紅土鎳礦尾渣三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

王希萌，郭利杰，李文臣，張志紅

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司， 北京 100160)

鎳是一種重要的戰(zhàn)略金屬，具有很好的可塑、耐腐蝕和耐高溫等性能，廣泛地應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、能源等領(lǐng)域。隨著鎳資源開(kāi)采的急劇增加，產(chǎn)生的尾渣日益增多，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分尾渣堆存于尾礦庫(kù)中，形成尾渣堆場(chǎng)[1]。尾渣堆場(chǎng)穩(wěn)定是保證礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及下游居民、設(shè)施安全的重要保障。能否準(zhǔn)確測(cè)定尾渣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是決定尾渣堆場(chǎng)工程成敗與設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵，同時(shí)尾渣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也是尾渣堆場(chǎng)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的重要參數(shù)[2]。因此研究尾渣的抗剪強(qiáng)度特性對(duì)尾渣堆場(chǎng)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有非常重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)尾渣抗剪強(qiáng)度特性方面已進(jìn)行了較多研究。尹光志等[3]開(kāi)展了羊拉銅礦尾礦料的固結(jié)快剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銅礦尾礦料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以剪縮性為主。梁冰等[4]和海龍等[5]為探究含水率和壓實(shí)度對(duì)尾礦抗剪強(qiáng)度特性的影響，以某鐵礦和鉛鋅礦為研究對(duì)象開(kāi)展室內(nèi)剪切試驗(yàn)，得到了尾礦的抗剪強(qiáng)度與其含水率和壓實(shí)度具有相關(guān)性的結(jié)論。林海等[6]研究了銅、鎢兩種尾砂在不同含水率下抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，研究結(jié)果表明兩種尾砂遇水后會(huì)表現(xiàn)出一定的黏聚力而使抗剪強(qiáng)度有所增強(qiáng)，隨著含水率從10%增加到20%，鎢尾砂的黏聚力不斷地減小而使其抗剪強(qiáng)度不斷降低。阮慶等[1]和聶亞林[7]通過(guò)直剪試驗(yàn)測(cè)定了不同堆放高度下尾砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，討論分析了堆放高度變化對(duì)尾砂抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律。于丹等[8]通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)尾粉土、尾粉砂、尾粉質(zhì)黏土三種尾礦土的主要物理指標(biāo)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，分析物理指標(biāo)變化對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)兩指標(biāo)具有相關(guān)性，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可通過(guò)物理指標(biāo)推斷出來(lái)。Ozcan等[9]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定了土耳其某銅鋅礦庫(kù)尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并進(jìn)而分析了該尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性。黃燕偉等[10]開(kāi)展了尾礦料在不同干密度下的直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)尾礦料的干密度與抗剪強(qiáng)度具有相關(guān)性，干密度大的尾礦料抗剪強(qiáng)度也隨之增大。Dimitrova等[11]研究不同含水率的尾礦抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，得出尾礦的不排水抗剪強(qiáng)度隨含水率的降低而增大。楊建永等[12]采用固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)對(duì)贛南地區(qū)的鎢鉬尾砂的剪切特性進(jìn)行研究，探究了細(xì)粒含量對(duì)尾砂的強(qiáng)度特性影響規(guī)律，得出隨著細(xì)粒含量的增加，鎢鉬尾砂內(nèi)摩擦角逐漸減小的結(jié)論。

已有研究成果表明，尾渣的抗剪強(qiáng)度主要受尾渣種類、粒徑組成、含水率和壓實(shí)度等因素影響[13-14]，其中含水率與壓實(shí)度是影響尾渣抗剪強(qiáng)度的重要因素，本文以紅土鎳礦尾渣試樣為研究對(duì)象，開(kāi)展了室內(nèi)固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，探究不同含水率條件下尾渣的抗剪強(qiáng)度特性變化規(guī)律，旨在為紅土鎳礦尾渣堆場(chǎng)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供可靠的力學(xué)參數(shù)，并為類似工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 紅土鎳礦尾渣基本物性參數(shù)

尾渣試樣基本物性參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T 50123—2019)中的相關(guān)操作規(guī)定執(zhí)行，其中液限和塑限采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定，結(jié)果如表1所示。顆粒分析試驗(yàn)采用比重計(jì)法進(jìn)行測(cè)試，獲得了尾渣試驗(yàn)樣的粒徑級(jí)配分布(見(jiàn)表2)。通過(guò)對(duì)尾渣開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)(輕型)，測(cè)得試樣最大干密度為1.56 g/cm3，最優(yōu)含水率為35.6%，擊實(shí)曲線如圖1所示。

表1 紅土鎳礦尾渣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 紅土鎳礦尾渣顆粒組成百分比測(cè)試結(jié)果

圖1 ρd-w關(guān)系曲線

通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)，測(cè)得尾渣粒徑主要分布范圍為0.075 mm～0.005 mm，占試樣總質(zhì)量的89%，即紅土鎳礦尾渣主要由粉粒構(gòu)成，屬于細(xì)粒土的范疇，根據(jù)《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》[16](GB 50547—2010)，將其定名為尾粉質(zhì)黏土。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用TSZ-2全自動(dòng)應(yīng)力式三軸儀進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。該儀器能夠進(jìn)行固結(jié)不排水剪(CU)、固結(jié)排水剪(CD)、不固結(jié)不排水剪(UU)等剪切試驗(yàn)。該儀器主要技術(shù)指標(biāo)：圍壓、反壓和孔隙壓力范圍為0～2MPa，剪切速率范圍為0.000 1 mm/min～4.800 0 mm/min。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，紅土鎳礦尾渣采用干式堆存工藝，采用分層法從堆場(chǎng)所在溝谷的溝前端底部開(kāi)始從前到后、自下而上進(jìn)行分層排礦、攤平、碾壓。為了模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際堆填工況，強(qiáng)度試驗(yàn)采用固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)(CU試驗(yàn))。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GB 50863—2013)，當(dāng)尾渣干式堆存時(shí)，尾渣應(yīng)分層碾壓加高，對(duì)堆積壩體穩(wěn)定性有影響的區(qū)域，尾渣壓實(shí)度要求不應(yīng)低于92%，對(duì)堆積壩體穩(wěn)定性無(wú)影響的區(qū)域，碾壓標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)降低。當(dāng)尾渣壓實(shí)度為最低限值92%時(shí)，通過(guò)ρd-w關(guān)系曲線可得到其對(duì)應(yīng)含水率為31%。冶煉廠壓濾車間設(shè)計(jì)尾渣含水率為35%，通過(guò)ρd-w關(guān)系曲線可得到其對(duì)應(yīng)干密度為1.554 g/cm3，壓實(shí)度達(dá)到99.6%。為探究紅土鎳礦尾渣碾壓堆填時(shí)，規(guī)范要求最低壓實(shí)度限值、極限壓實(shí)度以及實(shí)際堆場(chǎng)設(shè)計(jì)壓實(shí)度對(duì)應(yīng)的含水率條件下尾渣強(qiáng)度特性，選取三種工況開(kāi)展尾渣試樣強(qiáng)度試驗(yàn)，分別為：含水率35.6%(壓實(shí)度100%)、含水率35%(實(shí)際堆場(chǎng)設(shè)計(jì)壓實(shí)度)、含水率31%(壓實(shí)度92%)。

依據(jù)上述含水率和壓實(shí)度制備CU試驗(yàn)試樣，即直徑為39.1 mm，高為80 mm的實(shí)心圓柱體試樣，按照設(shè)計(jì)規(guī)劃進(jìn)行3組試樣的試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)。試驗(yàn)主要步驟依次為制備試樣、試樣飽和、固結(jié)、剪切、拆樣。對(duì)每組試樣分別施加的圍壓為100 kPa，250 kPa和400 kPa，進(jìn)行恒定的剪切速率為0.080 mm/min的三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，由應(yīng)變控制軸向加載，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)終止加載。

圖2 紅土鎳礦尾渣試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性

對(duì)土的各種力學(xué)特性的核心研究問(wèn)題是土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的準(zhǔn)確描述[18-19]，因此，研究試樣在剪切過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系顯得尤為重要。由剪切強(qiáng)度試驗(yàn)得到的3組紅土鎳礦尾渣CU三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，尾渣軸向應(yīng)變小于5%時(shí)，隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力(σ1-σ3)迅速增大，超過(guò)該范圍，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，而后偏應(yīng)力增大幅度減小，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線無(wú)明顯峰值點(diǎn)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型。當(dāng)尾渣含水率為31%時(shí)，在250 kPa和400 kPa圍壓下，試驗(yàn)中后期，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有緩慢下降趨勢(shì)，但下降幅度較小,緩慢下降一段時(shí)間后曲線不再下降而趨于平穩(wěn)，且圍壓在100 kPa時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯應(yīng)變硬化型。

圖3 紅土鎳礦尾渣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

另外，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線中，初始偏應(yīng)力增長(zhǎng)速率和拐點(diǎn)處應(yīng)力值均隨有效固結(jié)圍壓增大而逐漸增大，拐點(diǎn)位置右移，這與文獻(xiàn)[18]得到的結(jié)論相似。各試樣在達(dá)到同一軸向應(yīng)變時(shí)的偏應(yīng)力，隨圍壓的升高而顯著提升，主要是由于隨著圍壓逐漸升高，土顆粒間更加密實(shí)，土體能夠承受的變形更大，承受外荷載能力越強(qiáng)，即紅土鎳礦尾渣的抗剪強(qiáng)度隨著圍壓升高而增大。

3.2 孔隙水壓力變化特性

許多工程的失事主要是孔隙水壓力發(fā)生變化所導(dǎo)致[20-21]，試樣在剪切過(guò)程中孔隙水壓力會(huì)發(fā)生變化，因此應(yīng)對(duì)其孔隙水壓力的變化進(jìn)行研究。由剪切強(qiáng)度試驗(yàn)得到的3組紅土鎳礦尾渣CU三軸試驗(yàn)孔隙壓力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 紅土鎳礦尾渣孔隙壓力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖4可知，尾渣在含水率為31.0%時(shí)，試驗(yàn)初期，隨軸向應(yīng)變的增大，孔隙水壓力逐漸增大，試驗(yàn)中后期，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，而后偏應(yīng)力增大幅度減小，逐漸趨于平緩，表現(xiàn)出剪縮傾向。尾渣含水率為35.6%和35.0%時(shí)，試驗(yàn)初期，隨著軸向應(yīng)變的增加，孔隙水壓力迅速增大，試驗(yàn)中后期，隨著剪切的進(jìn)行，孔隙水壓力達(dá)到峰值強(qiáng)度，隨后呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出一定的剪脹傾向。

同一含水率下的試樣，圍壓越大，同一軸向應(yīng)變下，其孔隙水壓力也隨之增大，且增幅較明顯?？紫端畨毫υ谠囼?yàn)前期的增長(zhǎng)速率隨著圍壓增加而隨之逐漸增大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T 50123—2019)破壞應(yīng)力的確定依據(jù)是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線是否存在峰值點(diǎn)，若存在峰值點(diǎn)，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力確定為破壞應(yīng)力，若不存在峰值點(diǎn)，應(yīng)變?yōu)?.15時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為破壞應(yīng)力。法向應(yīng)力σ作為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力τ作為縱坐標(biāo)。在橫坐標(biāo)上以(σ1f+σ3f)/2為圓心，(σ1f-σ3f)/2為半徑，繪制總應(yīng)力描述的摩爾應(yīng)力圓(實(shí)線)，以(σ1f'+σ3f')/2為圓心，(σ1f-σ3f)/2為半徑，繪制有效應(yīng)力狀態(tài)下的摩爾應(yīng)力圓(虛線)。結(jié)合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，做出摩爾圓的公切線即為強(qiáng)度包線(見(jiàn)圖5)，由強(qiáng)度包線的傾角和在縱坐標(biāo)上的截距，得到表3所示各試樣的總抗剪強(qiáng)度和有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖5 紅土鎳礦尾渣摩爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包線

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，同一尾渣試樣有效內(nèi)摩擦角大于總內(nèi)摩擦角，有效黏聚力小于總黏聚力。在擊實(shí)曲線的上升趨勢(shì)階段，隨著含水率的增大，即壓實(shí)度的增大(從壓實(shí)度92%至極限壓實(shí)度100%)，紅土鎳礦尾渣的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)及有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律保持一致，黏聚力及有效黏聚力值均逐漸減小，內(nèi)摩擦角及有效內(nèi)摩擦角均逐漸增大。

表3 紅土鎳礦尾渣固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度指標(biāo)

鉛鋅、鐵礦尾渣的黏聚力隨著含水率的增大先增大后迅速減小，隨著壓實(shí)度的增大而增大[4-5]。試驗(yàn)得到紅土鎳礦尾渣的黏聚力隨含水率和壓實(shí)度的增大而減小，尤其是從規(guī)范要求達(dá)到的最低壓實(shí)度92%對(duì)應(yīng)的含水率升至最優(yōu)含水率時(shí)，紅土鎳礦尾渣試樣的黏聚力及有效黏聚力數(shù)值減小50%，表明含水率對(duì)紅土鎳礦尾渣黏聚力的影響很大。鉛鋅、鐵礦尾渣的內(nèi)摩擦角隨含水率的增大先減小后迅速增大，隨著壓實(shí)度的增大而增大[4-5]。試驗(yàn)得到紅土鎳礦尾渣的內(nèi)摩擦角隨含水率和壓實(shí)度的增大而增大，但紅土鎳礦尾渣試樣的內(nèi)摩擦角及有效內(nèi)摩擦角數(shù)值增大幅度不大。

4 結(jié) 論

(1) 紅土鎳礦尾渣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均呈應(yīng)變硬化型。隨著圍壓增大，各試樣在達(dá)到同一軸向應(yīng)變時(shí)偏應(yīng)力大幅提升。

(2) 尾渣含水率接近最優(yōu)含水率即接近最密實(shí)狀態(tài)時(shí)，孔壓-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出剪脹傾向，含水率為31%即壓實(shí)度最小時(shí)，孔壓-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出剪縮傾向。隨著圍壓增長(zhǎng)，各試樣在達(dá)到同一軸向應(yīng)變時(shí)孔隙水壓力大幅提升。

(3) 同一試樣有效內(nèi)摩擦角比總內(nèi)摩擦角大，有效黏聚力比總黏聚力小。在擊實(shí)曲線上升趨勢(shì)階段，隨含水率的增大，尾渣的黏聚力及有效黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角及有效內(nèi)摩擦角逐漸增大。