欒川水露溝尾礦庫土工試驗分析

耿俊涵

（華北水利水電大學 地球科學與工程學院，鄭州 450046）

水露溝尾礦庫擴建工程位于欒川縣獅子廟鄉白石崖村，是在原水露溝尾礦庫一期工程設計標高1 225 m的基礎上進行的二期擴建，擴建后堆積壩頂標高1300m，總壩高210 m，總庫容5 989.55×104m3，有效庫容5 390.60×104m3，新增有效庫容4 037.60×104m3，可接納眾和公司、洛鉬集團選礦一公司馬圈選礦廠和三強鉬鎢有限公司共計117 000 t/d 的尾礦放礦規模，新增服務年限17.97 a。建設內容主要包括防排洪設施，壩體觀測設施，新建庫區道路、隧道，改造現有尾礦輸送系統和回水設施。該項目總投資33 166.62 萬元，其中環保投資113 萬元。

土工試驗顧名思義就是對巖土體進行工程試驗，大體上分為室內試驗和施工場地試驗，具體試驗內容主要是對巖土體的物理性質進行測量，包括對巖土密度、壓縮系數、含水量、干密度、顆粒級配及快剪等試驗。在試驗的基礎上對試驗結果進行數據分析也同樣是土工試驗的一部分，通過對測試結果的分析，使用規范公式對其進行整合就能得到一些新的土性指標，例如滲透系數、內摩擦角和粘聚力等[1]。土工試驗在工程勘察中起到十分重要的作用，特別是對地形錯綜復雜，不容易在直觀上進行判斷的巖土工程。通過對土工試驗測量所得到的信息進行對比和分析，可以很好地減少意外因素的干擾，降低不確定性和提高試驗數據的準確性[2]。

直剪試驗是用來測量土體抗剪強度的一種較為直接的方法，有著制樣簡單、操作方便和出結果快等優點。但直剪試驗很容易就受到剪切儀器和剪切速率的影響，因此在使用儀器時應該盡量控制剪切速率和規范操作，從而減小試驗誤差[3]。

1 試驗儀器及方案

1.1 試驗目的

通過開展堆積壩壩料的顆分、直剪試驗、三軸試驗和滲透變形試驗等一系列靜力試驗，給出各分區堆積壩料不同應力條件下的基本物理特性指標、變形指標、強度指標（有效應力、總應力）和滲透特性，給出各分區堆積壩料力學參數指標體系。分析各分區堆積壩料力學參數隨圍壓（不同堆高階段應力）變化規律（試驗最大壓力應與壩體的實際應力一致），為水露溝尾礦庫全面安全性復核提供基本的參數依據。

針對水露溝尾礦庫堆積壩壩料分別開展動力學特性試驗，包括動力變形特性試驗、動力殘余變形特性試驗、動孔壓和動強度特性試驗，以及穩態強度試驗，提出相應的動力學計算參數。對于穩態強度試驗，將試驗材料按照多種制樣控制密度進行試驗；對于其他試驗，將每種材料按照一種代表性級配和一種制樣控制密度考慮。

1.2 試驗儀器

試驗需要用到的儀器有：自動直剪儀、千分之一壓力天秤、烘箱、動靜三軸試驗儀、比重瓶、燒杯、純凈水、0.05 mm 篩網、真空泵和環刀等。

2 試驗內容

2.1 密度和含水率試驗

針對鉆孔開展原狀尾礦砂取樣，并在相應部位取一定數量擾動尾礦砂樣，在每一個鉆孔取10～12 個深度不一樣的土樣（圖1）。采用環刀法取原狀尾礦砂樣，在整平期的兩端，環刀（圖2）的內壁涂上一層薄薄的凡士林。刃口垂直試樣表面。土樣用切土刀（或鋼絲鋸）削成比環刀直徑稍大一些的土柱。再將環刀豎直下壓，邊壓邊削，直到把環刀伸出土樣為止。將兩端余土削去修平。把修理平整后的環刀及土樣放于電子天平上稱重，根據規范要求選擇百分制或者千分制的電子天平。其次測量圓形鋁盒的重量，將稱重過的環刀中的土樣取出一部分碾碎后放入鋁盒中，大約裝滿1/3 或者1/2即可，之后擦除鋁盒外部多余土樣放置于天平上稱重。把稱重過后的土樣及鋁盒一起放到烘箱里，烘箱溫度調到98～102 ℃，烘烤16 h 即可取出，稱出剩余重量，計算出該土樣的天然密度及含水率。

圖1 粉砂土

圖2 環刀

2.2 比重試驗

為了解各分區尾礦砂的顆粒大小分布情況，開展顆粒分析試驗。粒徑為0.075～60 mm 的顆粒采用篩析法，粒徑小于0.075 mm 的顆粒采用密度計法。根據對土樣的觀察，為了獲得所需要的粒徑使用0.05 mm 的篩網進行篩分。將篩出來的粉砂土放到鋁盤上進行研磨，取一張光滑白紙，卷成沙漏狀，方便接下來往比重瓶里裝碎土。先用純凈水（絕對純凈沒有雜質的水）清洗比重瓶，清洗后把水倒出，放于千分之一電子秤上進行稱重，稱出瓶子加掛壁水珠的重量，然后將砂粉通過漏斗狀紙倒入瓶口中稱重，加純凈水至比重瓶頸處，放入真空機中進行真空處理。待約2 h 后真空完畢后，取出比重瓶加水至溢出瓶口，放置天平稱重，即可計算出比重。

2.3 壓縮試驗

為了了解土體的壓變系數，需要對該土體進行壓縮試驗。用環刀取出土樣后，與壓縮試驗儀卡槽進行固定，用力按壓環刀讓土體平緩地滑入試驗儀中，調整壓力計讓表盤歸零，先加小重量砝碼確認土體能正常收到壓力后，再依次加50、100、200、400 kPa 的砝碼，并在試驗開始后的1、2、3、4、24 h 分別進行讀數即可計算出土體的壓縮系數。

2.4 液塑限試驗

取0.5 mm 篩網篩出具有代表性的尾礦粉砂顆粒土樣200 g，分別放入盛土的3 個器皿中，加入數量不等的蒸餾水。攪拌均勻后進行壓密排除土體中的殘余氣體。在聯合測定儀（圖3）上將裝有攪拌好土樣的試杯放在升降座上。調整儀器高度讓尖錐在恰好觸碰土體表面的位置，啟動儀器讓尖錐進行自由落體，讀出錐頭沒入土體的深度，當深度分別在3～5 cm、10～12 cm 和17～19 cm時，取對應土體進行含水率試驗，在雙對數坐標紙上，以含水率為橫坐標，錐入土體深度為縱坐標點繪出3 個坐標點，連此3 點應呈一條直線，得出液塑限數據。

圖3 液塑限儀

2.5 直剪試驗

用環刀取出適量土樣放置于直剪儀（圖4）中，上下分別墊上濾紙和透水石，把儀器固定好后使儀器處于始動未動的狀態，拔出直剪儀上的銷釘，加上50 kPa的砝碼，確定壓力成功加載后緩緩轉動轉輪，直到數字從刻度“0”處有細微變化，記下以此時位置為起點，然后用15 s/圈的速度轉動直剪儀，觀察表盤數字變化直到指針停止轉動并且有回彈趨勢時，說明土體已經完全剪切，記錄下此時的讀數和直剪儀的編號，重復試驗依次加砝碼100 kPa 和200 kPa。3 個為一組，記錄數據。在操作剪切儀器時，應該著重注意于對手動儀器的規范操作，如果在規范操作下進行試驗則剪切儀器對于抗剪強度指標的影響就很小，反之就會嚴重影響試驗結果。做這個試驗時最需要注意的部分就是手動剪切時，受到人體機理的不可控性，很難對剪切速率進行準確穩定的控制，從而增加抗剪切強度的離散性，會給試驗造成極大誤差，剪切速率之所以對剪切試驗有如此影響，主要是由于在剪切過程中，土樣會直接受到剪力箱的切動，從而使剪力箱在水平方向上對土體產生切應力和剪應力。在上述2 種應力的作用下，土體內部孔隙力受應力影響就會產生超孔隙水壓力。由于土樣水平向受壓產生的垂向變形受垂直壓力的制約，在垂直向上會產生附加應力，而垂直方向增大的孔隙水壓力在開始時就全部承擔了這部分應力。由于剪切儀器內部土體上下2 處均放置有透水石，所以，當超孔隙水壓力產生后，很快就會散去。這些孔隙水壓力會轉化為一種有效的受力作用。而豎向有效應力的增大，又不可避免地提高了土體的剪切強度。因此，當剪切速率不同時，剪損時間就不同，孔隙水壓力消散的程度就不同，垂直方向轉變為有效應力的程度也不同，所得到的抗剪強度也就會出現較大的差異。

圖4 手動環剪儀

2.6 動三軸試驗

采用大型動力三軸試驗機（試樣尺寸φ30×H 75 cm）對初期壩堆石料材料飽和樣進行動力變形特性試驗，尾礦堆積壩料飽和樣采用共振柱儀進行動力變形特性測試。測定試驗材料在動應力作用下的動應力和動應變關系曲線，確定最大動剪切模量Gmax 與有效固結壓力的關系（即Gmax-σ0 關系曲線），確定最大動剪切模量Gmax 與有效固結壓力的關系（即Gmax-σ0 關系曲線）、動剪切模量G 和阻尼比D 與動剪應變的關系（即G/Gmax-γ，D-γ 關系曲線），確定不同分區壩料的泊松比。

2.7 穩態強度試驗

穩態強度反映了穩態變形條件下土體的抗剪切能力，其大小決定了地震中和震后土體的穩定程度和可能發生的變形程度。穩態強度的測定在室內試驗中經常采用應變控制式固結不排水三軸剪切試驗測定。

試驗中，擬對不同分區尾礦堆積壩料飽和樣進行飽和固結不排水三軸剪切試驗。首先根據情況，對每種試驗材料，采用4～5 個有效固結壓力進行試驗，測定其殘余強度參數，為尾礦庫地震后地震穩定性計算提供依據。然后，在上述試驗的基礎上，在每個有效固結圍壓力，調整制樣控制密度，飽和固結不排水三軸剪切試驗對不同固結相對密度（或孔隙比）試樣進行檢驗。找出每種有效固結圍壓力對應的臨界相對密度（或孔隙比）。對5～6 個不同密度的試樣，重復上述試驗，最終確定試驗材料強度穩態線，作為判別尾礦庫地震后是否發生大變形的參考依據。

3 試驗分析

通過上述試驗得出下列數據，同類土樣會根據取土深度變化而產生明顯的物理性質差別，隨著取土深度的提高，土體自然含水率也隨之提高，天然密度也在增大，推斷可能是深度增加，下部土體受到上部的壓力也增大，土體被壓得更密實，因為土體密度和密實度均有增大。觀察含水率可以發現在淺層的含水率較低，之后升高，再往深處開挖時，含水率又有明顯降低，這可能是因為在淺層處的土體因為受到太陽光的照射水分蒸發因此含水率比較低，而土體的下層含水率是因為較深，土體蓄水不夠導致的（圖5）。

圖5 含水率變化折線圖

通過分析動三軸試驗的結果與試樣原本的天然重度作對比發現，隨著試驗天然重度的增加，最大動剪切模量也隨之增加，這可能是由于天然重度的增加，因此在同體積土體試樣情況下，土體內部孔隙減少，土體的壓縮系數變大，土體顆粒與顆粒之間的抗剪強度也增大，因此剪切模量增加（圖6）。

圖6 土體抗剪能力變化折線圖

從上述樣品鉆孔點取不同深度試樣分別做三軸試驗，通過數據結果可以發現不固結不排水的土樣的土體穩定性最弱，而固結排水后的土體穩定性最好，并且發現在同一種方式下，取土深度更淺的粘聚力會比較小，這是因為土體表層存在更多的是一些比較粗大的顆粒，而深處的土體則經過擠壓和應力作用使得細顆粒占更大一部分。而深處的土體內摩擦角小于表層，猜測可能是因為深處土體顆粒分布更為均勻，因此在試驗特異性的影響下導致內摩擦角小于表層土體（表1）。

表1 土工試驗數據

4 結論

1）水露溝尾礦庫顆粒性質較為松散，即使在固結排水情況下土體最大內摩擦角依然小于35°，屬于松散土體范疇，因此在進行尾礦壩擴壩工程時應先以加固土體穩定性為首要工作。

2）做直剪試驗時候，預固結的時間也會影響抗剪強度的變化，因此試樣固定后就需要立馬做試驗，并對其他因素的變量進行嚴格控制，以減少測試誤差。

3）土體最大動剪切模量與天然重度呈現正相關的關系，因此做三軸試驗驗證土體穩定性時候需要控制天然重度為同一量以達到控制變量。