高海拔地區循環凍融尾礦抗剪強度及細觀分析

何向榮 徐鵬飛

摘? 要：為了研究循環凍融尾礦顆粒的抗剪強度，通過對香格里拉某尾礦庫兩個時間段取樣進行直剪試驗以及電鏡掃描試驗，試驗結果表明含水率是影響尾礦抗剪強度的主要因素，同時，循環凍融條件并非是尾礦抗剪強度的破壞性因素，合理采用放礦速率及放礦方式，循環凍融條件將會提高尾礦材料的抗剪強度。

關鍵詞：循環凍融;尾礦顆粒;抗剪強度

中圖分類號：TU41? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0058-04

Abstract： In order to study the shear strength of cyclic freeze-thaw tailings， direct shear test and electron microscope scanning test were carried out on two time periods of a tailings reservoir in Shangrila. The test results show that water content is the main factor affecting the shear strength of tailings. At the same time， the cyclic freeze-thaw condition is not the destructive factor of the shear strength of tailings， and the ore drawing rate and drawing mode are adopted reasonably. The cyclic freezing and thawing conditions will improve the shear strength of tailings materials.

Keywords： high altitude area; cyclic freeze-thaw tailings; shear strength

引言

隨著我國礦產行業的不斷發展，修筑在特殊環境條件下的尾礦庫也逐年增多，處于凍土區的尾礦庫除受到常規條件的影響因素外，還受到季節性凍融影響帶來的危害[1]。循環凍融環境下尾礦顆粒的物理力學特性及其結構均產生較大的變化，艾凱明[2]通過進行室內循環凍融直剪試驗，研究了尾礦顆粒尾礦表面龜裂、含水率、抗剪強度等在不同循環次數條件下的變化;張二軍[3]研究了不同含水率，相同循環凍融次數以及相同含水率，不同循環次數尾礦顆粒的抗剪強度指標的變化趨勢;劉友能[4]通過進行循環凍融條件下尾礦的固結不排水（CU）試驗，提出受到循環凍融的作用下，尾礦顆粒抗剪強度及彈性模量均出現一定程度的降低。以上試驗均采用人為控制循環凍融次數進行試驗，雖然具有一定程度的研究參考意義，但是受到人為因素及環境因素的影響較大，研究成果可能存在一定程度的失真。云南香格里拉某尾礦庫晝夜溫差較大，十一月份日間溫度達12℃，夜間達-11℃，是天然的循環凍融尾礦樣品，本文采用現場采取循環凍融樣品的方法進行現場直剪試驗及電鏡掃描試驗，以探索尾礦顆粒的力學特性對凍融環境下的響應。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本次試驗采用云南香格里拉某尾礦庫進行取樣，參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）采用篩分法和密度計法對兩個時間段的尾礦試樣進行顆粒分析試驗，圖1為尾礦材料的顆粒級配特征曲線，結果表明尾礦庫產出尾礦級配特征大體相同，均以產出尾粉砂為主。

1.2 試驗方案

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）附錄F，香格里拉某尾礦庫屬于季節性凍土區，凍土深度達60cm，圖2為云南香格里拉地區2019年9月氣溫曲線，其最低溫度為5℃，最高溫度為20℃，是典型的非循環凍融尾礦樣品，圖3為云南香格里拉地區2019年12月氣溫曲線，其最低溫度為-11℃，最高溫度為13℃，是天然的循環凍融尾礦樣。本次試驗采用上述兩個時間段進行兩批次取樣進行試驗，具體取樣方法為首先清理地表約20cm厚度尾礦后進行環刀取樣，取樣過程中盡量減少樣品的擾動。由于尾粉砂滲透性較好，隨著尾礦的繼續堆填尾粉砂可以完成自重固結，所以本次試驗采用固結快剪和浸水固結快剪試驗，試驗儀器采用南京土壤儀器廠ZJ型應變控制式直剪儀，施加的垂向壓力分別為100、200、300、400kPa，剪切速率為0.08mm/min，試驗完成后測定尾粉砂的物理性指標。

2 試驗結果分析

2.1 抗剪強度變化規律

表1列舉出在循環凍融環境下以及在非循環凍融環境下尾粉砂的抗剪強度指標，結果表明循環凍融對尾礦抗剪強度具有一定程度的影響，主要體現在粘聚力上，這是由于在循環凍融條件下尾粉砂顆粒之間的聯結方式及聯結結構被破壞，從而表現出c值具有較大的離散性，最大粘聚力為33.2kPa，最小粘聚力為13kPa。同時，內摩擦角受循環凍融影響作用同樣存在一定程度的影響，但是影響范圍較小，圖4為固結快剪下尾粉砂在循環凍融條件下及非循環凍融條件下的抗剪強度曲線，擬合后的庫倫公式為：

非循環凍融條件下：τ=26.2+σ×tan25.6° （1）

循環凍融條件下：τ=23.67+σ×tan26.35° （2）

圖5為浸水固結快剪條件下尾粉砂在循環凍融條件下及非循環凍融條件下的抗剪強度曲線，浸水固結快剪條件下尾礦的抗剪強度指標較固結快剪試驗均有所降低，從而解釋了降雨條件及水位升高條件下將會影響坡體的穩定性的原因[5]，同時，浸水固結快剪試驗條件下尾礦在循環凍融和非循環凍融條件下抗剪強度的變化與固結快剪試驗結果基本一致，凍融主要影響了尾礦材料的粘聚力，對內摩擦角影響較小，擬合后的庫倫公式為：

非循環凍融條件下：τ=25.72+σ×tan23.76° （3）

循環凍融條件下：τ=23.4+σ×tan23.4° （4）

為了查明循環凍融條件下影響了尾礦材料的抗剪強度的主要因素，首先將非循環凍融固結剪切試驗完成的尾礦材料進行物理性試驗，統計分析試驗結果如表2。

試驗結果表明，影響試驗結果的因素主要為含水率，圖6為不同含水率條件下尾粉砂粘聚力的變化曲線，可以發現，隨著含水率的增加尾粉砂的粘聚力總體上呈現先增加后降低的變化趨勢，研究結果與文獻[3]一致。

根據摩爾-庫倫破壞準則，采用有效應力方法飽和土的抗剪強度公式如下：

τf=c+（σ-ua）tanφ （5）

對于非飽和土，抗剪強度公式為：

τf=c+（σ-ua）tanφ+x（ua-uw）tanφ? ? ? （6）

其中c、φ均為有效應力強度指標;ua、uw分別為土體內空隙氣壓力及孔隙水壓力;x為與飽和度相關參數。

綜合兩式，得到：

τf=c+（σ-ua）tanφ+τs（7）

其中τs為與基質吸力相關的抗剪強度，稱為吸力強度，τs可看作非飽和土總粘聚力的一部分。

綜上，水的作用嚴重影響了尾礦的抗剪強度，尾礦材料存在最優含水率，當含水率低于尾礦的最優含水率時，基質吸力發揮作用，從而粘聚力不斷增加，當含水率逐漸增加，超過最優含水率時，有效應力減小，有效粘聚力減小，抗剪強度降低。

其次，試驗結果表明，循環凍融尾礦樣品的粘聚力具有較大的離散型，并不具備一定的規律，造成以上情況主要存在兩方面原因，文獻[2]通過進行循環凍融試驗結果表明，隨著凍融次數的增加，尾礦材料表面出現不同程度的龜裂，在進行剪切試驗時，原有的龜裂逐漸發展成貫徹的裂縫，從而體現出粘聚力降低，抗剪強度降低的情況;除此之外，既有研究成果表明，循環凍融條件下將加快尾礦材料內水分的蒸發，含水率的降低導致試樣的融沉和重固結作用更為明顯，樣品的固結程度逐漸提高，從而增大了尾礦材料的抗剪強度。綜上，說明循環凍融條件并非是影響尾礦強度的破壞性因素，在一定條件下合理控制放礦方式、放礦速率，循環凍融條件將會成為有力條件。

2.2 細觀顆粒形態研究

為了研究影響尾礦抗剪強度的主要因素，對尾礦材料進行了電鏡掃描試驗，試驗儀器采用Quanta 250掃描電子顯微鏡，圖7為尾礦顆粒放大200倍的表面形貌圖，顆粒主要形態以單粒結構為主，多呈次棱角狀、亞圓形、四方體，圖8為尾礦顆粒放大800倍的表面形貌圖，顆粒表明有覆蓋有不規則條紋狀的、粒狀的材料，此種材料應為附著在尾礦顆粒表面的黏土礦物;在干燥情況下，尾礦材料的抗剪強度主要通過顆粒之間的摩擦為主，隨著含水量的提高，顆粒表面的黏土礦物發揮作用，從而加大了尾礦材料的粘聚力，當含水率繼續提高時，黏土顆粒表面形成飽和狀態的水膜，抗剪強度又有所降低，以上研究解釋了上文粘聚力隨含水量變化成先增高后逐步降低的情況。

3 結論

為了研究高海拔地區循環凍融尾礦的抗剪強度，通過對香格里拉某尾礦庫不同時間段尾礦樣進行固結剪切、浸水固結剪切試驗，同時進行電鏡掃描試驗，對比分析了尾礦材料在循環凍融作用下及非循環凍融作用下抗剪強度的響應，得到以下結論：

（1）循環凍融條件及循環條件下尾礦的抗剪強度變化主要體現在粘聚力上，這是由于循環凍融作用下尾礦顆粒之間的連接結構及連接方式被破壞。

（2）通過對尾礦材料進行物理性試驗，試驗結果表明影響尾礦顆?？辜魪姸鹊闹饕蛩貫楹省?/p>

（3）非循環凍融條件下尾礦顆粒的粘聚力具備一定的規律性，具體表現為隨著含水率的逐漸增高，尾礦材料的粘聚力呈先增大后減小的趨勢。

（4）循環凍融條件下尾礦材料的抗剪強度離散性較大，其原因主要為兩方面，首先隨著尾礦循環凍融的增加，尾礦材料產生龜裂，在進行剪切試驗是原有的龜裂發展成貫穿的裂縫，從而降低尾礦的抗剪強度。其次，隨著尾礦循環凍融的增加，尾礦材料內部的水分蒸發，尾礦的融沉和重固結導致尾礦結構變密，增加了尾礦材料的抗剪強度。

（5）循環凍融條件并非是影響尾礦強度的破壞性因素，合理的控制尾礦排放速率及排放方式將會成為有利條件。

（6）電鏡掃描試驗結果表明，尾礦顆粒表面附著的黏土礦物是尾礦粘聚力隨著含水率增加呈先升高后降低的根本原因。

參考文獻：

[1]金佳旭，宋晨光，陳億軍，等.凍融循環次數和含水率對尾細砂力學性質的影響研究[J].實驗力學，2017（3）：431-438.

[2]艾凱明，周科平，胡建華，等.寒區尾礦力學特性的環境響應試驗[J].礦冶工程，2014，34（3）：4-8.

[3]張二軍，梁冰，王彪，等.凍融循環作用下尾礦砂抗剪強度和變形特性研究[J].安全與環境學報，2018，18（01）：134-138.

[4]劉友能，黃潤秋，王忠福，等.凍融循環對云貴高原尾礦土力學性質的影響[J/OL].西南交通大學學報：1-12[2020-01-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20190904.1107.002.html.

[5]李亮，褚雪松.浸潤線深度對尾礦壩穩定性分析的影響研究[J].中國安全生產科學技術，2011（11）：22-25.