徐明明
(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550000)
赤泥是氧化鋁廠生產(chǎn)后排放的廢渣,目前赤泥干法堆存技術(shù)已在氧化鋁生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。干法堆存過(guò)程中,赤泥的壓實(shí)度、含水條件等是影響赤泥堆積壩體穩(wěn)定的主要因素。不同的壓實(shí)度和含水條件下的赤泥,其力學(xué)性質(zhì)必然不同,研究其變化規(guī)律及定量分析,有利于赤泥堆場(chǎng)的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng),并為同類工程提供參考。
近年來(lái),對(duì)于赤泥力學(xué)特性的研究取得了很多成果。田躍等[1]從赤泥的產(chǎn)生入手,分析了赤泥堆存的力學(xué)特性;李明陽(yáng)[2]針對(duì)平果赤泥堆場(chǎng),提出赤泥含水量和子壩外坡坡度是影響堆場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的主要因素;劉忠發(fā)等分析了赤泥堆積體的干燥程度及原因,對(duì)其力學(xué)性能等進(jìn)行了探討;陳學(xué)美通過(guò)赤泥濾餅?zāi)雺涸囼?yàn),得到了碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系;吳炎森等通過(guò)赤泥的成分分析、物理力學(xué)性試驗(yàn)研究,總結(jié)了赤泥的物理力學(xué)特性和影響試驗(yàn)成果的因素。但對(duì)于不同壓實(shí)度、含水條件下赤泥的物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律和定量分析,還鮮有見(jiàn)到這方面的相關(guān)研究。
本文針對(duì)貴州某干法赤泥堆場(chǎng),通過(guò)制備不同壓實(shí)度的赤泥試樣及采取自然固結(jié)的赤泥試樣,分別進(jìn)行飽和前、后的固結(jié)快剪試驗(yàn)研究,試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理均參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的比較、分析,期望揭示赤泥在不同壓實(shí)度、含水條件下的強(qiáng)度、變形特性及其參數(shù)的變化規(guī)律與范圍。
2.1.1 壓實(shí)度為90%和95%試樣的制備
第一步:利用現(xiàn)場(chǎng)所取的赤泥濾餅擾動(dòng)樣,進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),得出其最優(yōu)含水率和最大干密度分別為41.641.6±2%、1.25g/cm3;則90%壓實(shí)度試樣:含水率41.6±2%,干密度ρd=1.25×0.90=1.13g/cm3;95%壓實(shí)度試樣:含水率41.6±2%,干密度ρd=1.25×0.95=1.19g/cm3。第二步:取赤泥濾餅風(fēng)干并碾壓,風(fēng)干樣制作完成后,測(cè)定其相應(yīng)的風(fēng)干含水率,然后制作接近兩種類型赤泥濾餅最佳含水率的試樣,并測(cè)定制作完成后的實(shí)際含水率。第三步:根據(jù)所需達(dá)到的干密度和所制試樣的體積,稱取單個(gè)試樣所需的濕土質(zhì)量,采用擊樣法完成試樣的制備并保存待試驗(yàn)時(shí)使用。
2.1.2 自然固結(jié)赤泥采取
自然固結(jié)赤泥試樣為赤泥堆場(chǎng)初期壩前赤泥采用環(huán)刀采取,赤泥自然固結(jié)時(shí)間大于6個(gè)月。
2.1.3 飽和試樣制備
對(duì)于以上制備和采取的壓實(shí)度90%、95%及自然固結(jié)試樣,采用真空抽氣飽和法進(jìn)行試樣的飽和。
按照以上試件制備、采取的方法,制備壓實(shí)度90%、95%的赤泥試樣各12組,采取自然固結(jié)赤泥試樣共12組。其中6組試樣直接用于固結(jié)快剪試驗(yàn),另外6組試樣飽和后再進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)。如此即可獲取不同壓實(shí)度、自然固結(jié)赤泥在飽和前后的物理力學(xué)參數(shù)。圖1中,左側(cè)為試樣飽和過(guò)程,右側(cè)為固結(jié)快剪試驗(yàn)過(guò)程。
根據(jù)以上第2.1,壓實(shí)度90%和95%試樣的干密度分別為1.13g/cm3和1.19g/cm3,采取的自然固結(jié)赤泥經(jīng)檢測(cè)平均干密度為1.25g/cm3,與赤泥最大干密度基本一致(相當(dāng)于壓實(shí)度約100%)。以上試樣各6組進(jìn)行飽和前的固結(jié)快剪試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1(表中數(shù)據(jù)為6組試樣均值)。
3.1.1 壓實(shí)度對(duì)強(qiáng)度的影響
為分析不同壓實(shí)度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響,作粘聚力C、內(nèi)摩擦角Φ與干密度ρd關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。
圖2 強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C、內(nèi)摩擦角Φ與干密度ρd關(guān)系曲線
由表1和圖2可以看出,壓實(shí)度越高,相應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ的值越大。強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ均隨著干密度的增大而增大,干密度由1.13g/cm3~1.28g/cm3的變化過(guò)程中,粘聚力C增大了13.4%,內(nèi)摩擦角Φ增大了21.7%。
3.1.2 壓實(shí)度對(duì)變形參數(shù)的影響
為分析不同壓實(shí)度對(duì)變形參數(shù)的影響,作壓縮模量E、壓縮系數(shù)av1與干密度ρd關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。
由表1和圖3可以看出,赤泥的壓縮模量E隨著干密度ρd的增大而增大,壓縮系數(shù)av隨著干密度ρd的增大而減小,干密度由1.13g/cm3~1.28g/cm3的變化過(guò)程中,壓縮模量E增大了99.3%,壓縮系數(shù)av減小了55%。
圖3 變形指標(biāo)壓縮模量E、壓縮系數(shù)av與干密度ρd關(guān)系曲線
根據(jù)以上第2.1,取壓實(shí)度90%、95%試樣和自然固結(jié)赤泥試樣各6組先進(jìn)行飽和,然后再進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2(表中數(shù)據(jù)為6組試樣均值)。
表2 飽和后固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)表1、表2所得到的飽和前、后固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)對(duì)比分析可知:飽和后赤泥的粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ比飽和前均有所減小,粘聚力C平均減小了16.3%,內(nèi)摩擦角Φ平均減小了22.1%;飽和后赤泥的變形模量E較飽和前有所減小,平均減小了41.1%,飽和后赤泥的壓縮系數(shù)av較飽和前有所增大,平均增大了77.1%。
通過(guò)對(duì)貴州某赤泥堆場(chǎng)的赤泥制作壓實(shí)度90%、95%的試樣及采取自然固結(jié)赤泥試樣,分別進(jìn)行飽和前、后的固結(jié)快剪試驗(yàn),可得出以下主要結(jié)論:
(1)赤泥堆存過(guò)程中的壓實(shí)度和含水條件對(duì)赤泥的力學(xué)特性,包括強(qiáng)度特性與變形特性,均具有一定的影響,應(yīng)當(dāng)引起實(shí)際工程中的充分重視。
(2)赤泥的壓實(shí)度越高,相應(yīng)粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ越大。粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ均隨著干密度的增大而增大,干密度由1.13g/cm3~1.28g/cm3的變化過(guò)程中,粘聚力C增大了13.4%,內(nèi)摩擦角Φ增大了21.7%。
(3)赤泥的壓縮模量E隨著干密度ρd的增大而增大,壓縮系數(shù)av隨著干密度ρd的增大而減小,干密度由1.13g/cm3~1.28g/cm3的變化過(guò)程中,壓縮模量E增大了99.3%,壓縮系數(shù)av減小了55%。
(4)飽和后赤泥的粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ比飽和前均有所減小,粘聚力C平均減小了16.3%,內(nèi)摩擦角Φ平均減小了22.1%;飽和后赤泥的變形模量E較飽和前有所減小,平均減小了41.1%,飽和后赤泥的壓縮系數(shù)av較飽和前有所增大,平均增大了77.1%。
(5)本次試驗(yàn)揭示了拜耳法赤泥在不同壓實(shí)度、含水條件下的物理力學(xué)性質(zhì),其定量成果可供同類工程進(jìn)行類比和參數(shù)預(yù)測(cè)參考。