細(xì)粒含量對(duì)尾礦臨界狀態(tài)參數(shù)的影響

胡再?gòu)?qiáng)，陳振鵬,2，秦秋香,2，焦韓偉，吳 朋，周衡立

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 研究背景

尾礦作為一種人造固體廢棄物，其成土過(guò)程與常規(guī)砂土不同，勢(shì)必?zé)o法將對(duì)砂土性質(zhì)的研究應(yīng)用于尾礦工程中[1]。而礦石品位的降低和細(xì)粒選礦技術(shù)的推廣，導(dǎo)致修筑尾礦壩的顆粒呈現(xiàn)細(xì)粒化趨勢(shì)，進(jìn)而影響尾礦料力學(xué)性質(zhì)[2-3]。因此，展開(kāi)細(xì)粒含量對(duì)尾礦料臨界狀態(tài)影響的研究，可以為筑壩尾礦選料和壩體穩(wěn)定性分析提供理論參考，并具有一定的理論價(jià)值與工程意義。

尾礦顆粒級(jí)配反映了土體骨架的大小和礦物組成情況，對(duì)尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)去決定性作用。將尾礦料從粗粒土過(guò)渡到細(xì)粒土的細(xì)粒含量定義為臨界細(xì)粒含量。確定臨界細(xì)粒度含量對(duì)于研究細(xì)粒度效應(yīng)具有重要的工程意義。喬蘭等[4]對(duì)不同細(xì)粒含量的尾礦料進(jìn)行滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)的細(xì)粒效應(yīng)明顯，確定其臨界細(xì)粒含量為25%。張超等[2，5-6]探討了細(xì)粒含量對(duì)尾礦砂動(dòng)力特性的影響，發(fā)現(xiàn)尾礦的抗液化性能隨著細(xì)粒含量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。潘建平[7]發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)力條件下，細(xì)粒含量小于15%時(shí)，剪切強(qiáng)度隨著細(xì)粒含量的增加而減小。Jehring等[8-10]研究了細(xì)粒含量、礦物成分對(duì)剪切強(qiáng)度的影響，指出只有當(dāng)細(xì)粒含量大于某一閥值時(shí)，剪切強(qiáng)度才隨細(xì)粒含量的增加而減小。Khalili[11]的試驗(yàn)結(jié)果表明，剪切強(qiáng)度總是隨細(xì)粒含量的增加而減少，之間不存在細(xì)粒含量的閥值。綜合文獻(xiàn)可見(jiàn)，目前對(duì)尾礦臨界細(xì)粒含量的研究結(jié)果不盡相同，需要進(jìn)一步研究。

細(xì)粒含量對(duì)臨界狀態(tài)參數(shù)的位置有顯著的影響。Pitman等[9-10]的研究表明，在e-lgp′空間內(nèi)，臨界狀態(tài)線會(huì)隨著細(xì)粒含量的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)。徐令宇[11]等對(duì)三種砂類土進(jìn)行一系列的三軸不排水壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在q-p′空間內(nèi)，隨著細(xì)粒含量的增加，臨界狀態(tài)線基本不變。張一希等[12]對(duì)不同細(xì)粒含量的黃土進(jìn)行CU試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)臨界狀態(tài)線總是隨著細(xì)粒含量的增加向下移動(dòng)。可見(jiàn)細(xì)粒含量的對(duì)臨界狀態(tài)參數(shù)的影響機(jī)制較為復(fù)雜，試驗(yàn)所用材料性狀不同，試驗(yàn)結(jié)果也存在一定出入，且尾礦料又與常規(guī)砂土不同，有必要展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

2 試樣制備及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用金屬尾礦取自新疆伊犁地區(qū)某一尾礦壩的上游干灘。為保證所取試樣具有代表性，沿垂直于壩軸線方向，在灘面上設(shè)置5個(gè)取樣點(diǎn)，取樣深度為灘面以下10 cm左右，所取尾礦均為尾粉質(zhì)黏土，呈淡黃綠色，質(zhì)地較為松散，烘干后過(guò)2 mm篩備用。表1為其基本物理性質(zhì)指標(biāo)。

表1 尾礦的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試樣制備

采用水篩法祛除P3尾礦中的細(xì)粒，將得到的砂粒烘干后與P5尾礦按比例混摻，配制為細(xì)粒含量0%，10%，30%，60%，80%的混合尾礦料，依次對(duì)應(yīng)編號(hào)1#～5#。依據(jù)我國(guó)的尾礦工程分類標(biāo)準(zhǔn)，1#～4#為砂性尾礦，5#為粘性尾礦。將所取金屬尾礦烘干后碾散，即可作為電子探針試驗(yàn)的試樣，而三軸試樣則需將配制好的混合尾礦料配水后進(jìn)行重塑。為更好的控制孔隙比，獲取更為均勻的試樣[15]，本文采用靜壓法制備三軸試樣。將配制好的混合尾礦加水?dāng)嚢杈鶆颍娣旁诒ｕr袋內(nèi)密封，靜置于保濕缸內(nèi)48 h以上。按所需干密度稱重，分五層壓實(shí)，制成直徑×高度=39.1 mm×80 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形樣。

2.3 試驗(yàn)方法

為研究金屬尾礦中砂粒和細(xì)粒的礦物組成，利用電子探針試驗(yàn)對(duì)其礦物成分進(jìn)行分析。為了確定尾礦料的臨界細(xì)粒含量，探究臨界狀態(tài)參數(shù)的漸變規(guī)律，對(duì)多個(gè)干密度的混合尾礦料進(jìn)行一系列的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，剪切速率采取0.08 mm/min，軸向應(yīng)變達(dá)到至少23%時(shí)停止試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2，其中試樣編號(hào)1#-1.323-50表示1#混合尾礦編，固結(jié)后干密度1.323 g/cm3，有效固結(jié)圍壓50 kPa。

表2 三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)方案

3 臨界細(xì)粒含量的判定

3.1 混合尾礦料礦物成分分析

肉眼觀察烘干后的尾礦料，發(fā)現(xiàn)其砂粒呈淡黃色，手捻時(shí)有明顯顆粒感，不具黏性，極易分散，加水后無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。其細(xì)粒呈淺黃綠色，手捻時(shí)無(wú)顯著顆粒感，略有粘性，碾壓可以使其基本分散，加水后團(tuán)聚現(xiàn)象較為明顯。

依據(jù)電子探針試驗(yàn)結(jié)果繪制雷達(dá)圖，如圖1所示。由電子探針試驗(yàn)結(jié)果可知，該金屬尾礦的主要礦物成分為石英、綠泥石、方解石和絹云母(還有微量的角閃石、高嶺石和其它金屬礦物)。可見(jiàn)砂粒(FC=0%)和細(xì)粒(FC=100%)的主要礦物成分較為相似，細(xì)粒中石英和綠泥石含量較砂粒更高，而方解石和絹云母含量較少。隨著細(xì)粒含量的增加，混合尾礦的礦物成分變化較小，這種細(xì)小的差異難以解釋細(xì)粒含量對(duì)混合尾礦料力學(xué)性質(zhì)的影響，所以不能僅依靠尾礦的礦物成分分析細(xì)粒含量對(duì)金屬尾礦力學(xué)性質(zhì)的影響，更無(wú)法斷定金屬尾礦的臨界細(xì)粒含量。

圖1 混合尾礦料的礦物成分

3.2 混合尾礦料級(jí)配分析

配制的混合尾礦料物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表3，其級(jí)配如圖2所示，可見(jiàn)細(xì)粒含量小于30%時(shí)級(jí)配不良，細(xì)粒含量大于30%時(shí)級(jí)配良好，即隨著細(xì)粒含量的增加，混合尾礦由級(jí)配不良向級(jí)配良好逐漸過(guò)渡，而細(xì)粒含量30%為其分界點(diǎn)。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)所用金屬尾礦的臨界細(xì)粒含量可定為30%。

表3 混合尾礦料物理性質(zhì)指標(biāo)

圖2 混合尾礦的粒徑分布

細(xì)粒含量的不同造成了混合尾礦料組構(gòu)特性的差異，對(duì)其力學(xué)性質(zhì)與工程特性具有較大的影響。因選礦工藝的不同，作為骨架基本單元的尾礦顆粒不具備相似的外觀和特征長(zhǎng)度。為了精確簡(jiǎn)便的表征混合尾礦料的分形特征，本文采用粒徑的質(zhì)量分布對(duì)細(xì)粒含量的影響進(jìn)行分析。

小于尾礦顆粒粒徑 d的顆粒百分含量P(d)與尾礦粒徑 d的關(guān)系采用Talbot[16]提出的級(jí)配方程式描述：

P(d)=(d/dmax)3-D×100%

(1)

式中：dmax為混合尾礦料的最大粒徑，D為分形維數(shù)。分形維數(shù)越大，表明混合尾礦料的分選性越差，級(jí)配越良好。

分形維數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表4所示，可見(jiàn)隨著細(xì)粒含量的增加，混合尾礦料的分形維數(shù)逐步增加，表明了混合尾礦料的顆粒級(jí)配越來(lái)越好，但無(wú)法斷定混合尾礦的級(jí)配是否良好，所以利用相關(guān)系數(shù)作為另一判別指標(biāo)。當(dāng)細(xì)粒含量小于30%時(shí)，相關(guān)系數(shù)小于0.94，不滿足相關(guān)性的要求，表明尾礦存在多個(gè)分維，判定為級(jí)配不良，這與基于不均與系數(shù)和曲率系數(shù)的判定結(jié)果一致。可以考慮將臨界細(xì)粒含量定為30%。

表4 混合尾礦料的粒徑分維特征

3.3 混合尾礦料孔隙比分析

通過(guò)振動(dòng)錘擊法和量筒法測(cè)得不同細(xì)粒含量尾礦料的最大干密度和最小干密度，換算為最小孔隙比與最大孔隙比后與繪制于圖3，可見(jiàn)最大、最小孔隙比隨著細(xì)粒含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且在細(xì)粒含量為30%處取得最小值。

圖3 混合尾礦的最大、最小孔隙比

對(duì)于在最密實(shí)狀態(tài)下得到的最小孔隙比而言，在細(xì)粒含量達(dá)到30%前，細(xì)粒僅作為尾礦中砂粒間孔隙的填充物，并未參與接觸力的傳遞，尚未構(gòu)成骨架的一部分，粒間孔隙比基本不變，但會(huì)因孔隙被逐步填充而導(dǎo)致孔隙比減小；在細(xì)粒含量逾越30%之后，粒間孔隙被完全填充，砂粒被盈余的細(xì)粒逐步包裹、隔離開(kāi)來(lái)，細(xì)粒像“楔子”一般嵌入砂粒之間，使得砂粒在細(xì)粒間懸浮，比表面積逐步增大，孔隙比也隨之上升。最大孔隙比也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。綜上所述，所以本文中采用金屬尾礦的臨界細(xì)粒含量可采用為30%。

4 細(xì)粒含量對(duì)臨界狀態(tài)的影響

4.1 細(xì)粒含量對(duì)臨界狀態(tài)線的影響

由于無(wú)法判定尾礦顆粒是否構(gòu)成土體骨架的一部分，所以孔隙比無(wú)法精確的反應(yīng)密度對(duì)混合尾礦料力學(xué)特性的影響，而臨界狀態(tài)框架提供了一個(gè)完整的理論來(lái)描述所有密度下尾礦料的力學(xué)特性。

圖4和圖5為細(xì)粒含量0%的混合尾礦料的CD試驗(yàn)結(jié)果。可見(jiàn)，對(duì)于較為松散的飽和尾礦料，在不同的圍壓下呈應(yīng)變?nèi)跤不停軐?shí)的飽和尾礦則呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，在軸向應(yīng)變達(dá)到20%之前基本均達(dá)到臨界狀態(tài)。

圖4 1#尾礦的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

圖5 1#尾礦的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線

基于圖4、圖5繪制飽和尾礦料常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力路徑下的e-lgp′曲線，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)隨著平均有效應(yīng)力的增加，較為松散尾礦的體積應(yīng)變?cè)龃螅紫吨鸩浇档停l(fā)生剪縮；而密實(shí)的尾礦的體積與孔隙比則呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，即先剪縮，后剪脹，最終達(dá)到臨界孔隙比。

圖6 1#尾礦在e-lgp′空間的臨界狀態(tài)線

在CD試驗(yàn)中，臨界狀態(tài)為試樣的最終狀態(tài)，在該狀態(tài)下，就同一級(jí)配的混合尾礦料而言，即使其初始孔隙比不同，但隨著平均有效應(yīng)力的增加，其孔隙比或減少，或先減后增，都會(huì)各自趨于一個(gè)固定的孔隙比，即臨界孔隙比ecs，在e-lgp′空間內(nèi)將其用一條直線擬合即得到了此細(xì)粒含量下金屬尾礦的臨界狀態(tài)線。依據(jù) Schofield[17]在臨界狀態(tài)土力學(xué)框架中的定義，可以用方程(2)描述：

(2)

表4 混合尾礦料的臨界狀態(tài)線參數(shù)

圖7展示了不同細(xì)粒含量下尾礦的臨界狀態(tài)線，結(jié)合表4可見(jiàn)，當(dāng)細(xì)粒含量小于30%時(shí)，隨著細(xì)粒含量增加，截距減小，臨界狀態(tài)線向下移動(dòng)，但斜率變化很小；而當(dāng)細(xì)粒含量超過(guò)30%后，隨著細(xì)粒含量增加，截距增大，臨界狀態(tài)線上移，斜率明顯增大。

圖7 不同細(xì)粒含量下的臨界狀態(tài)線

結(jié)合圖8、圖4可見(jiàn)，斜率與細(xì)粒含量不具備較好的線性相關(guān)性，但與最大孔隙比展現(xiàn)出相似的規(guī)律。在細(xì)粒含量達(dá)到臨界細(xì)粒含量30%之前，雖然細(xì)粒逐漸填充了尾礦砂粒之間的孔隙，但并未改變粒間孔隙比，尾礦顆粒間仍以滑動(dòng)摩擦為主，此時(shí)尾礦骨架與細(xì)粒含量為0%時(shí)大致相同，對(duì)其壓縮性影響較小，反映在臨界狀態(tài)線上即為斜率的微小降低。而細(xì)粒含量超過(guò)30%后，使得土體骨架中存在大量細(xì)粒，起到“滾珠”作用，有利于顆粒間的相互運(yùn)動(dòng)，壓縮性大幅增加，斜率急劇上升。圖9為臨界狀態(tài)線截距與最大孔隙比的關(guān)系，可見(jiàn)二者呈線性相關(guān)，即尾礦的最大孔隙比越大，其截距越大，臨界狀態(tài)線位置越高。

圖8 臨界狀態(tài)線斜率與細(xì)粒含量的關(guān)系

圖9 臨界狀態(tài)線截距與最大孔隙比的關(guān)系

由此可見(jiàn)，在細(xì)粒含量30%前后時(shí)臨界狀態(tài)線的變化非常明顯，可以認(rèn)定本文采用的金屬尾礦料的臨界細(xì)粒含量為30%。

4.2 細(xì)粒含量對(duì)應(yīng)力膨脹參數(shù)的影響

目前的研究表明，臨界狀態(tài)不僅與孔隙比有關(guān)，也與特定的應(yīng)力比相關(guān)[18]，在q-空間內(nèi)，臨界狀態(tài)依據(jù)Schofield[17]在臨界狀態(tài)土力學(xué)框架中的定義，應(yīng)力膨脹方程式可以表達(dá)為：

(3)

(4)

圖10 1#尾礦在q-p′空間的臨界狀態(tài)線

對(duì)不同干密度的混合尾礦料進(jìn)行CD試驗(yàn)，得到峰值應(yīng)力比ηmax與最大膨脹率Dmin的關(guān)系，如圖11所示，并用式(5)進(jìn)行擬合，其斜率即為體積耦合系數(shù)Ntc：

ηmax=Mtc-(1-Ntc)Dmin

(5)

應(yīng)力膨脹參數(shù)Mtc，φcs與Ntc的擬合結(jié)果如表5所示。由表5可見(jiàn)，隨著細(xì)粒含量增加，混合尾礦料的臨界應(yīng)力比Mtc與臨界摩擦角φcs均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并在細(xì)粒含量為30%時(shí)達(dá)到峰值；且細(xì)粒含量為80%時(shí)相比于細(xì)粒含量為0%時(shí)具有更大的和。

圖11 1#尾礦料峰值應(yīng)力比與最大膨脹性

結(jié)合圖3與表5可知，在細(xì)粒含量較低時(shí)，尾礦砂粒之間存在大量的孔隙，比表面積較小，在剪切過(guò)程中，以砂粒的翻滾、重新排列為主，臨界應(yīng)力比Mtc與臨界摩擦角φcs相對(duì)較小；隨著細(xì)粒含量增加，砂粒間的孔隙被漸漸填充，顆粒間充分接觸，比表面積漸漸增大，致使摩擦力上升，Mtc與φcs也隨之增加；而當(dāng)細(xì)粒含量超過(guò)30%時(shí)，細(xì)粒不僅完全填充砂粒間的孔隙，逐漸會(huì)有盈余的細(xì)粒出現(xiàn)在砂粒間的接觸面上，起到“潤(rùn)滑”的作用，使得抗剪強(qiáng)度逐步衰減，從而導(dǎo)致Mtc與φcs呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，細(xì)粒含量30%是混合尾礦料Mtc與φcs的分界點(diǎn)，可以作為本文采用的金屬尾礦料的臨界細(xì)粒含量。

表5 混合尾礦料的應(yīng)力膨脹參數(shù)

從表5中可見(jiàn)，體積耦合系數(shù)并沒(méi)有展現(xiàn)出與細(xì)粒含量相關(guān)的規(guī)律。除細(xì)粒含量為60%的尾礦料具有更大的體積耦合系數(shù)外，其余混合尾礦料都具有出相似。

4.3 細(xì)粒含量對(duì)狀態(tài)膨脹系數(shù)的影響

目前的研究表明，土的最大剪脹率和土體狀態(tài)呈線性相關(guān)，且具有唯一性[16]。將此引入混合尾礦料的研究中，繪制不同細(xì)粒含量混合尾礦料的狀態(tài)參數(shù)與最大膨脹率的關(guān)系圖，如圖12所示，其斜率即為狀態(tài)膨脹系數(shù)：

Dmin=χtcψ

(6)

其中，狀態(tài)參數(shù)ψ是相對(duì)密度的替代參數(shù)，其考慮了孔隙比和圍壓影響可定義為：

ψ=e-ecs

(7)

其中，e為當(dāng)前狀態(tài)下的孔隙比，ψ取正值表示土體處于松散狀態(tài)，反之則處于密實(shí)狀態(tài)。擬合結(jié)果如表6所示。

圖12 1#尾礦的最大膨脹率與狀態(tài)參數(shù)

由表6可見(jiàn)試驗(yàn)采用的金屬尾礦料的狀態(tài)膨脹系數(shù)介于3.179～8.338，大于典型砂土的2～5；結(jié)合表3、表4可知，級(jí)配越好的混合尾礦料(FC=30%，60%，80%)具有更大的狀態(tài)膨脹系數(shù)；細(xì)粒含量為30%的混合尾礦料狀態(tài)膨脹系數(shù)最大，且顯著高于其他細(xì)粒含量下的狀態(tài)膨脹系數(shù)。由此可以判定本文采用的金屬尾礦料的臨界細(xì)粒含量為30%。

表6 混合尾礦料的狀態(tài)膨脹系數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

研究細(xì)粒含量對(duì)尾礦臨界狀態(tài)參數(shù)的影響，可以為尾礦本構(gòu)模型的改進(jìn)提供理論參考，對(duì)尾礦壩的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，具有實(shí)際的工程意義。本文通過(guò)對(duì)不同細(xì)粒含量的尾礦料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，從顆粒級(jí)配、礦物成分和臨界狀態(tài)參數(shù)對(duì)尾礦的細(xì)粒含量效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)孔隙比、臨界應(yīng)力比等多個(gè)物理性質(zhì)指標(biāo)體現(xiàn)出尾礦的細(xì)粒含量效應(yīng)，并在細(xì)粒含量為30%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可擬定試驗(yàn)所用金屬尾礦料的臨界細(xì)粒含量為30%。

(2)在e-lgp′空間內(nèi)，當(dāng)細(xì)粒含量小于30%時(shí)，細(xì)粒含量的增加使得臨界狀態(tài)線緩慢向下移動(dòng)，且斜率逐漸減小，當(dāng)細(xì)粒含量超過(guò)30%后，臨界狀態(tài)線迅速向上移動(dòng)，斜率大幅增加；而在q-p′空間內(nèi)，隨著細(xì)粒含量的增加，臨界狀態(tài)線斜率則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

(3)體積耦合系數(shù)和狀態(tài)膨脹系數(shù)均未與細(xì)粒含量產(chǎn)生相關(guān)性，Ntc在細(xì)粒含量為60%時(shí)取得最大值，而χtc仍在臨界細(xì)粒含量30%處取得最大值。