離子型稀土礦體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

王洪丁，王觀石，2，邱高磊，羅嗣海

（1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西理工大學(xué)工程研究院，江西贛州341000）

離子型稀土礦體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

王洪丁1，王觀石1，2，邱高磊1，羅嗣海1

（1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西理工大學(xué)工程研究院，江西贛州341000）

為研究離子型稀土礦體的抗剪強(qiáng)度特性，基于GDS非飽和三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)江西龍南地區(qū)典型的離子型稀土重塑礦體開展飽和三軸剪切試驗(yàn)和控制吸力的非飽和三軸剪切試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：離子型稀土飽和礦體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈弱軟化型，稀土礦物顆粒的黏聚力對(duì)抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，礦體的抗剪強(qiáng)度主要由礦物顆粒之間的摩阻力承擔(dān)；非飽和礦體的抗剪強(qiáng)度對(duì)基質(zhì)吸力的變化較為敏感，隨著基質(zhì)吸力增大，吸附強(qiáng)度呈非線性增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由硬化型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿踯浕停秋柡偷V體的的抗剪強(qiáng)度有所提高，而基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦角φb呈非線性減小，表明基質(zhì)吸力對(duì)非飽和礦體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是有限的；利用乘冪函數(shù)對(duì)基質(zhì)吸力與吸附強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行擬合，據(jù)此提出適合龍南類型離子型稀土非飽和礦體的抗剪強(qiáng)度公式和有效應(yīng)力表達(dá)式。

離子型稀土礦；基質(zhì)吸力；三軸試驗(yàn)；應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；抗剪強(qiáng)度

離子型稀土礦（又稱為風(fēng)化殼淋積型稀土礦），是1969年在我國(guó)江西省首先被發(fā)現(xiàn)的一種新型外

生稀土礦［1］。該類型稀土原礦呈黃、淺紅或白色松散的砂土混合物，礦石成分主要為黏土礦物、石英砂和造巖礦物長(zhǎng)石，其中黏土礦物含量約占40%～70%，主要有埃洛石、伊利石、高嶺石和極少量蒙脫石［2］。目前，原地浸析采礦工藝已在離子型稀土礦中得到廣泛應(yīng)用，取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)環(huán)境效益［3］。同時(shí)，原地浸礦過程也使稀土礦山長(zhǎng)期處于非飽和-飽和的過渡狀態(tài)，而黏土礦物中的蒙脫石、伊利石或伊利石與蒙脫石組成的混層極易發(fā)生遇水膨脹、分散等物理化學(xué)作用［4］，加之原地浸礦過程會(huì)發(fā)生離子交換和微顆粒遷移［5］，離子交換反應(yīng)酸蝕礦體，滲透力作用下的微顆粒遷移改變礦體微結(jié)構(gòu)，以上因素共同作用使得礦體結(jié)構(gòu)極為敏感，強(qiáng)度特性較一般土體更為復(fù)雜。而離子型稀土礦的強(qiáng)度是其抵抗剪切破壞能力的度量，礦山邊坡是否產(chǎn)生裂縫、滑坡都由礦體強(qiáng)度控制，其強(qiáng)度指標(biāo)也是邊坡穩(wěn)定性分析和礦區(qū)工程安全建設(shè)的重要參考參數(shù)，是離子型稀土綠色開發(fā)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理中不容忽視的重要環(huán)節(jié)，因此研究離子型稀土礦體在非飽和-飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度特性極為必要。

非飽和礦體強(qiáng)度特性既包含飽和礦體強(qiáng)度的共性，又有區(qū)別于飽和礦體強(qiáng)度的獨(dú)特性質(zhì)。不僅受礦物組成、結(jié)構(gòu)、密度、應(yīng)力路徑的影響，還與礦體含水量密切相關(guān)［6］，含水量的變化直接影響非飽和土的一個(gè)重要指標(biāo)-基質(zhì)吸力［7］。大量試驗(yàn)研究表明，由基質(zhì)吸力產(chǎn)生吸附強(qiáng)度形成的表觀黏聚力包含于總黏聚力之中，并隨礦體含水量的變化而變化，直至礦體接近飽和時(shí)完全消失［8］。目前有兩類非飽和強(qiáng)度公式已得到巖土界廣泛認(rèn)可。一類是Bishop在Terzaghi有效應(yīng)力原理基礎(chǔ)上提出的單應(yīng)力變量非飽和土抗剪強(qiáng)度公式；另一類是Fredlund等提出的雙應(yīng)力狀態(tài)變量公式。二者都包含了由基質(zhì)吸力產(chǎn)生的吸附強(qiáng)度，表達(dá)式如下所述。

Bishop（1960）非飽和土抗剪強(qiáng)度公式［9］，見式（1）。式中：τf為非飽和抗剪強(qiáng)度；c'和φ'分別為非飽和有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角；σ為總應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；χ是與飽和度有關(guān)的有效應(yīng)力參數(shù)，其值介于0和1之間，飽和度為0時(shí)χ= 0，飽和度為1時(shí)χ=1；（σ-ua）為凈法向應(yīng)力；（uauw）為基質(zhì)吸力。

Fredlund等（1978）提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式［10］，見式（2）。

式中，φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角。

此外，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過大量的試驗(yàn)研究，也提出了多種適用于不同類型非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式。

盧肇鈞等提出了非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度公式［11］，見式（3）。

式中：m為膨脹力的有效系數(shù)；ps非飽和土的膨脹力。

繆林昌等提出了雙曲線抗剪強(qiáng)度公式［12］，見式（4）。式中：us為基質(zhì)吸力；a為試驗(yàn)參數(shù)；pat為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。

本文通過開展室內(nèi)飽和三軸和控制吸力的非飽和三軸剪切試驗(yàn)，以現(xiàn)有的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，分析離子型稀土礦在不同吸力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及基質(zhì)吸力對(duì)礦體強(qiáng)度的影響，并通過函數(shù)關(guān)系式擬合，提出適合龍南類型離子型稀土非飽和礦體的抗剪強(qiáng)度公式，研究成果可為離子型稀土礦力學(xué)性質(zhì)的研究和邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)儀器為英國(guó)GDS公司研制生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)非飽和土三軸試驗(yàn)儀，該設(shè)備既可測(cè)試非飽和土抗剪強(qiáng)度也可測(cè)試飽和土抗剪強(qiáng)度。儀器主要由三軸壓力室、加壓系統(tǒng)、量測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加壓系統(tǒng)可以提供軸力、圍壓、反壓（氣）和反壓（水）；量測(cè)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)、孔隙氣壓力量測(cè)系統(tǒng)、體積變化量測(cè)系統(tǒng)、荷重傳感器和線性位移傳感器，數(shù)據(jù)采集板和轉(zhuǎn)換器用于數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制的GDSLAB模塊軟件，所有量測(cè)數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集［13］。

試驗(yàn)礦樣取自江西省龍南縣足洞稀土礦區(qū)，取樣深度為2～4m。礦樣特征為棕黃色，土質(zhì)均勻，粗顆粒含量極少，表面含有少量石英砂，密度1.67g/cm3，天然含水量16.21%，孔隙比0.88，土粒相對(duì)密度2.72，滲透系數(shù)1.6×10-5m/s，粒度成分如表1所示。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）土的分類標(biāo)準(zhǔn)，判定該礦區(qū)離子型稀土為砂質(zhì)黏性土。

試驗(yàn)采用擊樣法制備直徑為50mm，高度為100 mm的試樣，共制備6個(gè)試樣，均分為兩組，第

一組試樣含水量為30%，另一組試樣含水量為20%。為使試樣盡可能接近原礦狀態(tài)，分5層進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)后試樣干密度為1.45g/cm3。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）的規(guī)定，同一組試樣含水量差值控制在2%以內(nèi)，干密度差值小于0.03g/cm3。試驗(yàn)前先將試樣用橡皮膜密封后放入養(yǎng)護(hù)缸內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h，以保證試樣含水量的穩(wěn)定和均勻。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康氐牟煌S剪切試驗(yàn)分為兩階段進(jìn)行，含水量為30%的一組試樣進(jìn)行飽和固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，利用GDSLAB中高級(jí)加載模塊，測(cè)試礦樣飽和狀態(tài)下的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)c'和φ'。試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）飽和三軸試驗(yàn)中的固結(jié)排水剪切方法進(jìn)行，三級(jí)圍壓分別設(shè)定為100k Pa、200k Pa和300k Pa，剪切速率為0.01mm/min。含水量為20%的另一組試樣進(jìn)行非飽和固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，利用GDSLAB中4D非飽和土應(yīng)力路徑模塊測(cè)試礦樣在相同凈法向應(yīng)力、不同吸力狀態(tài)下強(qiáng)度變化特性。試樣控制條件見表2。為避免試樣在含水量較低狀態(tài)下，負(fù)孔隙水壓力過高，水分汽化影響孔隙水壓力測(cè)量精度，試驗(yàn)時(shí)采用軸平移技術(shù)控制吸力。

表1 礦體的粒度成分

表2 非飽和三軸試樣控制條件

圖1 三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑

圖2 飽和試樣三級(jí)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 飽和礦樣強(qiáng)度包線

非飽和三軸試驗(yàn)過程的應(yīng)力路徑如圖1所示，可見每個(gè)試樣都要經(jīng)歷脫濕（O→A、O→A'、O→A″）、常吸力固結(jié)（A→B、A'→B'、A″→B″）和常吸力剪切（B→C、B'→C'、B″→C″）3個(gè)階段。其中吸力平衡、常吸力固結(jié)階段采用軸向應(yīng)力控制的試驗(yàn)方式，常吸力下的剪切階段采用軸向應(yīng)變控制的試驗(yàn)方式，剪切時(shí)的應(yīng)變速率為0.118 mm/h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 飽和礦樣固結(jié)排水剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖2為飽和礦樣在固結(jié)排水剪切試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2可知，飽和礦樣在100k Pa、200k Pa、300kPa三級(jí)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相類似。在初始階段應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速增大，達(dá)到峰值后，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，應(yīng)力開始緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定，呈弱軟化型，破壞模式為脆性破壞。圍壓對(duì)飽和礦樣的破壞形式影響較小，但礦樣的強(qiáng)度隨圍壓的增加有所提高，說明圍壓對(duì)飽和礦樣的強(qiáng)度有很大影響。取（σ1-σ3）的峰值，繪制強(qiáng)度包線，如圖3，可得飽和礦樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)：c'= 6.8k Pa、φ'=21.68°。由此可看出，該類型的離子型稀土飽和礦體的礦物顆粒之間的黏聚力較小，礦體的抗剪強(qiáng)度主要由顆粒之間的摩阻力承擔(dān)。

2.2 非飽和礦樣三軸試驗(yàn)結(jié)果

各非飽和試樣在表2控制條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，最終的穩(wěn)定壓力值如表3所示。由表3可知，在凈圍壓相同的條件下，3個(gè)試樣達(dá)到目標(biāo)吸力的平衡過程均為脫濕過程，表明試樣的初始吸力均低于目標(biāo)吸力值。圖4表示試樣在基質(zhì)吸力平衡過程中含水量隨時(shí)間的變化情況。顯然，在初始含水量相同的條件下，要達(dá)到的目標(biāo)吸力值越高，試樣的排水量越多，平衡時(shí)間也越長(zhǎng)，試樣在吸力平衡階段的排水速率由快變緩，最后達(dá)到穩(wěn)定。

表3 試樣壓力平衡值

圖4 含水量隨時(shí)間變化曲線

Drumurigh［14］、Rohm［15］研究發(fā)現(xiàn)c'、φ'值與吸力無關(guān)，即不同吸力狀態(tài)下的c'、φ'值是相同的?？娏植韧ㄟ^控制吸力的非飽和膨脹土三軸試驗(yàn)也得到了與Drumurigh、Rohm一致的結(jié)論。應(yīng)用該結(jié)論，只需對(duì)不同吸力狀態(tài)的3個(gè)試樣，在凈法向應(yīng)力為100 k Pa的條件下進(jìn)行常吸力剪切試驗(yàn)，得到相應(yīng)吸力狀態(tài)下的莫爾應(yīng)力圓，再利用飽和固結(jié)排水剪得到的φ'值，確定該莫爾應(yīng)力圓的切線，它與τ-us平面的交點(diǎn)即為該吸力狀態(tài)下的總黏聚力ctotal，ctotal與c'的差值即為吸附強(qiáng)度τs，如圖5所示。

控制礦樣的吸力分別為39.11 k Pa、78.69 kPa、159.72 k Pa，在凈法向應(yīng)力（σ-ua）為100 k Pa條件下的剪切結(jié)果如圖6所示。由圖6（a）可知，在凈法向應(yīng)力相同的條件下，吸力越大，礦樣產(chǎn)生相同應(yīng)變時(shí)，需要施加的偏應(yīng)力也越大，即礦樣強(qiáng)度有所提高。而在較低吸力狀態(tài)下，非飽和礦樣的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加不斷增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)明顯的峰值，呈硬化型，隨著基質(zhì)吸力的增大，礦樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿踯浕?，破壞模式由塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹Ｔ趹?yīng)力達(dá)到穩(wěn)定后，不同吸力的礦樣殘余強(qiáng)度相差不大，此時(shí)基質(zhì)吸力對(duì)礦體強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可得到不同吸力狀態(tài)下礦樣的莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度包線如圖6（b）所示。

圖5 擴(kuò)展的Mohr-Coulomb破壞包面

圖6 非飽和試樣三軸試驗(yàn)結(jié)果

表4給出了不同吸力狀態(tài)下礦樣的飽和度、總黏聚力、吸附強(qiáng)度以及計(jì)算得到的φb值。其中us= 0對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)為飽和三軸試驗(yàn)得出的結(jié)果。

從表4可以看出，該類型離子型稀土礦吸附強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增大而提高，但由于不同吸力下的φb值不同，二者呈現(xiàn)非線性的的關(guān)系。當(dāng)?shù)V樣處于較小的吸力狀態(tài)時(shí)，φb與有效內(nèi)摩擦角φ'十分接近，

但當(dāng)?shù)V樣的吸力增大時(shí)，φb的值會(huì)逐漸減小。這主要是因?yàn)榈V物顆粒接觸點(diǎn)周圍的孔隙水面積會(huì)直接影響吸力對(duì)非飽和礦體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。當(dāng)基質(zhì)吸力較小時(shí)，礦體接近飽和狀態(tài)，礦物顆粒接觸點(diǎn)周圍的孔隙水面積與礦體飽和時(shí)礦物顆粒接觸點(diǎn)周圍的孔隙水面積幾乎相等，這時(shí)吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)等同于凈法向應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，即φb=φ'。隨著吸力增加，礦體飽和度降低，使得礦物顆粒接觸點(diǎn)周圍的孔隙水面積小于礦體飽和時(shí)礦物顆粒接觸點(diǎn)周圍的孔隙水面積，吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)下降，φb＜φ'。相應(yīng)地，吸附強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率就會(huì)逐漸降低，即吸力越大對(duì)吸附強(qiáng)度的影響程度越小，表明吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是有限的。這與Drumurigh和Rohm的研究結(jié)果是相符合的。

礦樣飽和度對(duì)φb的大小有直接影響，φb隨礦樣飽和度的降低而減小，在飽和度大于36.84%的范圍內(nèi)，φb隨礦樣飽和度的降低減小很慢，而當(dāng)?shù)V樣飽和度低于36.84%時(shí)，φb隨礦樣飽和度的降低迅速減小，表明φb對(duì)礦體在較低飽和度下的變化有較高敏感性，此時(shí)飽和度的微小變化都會(huì)引起φb值的較大改變，使吸附強(qiáng)度發(fā)生變化，說明非飽和礦體的吸附強(qiáng)度是不穩(wěn)定、不可靠的。

表4 試樣狀態(tài)參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)

圖7 吸力與吸附強(qiáng)度關(guān)系

以吸附強(qiáng)度的對(duì)數(shù)lgτs為縱坐標(biāo)，基質(zhì)吸力的對(duì)數(shù)lg us為橫坐標(biāo)，點(diǎn)繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，見圖7，發(fā)現(xiàn)各點(diǎn)之間近似在一條直線，通過線性擬合得到吸附強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的方程見式（5）。

由此建立吸力與吸附強(qiáng)度關(guān)系式，見式（6）。

式中，k和a為試驗(yàn)參數(shù)。

從而非飽和抗剪強(qiáng)度可表達(dá)為式（7）。

對(duì)于龍南地區(qū)離子型稀土礦體，k=2.57，a =0.5。

則式（7）可表示為式（8）。

式（8）可認(rèn)為是莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度公式的延伸，據(jù)此可將非飽和有效應(yīng)力公式表示為式（9）。

3 結(jié) 論

本文通過飽和三軸試驗(yàn)和控制吸力的非飽和三軸試驗(yàn)研究了龍南地區(qū)離子型稀土礦體不同吸力狀態(tài)下的強(qiáng)度特性，得到以下結(jié)論。

1）飽和礦體在三級(jí)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈弱軟化型，破壞模式為脆性破壞。試驗(yàn)測(cè)得抗剪強(qiáng)度參數(shù)：c'=6.8k Pa、φ'=21.68°，表明稀土礦物顆粒之間的黏聚力對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，礦體的抗剪強(qiáng)度主要由礦物顆粒之間的摩阻力承擔(dān)。

2）非飽和礦體的的抗剪強(qiáng)度對(duì)基質(zhì)吸力的變化較為敏感，隨著基質(zhì)吸力的增大，非飽和礦體的吸附強(qiáng)度呈非線性增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由硬化型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿踯浕停秋柡偷V體的的抗剪強(qiáng)度有所提高，而基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦角φb呈非線性減小，表明基質(zhì)吸力對(duì)非飽和礦體的貢獻(xiàn)是有限的。

3）龍南類型離子型稀土非飽和礦體的抗剪強(qiáng)度公式可表示為式（7）。

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Research into strength characteristics for ion-adsorption rare-earth ore

WANG Hong-ding1，WANG Guan-shi1，2，QIU Gao-lei1，LUO Si-hai1
（1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Institute of Engineering and Research，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

In order to study the strength characteristics of ion-adsorption rare-earth ore，saturated triaxial test and unsaturated triaxial test of controlling matric suction were carried on typical ion-adsorption rare-earth remoulded ore in Long nan of Jiang xi，based on GDS unsaturated triaxial test system，the experimental research have shown that the stress-strain relation of saturated ore body are weak strain softening，cohesion of rare earth mineral particles contributed slightly to shear strength，the shear strength is mainly borne by the frictional resistance.The shear strength of unsaturated ore body has a large sensitivity with matric suction，suction strength increases nonlinearly with increase of matric suction，the stress-strain relation changes from hardening type into weak softening type，shear strength of unsaturated ore body increases，internal friction angle of matric suction decreases nonlinearly，it shows that contribution of matric suction to the shear strength of unsaturated ore body is limited.By using power function to fit the relation between matric suction and suction strength，the shear strength formula for ion-adsorption rare-earth unsaturated ore body of Long nan and effective stress formula were proposed.

ion-adsorption rare-earth ore；matric suction；triaxial test；stress-strain relation；shear strength

TU45

A

1004-4051（2016）09-0136-04

2016-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目資助（編號(hào)：51264008）；江西省自然科學(xué)基金資助（編號(hào)：20151BAB206023；20133ACB20003）；江西省教育廳科技落地計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號(hào)：KZLD 14042）；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助（編號(hào)：YC2015-S287）。

王洪?。?991-），男，碩士研究生，主要從事土力學(xué)方面的研究。E-mail：18379788556@163.com。

王觀石（1977-），男，博士，副教授，主要從事巖體動(dòng)力學(xué)和滲流力學(xué)方面的研究。E-mail：wgsky010@126.com。