直接剪切試驗在尾礦庫穩定性分析中的應用

陳飛

摘? 要：根據尾礦庫實際發生事故的統計資料分析，由于洪水原因所造成的尾礦庫事故約占1/3，在汛期泄流時造成壩坡失穩對人民生命財產安全造成了極大的影響。因此在對九寨溝馬腦殼金礦尾礦庫堆積體進行了現場直接剪切試驗及室內粗粒土剪切試驗結果進行對比分析后，得出堆積體的抗剪強度參數。

關鍵詞：現場直接剪切試驗;尾礦庫;抗剪強度參數

中圖分類號：TD926? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的，用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他工業廢渣的場所。尾礦庫是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事，容易造成特大事故。因此，確定尾礦庫堆積體的抗剪強度參數，為可能發生的泥石流物源總量的確定提供必要的參數是十分重要的。抗剪強度參數確定的試驗方法一般為室內外剪切試驗，其中現場直接剪切試驗是在原位條件下進行測試，更能其實際抗剪強度，是現今獲取抗剪強度重要的手段之一。

1 工程概況

馬腦殼金礦山地處四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣境內。這里平均海拔3 500 m以上，屬高寒地帶，晝夜溫差大。 馬腦殼金礦露天開采方式為陡幫臺階尾隨式開采，經過幾年的規模化開采，形成的邊坡落差高達300 m。為了解決邊坡穩定難題，對礦區邊坡的穩定性進行研究，通過現場的力學試驗以及實驗室的力學實驗對其礦渣料的巖土物理性質進行分析。目前礦山已建成7座攔渣壩，環境保護與治理及生態修復工作取得顯著成效。

2 室內直接剪切試驗

2.1 試驗設備

該次試驗采用重慶市后勤工程學院巖土試驗所的25cm×25cm×25cm大型直剪儀，剪切盒：由上、下剪切盒及開縫裝置組成。加荷設備：千斤頂;位移量測設備：百分表和磁性表座。

2.2 試驗方法

每組試驗的試樣應為4個，根據試樣最大顆粒粒徑和試樣體積、控制密度制備土樣。將制備好的土樣攪拌后均勻分為3～5份，分層裝入剪切盒內，每一層土樣振實到所要求的高度。剪切面位于裝填層中部。將裝填試樣的剪力盒移入剪切儀內，并置于滾軸排上。在試樣頂部依次放上傳壓板、垂直千斤頂和傳力筒。在傳壓板的對稱部位，安放量測垂直位移百分表2個。在試樣上施加的最大垂直荷載，垂直壓力分別施加為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。安裝水平千斤頂和水平位移百分表。啟動水平千斤頂，調整垂直位移百分表，測記各測表讀數，施加剪切荷載。剪切荷載應按預估最大剪切荷載的10%分級施加，每30 s施加一級，并測讀水平位移和垂直位移百分表一次，當剪切荷載出現峰值或剪切荷載不再增加而水平位移急劇增加時，可結束試驗。若無上述2種情況出現，則控制水平位移達試樣直徑或長度的10%，可結束試驗，并將此時的剪切荷載作為破壞值。

2.3 試驗成果

室內天然狀態剪切，模擬現場直接剪切狀態，控制其密度為1.80 g/cm3，試驗采用重慶市后勤工程學院巖土試驗所的25cm×25cm×25cm大型直剪儀，在室內進行。垂直壓力分別施加為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

通過室內試驗得出現場礦渣堆積體顆粒級配不均勻系數為38.0，曲率系數為2.4。根據天然級配進行試樣配制，當試樣中含有超過試樣允許的最大粒徑顆粒，對超粒徑顆粒將超粒徑顆粒剔除。

3 試驗結果對比分析

通過對現場天然狀態和飽和狀態的直接剪切試驗的對比分析，礦渣料堆積體的最優含水率通過室內擊實試驗得出為12.2%，現場礦渣料堆積體含水率普遍較低，飽和后黏聚力的下降幅度較大，內摩擦角也有較大的降低，這對于尾礦庫的穩定性能非常不利。

通過對天然狀態試驗體的現場直接剪切和室內天然快剪結果的對比分析，室內天然快剪試驗得出的黏聚力有小幅的提升，分析其原因主要為天然快剪試驗過程中由于垂直壓力的壓密作用以及試樣制備的影響，其結果對現場直接剪切試驗是一種很好的證明。

4 結語

（1）現場直接剪切試驗是在尾礦庫堆積體上進行的原位測試試驗，其結果能客觀真實地提供尾礦庫的抗剪強度參數。

（2）飽和狀態下的現場直接剪切試驗其抗剪強度參數有較大幅度的降低，對于尾礦庫的穩定性評價及對可能發生的地質災害進行風險性評估時，建議根據當地的水文條件進行綜合考慮。

（3）室內天然快剪對現場直接剪切試驗是一種很好的證明，但室內天然快剪在試樣的制備過程中需嚴格按照現場顆粒級配、密度及含水率進行配樣，否則會與現場直接剪切試驗有較大的差異。天然快剪試驗過程中由于垂直壓力的壓密作用以及剪切過程中剪切面上顆粒重排，小顆粒填充進入由大粗粒部分形成的孔隙中，從而剪切應力隨剪切位移增大而增加，沒有明顯峰值。

（4）對于尾礦庫如坡頂、坡腳等不同部位的抗剪強度存在很大的差異性，對于尾礦庫的穩定性評價及治理應綜合考慮。

參考文獻

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