xiàng)指標(biāo)為最基本數(shù)據(jù)，需直接測(cè)定。由測(cè)試指標(biāo)分析出含水率一般隨土層深度增加而增大，隨粘粒含量的增加而增加；同一類尾礦天然密度一般隨土層深度增加而增加，因?yàn)樯疃仍黾樱探Y(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，干密度也逐漸增大；而同一類尾礦比重的變化幅度較小。

液限和塑限是表征尾礦處于塑性狀態(tài)的上、下界限含水率，它隨尾礦粒徑和級(jí)配不同而不同，尾礦中水作為組成成分存在于孔隙中，其狀態(tài)由于水量的變化而變化，而無粘性土不具有塑性，因而塑性指數(shù)接近零值。

（2）顆粒組成：尾礦的粒度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，它能綜合反映尾礦的特性和本質(zhì)，根據(jù)尾礦組成進(jìn)行分類，可概略地判定其透水性、可塑性、收縮膨脹等物理力學(xué)性質(zhì)，但不能完全反映出土的各種復(fù)雜性質(zhì)，特別是對(duì)于細(xì)粒尾礦，其礦物成份、顆粒形狀以及膠體含量等都是重要影響因素。結(jié)合鉆孔取樣室內(nèi)顆分試驗(yàn)以及在庫區(qū)調(diào)查資料研究得出該尾礦粒度對(duì)沉積特性的影響。

（3）滲透性：尾礦的滲透性是由于骨架顆粒間存在著孔隙通道，土中孔隙水的運(yùn)動(dòng)與孔隙水壓力的變化，常是影響尾礦各種力學(xué)性質(zhì)及設(shè)計(jì)與施工的主要因素。由測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尾礦的滲透性，與其它的物理性質(zhì)常數(shù)相比，其變化范圍要大些，且由于它的分選性很強(qiáng)，層位復(fù)雜，所以垂直方向的滲透系數(shù)與水平方向的滲透系數(shù)相差十幾倍至二十余倍，分析因?yàn)樨Q直方向的滲透試驗(yàn)得出的結(jié)果，僅代表取樣所有土層中最細(xì)的那層土的滲透系數(shù)，所以偏小，而水平滲透代表過水?dāng)嗝娴钠骄鶟B透系數(shù)，所以要大些。而且隨著土中細(xì)粒含量的增加，其滲透系數(shù)差別愈來愈大。

（4）尾礦的變形特性：固結(jié)與壓縮對(duì)尾礦工程有重要影響，與尾礦體的滲流、穩(wěn)定和沉降等問題密切相關(guān)。其變形特性不僅取決于土的類別和狀態(tài)，也隨著土的邊界條件、排水條件和受壓方式等因素而變化，如尾礦砂與尾礦土的變形機(jī)理不同，前者易排水，所以固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間短，而尾礦土由于顆粒小，滲透系數(shù)小，所以其排水固結(jié)需要一段相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。由本次試驗(yàn)分析，接近原地面的礦泥，強(qiáng)度低，固結(jié)度小。另外可發(fā)現(xiàn)水平方向固結(jié)系數(shù)比垂直方向固結(jié)系數(shù)大，這是因?yàn)槲驳V的層理性特點(diǎn)所致。

表1 土工試驗(yàn)成果

表2 土工試驗(yàn)成果

（5）尾礦的抗剪強(qiáng)度：土的強(qiáng)度，是指土體具有抵抗剪切破壞的最大應(yīng)力，也稱作土的抗剪強(qiáng)度[2]。影響尾礦庫穩(wěn)定的因素很多，其中抗剪強(qiáng)度（內(nèi)摩擦角φ和凝聚力C）是諸多因素最重要的一個(gè)。尾礦的內(nèi)摩擦角φ，隨尾礦的顆粒組成、孔隙比、含水率、選礦類型等因素而變化，一般是尾礦的平均粒徑越大，其內(nèi)摩擦角也越大。尾礦的凝聚力一般較小，原因是尾礦內(nèi)粘粒含量較少，且沖填形成的壩體時(shí)間要比自然土壤形成的時(shí)間短得多，因此顆粒之間的凝聚力也小。

2 尾礦土不同時(shí)段試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 尾礦物理性及固結(jié)系數(shù)指標(biāo)

結(jié)合前后兩次土工試驗(yàn)成果，統(tǒng)計(jì)該尾礦物理性及固結(jié)系數(shù)指標(biāo)如表1。

該尾礦庫基本分布三種特性土：尾粉砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土，經(jīng)對(duì)比分析前后兩次試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)果如下：①三者固結(jié)系數(shù)Cv都稍有增大，但變化不大；②尾粉砂和尾粉土天然含水率w指標(biāo)比較接近，變化不大。尾粉質(zhì)粘土的天然含水率有所減少；③尾粉砂和尾粉質(zhì)粘土的天然密度ρ值較前期試驗(yàn)值均有所增大，孔隙比e較前期試驗(yàn)值有所減小；尾粉土的天然密度ρ較前期試驗(yàn)值有所增大，而孔隙比e較前期試驗(yàn)值也偏大。

從基本物理性及固結(jié)系數(shù)指標(biāo)可看出該尾礦因前后兩次勘測(cè)間隔時(shí)間不長(zhǎng)，試驗(yàn)值變化不大，但也可從天然密度ρ和孔隙比e值分析得出土體固結(jié)作用的結(jié)果影響。

2.2 尾礦抗剪強(qiáng)度及壓縮試驗(yàn)指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)該尾礦抗剪強(qiáng)度及壓縮試驗(yàn)指標(biāo)如表2。

對(duì)比分析結(jié)果如下。①尾粉砂：壓縮系數(shù)a1～2、壓縮模量Es值較前期試驗(yàn)值，前者偏大、后者偏小，與試樣具層理特征有關(guān)。固結(jié)快剪強(qiáng)度較前期試驗(yàn)值高，強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。三軸試驗(yàn)固結(jié)不排水剪強(qiáng)度值較前期試驗(yàn)值大，由于以前的三軸壓縮試驗(yàn)采用制備試樣，本次采用具有層理的原狀試樣，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果值C、φ值分別是前期試驗(yàn)值的2倍和1.7倍。②尾粉土：壓縮系數(shù)a1～2、壓縮模量Es值較前期試驗(yàn)值，前者偏大、后者偏小，與試樣具層理特征有關(guān)。固結(jié)快剪強(qiáng)度較前期試驗(yàn)值高，強(qiáng)度有所增長(zhǎng)。

三軸試驗(yàn)固結(jié)不排水剪強(qiáng)度值較前期試驗(yàn)值大。由于前期的三軸壓縮試驗(yàn)采用制備試樣，本次采用具有層理的原狀試樣，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果值C、φ值分別是前期試驗(yàn)值的1.5倍和1.7倍。

3 結(jié)語

尾礦土試驗(yàn)有別于一般的工程巖土試驗(yàn)，因其尾礦的成份和組成粒徑等的不同而具有其特性，但仍可以應(yīng)用土力學(xué)基本原理結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，從而得出對(duì)尾礦工程設(shè)計(jì)和壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算的可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但在進(jìn)行具體的試驗(yàn)過程中，易受外界因素的干擾，甚至有的時(shí)候得到的試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有一定的誤差，這就需要工作人員在進(jìn)行土工試驗(yàn)的過程中盡量減少外界因素的干擾，進(jìn)行合理的分析，提高土工試驗(yàn)的質(zhì)量。