高海拔地區(qū)循環(huán)凍融尾礦抗剪強(qiáng)度及細(xì)觀分析

何向榮 徐鵬飛

摘? 要：為了研究循環(huán)凍融尾礦顆粒的抗剪強(qiáng)度，通過對香格里拉某尾礦庫兩個(gè)時(shí)間段取樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)以及電鏡掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明含水率是影響尾礦抗剪強(qiáng)度的主要因素，同時(shí)，循環(huán)凍融條件并非是尾礦抗剪強(qiáng)度的破壞性因素，合理采用放礦速率及放礦方式，循環(huán)凍融條件將會提高尾礦材料的抗剪強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：循環(huán)凍融;尾礦顆粒;抗剪強(qiáng)度

中圖分類號：TU41? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0058-04

Abstract： In order to study the shear strength of cyclic freeze-thaw tailings， direct shear test and electron microscope scanning test were carried out on two time periods of a tailings reservoir in Shangrila. The test results show that water content is the main factor affecting the shear strength of tailings. At the same time， the cyclic freeze-thaw condition is not the destructive factor of the shear strength of tailings， and the ore drawing rate and drawing mode are adopted reasonably. The cyclic freezing and thawing conditions will improve the shear strength of tailings materials.

Keywords： high altitude area; cyclic freeze-thaw tailings; shear strength

引言

隨著我國礦產(chǎn)行業(yè)的不斷發(fā)展，修筑在特殊環(huán)境條件下的尾礦庫也逐年增多，處于凍土區(qū)的尾礦庫除受到常規(guī)條件的影響因素外，還受到季節(jié)性凍融影響帶來的危害[1]。循環(huán)凍融環(huán)境下尾礦顆粒的物理力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生較大的變化，艾凱明[2]通過進(jìn)行室內(nèi)循環(huán)凍融直剪試驗(yàn)，研究了尾礦顆粒尾礦表面龜裂、含水率、抗剪強(qiáng)度等在不同循環(huán)次數(shù)條件下的變化;張二軍[3]研究了不同含水率，相同循環(huán)凍融次數(shù)以及相同含水率，不同循環(huán)次數(shù)尾礦顆粒的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化趨勢;劉友能[4]通過進(jìn)行循環(huán)凍融條件下尾礦的固結(jié)不排水（CU）試驗(yàn)，提出受到循環(huán)凍融的作用下，尾礦顆粒抗剪強(qiáng)度及彈性模量均出現(xiàn)一定程度的降低。以上試驗(yàn)均采用人為控制循環(huán)凍融次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，雖然具有一定程度的研究參考意義，但是受到人為因素及環(huán)境因素的影響較大，研究成果可能存在一定程度的失真。云南香格里拉某尾礦庫晝夜溫差較大，十一月份日間溫度達(dá)12℃，夜間達(dá)-11℃，是天然的循環(huán)凍融尾礦樣品，本文采用現(xiàn)場采取循環(huán)凍融樣品的方法進(jìn)行現(xiàn)場直剪試驗(yàn)及電鏡掃描試驗(yàn)，以探索尾礦顆粒的力學(xué)特性對凍融環(huán)境下的響應(yīng)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用云南香格里拉某尾礦庫進(jìn)行取樣，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）采用篩分法和密度計(jì)法對兩個(gè)時(shí)間段的尾礦試樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，圖1為尾礦材料的顆粒級配特征曲線，結(jié)果表明尾礦庫產(chǎn)出尾礦級配特征大體相同，均以產(chǎn)出尾粉砂為主。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）附錄F，香格里拉某尾礦庫屬于季節(jié)性凍土區(qū)，凍土深度達(dá)60cm，圖2為云南香格里拉地區(qū)2019年9月氣溫曲線，其最低溫度為5℃，最高溫度為20℃，是典型的非循環(huán)凍融尾礦樣品，圖3為云南香格里拉地區(qū)2019年12月氣溫曲線，其最低溫度為-11℃，最高溫度為13℃，是天然的循環(huán)凍融尾礦樣。本次試驗(yàn)采用上述兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行兩批次取樣進(jìn)行試驗(yàn)，具體取樣方法為首先清理地表約20cm厚度尾礦后進(jìn)行環(huán)刀取樣，取樣過程中盡量減少樣品的擾動。由于尾粉砂滲透性較好，隨著尾礦的繼續(xù)堆填尾粉砂可以完成自重固結(jié)，所以本次試驗(yàn)采用固結(jié)快剪和浸水固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用南京土壤儀器廠ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，施加的垂向壓力分別為100、200、300、400kPa，剪切速率為0.08mm/min，試驗(yàn)完成后測定尾粉砂的物理性指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

表1列舉出在循環(huán)凍融環(huán)境下以及在非循環(huán)凍融環(huán)境下尾粉砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果表明循環(huán)凍融對尾礦抗剪強(qiáng)度具有一定程度的影響，主要體現(xiàn)在粘聚力上，這是由于在循環(huán)凍融條件下尾粉砂顆粒之間的聯(lián)結(jié)方式及聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞，從而表現(xiàn)出c值具有較大的離散性，最大粘聚力為33.2kPa，最小粘聚力為13kPa。同時(shí)，內(nèi)摩擦角受循環(huán)凍融影響作用同樣存在一定程度的影響，但是影響范圍較小，圖4為固結(jié)快剪下尾粉砂在循環(huán)凍融條件下及非循環(huán)凍融條件下的抗剪強(qiáng)度曲線，擬合后的庫倫公式為：

非循環(huán)凍融條件下：τ=26.2+σ×tan25.6° （1）

循環(huán)凍融條件下：τ=23.67+σ×tan26.35° （2）

圖5為浸水固結(jié)快剪條件下尾粉砂在循環(huán)凍融條件下及非循環(huán)凍融條件下的抗剪強(qiáng)度曲線，浸水固結(jié)快剪條件下尾礦的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較固結(jié)快剪試驗(yàn)均有所降低，從而解釋了降雨條件及水位升高條件下將會影響坡體的穩(wěn)定性的原因[5]，同時(shí)，浸水固結(jié)快剪試驗(yàn)條件下尾礦在循環(huán)凍融和非循環(huán)凍融條件下抗剪強(qiáng)度的變化與固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果基本一致，凍融主要影響了尾礦材料的粘聚力，對內(nèi)摩擦角影響較小，擬合后的庫倫公式為：

非循環(huán)凍融條件下：τ=25.72+σ×tan23.76° （3）

循環(huán)凍融條件下：τ=23.4+σ×tan23.4° （4）

為了查明循環(huán)凍融條件下影響了尾礦材料的抗剪強(qiáng)度的主要因素，首先將非循環(huán)凍融固結(jié)剪切試驗(yàn)完成的尾礦材料進(jìn)行物理性試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)結(jié)果如表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，影響試驗(yàn)結(jié)果的因素主要為含水率，圖6為不同含水率條件下尾粉砂粘聚力的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加尾粉砂的粘聚力總體上呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，研究結(jié)果與文獻(xiàn)[3]一致。

根據(jù)摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，采用有效應(yīng)力方法飽和土的抗剪強(qiáng)度公式如下：

τf=c+（σ-ua）tanφ （5）

對于非飽和土，抗剪強(qiáng)度公式為：

τf=c+（σ-ua）tanφ+x（ua-uw）tanφ? ? ? （6）

其中c、φ均為有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo);ua、uw分別為土體內(nèi)空隙氣壓力及孔隙水壓力;x為與飽和度相關(guān)參數(shù)。

綜合兩式，得到：

τf=c+（σ-ua）tanφ+τs（7）

其中τs為與基質(zhì)吸力相關(guān)的抗剪強(qiáng)度，稱為吸力強(qiáng)度，τs可看作非飽和土總粘聚力的一部分。

綜上，水的作用嚴(yán)重影響了尾礦的抗剪強(qiáng)度，尾礦材料存在最優(yōu)含水率，當(dāng)含水率低于尾礦的最優(yōu)含水率時(shí)，基質(zhì)吸力發(fā)揮作用，從而粘聚力不斷增加，當(dāng)含水率逐漸增加，超過最優(yōu)含水率時(shí)，有效應(yīng)力減小，有效粘聚力減小，抗剪強(qiáng)度降低。

其次，試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)凍融尾礦樣品的粘聚力具有較大的離散型，并不具備一定的規(guī)律，造成以上情況主要存在兩方面原因，文獻(xiàn)[2]通過進(jìn)行循環(huán)凍融試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著凍融次數(shù)的增加，尾礦材料表面出現(xiàn)不同程度的龜裂，在進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，原有的龜裂逐漸發(fā)展成貫徹的裂縫，從而體現(xiàn)出粘聚力降低，抗剪強(qiáng)度降低的情況;除此之外，既有研究成果表明，循環(huán)凍融條件下將加快尾礦材料內(nèi)水分的蒸發(fā)，含水率的降低導(dǎo)致試樣的融沉和重固結(jié)作用更為明顯，樣品的固結(jié)程度逐漸提高，從而增大了尾礦材料的抗剪強(qiáng)度。綜上，說明循環(huán)凍融條件并非是影響尾礦強(qiáng)度的破壞性因素，在一定條件下合理控制放礦方式、放礦速率，循環(huán)凍融條件將會成為有力條件。

2.2 細(xì)觀顆粒形態(tài)研究

為了研究影響尾礦抗剪強(qiáng)度的主要因素，對尾礦材料進(jìn)行了電鏡掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器采用Quanta 250掃描電子顯微鏡，圖7為尾礦顆粒放大200倍的表面形貌圖，顆粒主要形態(tài)以單粒結(jié)構(gòu)為主，多呈次棱角狀、亞圓形、四方體，圖8為尾礦顆粒放大800倍的表面形貌圖，顆粒表明有覆蓋有不規(guī)則條紋狀的、粒狀的材料，此種材料應(yīng)為附著在尾礦顆粒表面的黏土礦物;在干燥情況下，尾礦材料的抗剪強(qiáng)度主要通過顆粒之間的摩擦為主，隨著含水量的提高，顆粒表面的黏土礦物發(fā)揮作用，從而加大了尾礦材料的粘聚力，當(dāng)含水率繼續(xù)提高時(shí)，黏土顆粒表面形成飽和狀態(tài)的水膜，抗剪強(qiáng)度又有所降低，以上研究解釋了上文粘聚力隨含水量變化成先增高后逐步降低的情況。

3 結(jié)論

為了研究高海拔地區(qū)循環(huán)凍融尾礦的抗剪強(qiáng)度，通過對香格里拉某尾礦庫不同時(shí)間段尾礦樣進(jìn)行固結(jié)剪切、浸水固結(jié)剪切試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，對比分析了尾礦材料在循環(huán)凍融作用下及非循環(huán)凍融作用下抗剪強(qiáng)度的響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

（1）循環(huán)凍融條件及循環(huán)條件下尾礦的抗剪強(qiáng)度變化主要體現(xiàn)在粘聚力上，這是由于循環(huán)凍融作用下尾礦顆粒之間的連接結(jié)構(gòu)及連接方式被破壞。

（2）通過對尾礦材料進(jìn)行物理性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明影響尾礦顆粒抗剪強(qiáng)度的主要因素為含水率。

（3）非循環(huán)凍融條件下尾礦顆粒的粘聚力具備一定的規(guī)律性，具體表現(xiàn)為隨著含水率的逐漸增高，尾礦材料的粘聚力呈先增大后減小的趨勢。

（4）循環(huán)凍融條件下尾礦材料的抗剪強(qiáng)度離散性較大，其原因主要為兩方面，首先隨著尾礦循環(huán)凍融的增加，尾礦材料產(chǎn)生龜裂，在進(jìn)行剪切試驗(yàn)是原有的龜裂發(fā)展成貫穿的裂縫，從而降低尾礦的抗剪強(qiáng)度。其次，隨著尾礦循環(huán)凍融的增加，尾礦材料內(nèi)部的水分蒸發(fā)，尾礦的融沉和重固結(jié)導(dǎo)致尾礦結(jié)構(gòu)變密，增加了尾礦材料的抗剪強(qiáng)度。

（5）循環(huán)凍融條件并非是影響尾礦強(qiáng)度的破壞性因素，合理的控制尾礦排放速率及排放方式將會成為有利條件。

（6）電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果表明，尾礦顆粒表面附著的黏土礦物是尾礦粘聚力隨著含水率增加呈先升高后降低的根本原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]金佳旭，宋晨光，陳億軍，等.凍融循環(huán)次數(shù)和含水率對尾細(xì)砂力學(xué)性質(zhì)的影響研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2017（3）：431-438.

[2]艾凱明，周科平，胡建華，等.寒區(qū)尾礦力學(xué)特性的環(huán)境響應(yīng)試驗(yàn)[J].礦冶工程，2014，34（3）：4-8.

[3]張二軍，梁冰，王彪，等.凍融循環(huán)作用下尾礦砂抗剪強(qiáng)度和變形特性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，18（01）：134-138.

[4]劉友能，黃潤秋，王忠福，等.凍融循環(huán)對云貴高原尾礦土力學(xué)性質(zhì)的影響[J/OL].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)：1-12[2020-01-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20190904.1107.002.html.

[5]李亮，褚雪松.浸潤線深度對尾礦壩穩(wěn)定性分析的影響研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011（11）：22-25.