細粒含量對高應力尾砂不排水剪切強度特性的影響

潘建平 王宇鴿 宋應潞

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000;2.中國農業銀行萍鄉分行，江西 萍鄉 337000)

細粒含量對高應力尾砂不排水剪切強度特性的影響

潘建平1王宇鴿2宋應潞1

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000;2.中國農業銀行萍鄉分行，江西 萍鄉 337000)

通過三軸固結不排水試驗，對飽和尾砂的剪切強度特性和顆粒破碎特性進行研究，討論了試驗中尾砂在不同細粒含量和圍壓條件下的應力-應變關系、孔隙水壓力特性、應力路徑和顆粒破碎程度。試驗結果表明：在細粒含量小于15%時，高應力尾砂的剪切強度和軟化程度隨細粒含量的增大而減小。增加細粒含量使得孔隙水壓力達到更高值，不同細粒含量時應力路徑均屬于完全軟化-剪縮模式。顆粒破碎程度隨著細粒含量的增大而減弱，且顆粒破碎程度與圍壓之間呈冪函數型增長關系。為此，建議在實際工程中盡可能采用粗顆粒尾砂筑壩，或采取其他工程措施，以提高尾礦壩體的穩定性。

尾砂 細粒含量 剪切強度 顆粒破碎 高應力

尾礦壩是用選礦廠尾砂堆積而成的人工構筑物。在工程實踐中，出于對壩體安全的考慮，往往要對壩基承載力、擋土墻壓力以及壩坡失穩等進行分析，而這些安全評價都與尾礦剪切強度密切相關[1]。長期的工程實踐和試驗研究表明，尾礦的剪切強度等力學性質除與礦石成分、筑壩方式以及礦漿的沉積特性有關外，還與尾礦的粒度組成有關[2]。

隨著資源狀況、產品質量要求以及選礦技術的發展，目前，我國選礦廠尾砂總體變得越來越細。國內外學者關于細粒含量對砂土工程特性的影響進行了少量研究，如Polito研究了砂中粉粒對液化阻力的影響，指出砂的液化阻力僅由相對密度控制，與粉粒含量無關[3]。Mehmet等通過三軸壓縮試驗得出，當細粒含量為0～20%、且砂粒與細粒的平均粒徑比很小時，干凈砂土的液化敏感性隨著細粒含量的增加而增大[4]。劉雪珠等[5]對不同黏粒含量的南京粉細砂進行液化研究，結果表明黏粒含量對粉細砂抗液化能力影響很大。石杰等[6]對3組不同細粒含量的粗細粒混合土進行固結排水試驗，得出在圍壓相同條件下，應力水平隨著細粒含量的增加而降低。張超等[7]指出當細粒含量為35%時，尾砂的抗液化能力最好。王勇等[8]通過三軸試驗得出，砂土阻尼比隨著細粒含量的增加呈現非單調性的先增后減趨勢。

尾礦是一種人工砂土，其工程特性、力學性質研究遠未形成一套系統的理論，若仍將普通砂土工程性質的成果推廣到尾礦壩工程中，常常致使壩體安全評價存在很大的不確定性與風險性[9]。國內外考慮細粒含量對尾砂剪切強度特性和顆粒破碎特性影響的研究很少見到，尤其是對高應力環境下的研究則鮮有報道。當尾礦賦存在高應力環境中，壩體尾礦的力學響應表現出與表層尾礦有較大差異。為此，通過開展不同細粒含量時高應力尾砂的剪切試驗，分析細粒含量對飽和尾砂剪切強度特性和顆粒破碎特性的影響，為創新尾礦壩堆筑技術、壩體加高及工程安全評價提供參考。

1 試樣及試驗方法

1.1 試 樣

試驗所用尾礦取自江西九江某尾礦庫子壩，主要成分為石英，金屬礦物含量很低。現場尾礦經過濕篩，各粒級分別經過不少于8 h的烘干處理，裝袋后置于干燥皿中。不同細粒級(<0.075 mm粒級)含量的試樣粒度組成及主要物理性質指標見表1。

表1 不同細粒含量試樣的粒度組成及主要物理性質指標

1.2 試驗設備及方法

所采用的試驗儀器為STSZ-ZD型全自動應變控制三軸剪切儀，電機控制剪切速率，計算機輔助系統自動采集試驗數據。在剪切速率為0.4 mm/min、不同高圍壓(圍壓值>500 kPa)與不同細粒含量條件下，對飽和尾砂進行多組固結不排水剪切試驗，觀察不同細粒含量時尾砂剪切強度隨圍壓的變化規律，然后對所有試驗后試樣進行篩分，通過比較試驗前后級配變化來分析不同細粒含量時尾砂顆粒破碎隨圍壓的變化情況。

2 試驗結果與分析

2.1 細粒含量對不排水剪切強度影響試驗

在圍壓(σ3)為1 600 kPa情況下對各細粒含量尾砂進行固結不排水剪切試驗，得到的主應力差與軸向應變關系曲線見圖1，孔隙水壓力與軸向應變關系曲線見圖2，應力路徑曲線見圖3。

從圖1可知：①試樣剪切強度在試驗初期均迅速增長，達到峰值強度后均呈現不同程度的軟化；②隨細粒含量增加，峰值強度變小，軟化程度越來越弱。這是由于細粒含量增加、粗粒含量減少，粒間空隙被細粒填充，從而抑制了顆粒破碎的發生，軟化程度被弱化。

從圖2可知，孔隙水壓力隨著剪切強度的增長先顯著上升后升幅趨緩；細粒含量越高孔隙水壓力越高。細粒含量增加，填充的粒間空隙也增加，使得孔隙水壓力增長更迅速。

圖1 不同細粒含量時主應力差與軸向應變關系曲線

圖2 不同細粒含量時孔隙水壓力與軸向應變關系曲線

圖3 不同細粒含量時應力路徑曲線

根據Yoshinmine等[10]對飽和砂土不排水剪切破壞模式的分類(見圖4)，從圖3可知，在不同細粒含量時尾砂的應力路徑均屬于完全軟化-剪縮模式，且不同細粒含量的應力路徑也有明顯差異。

圖4 飽和砂土不排水剪切破壞模式

2.2 細粒含量對顆粒破碎的影響

在高應力環境下，土粒可發生破碎，其主要影響因素有顆粒大小、顆粒形狀、有效應力狀態、應力路徑、相對密度以及顆粒礦物成分等。顆粒破碎時，土顆粒的強度主要由摩擦和顆粒破碎共同控制[11]。

由于尾砂是人工砂土，微觀上看有一定的棱角，比一般砂土顆粒更易破碎。為了研究不同細粒含量時尾砂顆粒破碎隨圍壓變化的規律，對6組不同細粒含量的尾砂在5個不同圍壓下進行了不排水剪切試驗。

為了更直觀地反映細粒含量與顆粒破碎間的關系，采用Marsal[12]的“多粒徑指標”法對試驗數據進行分析，尾砂顆粒破碎程度(Bg)與圍壓的關系見圖5，各細粒含量時顆粒的破碎程度與圍壓關系的擬合結果見表2。

從圖5可見，顆粒的破碎程度隨著圍壓的增大而增大，隨著細粒含量的增加而減少。

圖5 不同細粒含量時顆粒破碎程度與圍壓的關系

細粒含量/%擬合關系式相關系數R20Bg=12.74286σ30.25198-17.304120.995423Bg=0.46895σ31.00965+0.012600.993086Bg=0.14194σ31.31768+0.995250.992689Bg=0.05693σ31.53112+1.664910.9976012Bg=1.62493σ30.54301-2.185470.9974715Bg=0.80237σ30.67334-0.840420.99878

從表2可見，顆粒的破碎程度與圍壓間大體呈冪函數型增長關系。

3 結 論

(1)相同圍壓條件下，飽和尾砂的不排水抗剪強度和軟化程度隨著細粒含量的增多而減少。細粒含量的增加使得孔隙水壓力達到更高值，不同細粒含量時應力路徑均屬于完全軟化-剪縮模式。

(2)顆粒破碎程度隨著圍壓的增大而增大，隨著細粒含量的增加而降低，且顆粒破碎程度與圍壓值之間呈冪函數型增長關系。

(3)建議礦山企業盡可能采用粗粒尾砂堆筑壩體，如不具備條件，可采用部分替代砂土或采取加固措施(如鋪設土工格柵、土工布等)，以提高壩體的穩定性。

[1] 楊 凱，呂淑然，張媛媛.尾礦壩中尾砂的強度特性試驗研究[J].金屬礦山,2014(2):166-170. Yang Kai,Lu Shuran,Zhang Yuanyuan.Experimental study of strength characteristics of tailing sand in tailings dam[J].Metal Mine，2014(2):166-170.

[2] 喬 蘭,屈春來,崔 明.細粒含量對尾礦工程性質影響分析[J].巖土力學,2015(4):923-927. Qiao Lan,Qu Chunlai,Cui Ming.Effect of fines content on engineering characteristics of tailings[J].Rock and Soil Mechanics,2015(4):923-927.

[3] Polito C P,Martin J R.Effects of nonplastic fines on the liquefaction resistance of sands[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001,127(5)：408-415.

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[8] 王 勇,王艷麗.細粒含量對飽和砂土動彈性模量與阻尼比的影響研究[J].巖土力學,2011,32(9):2623-2628. Wang Yong,Wang Yanli.Study of effects of fines content on dynamic elastic modulus and damping ratio of saturated sand[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(9)：2623-2628.

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(責任編輯 羅主平)

Effect of Fines Content on Undrained Shear Strength of Tailings Under High Stress

Pan Jianping1Wang Yuge2Song Yinglu1

(1.SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000，China;2.PingxiangBranch，AgricultureBankofChina，Pingxiang337000，China)

The shear strength and particle breakage characteristics of saturated tailings were studied by the consolidated undrained triaxial (CU) tests.The stress-strain relationship，pore water pressure characteristics，stress path，and particle breakage degree of tailings sand were discussed under different fines content and confining pressure.The testing results showed that，the shear strength and stress softening degree of the high stress tailings are decreased with fines content increasing at the fines content less than 15%.The increase of fines content leads the pore water pressure to a higher value.The stress path is completely softening-contractive model under different fines content.The breakage degree of particles is decreased with fines content increasing，and there is a power function growth relationship between particle breakage parameters and confining pressure.Therefore，in order to improve the stability of tailings dam，the scheme of coarse particle tailings used to build dam in practice projects was proposed，or taking other engineering measures.

Tailings sand，Fines content，Shear strength，Particle breakage，High stress

2015-05-04

國家自然科學基金項目(編號：51204076)，江西省自然科學基金項目(編號：20114BAB216011)，江西省科技支撐計劃項目(編號：20133BBG70103)，江西省教育廳科學技術研究項目(編號：GJJ14435)。

潘建平(1978—)，男，副教授，博士。

TU411.7

A

1001-1250(2015)-09-166-04