貴州巖溶山谷堆場赤泥的物理力學特性分析★

劉 世 喜

(貴州省交通建設工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州 貴陽 550081)

1 概述

貴州屬于典型的巖溶山區(qū)，巖溶溝谷、洼地極為發(fā)育。大型的巖溶溝谷和洼地是天然的尾礦、尾渣的堆棄場地。赤泥是利用鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的一種帶堿性泥漿狀廢棄物[1]。目前我國處理赤泥的主要措施是露天筑壩堆存。赤泥因顆粒細小、含水量大、滲透性差，所以堆存困難，容易產(chǎn)生赤泥堆積體失穩(wěn)、赤泥壩潰壩、堆場滲漏等災害，且一旦發(fā)生這些災害將嚴重影響周圍的土壤、水和生態(tài)環(huán)境。

中鋁貴州扎塘赤泥堆場為巖溶山谷型赤泥堆場，于1988年建成投入使用。隨著制鋁業(yè)的高速發(fā)展，赤泥的生產(chǎn)量在不斷增加，為了有效利用赤泥堆場，就需要充分研究赤泥在不同堆存深度的物理力學特性，為赤泥堆積體的安全穩(wěn)定計算提供參數(shù)[2,3]。因此，本文提出以貴州扎塘赤泥堆場為研究區(qū)，開展不同堆積深度赤泥物理力學性質(zhì)的研究。

貴州扎塘赤泥堆場位于貴陽市白云區(qū)曹關村。區(qū)域內(nèi)河流屬長江流域烏江水系，地貌上屬于黔中巖溶峰叢谷地[4]，主要地層巖性為第四系殘坡積層、二疊系棲霞茅口組灰?guī)r、梁山組泥頁巖、三疊系大冶組灰?guī)r、安順組白云巖[5]，具體地層分布如圖1所示。

2 樣品與實驗

赤泥取樣利用XY-200型鉆機鉆探取樣，設計ZK1,ZK2兩個鉆孔，取樣深度為50 m。本次實驗采用ZK1鉆孔樣品，取1 m原狀樣現(xiàn)場密封帶回實驗做物理力學指標的測試。剩余4 m赤泥擾動樣運回實驗室后按每5 m分10組擺放，自然風干，碾碎并充分混合，每段取少量赤泥樣品用于粒徑分析。

實驗用的主要儀器有液塑限聯(lián)合測定儀、烘箱、電子天平、比重瓶、電沙浴、應變式直剪儀、杠桿式壓縮儀、激光粒度分布儀等，實驗中液限為76 g圓錐體沉入土樣中深度為10 mm時所對應的含水量。

3 物理特性

在不同深度范圍內(nèi)赤泥的固相、液相相互作用表現(xiàn)出來的性質(zhì)有所不同，所以物理性質(zhì)會產(chǎn)生相應變化，因此，在堆場35 m深度范圍內(nèi)每隔5 m進行一次鉆孔取樣來分析物理性質(zhì)指標的變化，主要指標統(tǒng)計見表1。

表1 赤泥物理性質(zhì)指標

試樣編號取樣深度/m密度g/cm3比重顆粒中粒徑/μm含水率%液限%塑限%塑性指數(shù)14.8～5.01.4612.16811.1888.5271.6533.538.15210.0～10.21.4632.6488.4162.1872.7556.3816.37314.8～15.01.4642.9848.2275.1672.1051.5020.60419.8～20.01.4653.38110.1498.5181.0060.0021.00524.8～25.01.7492.85311.3165.9256.0035.5020.50629.8～30.01.5322.49910.2076.7368.0020.5047.50734.8～35.01.5132.96321.6291.3980.5046.5034.00

從表1可以看出，不同深度赤泥的密度在1.461 g/cm3～1.794 g/cm3之間，其中6個樣品的密度值都小于1.6，僅有1個大于1.6，在25 m深度，且有從上到下逐漸增大的趨勢，在25 m處出現(xiàn)一個峰值，原因可能是由于水動力條件的增強導致的，因為在該場區(qū)地下水的埋深大約在20 m，因此，在25 m深度范圍由于水動力條件增強，大顆粒的赤泥得到遷移匯聚，使得密度出現(xiàn)了峰值，總體上屬于細粒土。土粒比重在2.168～3.381區(qū)間范圍，其中有4個大于2.76，與粘土相似。顆粒中粒徑在8.41 μm～21.62 μm之間，7個樣品的值都小于75 μm，屬于細粒土。

在不同深度下含水率的值在62.18～98.51之間，數(shù)值較大，且在10 m～20 m深度范圍出現(xiàn)逐漸升高的趨勢，在20 m處出現(xiàn)峰值，在20 m～35 m深度范圍又出現(xiàn)逐漸升高的趨勢，出現(xiàn)這種分段變化的原因可能是不同期次生產(chǎn)的赤泥顆粒的疊加堆積與場區(qū)地下水位的影響引起。

在實際工程中，土的液限和塑限是決定土的工程性質(zhì)的2個界限含水量。從表1可以看出，赤泥在0 m～35 m深度范圍，液限都大于50%，屬于高液限土。在0 m～20 m深度范圍液限和塑限都有隨著深度的增加而增大的規(guī)律，在20 m處處于峰值，在20 m以下又出現(xiàn)隨著深度的增加而增大的規(guī)律。出現(xiàn)這種變化的原因與含水率相同，主要由于堆積期次和地下水埋深引起。從含水性指標可以得出，赤泥在0 m～35 m范圍分2段分別出現(xiàn)由上至下塑性狀態(tài)由硬變軟的趨勢，這與粘性土的“反剖面”性質(zhì)相似。

綜上所述，赤泥有顆粒細小、密度小、含水率大、液塑限大的物理性質(zhì)，即有類似粘性土的物理性質(zhì)。

4 力學特性

4.1 抗剪性

采用應變控制式直剪儀，依次對0 m～20 m深度的4組16個赤泥原狀土樣品進行直接剪切實驗，得到不同堆積深度赤泥樣的抗剪強度指標粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ，如表2和圖2所示。

表2 抗剪強度指標統(tǒng)計表

從表2可以看出，堆場0 m～20 m深度原狀赤泥樣的粘聚力在1.83 kPa～7.49 kPa范圍，且具有隨深度的增加逐漸變小的趨勢，這與含水率的變化保持一致，說明赤泥在包氣帶以內(nèi)受自重壓力和濾水條件的影響下，抗剪強度有逐漸減小的趨勢。內(nèi)摩擦角在9.36°～11.78°范圍，變化較小，僅僅相差2.42°，且具有隨深度的增加逐漸增大的趨勢，但對抗剪強度影響不大。從粘聚力和內(nèi)摩擦角2個指標總體來看，赤泥的抗剪強度具有逐漸減小的趨勢，但總體變化不大，這表明赤泥土體抗剪強度的大小與堆放時間的長短沒有直接的關系。

從圖2的抗剪強度與垂直壓力關系曲線同樣可以看出，在不同深度下赤泥的抗剪強度指標粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ變化不大，這表明赤泥抗剪強度的大小與堆放時間的長短沒有直接的關系。

4.2 壓縮性

采用杠桿式壓縮儀法，依次對0 m～20 m深度的3組12個赤泥原狀土樣品進行固結(jié)實驗，得到不同堆積深度赤泥樣的e—p變化曲線和壓縮系數(shù)a1-2和壓縮模量Es指標，如表3和圖3～圖5所示。

從表3和圖3～圖5可以看出，赤泥在5 m深度范圍，隨著壓力的增大孔隙比逐漸減小，且減小的趨勢較強。在10 m深度范圍，也出現(xiàn)隨著壓力的增大孔隙比逐漸減小，且減小的趨勢較強。在20 m深度范圍，也出現(xiàn)隨著壓力的增大孔隙比逐漸減小，但有減小到一定程度后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。

表3 不同深度土樣固結(jié)實驗指標統(tǒng)計表

根據(jù)固結(jié)實驗得到的指標，對不同深度赤泥的壓縮系數(shù)a1-2和壓縮模量Es進行計算,其結(jié)果見表4。從表4可以看出，隨著深度的增加壓縮系數(shù)逐漸減小，壓縮模量逐漸增加，這表明赤泥在包氣帶范圍內(nèi)隨著深度的增加，在自重壓力和濾水條件作用下逐漸固結(jié)。

表4 不同深度土樣壓縮指標統(tǒng)計表

綜上分析可知，巖溶山谷堆場赤泥的抗剪強度與堆放時間的長短沒有關系，壓縮性與堆放時間有關，且隨著堆放時間的增加，壓縮性逐漸減小，即赤泥逐漸被固結(jié)。

5 結(jié)語

通過對貴州巖溶山谷堆場赤泥的物理力學性質(zhì)研究得出如下結(jié)論：

1)赤泥有顆粒細小、密度小、含水率大、液塑限大的物理性質(zhì)，且有在包氣帶物理性質(zhì)指標會隨深度的增加而增大的規(guī)律。

2)赤泥有抗剪強度小、壓縮性大的力學性質(zhì)。

3)赤泥的抗剪強度與堆放時間的長短沒有關系，壓縮性與堆放時間有關，且有隨著堆放時間的增加壓縮性逐漸減小的規(guī)律。