貴州巖溶山谷堆場赤泥的物理力學特性分析★

劉 世 喜

(貴州省交通建設工程質量監督局，貴州 貴陽 550081)

1 概述

貴州屬于典型的巖溶山區，巖溶溝谷、洼地極為發育。大型的巖溶溝谷和洼地是天然的尾礦、尾渣的堆棄場地。赤泥是利用鋁土礦生產氧化鋁過程中產生的一種帶堿性泥漿狀廢棄物[1]。目前我國處理赤泥的主要措施是露天筑壩堆存。赤泥因顆粒細小、含水量大、滲透性差，所以堆存困難，容易產生赤泥堆積體失穩、赤泥壩潰壩、堆場滲漏等災害，且一旦發生這些災害將嚴重影響周圍的土壤、水和生態環境。

中鋁貴州扎塘赤泥堆場為巖溶山谷型赤泥堆場，于1988年建成投入使用。隨著制鋁業的高速發展，赤泥的生產量在不斷增加，為了有效利用赤泥堆場，就需要充分研究赤泥在不同堆存深度的物理力學特性，為赤泥堆積體的安全穩定計算提供參數[2,3]。因此，本文提出以貴州扎塘赤泥堆場為研究區，開展不同堆積深度赤泥物理力學性質的研究。

貴州扎塘赤泥堆場位于貴陽市白云區曹關村。區域內河流屬長江流域烏江水系，地貌上屬于黔中巖溶峰叢谷地[4]，主要地層巖性為第四系殘坡積層、二疊系棲霞茅口組灰巖、梁山組泥頁巖、三疊系大冶組灰巖、安順組白云巖[5]，具體地層分布如圖1所示。

2 樣品與實驗

赤泥取樣利用XY-200型鉆機鉆探取樣，設計ZK1,ZK2兩個鉆孔，取樣深度為50 m。本次實驗采用ZK1鉆孔樣品，取1 m原狀樣現場密封帶回實驗做物理力學指標的測試。剩余4 m赤泥擾動樣運回實驗室后按每5 m分10組擺放，自然風干，碾碎并充分混合，每段取少量赤泥樣品用于粒徑分析。

實驗用的主要儀器有液塑限聯合測定儀、烘箱、電子天平、比重瓶、電沙浴、應變式直剪儀、杠桿式壓縮儀、激光粒度分布儀等，實驗中液限為76 g圓錐體沉入土樣中深度為10 mm時所對應的含水量。

3 物理特性

在不同深度范圍內赤泥的固相、液相相互作用表現出來的性質有所不同，所以物理性質會產生相應變化，因此，在堆場35 m深度范圍內每隔5 m進行一次鉆孔取樣來分析物理性質指標的變化，主要指標統計見表1。

表1 赤泥物理性質指標

試樣編號取樣深度/m密度g/cm3比重顆粒中粒徑/μm含水率%液限%塑限%塑性指數14.8～5.01.4612.16811.1888.5271.6533.538.15210.0～10.21.4632.6488.4162.1872.7556.3816.37314.8～15.01.4642.9848.2275.1672.1051.5020.60419.8～20.01.4653.38110.1498.5181.0060.0021.00524.8～25.01.7492.85311.3165.9256.0035.5020.50629.8～30.01.5322.49910.2076.7368.0020.5047.50734.8～35.01.5132.96321.6291.3980.5046.5034.00

從表1可以看出，不同深度赤泥的密度在1.461 g/cm3～1.794 g/cm3之間，其中6個樣品的密度值都小于1.6，僅有1個大于1.6，在25 m深度，且有從上到下逐漸增大的趨勢，在25 m處出現一個峰值，原因可能是由于水動力條件的增強導致的，因為在該場區地下水的埋深大約在20 m，因此，在25 m深度范圍由于水動力條件增強，大顆粒的赤泥得到遷移匯聚，使得密度出現了峰值，總體上屬于細粒土。土粒比重在2.168～3.381區間范圍，其中有4個大于2.76，與粘土相似。顆粒中粒徑在8.41 μm～21.62 μm之間，7個樣品的值都小于75 μm，屬于細粒土。

在不同深度下含水率的值在62.18～98.51之間，數值較大，且在10 m～20 m深度范圍出現逐漸升高的趨勢，在20 m處出現峰值，在20 m～35 m深度范圍又出現逐漸升高的趨勢，出現這種分段變化的原因可能是不同期次生產的赤泥顆粒的疊加堆積與場區地下水位的影響引起。

在實際工程中，土的液限和塑限是決定土的工程性質的2個界限含水量。從表1可以看出，赤泥在0 m～35 m深度范圍，液限都大于50%，屬于高液限土。在0 m～20 m深度范圍液限和塑限都有隨著深度的增加而增大的規律，在20 m處處于峰值，在20 m以下又出現隨著深度的增加而增大的規律。出現這種變化的原因與含水率相同，主要由于堆積期次和地下水埋深引起。從含水性指標可以得出，赤泥在0 m～35 m范圍分2段分別出現由上至下塑性狀態由硬變軟的趨勢，這與粘性土的“反剖面”性質相似。

綜上所述，赤泥有顆粒細小、密度小、含水率大、液塑限大的物理性質，即有類似粘性土的物理性質。

4 力學特性

4.1 抗剪性

采用應變控制式直剪儀，依次對0 m～20 m深度的4組16個赤泥原狀土樣品進行直接剪切實驗，得到不同堆積深度赤泥樣的抗剪強度指標粘聚力C和內摩擦角φ，如表2和圖2所示。

表2 抗剪強度指標統計表

從表2可以看出，堆場0 m～20 m深度原狀赤泥樣的粘聚力在1.83 kPa～7.49 kPa范圍，且具有隨深度的增加逐漸變小的趨勢，這與含水率的變化保持一致，說明赤泥在包氣帶以內受自重壓力和濾水條件的影響下，抗剪強度有逐漸減小的趨勢。內摩擦角在9.36°～11.78°范圍，變化較小，僅僅相差2.42°，且具有隨深度的增加逐漸增大的趨勢，但對抗剪強度影響不大。從粘聚力和內摩擦角2個指標總體來看，赤泥的抗剪強度具有逐漸減小的趨勢，但總體變化不大，這表明赤泥土體抗剪強度的大小與堆放時間的長短沒有直接的關系。

從圖2的抗剪強度與垂直壓力關系曲線同樣可以看出，在不同深度下赤泥的抗剪強度指標粘聚力C和內摩擦角φ變化不大，這表明赤泥抗剪強度的大小與堆放時間的長短沒有直接的關系。

4.2 壓縮性

采用杠桿式壓縮儀法，依次對0 m～20 m深度的3組12個赤泥原狀土樣品進行固結實驗，得到不同堆積深度赤泥樣的e—p變化曲線和壓縮系數a1-2和壓縮模量Es指標，如表3和圖3～圖5所示。

從表3和圖3～圖5可以看出，赤泥在5 m深度范圍，隨著壓力的增大孔隙比逐漸減小，且減小的趨勢較強。在10 m深度范圍，也出現隨著壓力的增大孔隙比逐漸減小，且減小的趨勢較強。在20 m深度范圍，也出現隨著壓力的增大孔隙比逐漸減小，但有減小到一定程度后逐漸趨于穩定的趨勢。

表3 不同深度土樣固結實驗指標統計表

根據固結實驗得到的指標，對不同深度赤泥的壓縮系數a1-2和壓縮模量Es進行計算,其結果見表4。從表4可以看出，隨著深度的增加壓縮系數逐漸減小，壓縮模量逐漸增加，這表明赤泥在包氣帶范圍內隨著深度的增加，在自重壓力和濾水條件作用下逐漸固結。

表4 不同深度土樣壓縮指標統計表

綜上分析可知，巖溶山谷堆場赤泥的抗剪強度與堆放時間的長短沒有關系，壓縮性與堆放時間有關，且隨著堆放時間的增加，壓縮性逐漸減小，即赤泥逐漸被固結。

5 結語

通過對貴州巖溶山谷堆場赤泥的物理力學性質研究得出如下結論：

1)赤泥有顆粒細小、密度小、含水率大、液塑限大的物理性質，且有在包氣帶物理性質指標會隨深度的增加而增大的規律。

2)赤泥有抗剪強度小、壓縮性大的力學性質。

3)赤泥的抗剪強度與堆放時間的長短沒有關系，壓縮性與堆放時間有關，且有隨著堆放時間的增加壓縮性逐漸減小的規律。