尾礦壩中尾砂的強度特性試驗研究

楊 凱 呂淑然 張媛媛

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京 100070)

尾礦壩中尾砂的強度特性試驗研究

楊 凱 呂淑然 張媛媛

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京 100070)

通過尾砂的三軸固結排水試驗(CD試驗)和壓縮試驗，對尾礦壩中尾砂的力學特性進行研究，討論了2種試驗中尾砂在不同密實程度條件下的強度特性和應力應變關系。三軸試驗結果表明，隨著尾砂相對密實度的增加(由0.47增加到0.73)，尾礦砂的強度指標(黏聚力和內摩擦角)均有所增加；壓縮試驗表明，同一孔隙比的尾砂，隨著豎向壓力的增大(從100 kPa增加到400 kPa)，尾砂的壓縮系數減小、壓縮模量增大，但是壓縮指數幾乎保持不變。隨著尾礦料孔隙比的增大，砂的壓縮系數、壓縮指數增大，壓縮模量減小，從而尾砂的抗壓強度也隨之增加。因此，在實際工程中增加尾礦壩壩體中尾砂的密實度，可以提高壩體的強度，增強壩體的穩定性。

尾砂 三軸固結排水試驗 壓縮試驗 抗剪強度

在工程實踐中，出于對施工安全的考慮，往往要對壩基的穩定性、地基的承載力、擋土墻的壓力與穩定性以及邊坡穩定等進行測算，而這些安全評價都與砂的抗剪強度有著密切的關系。常規三軸試驗和壓縮試驗在實際工程施工中應用廣泛，是一種測定砂體力學性質的重要方法，可以較為接近地模擬砂體實際環境的受力情況，從而測得砂體的抗剪強度參數[1-2]。

尾礦庫是礦山重要生產設施，同樣也是人造具有高勢能的危險源，尾礦庫運行的穩定性對礦山生產和周邊居民的生活產生巨大的影響。尾礦庫的邊坡穩定性主要受其中尾砂的穩定性所影響，尾砂的液化、滑移都與其抗剪強度有關。本研究利用三軸固結排水試驗和尾砂壓縮試驗來探索尾砂的力學性質，從而得出控制尾砂力學穩定性的相關因素。

1 試驗原理

1.1 靜三軸試驗

尾礦壩壩料的靜力學特性包括砂土的變形特性和強度特性。砂土的抗剪強度指標包括黏聚力和內摩擦角。三軸壓縮試驗是室內測定砂體抗剪強度參數的一種主要試驗方法。通過不同相對密度下試樣的靜三軸試驗，測定尾礦料的排水應力應變曲線，求得抗剪強度指標黏聚力、內摩擦角，為變形和強度計算分析提供科學數據依據。

1776年，庫侖在直剪試驗的基礎上總結了庫侖公式[3]：

(1)

式中，τf為剪切破壞面上的剪應力，即土的抗剪強度；σ為破壞面上的法向應力；φ為砂的內摩擦角；c為砂的黏聚力，對于無黏性砂，c=0。

1900年莫爾(Mohr)提出，在砂的破壞面上的抗剪強度是作用在該面上的正應力σf的單值函數[4-5]：

(2)

用該函數即可判斷砂體是否破壞。由該函數確定的曲線稱為抗剪強度包線，又稱莫爾破壞包線。如果砂體單元某一個面上的法向應力和剪應力落在破壞包線外，則砂體發生破壞，反之則沒有；如果剛好落在破壞包線上，稱砂體到達了極限狀態。

根據材料力學，一點的應力狀態可以用莫爾圓來表示，由圖1表示的就是多個試樣破壞時的應力莫爾圓包線。根據這一關系，利用三軸試驗進行多個圍壓下的剪切試驗，就可求得砂體的抗剪強度指標。

圖1 應力莫爾圓包線

1.2 壓縮試驗

固結儀壓縮試驗是研究尾砂一維變形特性的測試方法[6]。壓縮試驗的主要指標有試驗壓縮系數、壓縮模量、壓縮指數。試驗所得的各項指標用來分析壩料的壓縮性。

室內壓縮試驗是取原狀砂樣放入壓縮儀內進行試驗，由于砂樣受到環刀和護環等剛性護壁的約束，在壓縮過程中只能發生垂向壓縮，不可能發生側向膨脹，所以又叫側限壓縮試驗。

砂體在外力作用下的體積變化是由孔隙體積變化引起的。在側限條件下，砂樣截面面積不變，因此試樣的豎向應變等于體應變ε，也就是孔隙比的變化率，可表示為[7]

(3)

式中，s為砂樣在應力Δp作用下的壓縮量，cm；H為砂樣在初始條件下的厚度，cm；e0、e1分別為砂樣的初始孔隙比和在Δp作用下壓縮穩定后的孔隙比。

由式(3)得到e1的表達式為

(4)

由式(4)可知，只要知道砂樣在初始條件下p0=0時的高度H和孔隙比e0，就可以根據壓縮試驗測得的每級荷載pi作用下的壓縮量si求出相應的孔隙比ei。由(pi，ei)可以繪出e-p曲線或e-lgp曲線，如圖2所示。

圖2 試樣的壓縮曲線、回彈、再壓縮曲線

由壓縮曲線可得到一系列表征砂體壓縮特性的參數，包括壓縮系數a、壓縮模量Es、體積壓縮系數mv、壓縮指數Cc等，如表1所示。

表1 側限壓縮試驗中砂的壓縮性指標

2 試驗簡介

2.1 試驗試樣制備

試驗用細尾砂取至某尾礦庫，其顆粒分級如圖3。

圖3 尾礦料的顆粒分級曲線

顆粒分級試驗的試驗結果如圖3及表2所示。從試驗結果可以看出，該尾礦壩壩體材料的不均勻系數為CU<5，砂級配不良，砂粒粒徑集中在0.04～0.8 mm的區間范圍內(約占總砂質量的90%)。

表2 尾礦料的級配常數

通過對試樣進行相對密實度，試驗試驗結果表明該尾礦砂的最大孔隙比和最小孔隙比分別為1.13及0.47，當尾礦砂的干密度分別為1.64 g/cm3、1.54 g/cm3和1.48 g/cm3的時候，尾礦砂的相對密實度分別為0.73、0.58和0.47，見表3。按照砂密實度的判別標準，由于0.73>0.67、0.33<0.47<0.58<0.67，故以上3種不同干密度的砂依次對應的尾砂的物理狀態為密實狀態、中密狀態和中密狀態。由于以上3種不同的干密度已經反映了尾砂從中密到密實的狀態，因此在接下來的靜力學特性試驗、壓縮試驗中將按照這3種干密度制備試樣，測得的參數能涵蓋尾礦砂在尾礦壩壩體中的所有狀態。

表3 尾礦砂樣干密度和相對密度

2.2 試驗儀器及試驗內容2.2.1 靜三軸試驗

本研究采用的靜三軸試驗為應變控制式三軸儀，如圖4所示。

圖4 應變式三軸儀

按照尾礦料的實際工作狀態，本次試驗采用固結排水試驗。按照控制的相對密度制備試樣，然后將試樣裝在三軸儀上，采用水頭飽和的方式飽和，飽和完畢后施加圍壓，打開排水閥，使試樣在圍壓作用下完成固結。打開底座發動機，開始剪切。同時記錄測量軸向變形和量力環變形的百分表讀數，當量力環變形出現峰值或軸向變形達到15%時終止試驗。重復做圍壓為100、200、300、400 kPa下的三軸剪切試驗。在1個坐標系上繪制不同圍壓下試驗的莫爾圓，做出4個莫爾圓的公切線，公切線的傾角為內摩擦角，與縱軸截距為黏聚力。

2.2.2 壓縮試驗

本試驗通過三聯杠桿壓縮儀來測定，如圖5所示，試樣放于沒有側向變形的厚壁壓縮儀內。

圖5 壓縮試驗儀

首先按照試驗操作的要求準備好儀器，同時按事先配置的3種密實度來制作砂樣。檢查完儀器后將裝好砂樣的壓縮盒放入儀器內，調整杠桿水平，裝上百分表。在進行正式加壓前，先施加預壓，以保證試樣與儀器上下之間各個部位接觸良好。然后加壓，一般按照0.1、0.2、0.3 MPa順序加壓，每級按15 min讀數1次，在每次加壓后應立即調整杠桿之水平。

3 試驗結果分析

3.1 抗剪強度分析

通過不同固結圍壓下摩爾圓和抗剪強度包線的繪制，抗剪強度參數黏聚力和內摩擦角得以確定。圖6(a)給出了相對比密度為0.47時的應力應變曲線，圖6(b)給出了相對比密度為0.47時的抗剪強度包線。相對密度為0.58和0.73的2組砂樣試驗通過相同的步驟也能得到應力應變曲線和抗剪強度包線。

尾礦料靜力學特性試驗結果如表4所示，從試驗結果可以看出，尾礦砂的內摩擦角為30.17° ～39.43°，黏聚力大小為3.63～4.50 kPa。隨著尾礦砂相對密實度的增加(由0.47增加到0.73)尾礦砂的強度指標(黏聚力和內摩擦角)均有所增加，黏聚力的值較小，變化的幅度不大。因此，在實際工程中增加尾礦壩壩體中尾砂的密實度，可以提高壩體的強度，增強壩體的穩定性。

3.2 抗壓強度分析

根據壓縮試驗成果繪制孔隙比與壓力的關系曲線，即稱壓縮曲線，如圖7所示。

圖6 e=0.82時CD試驗結果

表4 尾砂三軸固結排水試驗結果

壓縮試驗的試驗結果如表5，試驗結果表明：同一種砂，隨著豎向壓力的增大(從100 kPa增加到400 kPa)，砂的壓縮系數減小、壓縮模量增大，但是壓縮指數幾乎保持不變。隨著尾礦料孔隙比的增大(從0.65增加到0.82)，砂的壓縮系數、壓縮指數增大，壓縮模量減小。孔隙比由0.65增加到0.82時，壓縮系數增加近2倍。因此，隨著孔隙比的增加，相對密度的減小，尾砂的抗壓強度也增加。

圖7 不同孔隙比尾礦砂壓縮曲線

表5 尾礦料壓縮試驗結果

4 結 論

(1)隨著尾砂相對密實度的增加(由0.47增加到0.73)，尾礦砂的強度指標(黏聚力和內摩擦角)均有所增加。

(2)壓縮試驗表明，同一孔隙比的尾砂，隨著豎向壓力的增大(從100 kPa增加到300 kPa)，砂的壓縮系數減小、壓縮模量增大，但是壓縮指數幾乎保持不變。隨著尾礦料孔隙比的增大，砂的壓縮系數、壓縮指數增大，壓縮模量減小。

(3)在實際工程中增加尾礦壩壩體中尾砂的密實度，可以提高壩體的強度，增強壩體的穩定性。

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(責任編輯 石海林)

Experimental Study of Strength Characteristics of Tailing Sand in Tailings Dam

Yang Kai Lu Shuran Zhang Yuanyuan

(SchoolofSafetyandEnvironmentEngineering，CapitalUniversityofEconomicsandBusiness，Beijing100070，China)

The mechanical property of tailing sand in tailings dam were studied through the consolidated drained triaxial (CD) tests and compression tests.The strength characteristics and stress-strain curve of tailing sand under different compaction degree were discussed.The results showed that，with the relative density of tailing sand increased (from 0.47 to 0.73)，its strength index (cohesion and friction angle) were increased.The compression tests indicated that for tailing sand with the same porosity ratio，its compression factor was reduced，the compression modulus increased，but the compression index remained almost unchanged with the vertical pressure increasing (from 100 kPa to 400 kPa).With the porosity ratio increasing，the compression factor and compression index of tailing sand increased，and the compression modulus decreased.Thus，its compressive strength also increases.Therefore，in the actual project，an increase of tailing sand density can improve the strength and the stability of the tailings dam.

Tailing sand，Consolidated drained triaxial (CD) test，Compression test，Shear strength

2013-11-27

2011年度北京市屬高等學校人才強教深化計劃人才創新團隊項目(編號：PHR201107143)。

楊 凱(1986—)，男，博士研究生。

TD926

A

1001-1250(2014)-02-166-05