鐵尾砂抗剪強度參數隨固結度變化規律研究

張敬博 , 車高鳳, 張文強

(1. 楊凌職業技術學院, 陜西 楊凌 712100; 2. 中國地震局蘭州地震研究所 黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;3. 甘肅省巖土防災工程技術研究中心, 甘肅 蘭州 730000; 4. 濟寧市規劃設計研究院, 山東 濟寧 272000)

0 引言

尾礦壩的滑坡、坍塌等都是某些面上的剪切力超過尾礦本身的抗剪強度而造成的,可以說,尾礦壩的破壞大多數都是屬于剪切破壞。尾礦的抗剪強度是決定尾礦壩穩定性的關鍵因素[1]。因此,只有采用對工程安全性最不利的抗剪強度參數進行設計才能更好地保證工程的安全。部分學者研究指出,土的抗剪強度與土的固結程度有關,會隨著固結程度的變化而發生改變。鄭澤宇等[2]對飽和軟黏土進行不同圍壓下不同固結度的抗剪強度分析,得出孔壓增量和固結度之間的關系;劉紅軍等[3]對軟土進行直剪試驗和單向壓縮固結實驗,分析軟土固結度與抗剪強度及抗剪強度指標之間的關系;梁冰等[4]對鉛鋅尾礦砂進行不同壓實度及含水率的抗剪強度試驗,得出鉛鋅尾礦砂的抗剪強度隨著壓實度的增加而增大,隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢;楊凱等[5]通過對尾礦砂的三軸試驗及壓縮試驗,分析尾礦砂在不同密實程度條件下,應力應變與強度特性之間的關系。譚凡等[6]通過對尾礦砂進行圍壓100 kPa、200 kPa和300 kPa以及固結比分別為1.0和2.0條件下的動三軸試驗,分析尾礦粉土的動強度特性與孔壓特性之間的特性;馬衛華等[7]通過對尾礦砂進行四點加載梁抗剪試驗,得到了不同強度等級的鐵尾礦砂混凝土剪切破壞現象與抗剪強度的試驗數據。 由于尾礦壩增高填筑的過程也是下部壩體逐漸排水固結的過程,本文在前人研究的基礎上,對尾礦砂進行不同干密度不同固結度的三軸試驗,分析抗剪強度參數隨固結度的變化規律,以期對尾礦壩穩定性評價和安全管理提供理論依據。

1 抗剪強度理論

土的抗剪強度由其內摩擦角和內聚力組成[8]。非飽和土的抗剪強度理論研究己有近50年的歷史,它以摩爾-庫侖準則為基礎。目前有兩類抗剪強度表示方法被廣泛接受:一種是以總應力表示剪切破壞面上的法向應力,抗剪強度表達式即為庫倫公式,稱為抗剪強度總應力法。c、φ稱為總應力強度指標;另一種則以有效應力表示剪切破壞面上的法向應力,稱為抗剪強度有效應力法。c′、φ′稱為有效應力強度指標。

總應力法:

τ=c+σ·tgφ

(1)

有效應力法:

τ′=c′+(σ-μ)·tgφ′

(2)

式中:τ為破壞面上的剪應力;c′為土的有效黏聚力;σ、σ′為破壞面上總應力和有效法向應力;φ′土的有效內摩擦角。

土體的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限強度,是巖土工程建設的重要檢測指標之一[9]。試驗研究表明,土的抗剪強度取決于土粒間的有效應力。然而,由庫倫公式建立的概念在應用上方便,許多土工問題的分析方法都還建立在這種概念的基礎上,故在工程上沿用至今。為了充分研究尾礦砂的抗剪強度指標,本文將分別采用總應力法和有效應力法對尾礦砂進行抗剪強度分析。

2 試驗內容

試驗所用尾礦料來自陜西商洛某鐵礦尾礦壩。按照GB/T50123、|1999《土工試驗方法標準》[10]將試樣制備成干密度為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3尾礦砂試樣。試驗所用儀器為南京電力自動化設備廠生產的三軸剪力儀,并采用飽和固結不排水剪試驗(CU試驗)。試驗時,對干密度分別為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3尾礦砂試樣施加圍壓100 kPa,當試樣完成不同程度固結(25%、50%、75%、100%固結)后進行排水剪切,剪切速率設定為0.166 mm/min,記錄每次試驗的量力環百分表讀數,孔壓的讀數。

需要說明的是,本試驗的固結度指的是尾礦料的固結程度,由于飽和后試樣在固結過程中固結排水量等于試樣體積的變化量[11],因此,本試驗的固結度是通過控制排水量的方法來控制的,固結度定義為任意固結排水量與100%固結排水量之比。如:要得到25%固結度的試樣,控制排水量當其數值達到0.25×100%固結排水量時則認為試樣已達到25%固結,同樣方法,可得到50%、75%、100%固結。

3 試驗結果分析

3.1 摩爾圓的繪制

根據三軸固結不排水剪的試驗數據,分別點繪出干密度為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3尾礦砂試樣在τf～σ平面內的強度包線,由于篇幅有限,僅在文中列出干密度為1.55 g/cm3尾礦砂試樣在τf～σ平面內的強度包線圖1所示。其中,c為尾礦砂的黏聚力,是抗剪強度線在τf～σ坐標平面內的截距,φ為尾礦砂的內摩擦角,即抗剪強度線的傾角。同理得出有效黏聚力c′和有效內摩擦角φ′。

圖1 干密度為1.55 g/cm3尾礦砂試樣在不同固結度條件下摩爾圓Fig.1 Mohr circles for tailings sand samples with a dry density of 1.55 g/cm3 under different consolidation degrees

3.2 抗剪強度指標與固結度關系

為了分析尾礦砂固結度對抗剪強度參數的影響,將以上圖中得到的抗剪強度指標c、φ以及有效抗剪強度指標c′、φ′值列于表1,并繪出固結度與各抗剪強度指標間的關系曲線如圖2～5所示。

表1 抗剪強度指標匯總表

圖2 不同干密度c值隨固結度變化曲線Fig.2 Variation of c value with the consolidation degree under different dry densities

圖3 不同干密度c′值隨固結度變化曲線Fig.3 Variation of c′ value with the consolidation degree under different dry densities

圖4 不同干密度φ值隨固結度變化曲線Fig.4 Variation of φ value with the consolidation degree under different dry densities

圖5 不同干密度φ′值隨固結度變化曲線Fig.5 Variation of φ′ value with the consolidation degree under different dry densities

(1) 由表1及圖2～圖5可知,對于同一干密度的尾礦砂,隨著固結度的增加,抗剪強度指標c、φ以及有效抗剪強度指標c′、φ′都逐漸增加,其中黏聚力c及有效黏聚力c′的變化范圍在10～16 kPa之間,變化的幅度不大。c及c′隨著固結度的增加呈逐漸增大的趨勢,但規律不是很明顯。這主要是由于尾礦砂在試驗中隨著固結度的逐漸增加,尾礦砂中水分會被逐漸排出,土顆粒表面結合水膜變薄,使粘聚力增大。由此可見,黏聚力c及有效黏聚力c′受固結度的影響不大。

(2) 內摩擦角φ以及有效內摩擦角φ′隨固結度的變化而反應明顯,變化范圍在18.78°～35.50°之間,但并不是單調的線性變化。主要表現為:當固結度為25%～50%時,內摩擦角φ以及有效內摩擦角φ′增長較為平緩,而當固結度為75%～100%時內摩擦角φ以及有效內摩擦角φ′增長較快,曲線較陡。如干密度為1.55 g/cm3的尾礦砂,當固結度為25%～50%時內摩擦角φ值由18.78°增加至19.29°,增加了0.51°;有效內摩擦角φ′由25.98°增加至26.81°,增加了0.83°。當固結度在75%～100%時,內摩擦角φ值由20.30°增加至22.73°,增加了2.43°;有效內摩擦角φ′由27.56°增加至29.01°,增加了1.45°。內摩擦角φ以及有效內摩擦角φ′位于75%～100%區間的增量明顯大于固結度位于25%～50%區間。研究表明,固結度會明顯改變顆粒表面摩擦力及顆粒連鎖產生的咬合力。隨著固結度的不斷增大,尾礦砂之間的接觸更加緊密,尾礦顆粒間起潤滑作用的水分子會不斷排出,使摩阻力提高,同時固結壓密又使土顆粒之間的咬合作用加強,因而摩阻力增大。同時當尾礦砂固結度不斷增大,部分顆粒間的自由水轉化為弱結合水,水對顆粒間的潤滑作用降低,從而使內摩擦角增大。

由于抗剪強度指標、有效抗剪強度指標均受固結度的影響,因此,將同一固結度不同干密度的尾礦砂的抗剪強度指標及有效抗剪強度指標分別進行分析,如圖6～9所示。

圖6 不同固結度γd～c關系Fig.6 Relationship between γd and c under different consolidation degrees

圖7 不同固結度γd～c′關系Fig.7 Relationship between γd and c′ under different consolidation degrees

圖8 不同固結度γd～φ關系Fig.8 Relationship between γd and φ under different consolidation degrees

圖9 不同固結度γd～φ′關系Fig.9 Relationship between γd and φ′ under different consolidation degrees

由圖6～9可知,相同固結度條件下,尾礦砂的黏聚力c及有效黏聚力c′隨著干密度的增加而逐漸增大,但規律性不太明顯。內摩擦角φ以及有效內摩擦角φ′隨著干密度的增大而增大,成線性增長趨勢,且固結度高的曲線位于固結度低的曲線上方。不同固結度下的γd-φ曲線、γd-φ′曲線斜率相近,擬合度較高。因此,將相同固結度條件下的干密度與內摩擦角φ以及有效內摩擦角φ′的關系進行擬合,擬合公式及相關系數如表2所示。

表2 各尾礦砂γd-φ、γd-φ′經驗關系

4 結論

(1) 對于同一干密度的尾礦砂,隨著固結度的增加,抗剪強度指標c、φ及有效抗剪強度指標均c′、φ′逐漸增加。

(2) 固結度變化對黏聚力c及有效黏聚力c′的影響較小,而內摩擦角φ以及有效內摩擦角φ′隨固結度的不同而變化明顯,鐵尾礦的抗剪強度主要依靠內摩擦角做貢獻。

(3) 尾礦砂的抗剪強度隨著干密度的增大而增大,也隨著固結度的增大而增大。在尾礦壩穩定性評價及安全管理中,考慮鐵尾礦材料的抗剪強度因固結度的不同而變化,可使尾礦壩穩定性分析更符合實際情況。在實際工程中,提高堆壩材料的密實度,可以提高壩體的抗剪強度,增加壩體的穩定性。