細粒含量對尾礦臨界狀態(tài)參數(shù)的影響

胡再強，陳振鵬,2，秦秋香,2，焦韓偉，吳 朋，周衡立

(1.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

尾礦作為一種人造固體廢棄物，其成土過程與常規(guī)砂土不同，勢必無法將對砂土性質的研究應用于尾礦工程中[1]。而礦石品位的降低和細粒選礦技術的推廣，導致修筑尾礦壩的顆粒呈現(xiàn)細?；厔荩M而影響尾礦料力學性質[2-3]。因此，展開細粒含量對尾礦料臨界狀態(tài)影響的研究，可以為筑壩尾礦選料和壩體穩(wěn)定性分析提供理論參考，并具有一定的理論價值與工程意義。

尾礦顆粒級配反映了土體骨架的大小和礦物組成情況，對尾礦的物理力學性質去決定性作用。將尾礦料從粗粒土過渡到細粒土的細粒含量定義為臨界細粒含量。確定臨界細粒度含量對于研究細粒度效應具有重要的工程意義。喬蘭等[4]對不同細粒含量的尾礦料進行滲透試驗，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)的細粒效應明顯，確定其臨界細粒含量為25%。張超等[2，5-6]探討了細粒含量對尾礦砂動力特性的影響，發(fā)現(xiàn)尾礦的抗液化性能隨著細粒含量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。潘建平[7]發(fā)現(xiàn)在高應力條件下，細粒含量小于15%時，剪切強度隨著細粒含量的增加而減小。Jehring等[8-10]研究了細粒含量、礦物成分對剪切強度的影響，指出只有當細粒含量大于某一閥值時，剪切強度才隨細粒含量的增加而減小。Khalili[11]的試驗結果表明，剪切強度總是隨細粒含量的增加而減少，之間不存在細粒含量的閥值。綜合文獻可見，目前對尾礦臨界細粒含量的研究結果不盡相同，需要進一步研究。

細粒含量對臨界狀態(tài)參數(shù)的位置有顯著的影響。Pitman等[9-10]的研究表明，在e-lgp′空間內，臨界狀態(tài)線會隨著細粒含量的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢。徐令宇[11]等對三種砂類土進行一系列的三軸不排水壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)在q-p′空間內，隨著細粒含量的增加，臨界狀態(tài)線基本不變。張一希等[12]對不同細粒含量的黃土進行CU試驗，發(fā)現(xiàn)臨界狀態(tài)線總是隨著細粒含量的增加向下移動。可見細粒含量的對臨界狀態(tài)參數(shù)的影響機制較為復雜，試驗所用材料性狀不同，試驗結果也存在一定出入，且尾礦料又與常規(guī)砂土不同，有必要展開進一步的研究。

2 試樣制備及試驗方案

2.1 試驗材料

試驗所用金屬尾礦取自新疆伊犁地區(qū)某一尾礦壩的上游干灘。為保證所取試樣具有代表性，沿垂直于壩軸線方向，在灘面上設置5個取樣點，取樣深度為灘面以下10 cm左右，所取尾礦均為尾粉質黏土，呈淡黃綠色，質地較為松散，烘干后過2 mm篩備用。表1為其基本物理性質指標。

表1 尾礦的基本物理性質指標

2.2 試樣制備

采用水篩法祛除P3尾礦中的細粒，將得到的砂粒烘干后與P5尾礦按比例混摻，配制為細粒含量0%，10%，30%，60%，80%的混合尾礦料，依次對應編號1#～5#。依據(jù)我國的尾礦工程分類標準，1#～4#為砂性尾礦，5#為粘性尾礦。將所取金屬尾礦烘干后碾散，即可作為電子探針試驗的試樣，而三軸試樣則需將配制好的混合尾礦料配水后進行重塑。為更好的控制孔隙比，獲取更為均勻的試樣[15]，本文采用靜壓法制備三軸試樣。將配制好的混合尾礦加水攪拌均勻，存放在保鮮袋內密封，靜置于保濕缸內48 h以上。按所需干密度稱重，分五層壓實，制成直徑×高度=39.1 mm×80 mm的標準圓柱形樣。

2.3 試驗方法

為研究金屬尾礦中砂粒和細粒的礦物組成，利用電子探針試驗對其礦物成分進行分析。為了確定尾礦料的臨界細粒含量，探究臨界狀態(tài)參數(shù)的漸變規(guī)律，對多個干密度的混合尾礦料進行一系列的三軸固結排水剪切試驗，剪切速率采取0.08 mm/min，軸向應變達到至少23%時停止試驗，具體試驗方案見表2，其中試樣編號1#-1.323-50表示1#混合尾礦編，固結后干密度1.323 g/cm3，有效固結圍壓50 kPa。

表2 三軸固結排水剪切試驗方案

3 臨界細粒含量的判定

3.1 混合尾礦料礦物成分分析

肉眼觀察烘干后的尾礦料，發(fā)現(xiàn)其砂粒呈淡黃色，手捻時有明顯顆粒感，不具黏性，極易分散，加水后無團聚現(xiàn)象。其細粒呈淺黃綠色，手捻時無顯著顆粒感，略有粘性，碾壓可以使其基本分散，加水后團聚現(xiàn)象較為明顯。

依據(jù)電子探針試驗結果繪制雷達圖，如圖1所示。由電子探針試驗結果可知，該金屬尾礦的主要礦物成分為石英、綠泥石、方解石和絹云母(還有微量的角閃石、高嶺石和其它金屬礦物)?？梢娚傲?FC=0%)和細粒(FC=100%)的主要礦物成分較為相似，細粒中石英和綠泥石含量較砂粒更高，而方解石和絹云母含量較少。隨著細粒含量的增加，混合尾礦的礦物成分變化較小，這種細小的差異難以解釋細粒含量對混合尾礦料力學性質的影響，所以不能僅依靠尾礦的礦物成分分析細粒含量對金屬尾礦力學性質的影響，更無法斷定金屬尾礦的臨界細粒含量。

圖1 混合尾礦料的礦物成分

3.2 混合尾礦料級配分析

配制的混合尾礦料物理性質指標見表3，其級配如圖2所示，可見細粒含量小于30%時級配不良，細粒含量大于30%時級配良好，即隨著細粒含量的增加，混合尾礦由級配不良向級配良好逐漸過渡，而細粒含量30%為其分界點。由此可見，試驗所用金屬尾礦的臨界細粒含量可定為30%。

表3 混合尾礦料物理性質指標

圖2 混合尾礦的粒徑分布

細粒含量的不同造成了混合尾礦料組構特性的差異，對其力學性質與工程特性具有較大的影響。因選礦工藝的不同，作為骨架基本單元的尾礦顆粒不具備相似的外觀和特征長度。為了精確簡便的表征混合尾礦料的分形特征，本文采用粒徑的質量分布對細粒含量的影響進行分析。

小于尾礦顆粒粒徑 d的顆粒百分含量P(d)與尾礦粒徑 d的關系采用Talbot[16]提出的級配方程式描述：

P(d)=(d/dmax)3-D×100%

(1)

式中：dmax為混合尾礦料的最大粒徑，D為分形維數(shù)。分形維數(shù)越大，表明混合尾礦料的分選性越差，級配越良好。

分形維數(shù)的計算結果如表4所示，可見隨著細粒含量的增加，混合尾礦料的分形維數(shù)逐步增加，表明了混合尾礦料的顆粒級配越來越好，但無法斷定混合尾礦的級配是否良好，所以利用相關系數(shù)作為另一判別指標。當細粒含量小于30%時，相關系數(shù)小于0.94，不滿足相關性的要求，表明尾礦存在多個分維，判定為級配不良，這與基于不均與系數(shù)和曲率系數(shù)的判定結果一致?？梢钥紤]將臨界細粒含量定為30%。

表4 混合尾礦料的粒徑分維特征

3.3 混合尾礦料孔隙比分析

通過振動錘擊法和量筒法測得不同細粒含量尾礦料的最大干密度和最小干密度，換算為最小孔隙比與最大孔隙比后與繪制于圖3，可見最大、最小孔隙比隨著細粒含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且在細粒含量為30%處取得最小值。

圖3 混合尾礦的最大、最小孔隙比

對于在最密實狀態(tài)下得到的最小孔隙比而言，在細粒含量達到30%前，細粒僅作為尾礦中砂粒間孔隙的填充物，并未參與接觸力的傳遞，尚未構成骨架的一部分，粒間孔隙比基本不變，但會因孔隙被逐步填充而導致孔隙比減?。辉诩毩：坑庠?0%之后，粒間孔隙被完全填充，砂粒被盈余的細粒逐步包裹、隔離開來，細粒像“楔子”一般嵌入砂粒之間，使得砂粒在細粒間懸浮，比表面積逐步增大，孔隙比也隨之上升。最大孔隙比也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。綜上所述，所以本文中采用金屬尾礦的臨界細粒含量可采用為30%。

4 細粒含量對臨界狀態(tài)的影響

4.1 細粒含量對臨界狀態(tài)線的影響

由于無法判定尾礦顆粒是否構成土體骨架的一部分，所以孔隙比無法精確的反應密度對混合尾礦料力學特性的影響，而臨界狀態(tài)框架提供了一個完整的理論來描述所有密度下尾礦料的力學特性。

圖4和圖5為細粒含量0%的混合尾礦料的CD試驗結果?？梢姡瑢τ谳^為松散的飽和尾礦料，在不同的圍壓下呈應變弱硬化型，而密實的飽和尾礦則呈現(xiàn)應變軟化型，在軸向應變達到20%之前基本均達到臨界狀態(tài)。

圖4 1#尾礦的偏應力-軸向應變曲線

圖5 1#尾礦的體積應變-軸向應變曲線

基于圖4、圖5繪制飽和尾礦料常規(guī)三軸壓縮應力路徑下的e-lgp′曲線，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)隨著平均有效應力的增加，較為松散尾礦的體積應變增大，孔隙逐步降低，發(fā)生剪縮；而密實的尾礦的體積與孔隙比則呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，即先剪縮，后剪脹，最終達到臨界孔隙比。

圖6 1#尾礦在e-lgp′空間的臨界狀態(tài)線

在CD試驗中，臨界狀態(tài)為試樣的最終狀態(tài)，在該狀態(tài)下，就同一級配的混合尾礦料而言，即使其初始孔隙比不同，但隨著平均有效應力的增加，其孔隙比或減少，或先減后增，都會各自趨于一個固定的孔隙比，即臨界孔隙比ecs，在e-lgp′空間內將其用一條直線擬合即得到了此細粒含量下金屬尾礦的臨界狀態(tài)線。依據(jù) Schofield[17]在臨界狀態(tài)土力學框架中的定義，可以用方程(2)描述：

(2)

表4 混合尾礦料的臨界狀態(tài)線參數(shù)

圖7展示了不同細粒含量下尾礦的臨界狀態(tài)線，結合表4可見，當細粒含量小于30%時，隨著細粒含量增加，截距減小，臨界狀態(tài)線向下移動，但斜率變化很?。欢敿毩：砍^30%后，隨著細粒含量增加，截距增大，臨界狀態(tài)線上移，斜率明顯增大。

圖7 不同細粒含量下的臨界狀態(tài)線

結合圖8、圖4可見，斜率與細粒含量不具備較好的線性相關性，但與最大孔隙比展現(xiàn)出相似的規(guī)律。在細粒含量達到臨界細粒含量30%之前，雖然細粒逐漸填充了尾礦砂粒之間的孔隙，但并未改變粒間孔隙比，尾礦顆粒間仍以滑動摩擦為主，此時尾礦骨架與細粒含量為0%時大致相同，對其壓縮性影響較小，反映在臨界狀態(tài)線上即為斜率的微小降低。而細粒含量超過30%后，使得土體骨架中存在大量細粒，起到“滾珠”作用，有利于顆粒間的相互運動，壓縮性大幅增加，斜率急劇上升。圖9為臨界狀態(tài)線截距與最大孔隙比的關系，可見二者呈線性相關，即尾礦的最大孔隙比越大，其截距越大，臨界狀態(tài)線位置越高。

圖8 臨界狀態(tài)線斜率與細粒含量的關系

圖9 臨界狀態(tài)線截距與最大孔隙比的關系

由此可見，在細粒含量30%前后時臨界狀態(tài)線的變化非常明顯，可以認定本文采用的金屬尾礦料的臨界細粒含量為30%。

4.2 細粒含量對應力膨脹參數(shù)的影響

目前的研究表明，臨界狀態(tài)不僅與孔隙比有關，也與特定的應力比相關[18]，在q-空間內，臨界狀態(tài)依據(jù)Schofield[17]在臨界狀態(tài)土力學框架中的定義，應力膨脹方程式可以表達為：

(3)

(4)

圖10 1#尾礦在q-p′空間的臨界狀態(tài)線

對不同干密度的混合尾礦料進行CD試驗，得到峰值應力比ηmax與最大膨脹率Dmin的關系，如圖11所示，并用式(5)進行擬合，其斜率即為體積耦合系數(shù)Ntc：

ηmax=Mtc-(1-Ntc)Dmin

(5)

應力膨脹參數(shù)Mtc，φcs與Ntc的擬合結果如表5所示。由表5可見，隨著細粒含量增加，混合尾礦料的臨界應力比Mtc與臨界摩擦角φcs均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并在細粒含量為30%時達到峰值；且細粒含量為80%時相比于細粒含量為0%時具有更大的和。

圖11 1#尾礦料峰值應力比與最大膨脹性

結合圖3與表5可知，在細粒含量較低時，尾礦砂粒之間存在大量的孔隙，比表面積較小，在剪切過程中，以砂粒的翻滾、重新排列為主，臨界應力比Mtc與臨界摩擦角φcs相對較小；隨著細粒含量增加，砂粒間的孔隙被漸漸填充，顆粒間充分接觸，比表面積漸漸增大，致使摩擦力上升，Mtc與φcs也隨之增加；而當細粒含量超過30%時，細粒不僅完全填充砂粒間的孔隙，逐漸會有盈余的細粒出現(xiàn)在砂粒間的接觸面上，起到“潤滑”的作用，使得抗剪強度逐步衰減，從而導致Mtc與φcs呈現(xiàn)減小趨勢。由此可見，細粒含量30%是混合尾礦料Mtc與φcs的分界點，可以作為本文采用的金屬尾礦料的臨界細粒含量。

表5 混合尾礦料的應力膨脹參數(shù)

從表5中可見，體積耦合系數(shù)并沒有展現(xiàn)出與細粒含量相關的規(guī)律。除細粒含量為60%的尾礦料具有更大的體積耦合系數(shù)外，其余混合尾礦料都具有出相似。

4.3 細粒含量對狀態(tài)膨脹系數(shù)的影響

目前的研究表明，土的最大剪脹率和土體狀態(tài)呈線性相關，且具有唯一性[16]。將此引入混合尾礦料的研究中，繪制不同細粒含量混合尾礦料的狀態(tài)參數(shù)與最大膨脹率的關系圖，如圖12所示，其斜率即為狀態(tài)膨脹系數(shù)：

Dmin=χtcψ

(6)

其中，狀態(tài)參數(shù)ψ是相對密度的替代參數(shù)，其考慮了孔隙比和圍壓影響可定義為：

ψ=e-ecs

(7)

其中，e為當前狀態(tài)下的孔隙比，ψ取正值表示土體處于松散狀態(tài)，反之則處于密實狀態(tài)。擬合結果如表6所示。

圖12 1#尾礦的最大膨脹率與狀態(tài)參數(shù)

由表6可見試驗采用的金屬尾礦料的狀態(tài)膨脹系數(shù)介于3.179～8.338，大于典型砂土的2～5；結合表3、表4可知，級配越好的混合尾礦料(FC=30%，60%，80%)具有更大的狀態(tài)膨脹系數(shù)；細粒含量為30%的混合尾礦料狀態(tài)膨脹系數(shù)最大，且顯著高于其他細粒含量下的狀態(tài)膨脹系數(shù)。由此可以判定本文采用的金屬尾礦料的臨界細粒含量為30%。

表6 混合尾礦料的狀態(tài)膨脹系數(shù)

5 結語

研究細粒含量對尾礦臨界狀態(tài)參數(shù)的影響，可以為尾礦本構模型的改進提供理論參考，對尾礦壩的設計提供理論指導，具有實際的工程意義。本文通過對不同細粒含量的尾礦料進行室內試驗，從顆粒級配、礦物成分和臨界狀態(tài)參數(shù)對尾礦的細粒含量效應進行了研究，得出以下結論：

(1)孔隙比、臨界應力比等多個物理性質指標體現(xiàn)出尾礦的細粒含量效應，并在細粒含量為30%時出現(xiàn)轉折點，可擬定試驗所用金屬尾礦料的臨界細粒含量為30%。

(2)在e-lgp′空間內，當細粒含量小于30%時，細粒含量的增加使得臨界狀態(tài)線緩慢向下移動，且斜率逐漸減小，當細粒含量超過30%后，臨界狀態(tài)線迅速向上移動，斜率大幅增加；而在q-p′空間內，隨著細粒含量的增加，臨界狀態(tài)線斜率則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

(3)體積耦合系數(shù)和狀態(tài)膨脹系數(shù)均未與細粒含量產生相關性，Ntc在細粒含量為60%時取得最大值，而χtc仍在臨界細粒含量30%處取得最大值。