不同應(yīng)力條件下飽和尾粉砂的靜力學(xué)特性

黃勃翔 劉俊新 樊曉一 張友誼 王光進(jìn) 韓培峰

摘要：為了得到飽和尾粉砂在高應(yīng)力條件下的靜力學(xué)特性，通過不排水靜三軸試驗(yàn)分析了飽和尾粉砂在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律、孔壓-應(yīng)變曲線的增長規(guī)律以及應(yīng)力路徑。結(jié)果表明：在低應(yīng)力條件下孔壓增長相對緩慢且土顆粒間的相對作用力較小，剪脹現(xiàn)象明顯；當(dāng)圍壓升高后土體被逐漸壓密則表現(xiàn)出了應(yīng)力增量引起的應(yīng)變增量越來越小的現(xiàn)象；當(dāng)圍壓到達(dá)一定值后表現(xiàn)出類似于脆性材料的破壞形式；隨著圍壓的升高土樣孔隙水壓力逐漸增大；破壞時(shí)的偏主應(yīng)力隨著圍壓的增大先增大后減??；高圍壓和低圍壓的應(yīng)力路徑破壞線斜率相反。

關(guān)鍵詞：尾礦庫 三軸試驗(yàn) 飽和尾粉砂 應(yīng)力路徑

中圖分類號：TU441；TV649文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-8755（2023）03-0070-05

Statics Characteristics of Saturated Tailings under

Different Stress Conditions

HUANG Boxiang1， LIU Junxin1， FAN Xiaoyi2， ZHANG Youyi1，

WANG Guangjin3， HAN Peifeng1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology，

Mianyang 621010， Sichuan， China; 2. School of Civil Engineering and Geomatics， Southwest

Petroleum University， Chengdu 610500， Sichuan， China;? 3. School of Land and Resources

Engineering， Kunming University of Technology， Kunming 650093， Yunnan， China）

Abstract：? In order to obtain the statics characteristics of saturated tailings silt under high stress conditions， the stress-strain law， pore pressure-strain curve growth law and stress path of saturated tailings silt under different confining pressures were analyzed through undrained static triaxial tests. The results indicate that under low stress conditions， the increase of pore pressure is relatively slow and the interaction force between soil particles is relatively small， and the phenomenon of shear dilation is obvious. When the confining pressure increases， the soil is gradually compacted， and the strain increment caused by stress increment becomes smaller and smaller. When the confining pressure reaches a certain value， it exhibits a failure form similar to that of brittle materials. As the confining pressure increases， the pore water pressure of the soil sample gradually increases. The partial principal stress during failure first increases and then decreases with the increase of confining pressure. The slope of the stress path failure line is opposite for high and low confining pressures.

Keywords：? Tailings pond; Triaxial test; Saturated tail silt; Stress path

尾礦是選礦后的產(chǎn)物，隨著選礦的不斷進(jìn)行，尾礦大部分得不到妥善處理而被堆積在尾礦庫中且日益增多，高堆尾礦壩涉及安全與環(huán)境等一系列問題［1-2］。李全明等［3］歸納了國內(nèi)外對尾礦壩沉積特征和演化規(guī)律的研究，從壩體的沉積結(jié)構(gòu)、尾礦本身的物理力學(xué)特性以及壩體的安全穩(wěn)定性評價(jià)對尾礦的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，揭示了尾礦壩存在一定的安全隱患，如潰壩、滲漏等風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)壩體高度增加時(shí)其尾礦材料所受的應(yīng)力作用也會相應(yīng)增大。

隨著選礦手段的不斷提升，尾粉砂成為尾礦的主要部分。從材料組成上來說，尾粉砂與傳統(tǒng)的砂土材料有些許不同，含有一些重金屬物質(zhì)，并且由于尾礦壩排水系統(tǒng)不完善，尾粉砂通常處于飽和狀態(tài)。許成順等［4］通過一系列不同初始密度、不同固結(jié)壓力條件下的不排水扭剪試驗(yàn)研究了砂土的剪脹壓縮特性及其對抗剪強(qiáng)度的影響。尾礦壩通常采用壓實(shí)填筑，與原狀土相比，其密實(shí)強(qiáng)度提高，壓縮性和透水性降低，加之場地排水條件有限，因此尾礦壩中的土體長期處于飽和狀態(tài)。Abdulrahman［5］通過對砂土本身的一些性質(zhì)的研究，如：非相關(guān)流動性、滲透特性以及細(xì)粒含量，分析了飽和砂土的非穩(wěn)定性，得出砂土的壓縮指數(shù)隨著細(xì)顆粒材料的增加而增大；萬征等［6］研究了砂土的密實(shí)度對土體本身強(qiáng)度的影響以及變形規(guī)律，即松砂和密砂在相同的加載條件下分別表現(xiàn)出剪縮和剪脹現(xiàn)象。Zou等［7］提出了一種能用來描述不同密實(shí)度的砂土的剪縮、剪脹硬化和應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化的模型，還提出在剪切作用的影響下砂土的密實(shí)度和平均應(yīng)力決定了沙粒是受剪膨脹還是收縮。土體在不排水條件下，隨著體積被壓縮，土骨架間的有效應(yīng)力傳遞到水里，從而使得孔隙水壓力發(fā)生了變化，所以土體的變形特性與孔隙水壓力的變化密切相關(guān)。Khalid等［8］從剪脹機(jī)理的角度解釋了砂土的部分變形特性以及應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律對顆粒形態(tài)的響應(yīng)。對于重塑土樣，結(jié)構(gòu)性差是其明顯特點(diǎn)。王立忠等［9］在原鄧肯-張模型基礎(chǔ)上考慮土體結(jié)構(gòu)性修正，得出當(dāng)固結(jié)時(shí)的圍壓高于土的屈服應(yīng)力時(shí)土體會呈現(xiàn)應(yīng)變硬化。Thadeu 等［10］通過對土樣進(jìn)行不排水三軸試驗(yàn)，驗(yàn)證了土樣的準(zhǔn)穩(wěn)定態(tài)，并得出剪切破壞過程中的4個(gè)階段，并根據(jù)在不同土壤中的分布定義了該土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有助于理解土樣骨架的抗破壞能力。三軸儀還可以完成不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)。He 等［11］對3種不同土樣進(jìn)行各向異性加載，觀察其在不同應(yīng)力路徑下的力學(xué)響應(yīng)，得出了不同的土樣在應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律和加載歷史上都具有不同的響應(yīng)；劉世奧等［12］進(jìn)行了砂土的三軸試驗(yàn)，研究了其應(yīng)力-應(yīng)變在應(yīng)力路徑影響下的規(guī)律，并提出了一種能夠用三軸儀分析應(yīng)力路徑對飽和砂土強(qiáng)度特性影響的試驗(yàn)方法。

由以上研究得知，對于土的靜力學(xué)特性國內(nèi)外已有大量研究，但對飽和尾粉砂的研究相對較少，并且大多數(shù)的研究都是在圍壓較低的條件下進(jìn)行。本文通過對取自尾礦壩一定深度的飽和尾粉砂進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)分析其靜力學(xué)特性，為尾礦壩的安全管理提供參考。

1試驗(yàn)過程

1.1試樣制備

此次試驗(yàn)嚴(yán)格遵循《土工試驗(yàn)規(guī)程》（GB/T 50123—2019）［13］，土樣取自西南地區(qū)某尾礦庫整體開挖至某一深度的尾粉礦，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。為保證土樣顆粒級配均勻，取粒徑在0.250～0.075 mm之間與小于0.075 mm的土樣按質(zhì)量比4∶1的比例混合均勻，土樣的顆粒級配曲線如圖1所示。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用SDT-100型動三軸試驗(yàn)機(jī)，對該尾粉砂進(jìn)行不同應(yīng)力條件下的不排水三軸試驗(yàn)，分析土樣在不同圍壓下孔隙水壓力的變化規(guī)律、應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律以及應(yīng)力路徑的特點(diǎn)。

試驗(yàn)具體步驟如下：為了研究高應(yīng)力條件下飽和尾粉砂的靜力學(xué)特性，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的圍壓為0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7 MPa，分析在不同應(yīng)力條件下尾粉砂的應(yīng)力-應(yīng)變特性。由于尾礦壩中的土體長期處于飽和狀態(tài)，因此采用不排水三軸試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1圍壓變化下超靜孔隙水壓力的變化結(jié)果

超靜孔隙水壓力是由于土體的排水受限而產(chǎn)生的，可以用于體現(xiàn)土體有效應(yīng)力的變化。圖2為不同圍壓下孔壓與應(yīng)變的關(guān)系曲線。整體來看孔壓隨軸向應(yīng)變的增大而增大，在圍壓小于1 MPa時(shí)（低應(yīng)力條件下），孔壓整體發(fā)展比較緩慢，當(dāng)試樣發(fā)生破壞時(shí)，孔隙水壓力仍然遠(yuǎn)低于圍壓值，當(dāng)圍壓大于1 MPa時(shí)（高應(yīng)力條件下），孔隙水壓力發(fā)展變得迅速，迅速接近圍壓后保持不變。究其原因，在飽和尾粉砂固結(jié)完成后，土顆粒間的孔隙被水完全封閉，軸向應(yīng)變主要由無側(cè)限的偏主應(yīng)力引起，同時(shí)在高圍壓的作用下對土樣有一個(gè)較高的側(cè)向約束，土顆粒被壓縮，孔隙水壓力的增長在軸向剪切的作用下變得敏感，由此孔隙水壓力的上升速度就會隨著圍壓增大而增大。

超靜孔隙水壓力的大小取決于有效應(yīng)力的大小。在對土樣施加圍壓等向固結(jié)的過程中由于土骨架并沒有產(chǎn)生軸向變形，即沒有產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，因此，圖2中的孔壓曲線從0開始增長。在剪切過程中，在低圍壓下施加的壓力主要由土骨架和孔隙水承擔(dān)，而在高應(yīng)力作用下孔壓逐漸增大，此時(shí)大部分的力都由孔隙水承擔(dān)，結(jié)合圖3和圖4的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，土體能承擔(dān)的最大應(yīng)力在1.0～1.2 MPa之間，圍壓增大后由孔隙水承擔(dān)更多的力。在固結(jié)過程中高應(yīng)力作用下土體壓縮量很大，此時(shí)土體在受剪過程中產(chǎn)生的壓縮變形很小，此時(shí)孔隙水壓力對軸向的壓縮變得敏感。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在圍壓達(dá)到1.2 MPa后孔壓的增長速率有明顯上升，達(dá)到1.5 MPa后出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。

在剪切過程中，土體的極限應(yīng)變隨著圍壓的增大而減小，這一規(guī)律與土體的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律一致。但孔壓-應(yīng)變曲線中的極限應(yīng)變要小于應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的極限應(yīng)變，這是由于孔壓的檢測具有滯后性造成的［14］。

2.2不同圍壓下飽和尾粉砂的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律

對尾粉砂重塑樣進(jìn)行三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)，得到不同圍壓下樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3和圖4所示。在低應(yīng)力（<1 MPa）情況下軸向應(yīng)變破壞點(diǎn)εf隨圍壓增大逐漸增大（朝著坐標(biāo)軸右側(cè)移動），對應(yīng)的峰值應(yīng)力點(diǎn)的值越大。在線性階段，隨著軸向壓力的增大，土樣逐漸被壓縮使得土顆粒間的相對滑動增加進(jìn)入到塑性階段，當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到一定閾值時(shí)試件破壞，而后隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力開始下降趨于一個(gè)穩(wěn)定值。高應(yīng)力（>1 MPa）情況下呈現(xiàn)相反的現(xiàn)象，軸向應(yīng)變破壞點(diǎn)εf反而隨著圍壓的增大而減小。這種現(xiàn)象可以解釋為：在應(yīng)力不高的情況下隨著加載的進(jìn)行，到達(dá)軸向應(yīng)變破壞點(diǎn)εf后孔隙水壓力上升到一定值砂土顆粒間發(fā)生相對滑動，發(fā)生剪脹現(xiàn)象。在高應(yīng)力情況下孔壓隨著加載不斷升高，但由于圍壓較高，對土體的約束較強(qiáng)，土樣密實(shí)程度較高，土顆粒接觸較為緊密，不易發(fā)生相對滑動，當(dāng)加載到試樣的軸向應(yīng)變破壞點(diǎn)εf后，土骨架到達(dá)外力與孔隙水壓力雙重作用的臨界值，突然發(fā)生破壞，宏觀曲線表現(xiàn)出類似巖石的脆性破壞形式。破壞特征表現(xiàn)出突然性，也體現(xiàn)尾粉砂具有壓硬性，相同應(yīng)力增量引起的體應(yīng)變增量越來越小。

從圖4可以看出，圍壓在達(dá)到1.5 MPa后，土樣在達(dá)到峰值應(yīng)變后偏應(yīng)力的下降速率逐漸增大，這與孔壓-應(yīng)變曲線吻合，且當(dāng)圍壓超過1.5 MPa以后峰值偏應(yīng)力明顯降低，證明1.5MPa是該顆粒級配下的飽和尾粉砂的一個(gè)臨界值，低于或高于這一值土體所能承受的應(yīng)力都會降低。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線還得出了極限應(yīng)變與圍壓的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以更直觀看出土樣破壞時(shí)的極限應(yīng)變εf隨圍壓增大逐漸減小，同時(shí)還可以得出不同圍壓下的極限應(yīng)變εf約為1.41%～4.57%，當(dāng)圍壓超過2.4 MPa后，εf減小趨勢不明顯。

綜上分析得出：在圍壓較低的應(yīng)力條件下，飽和尾粉砂在固結(jié)時(shí)的孔隙體積的壓縮量較小，因此在剪切過程中土孔隙受到壓縮會表現(xiàn)為峰值偏應(yīng)力較低，隨著圍壓升高到中等程度（1.5 MPa）時(shí)，大量的孔隙在固結(jié)時(shí)被壓縮，因此會出現(xiàn)峰值偏應(yīng)力和超靜孔隙水壓力增大的現(xiàn)象。但隨著圍壓的進(jìn)一步增大（1.5～2.7 MPa），孔隙水壓力持續(xù)上升，峰值偏應(yīng)力出現(xiàn)了減小的趨勢，這是由于在高應(yīng)力作用下對土樣進(jìn)行剪切時(shí)部分土顆粒發(fā)生了破碎，破碎后使得土體孔隙增大，顆粒間的相互作用力降低，即顆粒間黏性減弱，因此在高應(yīng)力作用下出現(xiàn)了硬化現(xiàn)象［15-16］，同時(shí)顆粒破碎使得原本的土骨架的結(jié)構(gòu)性降低，表現(xiàn)出峰值偏應(yīng)力降低。從圖6可以看出，低圍壓下土體剪脹破壞明顯，而在高圍壓作用下土顆粒固結(jié)后被壓縮得更緊密，同時(shí)所受的側(cè)向約束更大，因此樣品破壞后的側(cè)向變形更小。

2.3不同應(yīng)力條件下的應(yīng)力路徑變化規(guī)律

有效應(yīng)力路徑用來描述土體在外力作用下應(yīng)力點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。土體作為彈塑性材料，它的變形和強(qiáng)度特性與開始和結(jié)束時(shí)的應(yīng)力水平有關(guān)，應(yīng)力歷史也是重要的影響因素，故應(yīng)力路徑可以用來體現(xiàn)土樣在荷載作用下的應(yīng)力變化過程。

圖7和圖8為本次試驗(yàn)中不同圍壓下的有效應(yīng)力路徑曲線，圖中采用的應(yīng)力條件如式（1）-式（3）所示。

平均有效應(yīng)力：

p=1/2（σ1′+σ3′）（1）

平均偏應(yīng)力：

q=1/2（σ1′-σ3′）（2）

有效應(yīng)力：

σ1′=σ1-u， σ3′=σ3-u（3）

式中：u為孔隙水壓力；σ1為軸向壓力；σ3為圍壓。

從圖7和圖8可以看出，無論是高應(yīng)力作用還是低應(yīng)力作用下的應(yīng)力路徑曲線在達(dá)到破壞點(diǎn)前均呈指數(shù)上升，變化規(guī)律接近線性，當(dāng)達(dá)到破壞點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，土體發(fā)生破壞，之后的應(yīng)力路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)并呈現(xiàn)出非線性。同時(shí)還可以看出，當(dāng)圍壓達(dá)到一定的大小后，其有效應(yīng)力路徑也會隨之改變。在低應(yīng)力作用下隨著σ3的增大，其破壞點(diǎn)也逐漸上升，各圍壓下的應(yīng)力路徑曲線形狀也一樣，而高應(yīng)力作用下，其破壞點(diǎn)逐漸下降。不論是高應(yīng)力還是低應(yīng)力作用其破壞點(diǎn)都落在同一直線上，該直線就是破壞線（Kf線），高應(yīng)力條件下試樣破壞線的斜率與低應(yīng)力作用下試樣破壞線的斜率相反。同時(shí)，從圖8中能更直觀得出圍壓在超過1.5 MPa后破壞點(diǎn)逐漸下降，同樣說明了該飽和尾粉砂在1.5 MPa的應(yīng)力作用下能承受的峰值偏應(yīng)力最高。

3結(jié)論

本文以固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)分析了飽和尾粉砂在不同應(yīng)力條件下的靜力學(xué)特性，得到如下結(jié)論：（1）在低圍壓下土顆粒固結(jié)時(shí)的壓縮度較低，剪切時(shí)孔隙被進(jìn)一步壓縮，宏觀上呈現(xiàn)出低圍壓下孔壓增長較緩慢；隨著圍壓增大，土孔隙的壓縮度增大，受剪時(shí)孔隙很難被進(jìn)一步壓縮，此時(shí)孔隙水壓力出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。（2）高應(yīng)力條件下，當(dāng)圍壓超過1.5 MPa后土樣在受剪過程中表現(xiàn)出脆性破壞的特征，同時(shí)峰值偏應(yīng)力會逐漸降低。（3）高圍壓和低圍壓的應(yīng)力路徑破壞線斜率相反，即：在較低應(yīng)力條件下平均有效偏應(yīng)力與平均有效主應(yīng)力呈線性正相關(guān)關(guān)系，而在較高應(yīng)力條件下呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

實(shí)際的尾礦處置工程中，環(huán)境影響因素極為復(fù)雜，涉及到多種類型的工況，本研究僅對顆粒粒徑較細(xì)的飽和尾粉砂進(jìn)行了不同應(yīng)力作用下的靜力學(xué)研究，關(guān)于其他復(fù)雜因素的影響有待進(jìn)一步研究。

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