飽和細粒尾礦砂的物理力學性質

劉靜媛，柴修偉

武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北武漢430074

當前，由于地區、環境以及選礦方式的不同，導致尾礦砂的物理力學性質存在較大差異。在研究尾礦壩的穩定性前，對其基本力學性質進行研究尤為重要。

針對尾礦砂的物理和力學性質，趙懷剛等［1］、王鳳江等［2］從尾礦的堆存特征角度進行研究，結果表明增大尾礦砂的相對密度或者減小其孔隙比，壩體的抗剪強度將得到提高。文獻［3-4］通過室內土工試驗和激光粒度分析指出，細粒尾礦含量越高黏聚力越強，內摩擦角和滲透性越?。徊⒔柚鶶lide 軟件建立直觀的尾礦壩模型，發現中值粒徑較大條件下其最小安全系數相應較大，壩體穩定性明顯較高，進一步證實了細粒含量對尾礦庫穩定性的重要性。朱仁玉［5］認為尾礦砂在飽和狀態下，隨著細粒含量比占比增大，在同一圍壓下應力應變曲線呈現應變硬化型、應變穩態型和應變軟化型3 種狀態。尾礦的沉積和固結是形成強度的重要依據［6］，此外，文獻［7-8］指出，在相同干密度、相同圍壓的情況下，細粒砂的偏應力峰值較粗粒砂大，黏粒含量小于10%時，隨黏粒含量增大，試樣壓縮性增強。文獻［9-10］通過強度試驗得出：隨著干密度的增大，試樣密實度增大，在發生破壞時，外力克服骨料間的摩擦力所做的功將增大，使得黏聚力、內摩擦角呈現增大的趨勢。

目前，已有學者對尾礦的物理力學性質進行了一些研究，但對于粒徑對其影響仍存在一定不足。以程潮鐵礦尾礦為實驗材料，針對不同粒度條件下其物理力學性質進行室內試驗和分析，從受力情況和抗剪強度等方面研究，為提高尾礦強度提供參考。

1 實驗材料及其物理性質

1.1 現場取樣

該尾礦砂取自寶武集團程潮鐵礦，沿放礦方向，根據與放礦位置的距離確定采樣點?，F場取樣如圖1 所示，距放礦口1 處0、20、40、60 m，記為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4；距放礦 口2 處20、40、60、70、80 m，記為Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ5。

圖1 現場取樣示意圖：（a）取樣方向，（b）取樣點分層現象Fig.1 Schematic diagrams of on-site sampling：（a）sampling direction，（b）stratification of sampling points

1.2 含水率試驗

采用烘干法測定尾礦含水率，試驗需要的儀器設備有烘箱、電子秤、鋁盒等。將裝有試樣的鋁盒放入烘箱中，在105~110 ℃下，烘干時間不得小于6 h 至恒重，待冷卻干燥后按公式計算含水率，見表1。

表1 含水率測定Tab.1 Percentage of moisture content

由表1 可知，隨著沉積時間和滲流作用，距離放礦口越遠尾礦含水率越大，尾礦砂粒徑越?。徊⑶腋魅狱c上層粒徑較下層大，分層現象明顯。在Ⅱ3處，地形凹陷，大量水份無法流通，匯聚在此處，因此測得含水率為25.6%，出現明顯差異。

2 試驗方法

2.1 尾礦砂的顆粒分析

參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）［11］對尾礦砂進行顆粒分析試驗，圖2 為各取樣點的原始顆粒級配曲線。由于尾礦砂粒徑較小，所以粒徑在0.075 mm 以下的采用激光粒度分析儀進行檢測，粒徑在0.075 mm 以上的采用篩分法。由篩分結果得出，全尾礦粒徑大于0.074 mm的顆粒質量占總質量的88.33%、85.96%，超過總質量的85%，故采樣處所取尾砂屬于尾細砂［12］。

圖2 各取樣點全尾砂的顆粒級配曲線：（a）放礦口1，（b）放礦口2Fig.2 Grading curves of all tailings at each sampling point：（a）drainage port 1，（b）drainage port 2

判別級配優劣的指標有不均勻系數Cu和曲率系數Cc，通常也通過平均粒徑d50聯合不均勻系數和曲率系數進行判別。Cu越大表示粒徑分布越廣，Cc在1~3 范圍內表示粒徑分布均勻且連續，因此，同時滿足Cu≥5，1≤Cc≤3 時尾礦級配良好。該尾礦各項級配參數見表2。

由表2 可知：隨距放礦口的距離逐漸增大，有效粒徑d10、平均粒徑d50、限制粒徑d60均呈現減小的趨勢；不同取樣點顆粒分析結果顯示Cu約為3.765，Cc約為0.932，粒徑分布不均勻且不連續，級配不良。

表2 尾礦各項級配參數Tab.2 Various grading parameters of tailings

2.2 尾礦砂的成分分析

除了顆粒分布形態會對尾礦強度特性造成影響，其組成成分也會影響在承載過程中尾礦的力學行為、變形規律和聲學特征等［13］。對試樣進行X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）實驗，分析其礦物組成。采用MDI jade 軟件對XRD 數據進行處理，圖3 為全粒徑尾礦的衍射圖譜與物相分析。

圖3 全粒徑尾礦XRD 圖譜Fig.3 XRD pattern of full size tailings

礦物的硬度在一定程度上可以反映其抗剪強度的大?。?4］，分析發現該尾礦中的主要礦物成分為石英、鐵、沸石、硫酸銅等。并且隨粒徑的減小石英含量也呈減小趨勢，而石英的硬度相對其他礦物成分較高，這也進一步說明了細粒含量不利于尾礦的強度提高。

2.3 尾礦砂的力學特性

抗剪強度的大小取決于砂土的組成成分、顆粒排列方式以及所受的應力組合等，因此，以直剪試驗和三軸試驗為主，研究不同粒徑的尾礦力學參數的變化趨勢。

（1）試驗設備

為研究尾礦砂在不同受力情況下的抗剪強度，選用ZJ 型應變控制式直剪儀和TSZ-3 型應變控制式三軸儀進行剪切試驗。

（2）試驗過程

按照《土工試驗規程》要求，由＜0.075 mm、0.075~0.100 mm、0.100~0.250 mm、0.250~0.500 mm、0.500~1.000 mm 五個粒徑組進行試驗。

直剪試驗分別施加軸向荷載50、100、150、200 kPa，在0.8 mm/min 的剪切速率下進行剪切直至破壞，繪制ΔL-τ曲線和p-S曲線，計算黏聚力c和內摩擦角φ等強度指標。三軸不固結不排水試驗在圍壓分別為50、100、200 kPa 條件下，控制剪切速率ν=0.04 mm/min 進行剪切，至軸向應變達到15%以上，將數據進行處理，繪制應力莫爾圓，得出在不同圍壓作用下，粒徑與抗剪強度之間的關系。

3 結果與討論

3.1 直剪試驗結果分析

在直剪試驗中，取最大剪應力作為該軸向荷載對應的抗剪強度S，并擬合直線，計算得出該粒徑組的內摩擦角和黏聚力。圖4 為不同粒徑組試樣直剪試驗中的應力應變曲線及強度曲線。

圖4 不同粒徑組試樣應力應變曲線及強度曲線：（a，b）＜0.075 mm，（c，d）0.075~0.100 mm，（e，f）0.100~0.250 mm，（g，h）0.250~0.500 mm，（i，j）0.500~1.00 mmFig.4 Stress-strain curves and strength curve of samples with different particle sizes：（a，b）＜0.075 mm，（c，d）0.075-0.100 mm，（e，f）0.100-0.250 mm，（g，h）0.250-0.500 mm，（i，j）0.500-1.000 mm

從單一粒徑組的試驗結果曲線圖中得出：隨著剪切位移的增大，試樣的剪應力逐漸增大，當剪切位移達到4 mm 時，剪應力增長緩慢并趨于不變，且軸向荷載越大抗剪強度越大。說明軸向荷載在一定時間內對試樣有固結效果，在同一時間段內由于軸向荷載的增大固結程度相應增大，顆粒之間的相互作用力增強，表現出的抗剪切能力相應增強。

對比不同粒徑組試樣，試樣所達到的最大剪應力隨粒徑增大而增大，大顆粒具有較高的強度，不易發生破碎，但是顆粒較大的同時表面無黏性砂附著，會造成顆粒間黏聚力減小、內摩擦角增大。

砂樣的抗剪強度是通過顆粒間的內摩擦力與黏性物質及水分子間的黏聚力所組成［15-16］。根據圖4擬合結果，計算出不同粒徑組的c、φ值，見表3。

由表3 可得：隨著粒徑的增大，尾礦試樣的黏聚力保持減小的趨勢，相反，內摩擦角一直保持增大的趨勢，并且從0.100~0.250 mm到0.250~0.500 mm內摩擦角急劇增大。根據內摩擦角產生的原理，當粒徑小于0.25 mm 時，粉性尾礦和細粒尾礦為主導，由于粉粒與細粒表面相對光滑、且顆粒間存在一定的黏聚力，故顆粒間產生相互滑動時需要克服由于表面粗糙不平而引起的滑動摩擦較小，表現為發生剪切時內摩擦角變化較??；當粒徑大于0.25 mm 時，試樣屬于尾中砂、尾粗砂，尾礦顆粒大、顆粒間的間隙較大且透水性好，易產生較大的咬合摩擦，因此與粒徑0.25 mm 以下的尾礦相比，該粒徑條件下得出的內摩擦角急劇增大，黏聚力也相對最小。

表3 不同粒徑組直剪試驗抗剪強度指標Tab.3 Shear strength indexes of groups with different particle sizes in direct shear tests

3.2 不固結不排水試驗結果分析

3.2.1 應力應變分析 以不同圍壓下的主應力差為縱坐標，軸向應變為橫坐標，繪制不同粒徑相應的應力應變曲線，如圖5 所示。

圖5 不同粒徑試樣應力應變曲線：（a）＜0.075 mm，（b）0.075~0.100 mm，（c）0.100~0.250 mm，（d）0.250~0.500 mm，（e）0.500~1.000 mFig.5 Stress-strain curves of samples with different particle sizes：（a）＜0.075 mm，（b）0.075-0.100 mm，（c）0.100-0.250 mm，（d）0.250-0.500 mm，（e）0.500-1.000 mm

試驗結果顯示，主應力差隨軸向應變的變化急速達到某值時，主應力差開始緩慢增長并隨著應變的不斷增大而趨于平穩，呈現塑性變形。同時施加圍壓值越大，試樣所達到的最大主應力差也越大。尾礦粒徑越大，試樣達到破壞時的主應力差越大，剪脹性隨之減小，說明較大粒徑具有較高的強度，不易發生破壞。

3.2.2 抗剪強度分析 根據要求，破壞點可取軸向應變ε=15%時對應的主應力差作為破壞強度值。對于不固結不排水試驗，在橫坐標上以為圓心，以為半徑繪制破壞總應力圓，并做各應力圓的公切線即應力圓強度包絡線。該包絡線的傾角為內摩擦角，與縱坐標的截距為黏聚力，如圖6（a-e）所示。

以上5 種粒徑尾礦的強度參數c、φ值，見表4。

表4中，粒徑＜0.075 mm 時，c=22.41 kPa，粒徑為0.075~0.100 mm 時，c=15.83 kPa，變化量為6.58 kPa；粒徑為0.100~0.250 mm 時，c=15.7 kPa，粒徑為0.250~0.500 mm 時，c=9.23 kPa，變化量為6.47 kPa。相較于其它粒徑組，由粉粒到細粒、細粒到粗粒時產生的黏聚力變化非常明顯。

表4 不同粒徑組不固結不排水試驗c、φ 值Tab.4 c、φ values of groups with different particle sizes in unconsolidated and undrained tests

在三軸試驗中，隨著粒徑的增大，黏聚力保持下降的趨勢，相反，內摩擦角保持增長趨勢，這一結果與直剪試驗結果保持一致。對比直剪試驗，發現在三軸試驗中各試驗組得出的黏聚力和內摩擦角較大，其中，黏聚力增長幅度比內摩擦角大；在圍壓作用下，尾礦相應得到固結作用，因此提高了部分抗剪能力。

4 結 論

通過室內土工試驗、激光粒度分析和XRD 成分分析，從不同粒徑范圍研究其物理力學性質對抗剪強度的影響，得出各項強度系數與粒徑之間的聯系。

（1）該尾礦壩粒徑分布不均勻且連續，屬于級配不良的尾細礦。

（2）粒徑小于0.250 mm 的尾礦顆粒中細粒含量和粉粒含量較多。大于0.250 mm 的顆粒，孔隙較大，石英含量偏多，由于石英硬度偏大，不易發生破壞，其含量有利于提高尾礦強度。

（3）直剪試驗中，隨著軸向荷載的增大，試樣發生破壞時的剪切應力越大，且粒徑較大的試樣組發生破壞時的剪切應力較大；粒徑為0.250~0.500 mm 時，剪切產生的內摩擦角變化明顯，變化量為3.8°，而黏聚力呈現逐漸減小的趨勢。

（4）三軸不固結不排水試驗中，圍壓越大，試樣破壞時達到的偏應力越大；隨著粒徑的增大，試樣發生剪切時黏聚力呈減小趨勢，內摩擦角呈增大趨勢，粒徑為0.25~0.5 mm 時，黏聚力變化明顯，變化量為6.47 kPa，且三軸作用下尾礦砂的抗剪強度優于直剪作用。