電滲和振動對細(xì)尾礦砂靜載固結(jié)排水的促進(jìn)作用

林雪松, 王 東, 陳殿強(qiáng), 王來貴

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院， 遼寧 阜新 123000； 2.阜新高等專科學(xué)校 工程系， 遼寧 阜新 123000；3.遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 110013； 4.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

隨著礦物采選技術(shù)水平的不斷提高，排入尾礦庫的尾礦顆粒日益細(xì)化[1]，固結(jié)越來越困難，若繼續(xù)沿襲舊方法，僅依靠自重作用下的靜載固結(jié)，將會造成尾礦砂固結(jié)程度極差，更容易發(fā)生潰決、污染地下水等不良后果[2]。如何加速固結(jié)排水是提升細(xì)尾礦砂筑壩安全性的一個重要問題。電滲和振動是目前能夠促進(jìn)細(xì)粒介質(zhì)固結(jié)排水的主要方法，前人已對這2種方法分別進(jìn)行了研究。電滲方面，1949年Casagrand[3]首次將電滲排水法成功運(yùn)用于鐵路挖方工程，人們第一次認(rèn)識到電滲法的實際作用，也開始了電滲法的理論與實踐研究。Esrig[4]和Lewis等[5]分別提出了一、二維電滲固結(jié)理論和控制方程，作為經(jīng)典電滲固結(jié)理論被廣泛接受；Guo等[6]對高水量且主要成分為伊利石、高嶺石和石英的尾礦砂進(jìn)行了電滲處理；Wu等[7-8]針對電極附近介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)變化以及該變化與電極種類的關(guān)系進(jìn)行了研究；陶燕麗等[9]通過試驗研究了電極不同材質(zhì)、布置方式對電滲過程與結(jié)果的影響； Wang等[10]對真空預(yù)壓與電滲法聯(lián)合使用的效果進(jìn)行了研究；張恒等[11]采用自制電滲試驗裝置，針對武漢市淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行電滲試驗，探討了陽極處加入不同濃度氯化鈣溶液后，電滲試驗的結(jié)果會出現(xiàn)何種差別；羅戰(zhàn)友等[12]采用改進(jìn)的Miller Soil Box試驗裝置，基于杭州淤泥質(zhì)土，在3種不同含水量和含鹽量下開展電滲試驗，從總電導(dǎo)率和區(qū)域電導(dǎo)率2個方面分析了土體電導(dǎo)率變化規(guī)律和分布特征；王炳文等[13]采用自制的電滲脫水試驗和自然脫水試驗裝置，進(jìn)行了全尾砂膠結(jié)充填料漿和非膠結(jié)充填料漿的脫水試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)；張雷等[14]采用遼寧沿海地區(qū)淤泥質(zhì)軟土，對鐵、銅、鋁和新型復(fù)合電極等不同電極材料進(jìn)行室內(nèi)電滲排水固結(jié)試驗，從有效電勢、電流、排水量與排水速率、能耗、電滲后土體含水量和承載力等對電滲效果進(jìn)行了分析。在振動排水方面，房營光等[15]根據(jù)不同排水固結(jié)試驗的比較，分析了振動排水固結(jié)特性及振動排水效應(yīng)，總結(jié)出振動排水的作用機(jī)制；丁智等[16]通過室內(nèi)動三軸試驗系統(tǒng)測試研究了排水條件、固結(jié)度、振動次數(shù)對軟黏土動孔壓和應(yīng)變的影響；苗永紅等[17]利用自主設(shè)計的動態(tài)固結(jié)滲透儀研究了飽和軟土在振動荷載作用下的響應(yīng)；沈林等[18]利用飽和粉細(xì)砂在持續(xù)振動荷載作用下容易液化的特點(diǎn)，進(jìn)行了振動促進(jìn)飽和粉細(xì)砂快速排水的研究；徐華榮等[19]基于振動排水固結(jié)試驗，對鎮(zhèn)江地區(qū)河漫灘沉積相軟土的動力特性進(jìn)行了研究，并對該地區(qū)軟土在動力荷載作用下的排水固結(jié)機(jī)理進(jìn)行了解釋。

縱觀以往的研究，前人在電滲與振動方法促進(jìn)固結(jié)的作用機(jī)理、理論模型、與其他方法的結(jié)合和工程應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究與探索，成果頗豐，但前人研究中未見到針對同一試驗對象，分別進(jìn)行靜載聯(lián)合電滲和靜載聯(lián)合振動的對比研究。理論上講，電滲和振動均可促進(jìn)細(xì)尾礦砂的固結(jié)排水，但2種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)如何？分別適用于何種工況？若能事先搞清楚以上問題或引申出的類似問題，則可使各種方法的實際應(yīng)用效率實現(xiàn)較大提升。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上擬利用簡單改裝的空心圓柱扭剪儀(Hollow Cylinder Apparatus，HCA)研究單獨(dú)靜載、靜載聯(lián)合電滲和靜載聯(lián)合振動作用下細(xì)尾礦砂的排水固結(jié)效果，并對結(jié)果進(jìn)行比較分析，研究結(jié)果能夠為多孔介質(zhì)滲流和新時代下尾礦工程提供參考。

2 試驗對象與設(shè)備

2.1 試驗對象

試驗對象為取自阜新市同乃尾礦庫的鐵尾礦砂，由于主要研究細(xì)尾礦砂特性，因此試驗對象均取自尾礦庫干灘最末端粒徑最小顆粒集中區(qū)域。對象顆粒組成如表1所示，從表1中0.019、0.074和0.037 mm粒徑含量可知，試驗對象為細(xì)尾礦砂[20-21]。試驗中將尾礦砂制成空心圓柱體試件，外半徑為50 mm，內(nèi)半徑為30 mm，高為200 mm。試驗中試件整體和內(nèi)部任意單元的受力分別如圖1所示。

表1 細(xì)粒尾礦砂粒徑組成

注：圖中Pi和Po分別為作用于試件內(nèi)、外側(cè)面上的內(nèi)、外圍壓，單位kPa； W為軸向荷載，單位kN；MT為扭矩，單位N·m；σz、σr、σθ和τθz分別為軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、轉(zhuǎn)角向應(yīng)力和示剪應(yīng)力，單位均為kPa。

圖1試件與單元的受力

2.2 試驗設(shè)備

使用英國GDS公司生產(chǎn)的HCA進(jìn)行試驗。但試驗之前需對設(shè)備進(jìn)行簡單改裝。改裝的主要內(nèi)容為：在試件上、下底座分別裝上電極，并將與電極連接的導(dǎo)線引到壓力室外部。裝入壓力室的試件和導(dǎo)線如圖2所示。

3 試驗?zāi)康呐c內(nèi)容

3.1 單獨(dú)靜載試驗

試驗?zāi)康脑谟谘芯亢愣o載下細(xì)尾礦砂固結(jié)特性，研究結(jié)果的主要作用是用來與后續(xù)試驗進(jìn)行比較。為考查試驗過程的可重復(fù)性，每種壓力下分別進(jìn)行2次固結(jié)試驗，在接下來的敘述中，分別標(biāo)記為靜載1和靜載2。靜載壓力分別設(shè)置為50、100、200和400 kPa。

3.2 兩因素聯(lián)合作用試驗

試驗?zāi)康模貉芯繂为?dú)靜載基礎(chǔ)上，增加電滲和振動中的一種因素后，排水總量的變化情況。同時，比較電滲和振動兩種因素對靜載排水的促進(jìn)作用隨靜載壓力的變化是否會表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。具體的試驗內(nèi)容如下：

(1)靜載與電滲聯(lián)合作用試驗。 在每種靜載設(shè)置下，靜載與電滲荷載同時施加使試件達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。靜載壓力取值同上。電滲電壓分別取為10、20和30 V，以此來研究電滲荷載數(shù)值變化對固結(jié)排水效果的影響。在接下來的敘述中，靜載與電滲電壓10、20和30 V聯(lián)合作用分別標(biāo)記為靜載+10V、靜載+20 V和靜載+30 V。

(2)靜載與振動聯(lián)合作用試驗。 在某一靜載設(shè)置下，同時施加靜載與振動荷載使試件達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。靜載壓力取值同上。振動荷載的幅值保持100 N不變，頻率分別取1、6和12 Hz，以此研究頻率對聯(lián)合作用下固結(jié)排水效果的影響。在接下來的敘述中，頻率為1、6和12 Hz分別標(biāo)記為靜載+1Hz、靜載+6 Hz和靜載+12 Hz。

圖2 試驗裝置及試件

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 單獨(dú)靜載結(jié)果

試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，各種靜載設(shè)置下2次單獨(dú)靜載試驗曲線基本重合，試驗總體重復(fù)性較好。對比各曲線還會發(fā)現(xiàn)，隨著靜載壓力的增加，最終排水量在增加，排水總時間在減小。

圖3 單獨(dú)靜載試驗結(jié)果

4.2 兩因素聯(lián)合作用結(jié)果

兩因素聯(lián)合試驗結(jié)果如圖4～7所示。分析各圖可知，靜載較小的50與100 kPa作用下，靜載+電滲的試驗曲線初始階段與單獨(dú)靜載基本一致，但隨著時間的推移，經(jīng)歷了一個斜率先增大再減小最后趨于0的過程。在靜載較大的200與400 kPa試驗中，此種變化過程并未明顯存在。接下來從穩(wěn)定時間和最終排水量兩方面分析試驗結(jié)果。

首先從穩(wěn)定時間方面來看，相同靜載條件下，聯(lián)合作用均小于單獨(dú)靜載，靜載+振動小于靜載+電滲。靜載+振動和靜載+電滲在穩(wěn)定時間方面的差別可從各曲線的變化趨勢上看出，從各圖中看出，靜載+振動的曲線短時間內(nèi)便逐漸趨于穩(wěn)定，而靜載+電滲卻需在相對較長的時間之后才開始趨于穩(wěn)定，此現(xiàn)象也可理解為振動可在試驗開始后立刻起作用，而電滲則需在固結(jié)進(jìn)行一段時間之后再起作用。聯(lián)合作用各試驗穩(wěn)定時間隨靜載壓力的增加而減小。在靜載+振動和靜載+電滲內(nèi)部，穩(wěn)定時間隨各自的頻率和電壓變化不明顯。

從最終排水量方面來看，對于靜載+電滲，最終排水量隨電壓的增加單調(diào)遞增，即電壓值越大排水效果越好。但靜載+振動排水量隨頻率變化并不是單調(diào)遞增，而是先增加再減小，即頻率值并不是越大越好，而是存在一個最佳振動排水頻率，頻率值大于或小于最佳頻率的排水效果均不好。在各種靜載壓力下，靜載+振動的最大排水量均出現(xiàn)在靜載+6 Hz，靜載+電滲的最大排水量均出現(xiàn)在靜載+30 V，兩因素聯(lián)合作用下最大排水量的出現(xiàn)狀態(tài)不隨靜載壓力的變化而變化。通過對比2種荷載組合的最大排水量會發(fā)現(xiàn)，總體來看靜載+振動的最大排水量大于靜載+電滲，但隨著靜載壓力的增加，二者的差距在縮小，當(dāng)靜載壓力為400 kPa時，靜載+30 V的最終排水量已經(jīng)趕上了靜載+6 Hz。通過與圖3對比可發(fā)現(xiàn)：在各靜載壓力下，聯(lián)合作用均相比于單獨(dú)靜載在最終排水量方面有所增加，為準(zhǔn)確說明排水量增加水平，將聯(lián)合作用與單獨(dú)靜載作用下的最終排水量差值列于表2。

分析表2可看出，靜載+振動照比單獨(dú)靜載的提升數(shù)值總體上明顯大于靜載+電滲，但從數(shù)據(jù)變化趨勢來看，振動的促進(jìn)作用隨靜載的增加大致呈減小的趨勢，而電滲的促進(jìn)作用隨靜載的增大表現(xiàn)出大致增加的趨勢。若僅比較相鄰數(shù)據(jù)，增加或減小的趨勢并不明顯，且具有波動與反復(fù)。若直接對比50和400 kPa的數(shù)值，則增加或減小的趨勢明顯。靜載+1Hz、靜載+6 Hz和靜載+12 Hz分別減小了16.60%、19.95%和14.30%。靜載+10 V、靜載+20 V和靜載+30 V分別增加了5.07%、9.42%和19.09%。400 kPa時靜載+30 V的排水增加量已經(jīng)非常接近靜載+6 Hz，且此時排水量的增量出現(xiàn)了一個突變性的增加。試驗結(jié)果說明：靜載+振動雖然對排水促進(jìn)作用很強(qiáng)，但隨著靜載壓力的提升，其排水優(yōu)勢逐漸減弱，即使在最佳頻率值狀態(tài)也是同樣的結(jié)果。靜載+電滲雖然在較小靜載壓力下促進(jìn)作用較小，但隨著靜載壓力的提升卻未減小，反而在電壓較大時會出現(xiàn)較大幅度的增加，可預(yù)見若提升電壓值則排水量還會繼續(xù)增加。

圖450kPa試驗結(jié)果 圖5100kPa試驗結(jié)果

圖6200kPa試驗結(jié)果 圖7400kPa試驗結(jié)果

表2 相對于單獨(dú)靜載的排水增量

5 利用電滲、振動排水機(jī)理對試驗結(jié)果的解釋

5.1 電滲、振動的排水機(jī)理

(1)電滲排水機(jī)理。 電滲對排水的促進(jìn)作用主要可從兩方面考慮：①從雙電層理論來考慮，依靠自由層內(nèi)的正離子拖拽水分子由正極到負(fù)極運(yùn)動，促進(jìn)排水。②通過電流熱效應(yīng)促進(jìn)介質(zhì)溫度的升高，從而降低黏滯系數(shù)，提升滲透系數(shù)。通過以上兩點(diǎn)可判斷，若想提升電滲排水作用，應(yīng)該做到兩點(diǎn)，即增加可移動導(dǎo)電離子的濃度和增加有效電勢梯度。

(2)振動排水機(jī)理。 振動排水的機(jī)理可從機(jī)械波在介質(zhì)中傳播所產(chǎn)生的作用談起，振動在介質(zhì)中傳播，主要會產(chǎn)生線性交變振動作用、激波作用、定向作用和空化作用。理論上講4種作用對排水的促進(jìn)主要表現(xiàn)在3個方面：①利用振動步調(diào)不同步實現(xiàn)固體和液體的分離，從而減小固體介質(zhì)對液體滲流的阻礙作用進(jìn)而提升滲透系數(shù)。②促進(jìn)孔隙水壓力的提升，形成較大的壓力梯度和直流定向力，從而促進(jìn)固結(jié)排水。③通過高溫高壓效應(yīng)提升介質(zhì)溫度，減小黏滯系數(shù)。振動過程若想實現(xiàn)上述3種作用，一個主要前提是介質(zhì)內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)必須能夠振動起來，振動的幅度越大振動作用的排水效果會越明顯，若某種原因抑制了介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的振動，也就抑制了振動的排水作用。振動和電滲均具有熱效應(yīng)，但通過試驗發(fā)現(xiàn)，振動作用的熱效應(yīng)并不明顯，電滲的熱效應(yīng)明顯一些。

5.2 對相關(guān)試驗現(xiàn)象的解釋

在聯(lián)合作用試驗中，靜載較小時出現(xiàn)了斜率的變化，由振動和電滲的排水機(jī)理可解釋為：靜載壓力較小的狀態(tài)，電滲的排水作用與靜載相比很小，基本可以忽略，因此曲線與單獨(dú)靜載排水基本相同，隨著試驗的進(jìn)行，試件體積變小，內(nèi)部導(dǎo)電離子濃度升高，試件與電極接觸緊密，試件導(dǎo)電性增強(qiáng)，電滲排水能力得到提升，彌補(bǔ)了靜載排水量的減小，因此曲線斜率出現(xiàn)增加的趨勢。但靜載較大的狀態(tài)，試驗開始后較短時間內(nèi)即出現(xiàn)了試件體積的迅速減小和電極與試件的緊密接觸，因此沒有出現(xiàn)斜率的變化過程。

縱觀所有聯(lián)合作用試驗結(jié)果，可概括出一個基本趨勢為：靜載壓力越大，振動排水的作用便會減弱，電滲排水的優(yōu)勢便會凸顯出來。比如前述振動與電滲的最大排水量差值隨靜載壓力的增加而減小。該趨勢出現(xiàn)的原因可從振動和電滲的排水機(jī)理方面來進(jìn)行解釋。原因為：隨著靜載的增加和固結(jié)的進(jìn)行，試件密度越來越大，顆粒之間的作用越來越強(qiáng)，內(nèi)部質(zhì)元振動起來越來越困難，則固體和液體分離也越來越困難，因此振動荷載對排水的促進(jìn)作用會越來越弱。但隨著靜載的增加和固結(jié)的進(jìn)行，試件體積變小，導(dǎo)電離子的濃度變高，電極與試件的結(jié)合變得緊密，整個回路的導(dǎo)電能力得到了加強(qiáng)，因此電滲的作用開始變得明顯。

6 結(jié) 論

(1)聯(lián)合作用中，在靜載的基礎(chǔ)上增加排水因素進(jìn)行組合排水時，若增加振動和電滲中的一種總排水量一定有所增加，同時固結(jié)穩(wěn)定的時間也會減少，在靜載較小狀態(tài)，振動對靜載排水的促進(jìn)作用優(yōu)于電滲，但隨著靜載的增加，電滲對靜載排水的促進(jìn)作用會趕上甚至超過振動。

(2) 頻率是振動排水的主要影響因素，頻率值越接近最佳頻率排水量越大。電滲排水的影響因素為電勢梯度，作用于試件內(nèi)部的有效電勢梯度越大排水量越大。在靜載壓力較小或是固結(jié)的初始階段，振動排水效果比較明顯，但靜水壓力較大或是固結(jié)后期，介質(zhì)密度變大，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)振動困難，此時電滲排水效果較好。