土工試驗成果在尾礦壩勘察中的作用分析

陳霞追

（中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011）

很多已建運營一段時間的尾礦庫根據生產需要，須對尾礦庫進行穩定性復核勘察工作，并為加高擴容可行性分析提供地質資料。在整個尾礦壩的勘測工程中，土工試驗則對整個勘察起到了非常重要的作用，不僅僅是對勘察的理論起到了指導作用，而且對于實際勘察的內容也有很大的幫助[1]。因為土工試驗是依據相關理論規程，經過對特定樣品測試所得出來的結果，對于工程的建設具有實際意義，本文結合湖南某尾礦庫項目擴容勘察論述土工試驗在尾礦勘察工程中的作用。

1 土工試驗相關成果及其在尾礦勘察工程中作用

1.1 土工試驗成果

該尾礦庫為一狹長形山谷，庫內縱深長度約1.0km，庫區為炭酸鹽巖分布區，對于該尾礦庫曾經有過兩次勘測。本次勘察在尾礦庫區采取原狀土試料進行室內物理力學性質試驗，并利用了此前的部分勘察成果，進行了對比分析。提交的試驗成果包括基本物理性指標如含水率、密度、比重、液塑限，顆粒特性指標顆粒組成，土層滲透性指標滲透系數，土層變形特性如常規壓縮、固結系數，土層的抗剪強度指標直剪試驗、三軸剪切試驗，以及工程設計需要的其它試驗項目。各項試驗參數為工程建設可行性論證及尾礦庫的穩定性分析計算提供可靠的定量的依據。

1.2 試驗指標作用分析

尾礦是由固、液、氣三相物質所組成的散粒體，三相物質的比例關系和它們的組成形式及相互結合的強弱和狀態決定了尾礦的物理力學性質，土工試驗的各項指標從不同方面表征尾礦的狀態和性質，實際應用也各有用途。

（1）基本物理性指標：含水率、天然密度、比重三項指標為最基本數據，需直接測定。由測試指標分析出含水率一般隨土層深度增加而增大，隨粘粒含量的增加而增加；同一類尾礦天然密度一般隨土層深度增加而增加，因為深度增加，固結時間增長，干密度也逐漸增大；而同一類尾礦比重的變化幅度較小。

液限和塑限是表征尾礦處于塑性狀態的上、下界限含水率，它隨尾礦粒徑和級配不同而不同，尾礦中水作為組成成分存在于孔隙中，其狀態由于水量的變化而變化，而無粘性土不具有塑性，因而塑性指數接近零值。

（2）顆粒組成：尾礦的粒度是一項重要指標，它能綜合反映尾礦的特性和本質，根據尾礦組成進行分類，可概略地判定其透水性、可塑性、收縮膨脹等物理力學性質，但不能完全反映出土的各種復雜性質，特別是對于細粒尾礦，其礦物成份、顆粒形狀以及膠體含量等都是重要影響因素。結合鉆孔取樣室內顆分試驗以及在庫區調查資料研究得出該尾礦粒度對沉積特性的影響。

（3）滲透性：尾礦的滲透性是由于骨架顆粒間存在著孔隙通道，土中孔隙水的運動與孔隙水壓力的變化，常是影響尾礦各種力學性質及設計與施工的主要因素。由測試結果發現，尾礦的滲透性，與其它的物理性質常數相比，其變化范圍要大些，且由于它的分選性很強，層位復雜，所以垂直方向的滲透系數與水平方向的滲透系數相差十幾倍至二十余倍，分析因為豎直方向的滲透試驗得出的結果，僅代表取樣所有土層中最細的那層土的滲透系數，所以偏小，而水平滲透代表過水斷面的平均滲透系數，所以要大些。而且隨著土中細粒含量的增加，其滲透系數差別愈來愈大。

（4）尾礦的變形特性：固結與壓縮對尾礦工程有重要影響，與尾礦體的滲流、穩定和沉降等問題密切相關。其變形特性不僅取決于土的類別和狀態，也隨著土的邊界條件、排水條件和受壓方式等因素而變化，如尾礦砂與尾礦土的變形機理不同，前者易排水，所以固結穩定時間短，而尾礦土由于顆粒小，滲透系數小，所以其排水固結需要一段相當長時間。由本次試驗分析，接近原地面的礦泥，強度低，固結度小。另外可發現水平方向固結系數比垂直方向固結系數大，這是因為尾礦的層理性特點所致。

表1 土工試驗成果

表2 土工試驗成果

（5）尾礦的抗剪強度：土的強度，是指土體具有抵抗剪切破壞的最大應力，也稱作土的抗剪強度[2]。影響尾礦庫穩定的因素很多，其中抗剪強度（內摩擦角φ和凝聚力C）是諸多因素最重要的一個。尾礦的內摩擦角φ，隨尾礦的顆粒組成、孔隙比、含水率、選礦類型等因素而變化，一般是尾礦的平均粒徑越大，其內摩擦角也越大。尾礦的凝聚力一般較小，原因是尾礦內粘粒含量較少，且沖填形成的壩體時間要比自然土壤形成的時間短得多，因此顆粒之間的凝聚力也小。

2 尾礦土不同時段試驗結果對比分析

2.1 尾礦物理性及固結系數指標

結合前后兩次土工試驗成果，統計該尾礦物理性及固結系數指標如表1。

該尾礦庫基本分布三種特性土：尾粉砂、尾粉土、尾粉質粘土，經對比分析前后兩次試驗指標，結果如下：①三者固結系數Cv都稍有增大，但變化不大；②尾粉砂和尾粉土天然含水率w指標比較接近，變化不大。尾粉質粘土的天然含水率有所減少；③尾粉砂和尾粉質粘土的天然密度ρ值較前期試驗值均有所增大，孔隙比e較前期試驗值有所減??；尾粉土的天然密度ρ較前期試驗值有所增大，而孔隙比e較前期試驗值也偏大。

從基本物理性及固結系數指標可看出該尾礦因前后兩次勘測間隔時間不長，試驗值變化不大，但也可從天然密度ρ和孔隙比e值分析得出土體固結作用的結果影響。

2.2 尾礦抗剪強度及壓縮試驗指標

統計該尾礦抗剪強度及壓縮試驗指標如表2。

對比分析結果如下。①尾粉砂：壓縮系數a1～2、壓縮模量Es值較前期試驗值，前者偏大、后者偏小，與試樣具層理特征有關。固結快剪強度較前期試驗值高，強度有所增長。三軸試驗固結不排水剪強度值較前期試驗值大，由于以前的三軸壓縮試驗采用制備試樣，本次采用具有層理的原狀試樣，具有一定的結構強度，因此三軸壓縮試驗結果值C、φ值分別是前期試驗值的2倍和1.7倍。②尾粉土：壓縮系數a1～2、壓縮模量Es值較前期試驗值，前者偏大、后者偏小，與試樣具層理特征有關。固結快剪強度較前期試驗值高，強度有所增長。

三軸試驗固結不排水剪強度值較前期試驗值大。由于前期的三軸壓縮試驗采用制備試樣，本次采用具有層理的原狀試樣，具有一定的結構強度，因此三軸壓縮試驗結果值C、φ值分別是前期試驗值的1.5倍和1.7倍。

3 結語

尾礦土試驗有別于一般的工程巖土試驗，因其尾礦的成份和組成粒徑等的不同而具有其特性，但仍可以應用土力學基本原理結合實際情況進行分析，從而得出對尾礦工程設計和壩體穩定性評價計算的可靠基礎數據。但在進行具體的試驗過程中，易受外界因素的干擾，甚至有的時候得到的試驗結果也會有一定的誤差，這就需要工作人員在進行土工試驗的過程中盡量減少外界因素的干擾，進行合理的分析，提高土工試驗的質量。