礫石料尾礦壩力學性質大型三軸剪切試驗研究

馬艷晶,江洎洧

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京100038;2.水利部巖土力學與工程重點實驗室,湖北武漢430010)

1 前言

某尾礦庫位于我國西北部,尾礦壩采用一次建壩分期加高方式建設,筑壩材料采用當地土石料。該尾礦壩一期工程已建成并運行多年,形成的尾礦庫庫容即將使用完畢,需開展尾礦壩二期工程,即實施尾礦壩加高建設。根據原設計資料,尾礦壩一期壩高50 m,二期采用下游法加高20 m,最大壩高達到70 m。

根據國家相關規范要求,尾礦庫初期壩與堆積壩的抗滑穩定性應根據壩體材料及壩基的物理力學性質經計算確定[1]。由于該尾礦壩建成時間較長,關于筑壩料土工試驗開展較少,一期壩壩體狀態較難掌握,為保證尾礦壩加高工程的安全實施,充分了解現有尾礦一期壩筑壩料的物理力學性能尤其是抗剪強度參數,特開展一系列試驗研究工作,為加高后的尾礦壩穩定計算分析提供必要的理論依據。

筑壩料的工程分類屬于粗粒土,利用大型三軸剪切試驗進行相關研究工作。試驗在室內進行,為準確進行試驗制備,在進行大型三軸剪切試驗前,分別對筑壩料進行了顆粒級配試驗和擊實試驗。

2 筑壩料顆粒級配及現場干密度

現場隨機選取三個點,分別取約1 t 試樣進行全級配顆粒分析。圖1所示為顆粒級配累積曲線;表1 統計了各粒組區間質量百分含量。根據三組顆粒分析試驗成果,分別在圖1 和表1 中繪制和統計得到了筑壩礫石料的平均級配累積曲線及粒組含量情況。綜合來看,該尾礦壩筑壩礫石料可命名為級配良好礫[2]。另據現場檢測,筑壩礫石料的天然干密度為2.05 g/cm3。

圖1 尾礦壩筑壩料顆粒級配曲線

表1 筑壩料級配表

3 重型擊實試驗

獲取筑壩料現場顆粒級配后,按照平均級配曲線制樣開展大型擊實試驗,可進一步獲得礫石料的最大干密度和最優含水率。最大干密度試驗采用表面振動擊實法。試樣筒尺寸為300 mm ×285 mm。試樣分3 次鋪裝,每層振擊6.5 min。

試驗成果見表2,平均級配線得到的擊實試驗曲線如圖2所示。

表2 擊實試驗成果

圖2 擊實試驗曲線

據擊實試驗最大干密度,經與筑壩料現場檢測干密度2.05 g/cm3對比,筑壩料現場壓實度約為91.6%,后續大型三軸剪切試驗參照該指標進行制樣并測試。

4 大型三軸剪切試驗

4.1 試驗儀器

圖3所示為大型三軸壓縮試驗儀。試樣尺寸為300 mm×H600 mm 的圓柱體,最大圍壓3.0 MPa,最大軸向應力21 MPa,最大軸向行程300 mm。該儀器的系統組成包括:豎向荷載加載、穩壓、控制系統;周圍壓力加載、穩壓、控制系統;三軸壓力室;反力框架;位移、體變量測系統;荷載傳感器及數據采集系統等。

圖3 大型高壓三軸壓縮試驗儀

4.2 試驗方案設計及試驗過程說明

采用表2 中的試驗級配,并按照2.05 g/cm3試驗干密度標準制備試樣(對應壓實度91.6%)開展三軸壓縮試驗?？紤]到后續壩體抗滑穩定分析不同工況的需要,分別開展固結排水剪(CD)、固結不排水剪(CU)、不固結不排水剪(UU)三軸試驗各一組。其中CD 試驗強度對應充分變形后壩體的長期抗剪強度;CU 試驗強度對應充分變形后壩體在地下水位線驟變條件下的強度;UU 試驗強度則對應欠固結狀態下壩料在極端降雨條件下的強度。另參照擬加高后的壩高,試驗四級圍壓依次選取0.3 MPa、0.6 MPa、0.9 MPa、1.2 MPa。

試驗過程如下:

(1)在三軸壓力室底座上放置透水板,打開進水閥,使試樣底座透水板充水至無氣泡溢出,關閉進水閥。在底座上扎好橡皮膜,安裝成型筒,將橡皮膜上端外翻在成型筒上,使橡皮膜緊貼在成型筒內壁。

(2)將分層稱取的試樣加水至最優含水率附近后混合均勻,逐層裝入試樣成型桶,采用表面振動器對試樣進行振密至要求干密度,直至試樣制備完成,整平表面后,放置透水板和試樣帽,扎緊橡皮膜,采用真空泵從試樣帽頂孔排水閥抽真空,去掉成型筒,關閉抽氣閥門使試樣在真空負壓下直立,放置0.5～1 h,檢查橡皮膜,若有破裂處,立即進行黏補,必要時再加一層橡皮膜。

(3)安裝壓力室,開壓力室排氣孔,向壓力室內注滿水后,關閉排氣孔,對試樣施加50 kPa 的保護圍壓,開頂孔排水閥釋放負壓,從底孔采用水頭飽和方法對試樣進行飽和。

(4)飽和完成后,對于CD 和CU 試驗,按設定圍壓等級加壓對試樣進行固結,待固結過程排水穩定后,開始下一步軸向壓縮剪切。在CD 試驗剪切過程中,試樣持續保持排水條件,試驗過程中記錄軸向荷載、軸向位移、排水量等,直至軸向應變達到15%停止試驗;在CU 試驗剪切過程中,關閉排水閥,其余與CD 試驗一致;UU 試驗則在飽和完成并施加設定圍壓后關閉排水閥,直接進行剪切試驗。

(5)繪制應力應變曲線,如應力應變曲線有峰值時,取峰值點為破壞點,反之取軸向應變15%所對應的點為破壞點,按摩爾-庫侖強度準則計算抗剪強度指標。

試驗過程均嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)和《粗粒土試驗規程》(T/CHES—2019)執行。

4.3 參數整理

土的抗剪強度指標c、φ值采用摩爾-庫侖強度準則,先作出不同圍壓σ3下偏應力-軸應變關系曲線(σ1-σ3)-εa,得到不同圍壓σ3下的峰值強度(無峰值時取軸應變15%對應的偏應力),據此繪制各圍壓下τ-σ極限摩爾應力圓,按摩爾圓公切線的截距和斜率分別得到試樣的內聚力c和內摩擦角φ。

4.4 試驗成果

試驗曲線如圖4、圖5、圖6所示。根據試驗曲線整理得到各測試工況下試樣的抗剪強度指標見表3。

表3 大型三軸試驗成果表

圖4 CD 三軸試驗成果

圖5 CU 三軸試驗成果

圖6 UU 三軸試驗成果

CD 試驗抗剪強度指標內聚力c為20 kPa,摩擦角φ為31.8°;CU 試驗抗剪強度指標內聚力c為8 kPa,摩擦角φ為29.2°;UU 試驗抗剪強度指標內聚力c為107 kPa,摩擦角φ為4.0°。

4.5 成果分析

總體來看,由于試樣的壓實度相對較低,因此CD 和CU 試驗的全過程中,偏應力-軸應變曲線無顯著峰值,試樣變形機理大致呈現為進一步的擠密和大變形摩擦,強度參數中的內聚力c主要反映了固結顆粒間的機械咬合。

近年來,關于礫石或卵礫石料的抗剪強度,許多學者開展了大量試驗研究[3-5],其中嚴偉對礫石土料也進行了高壓大三軸試驗,在最大直徑60 cm 的試驗條件下,針對P5=50(粒徑大于5 mm 的粗粒質量占總質量的百分數)的礫石土試樣,分別進行了固結排水剪和固結不排水剪試驗,CD 試驗抗剪強度指標內聚力c為40 kPa,摩擦角φ為30.4°;CU 試驗抗剪強度指標內聚力c為50 kPa,摩擦角φ為19.1°。

與本文所做試驗相比,從試驗結果來看,二者在CD 試驗條件下的結果較相近,而在CU 試驗條件下的試驗結果相差較大,這主要因為礫石土材料的細粒含量較多,從而c值也較大。

對于UU 試驗,其內摩擦角φ為4.0°,接近于理論土力學的水平包絡線,主要是由于試樣本身透水性較好,加之試驗過程中飽和過程和剪切過程之間存在銜接,因此存在較小的摩擦角,在后續極端工況驗算分析中,可主要參考內聚力c值進行計算。

5 結論

針對本工程尾礦壩的筑壩材料,通過室內土工試驗分析,可以得出以下結論:

(1)顆粒分析試驗表明,該尾礦壩筑壩材料為粗粒土,工程分類為級配良好礫。

(2)擊實試驗表明,筑壩材料的最大干密度為2.239 g/cm3,最優含水率為6.5%。另外,根據工勘資料,現有壩體筑壩料的干密度為2.05 g/cm3,相應的壓實度為91.6%,現有壩體筑壩施工質量控制較差。

(3)大型三軸剪切試驗結果表明,CD 試驗抗剪強度指標內聚力c為20 kPa,摩擦角φ為31.8°;CU試驗抗剪強度指標內聚力c為8 kPa,摩擦角φ為29.2°;UU 試驗抗剪強度指標內聚力c為107 kPa,摩擦角φ為4.0°。

尾礦壩作為礦山重要的生產設施,其安全性至關重要。在現有的尾礦庫工程中,由于技術水平的限制,針對筑壩材料廣泛開展物理力學試驗的情況較少,為全面掌握壩體筑壩料性質,應結合實際情況開展相關土工試驗。本次研究工作,針對某尾礦壩礫料筑壩材料,進行了大型三軸剪切試驗,其試驗結果可為類似工程提供參考。