細粒含量對飽和鎢鉬尾砂剪切變形及穩(wěn)態(tài)特性影響的試驗研究

楊建永，朱仁玉，吳建奇，李 鈞

（1.江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點實驗室，江西 贛州 341000）

0 引言

隨著我國選礦工藝水平和回收率的提高，使得進入尾礦庫內(nèi)的尾砂粒徑越來越細[2]。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和巖土工程界針對細粒含量對粉砂或砂質(zhì)粉土的抗液化特性的影響這一問題已經(jīng)作出不同程度的研究。D’Appolonia于1968年首次分析了粉粒和黏粒含量的影響，隨后Lee等[3]人相繼提出了黏粒和粉粒含量對土體抗液化強度的影響。Dezfulian等人則認(rèn)為隨著粉粒含量的增加粉砂的抗液化強度在提高[4-6]。相反，Shen等[7-11]人卻認(rèn)為隨著細粒含量的增加粉砂的抗液化勢在降低。劉雪珠等[12]對3種黏粒含量（5%，10%和15%）的南京粉細砂進行了液化試驗研究，研究結(jié)果表明黏粒含量對南京粉細砂的抗液化強度影響很大。衡朝陽等[13]對含黏粒砂土抗液化性能的試驗研究表明，黏粒礦物成分和含量的不同均會引起砂土動力穩(wěn)定性的變化。皮清珠[14]以室內(nèi)顆粒分析試驗、物理性質(zhì)試驗、三軸壓縮試驗和顆粒流數(shù)值試驗為手段研究了不同細粒含量、不同圍壓對尾粉砂力學(xué)特性的影響，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起尾粉砂的強度參數(shù)預(yù)測模型，并對該模型進行工程應(yīng)用和討論。潘建平等[15]通過三軸固結(jié)不排水試驗，對飽和尾砂的剪切強度特性和顆粒破碎特性進行研究，討論了試驗中尾砂在不同細粒含量和圍壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、孔隙水壓力特性、應(yīng)力路徑和顆粒破碎程度。

鎢鉬尾砂作為一種特殊尾砂，普遍存在于贛南地區(qū)，關(guān)于細粒含量對穩(wěn)態(tài)強度的影響研究目前主要還集中在一般砂類土，對尾礦材料的研究相對較少，專門針對鎢鉬尾粉砂的研究就更少。且由于鎢鉬尾粉砂自身所具有的復(fù)雜性和不確定性，使得目前在細粒含量對其穩(wěn)態(tài)強度影響的研究方面仍缺乏系統(tǒng)和深入的認(rèn)識。穩(wěn)態(tài)強度是判斷鎢鉬尾粉砂液化后穩(wěn)定性的重要參數(shù)，而細粒含量是影響鎢鉬尾粉砂液化的眾多關(guān)鍵因素之一。因此，開展細粒含量對鎢鉬尾粉砂剪切變形及穩(wěn)態(tài)特性影響研究具有重要意義。

1 試驗土樣及方案

1.1 試驗土樣

試驗的尾砂取自江西某尾礦庫壩體部位，土樣取回后放置在105℃烘箱中恒溫烘6 h左右，取出尾砂待其冷卻后進行室內(nèi)篩分試驗。粒徑小于0.075mm 的稱為細粒部分（Fine Content，簡稱“FC”），粒徑0.075mm以上的稱為粗粒部分。將各粒徑的尾砂分別用保鮮袋裝好密封，為制備試樣做準(zhǔn)備。

1.2 試驗方案

試驗采用的儀器為英國歐美大地公司研發(fā)的GDS全自動三軸儀，采用應(yīng)變控制加載方式。為了研究不同細粒含量下飽和鎢鉬尾砂的剪切變形及穩(wěn)態(tài)特性，試樣干密度選定為1.42 g/cm3，試驗配置4組不同細粒含量的尾砂試樣，不同細粒含量下各粒徑的尾砂質(zhì)量如表1所示。

表1 不同細粒含量下各粒徑范圍的尾砂質(zhì)量Tab.1 Tailings mass of each particle size range under different fines contents

經(jīng)過室內(nèi)一系列鎢鉬尾砂的物理力學(xué)性能試驗，得出不同細粒含量下的鎢鉬尾砂顆粒級配曲線和物理性質(zhì)指標(biāo)分別如圖1和表2所示。

試驗方法采用等向固結(jié)不排水剪切試驗，采用濕法制備試樣，試樣含水率為15%，直徑為50mm，高100mm，分三層擊實。試樣采用二氧化碳飽和、水頭飽和與反壓飽和聯(lián)合進行試驗。飽和完成后進行B值檢測，試樣飽和度均能達到98%以上。飽和結(jié)束后分別在有效固結(jié)圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa下固結(jié)，固結(jié)完成后進行剪切試驗，剪切速率取0.5mm/min。試驗?zāi)康氖菫榱搜芯匡柡臀采霸诓慌潘畻l件下穩(wěn)態(tài)變形特性。因此，試驗過程中需要不斷增加軸向應(yīng)力，直到試樣發(fā)生剪切破壞。在偏應(yīng)力達到峰值強度之后，要繼續(xù)進行剪切，直至軸向應(yīng)變達到25%。

圖1 不同細粒含量下鎢鉬尾砂顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of tailings sample under different finesfines content

表2 不同細粒含量下尾砂的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Physical properties of tailings under different fines

2 試驗結(jié)果及分析

固結(jié)不排水三軸剪切試驗可以得到不同細粒含量下飽和鎢鉬尾砂在不同有效固結(jié)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和孔壓-軸向應(yīng)變曲線。典型的不排水剪切試驗曲線如圖2～圖7所示。

圖2 有效圍壓為100 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves under Confined pressure of 100 kPa

圖3 有效圍壓為100 kPa的孔壓-應(yīng)變曲線Fig.3 Pore pressure-strain curves under confined pressure of100 kPa

圖4 有效圍壓為200 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves under confined pressure of 200 kPa

圖5 有效圍壓為200 kPa的孔壓-應(yīng)變曲線Fig.5 Pore pressure-strain curves under confined pressure of200 kPa

圖6 有效圍壓為300 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves under confined pressure of300 kPa

圖7 有效圍壓為300 kPa的孔壓-應(yīng)變曲線Fig.7 Pore pressure-strain curves under confined pressure of300 kPa

2.1 不同細粒含量的鎢鉬尾砂剪切變形特性分析

飽和鎢鉬尾砂在進行三軸剪切時，其破壞模式與尾礦材料顆粒粗細有關(guān)，一般情況下有劈裂和鼓脹兩種破壞模式。大多數(shù)粗顆粒尾礦材料的剪切破壞面與水平面大約呈45°-φ/2；但是細粒尾礦材料在一般情況下是無明顯的剪切破壞面，試樣通常呈鼓狀破壞。由于試驗中的試樣粒徑主要集中在0.075～0.15mm及0.075mm以下范圍內(nèi)，當(dāng)軸向應(yīng)變達到20%時，尾砂試樣呈鼓狀破壞。

女，出生于1978年。中國少數(shù)民族藝術(shù)博士，云南大學(xué)文化發(fā)展研究院教師。長期致力于地方文化、民族文化、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承保護研究。著有《佛在云南——從西雙版納到香格里拉的佛教之旅》《指尖上的故事——云南民族民間工藝大師訪談錄》等專著，在《中華遺產(chǎn)》《人與自然》等雜志發(fā)表文論多篇。

圖2、圖4、圖6分別為不同細粒含量的鎢鉬尾砂在同一固結(jié)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢杂^察到，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為三種類型：應(yīng)變硬化型、應(yīng)變穩(wěn)定型、應(yīng)變軟化型。應(yīng)變硬化型曲線分為兩階段：第一階段隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力緩慢增大，偏應(yīng)力的增幅隨應(yīng)變的增加而不斷減?。坏诙A段隨軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大，偏應(yīng)力趨近于某一最大值，但是不會出現(xiàn)峰值應(yīng)力。應(yīng)變穩(wěn)定型曲線也分為兩個階段：第一階段隨著軸向應(yīng)變的增大，偏應(yīng)力緩慢增加到最大值，隨后偏應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而大致保持不變。應(yīng)變軟化型大致可以分為以下三個階段：第一階段偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加先達到峰值應(yīng)力點，在達到峰值應(yīng)力點之前，偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增加而增大，但偏應(yīng)力增幅隨軸向應(yīng)變的增加而減??；第二階段偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大而減小，偏應(yīng)力從峰值強度減小到殘余強度；第三階段偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加而大致保持不變，稱之為偏應(yīng)力的持續(xù)階段。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在有效固結(jié)圍壓為100 kPa下，細粒含量從15%增大到22%，鎢鉬尾砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從應(yīng)變硬化型過渡到應(yīng)變穩(wěn)定性。對比分析圖2、圖4、圖6，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細粒含量為22%時，不同有效固結(jié)圍壓下飽和鎢鉬尾砂試樣變形都為應(yīng)變穩(wěn)定性，隨著細粒含量的繼續(xù)增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線都變?yōu)閼?yīng)變軟化型，應(yīng)變軟化型試樣的峰值強度和殘余強度都隨著細粒含量的增加而顯著降低。引起應(yīng)變軟化可能的原因是由于試樣中細顆粒部分過多，使得細顆粒部分除了分布在粗顆粒的間隙之中，還廣泛存在于粗顆粒與粗顆粒之間的接觸面上，由于接觸面上的細顆粒有“滾珠”作用，進而導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型；故只有當(dāng)細顆粒含量適中，細顆粒能充分填充粗顆粒的空隙，粗顆粒之間充分接觸，應(yīng)力-應(yīng)變曲線才能表現(xiàn)為應(yīng)變穩(wěn)定型。

圖3、圖5、圖7分別為不同細粒含量的鎢鉬尾砂在同一固結(jié)圍壓下的孔壓-應(yīng)變曲線。可以觀察到，在相同的有效固結(jié)圍壓下，隨著細粒含量的增加，孔隙水壓力也在增加。應(yīng)變硬化型試樣孔壓增長曲線表現(xiàn)為：隨著軸向應(yīng)變的增加，孔壓先增加到最大值，隨后孔壓有微弱的減小。應(yīng)變穩(wěn)定型試樣孔壓增長曲線表現(xiàn)為：孔壓在低應(yīng)變下先上升到最大值，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大孔壓保持穩(wěn)定。應(yīng)變軟化型試樣孔壓增長曲線表現(xiàn)為：孔壓隨軸向應(yīng)變的增加而緩慢增大，增幅隨著軸向應(yīng)變的增加而逐漸減小，在應(yīng)變達到20%左右，孔壓保持穩(wěn)定。選取應(yīng)變?yōu)?0%對應(yīng)的孔壓值為穩(wěn)定值，不同細粒含量的鎢鉬尾砂試樣在孔壓達到穩(wěn)定其值有很大差異。這是因為細顆粒改變了試樣的初始孔隙比，細粒含量越多，相同干密度的試樣初始孔隙比越小，導(dǎo)致試樣的滲透性差，在剪切過程中孔壓累積大，利用Origin9.1制圖軟件擬合在不同圍壓下孔壓穩(wěn)定值與細粒含量的關(guān)系曲線：式（1）、（2）、（3）分別為當(dāng)有效圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa時孔壓穩(wěn)定值與細粒含量的線性擬合關(guān)系曲線。

式中：u為穩(wěn)態(tài)時孔隙水壓力，kPa；ω為試樣中細粒部分（＜0.075mm）所占百分比，%。

2.2 不同細粒含量的飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)特性分析

穩(wěn)態(tài)變形是指試樣顆粒之間的最初膠結(jié)狀態(tài)在剪應(yīng)力作用下遭到破壞，顆粒之間的重組在統(tǒng)計學(xué)上已形成新的定向排列。分析試驗結(jié)果可知，不同細粒含量下的飽和鎢鉬尾砂在不同圍壓下進行剪切，當(dāng)軸向應(yīng)變達到20%，偏應(yīng)力保持穩(wěn)定，孔隙水壓力也保持穩(wěn)定。故認(rèn)為當(dāng)軸向應(yīng)變達到20%時，試樣已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)。

有研究表明[14]，穩(wěn)態(tài)時的孔隙比對土體的性能起著關(guān)鍵的作用，穩(wěn)態(tài)時孔隙比與達到穩(wěn)態(tài)時的平均有效應(yīng)力pss'[（σ1'+2σ3'）/3]、剪應(yīng)力qss（σ1'-σ3'）之間均可建立相應(yīng)的關(guān)系曲線，即穩(wěn)態(tài)線。圖8為不同細粒含量下飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)線，穩(wěn)態(tài)線把不同有效應(yīng)力作用下的飽和鎢鉬尾砂分為兩個區(qū)域，分別代表土體潛在流動液化區(qū)和無流動液化區(qū)。利用Origin軟件，對圖8中的穩(wěn)態(tài)點進行擬合，得到4種不同細粒含量下的ess-qss穩(wěn)態(tài)線，分別如式（4）～式（7）所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)時ess-qss的關(guān)系曲線Fig.8 Correlative curves of ess-qss during steady state

飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)線作為潛在流動液化區(qū)和無流動液化區(qū)的分界線，可以用來分析尾礦壩是否會發(fā)生流滑破壞。對比分析FC15%和FC22%的穩(wěn)態(tài)線，其位置明顯不同，說明細粒含量的改變對穩(wěn)態(tài)線影響顯著。根據(jù)線性擬合結(jié)果可知，隨著細粒含量的增加，穩(wěn)態(tài)線在逐漸下移，細粒含量為15%時，試樣中粗顆粒最多，穩(wěn)態(tài)線斜率最大，在同等外力作用下最難發(fā)生液化。當(dāng)細粒含量為45%時，穩(wěn)態(tài)線斜率最小，在同等外力作用下，最易發(fā)生液化。細粒含量的改變雖然使試樣顆粒級配發(fā)生了變化，但是各穩(wěn)態(tài)線的變化范圍仍然很窄：ess-qss空間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)線線性擬合的截距在0.9左右變化，當(dāng)細粒含量在低于30%時斜率在0.000 6左右變動，當(dāng)細粒含量高于30%時斜率則在0.000 8左右波動。根據(jù)前人研究表明，對于無黏聚力的砂性土體，其顆粒越細，越容易發(fā)生液化，試驗結(jié)果與之相吻合。

圖9為不同細粒含量下的飽和鎢鉬尾砂在不同圍壓下達到穩(wěn)態(tài)時的pss'-qss關(guān)系曲線。對圖中的數(shù)據(jù)點利用Origin進行擬合，得到不同細粒含量下pss'-qss關(guān)系曲線表達式如式（8）～式（11）所示。

圖9 穩(wěn)態(tài)時pss'-qss的關(guān)系曲線Fig.9 Correlative curves of pss'-qss during steady state

根據(jù)擬合結(jié)果可知到，不同細粒含量下的穩(wěn)態(tài)強度線斜率相近卻各有差異，隨著細粒含量的增加，pss'-qss關(guān)系曲線斜率在減小，當(dāng)細粒含量為15%時，曲線斜率最大，強度最高。當(dāng)細粒含量增加到45%時，曲線斜率最小，在同等圍壓下強度最低。

穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角作為土體變形最終可動用的有效內(nèi)摩擦角，其大小關(guān)系到土體在外力作用下是否發(fā)生流滑失穩(wěn)破壞。不同細粒含量下的飽和鎢鉬尾礦的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角可根據(jù)摩爾庫倫強度準(zhǔn)則根據(jù)式（12）求得：

式中：φcri為穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角，（°）；k為不同細粒含量下試樣的穩(wěn)態(tài)強度線斜率。

利用式（12）分別計算出不同細粒含量下飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角，計算結(jié)果如表3所示。

從表3中可以得出，隨著細粒含量的增加，飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角在逐漸減小，15%細粒含量下鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角最大為30.62°，45%細粒含量下鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角最小為27.85°，說明飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角與顆粒的平均粒徑呈正相關(guān)。

表3 不同細粒含量下的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角Tab.3 Steady-state internal friction angle under different fine particle contents

3 結(jié)論

（1）不同細粒含量的飽和鎢鉬尾砂在同一固結(jié)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為三類：應(yīng)變硬化型、應(yīng)變穩(wěn)定型、應(yīng)變軟化型。細粒含量從15%增大到22%的過程中，鎢鉬尾砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從應(yīng)變硬化型過渡到應(yīng)變穩(wěn)定性。當(dāng)細粒含量高于30%時，不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都變現(xiàn)為應(yīng)變軟化型。

（2）在相同的有效固結(jié)圍壓下，孔隙水壓力隨細粒含量的增加而增加。應(yīng)變硬化型試樣孔壓增長曲線表現(xiàn)為：隨著軸向應(yīng)變的增加，孔壓先增加到最大值，隨后孔壓有微弱的減小。應(yīng)變穩(wěn)定型試樣孔壓增長曲線表現(xiàn)為：孔壓在低應(yīng)變下先上升到最大值，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大孔壓保持穩(wěn)定。應(yīng)變軟化型試樣孔壓增長曲線表現(xiàn)為：隨軸向應(yīng)變的增加孔壓緩慢增大，孔壓增幅隨應(yīng)變的增加而逐漸減小，在應(yīng)變達到20%左右，孔壓保持穩(wěn)定。

（3）細粒含量的改變對飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)線影響顯著，隨著細粒含量的增加，飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角在逐漸減小，穩(wěn)態(tài)線逐漸向下平移，無液化流動區(qū)面積在不斷減小，即在受到同一荷載作用下，越易發(fā)生液化流滑破壞。因此，企業(yè)在尾礦筑壩過程中應(yīng)嚴(yán)格控制細粒含量，做好壩體安全監(jiān)測和液化勢評估工作。

[1] 喬 蘭，屈春來，崔 明.細粒含量對尾礦工程性質(zhì)影響分析[J].巖土力學(xué)，2015，36（4）：923-945.QIAO Lan，QU Chunlai，CUI Ming.Effect of fines particle content on engineering characteristics of tailings [J].Rock and Soil Mechanics，2015，36（4）：923-945.

[2] 周漢民.偏細粒尾礦堆壩中的新技術(shù)及其發(fā)展方向[J].有色金屬（礦山部分），2011，63（5）：1-3.ZHOU Hanmin.New technology and development in partial fine grained tailings dam[J].Nonferrous Metals（Mining Section），2011，63（5）：1-3.

[3] 朱建群.含細粒砂土的強度特征與穩(wěn)態(tài)性狀研究[D].中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所），2007.ZHU Jianqun.Strength properties and steady-state behavior of sandy soil[D].Institute of Rock and Sooil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，P.R.China June，2007.

[4] DEZFULIAN H.Effects of silt content on dynamic properties of sandy soils[C]//San Francisco：Proceedings of the Eighth World Conference on Earthquake Engineering，1982：63-70.

[5] CHANGN Y，YEH ST，KAUFMAN L P.Liquefaction potential of clean and silty sands [C]//Seattle：Proceedings of the Third International Earthquake Microzonation Conference，1982（2）：1017-1032.

[6] AMINI F，QI G Z.Liquefaction testing of stratified silty sands[J].Journal of Geotechnical&Geoenvironmental Engineering，2000，126（3）：208-217.

[7] SHEN C K.The effect of fines on liquefaction of sands[C]//Tokyo：Proceedings of the 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，1977（2）：381-385.

[8] TRONCOSO JH，VERDUGO R.Silt content and dynamic behaviour of tailing sands[C]//Proc.，XI Int.Conf.on Soil Mechanics and Foundation Engineering，1985，1311-1314.

[9] VAID Y P.Liquefaction of silty soils[C]//New York：Ground Failures under Seismic Conditions，1994，1-16.

[10] ZLATOVIC S，ISHIHARA K.Normalized behavior of very loose nonplastic soil:Effects of fabric[J].Soil and Foundation，1997，37（4）：47-56.

[11]FINNW D，LEDBETTERR H，WUG.Liquefaction in silty soils：design and analysis[C]//New York：Ground Failures under Seismic Conditions，1994，51-76.

[12]劉雪珠，陳國興.粘粒含量對南京粉細砂液化影響的試驗研究[J].地震工程與工程振動，2003，23（3）：150-155.LIU Xuezhu，CHEN Guoxing.Experimental study on the influence of clay particle Content on liquefaction of Nanjing fine sand[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2003，23（3）：150-155.

[13]衡朝陽，何滿潮，裘以惠.含粘粒砂土抗液化性能的試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2001，9（4）：339-344.HENG Zhaoyang，HE Manchao，QIU Yihui.Experimental study on liquefaction-resistant of clayey sand [J].Journal of Engineering Geology，2001，9（4）：339-344.

[14]皮清珠.細粒含量和圍壓影響下的尾粉砂力學(xué)特性試驗研究及工程應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.PI Qingzhu.Test study and application on fines content and confining pressure influence the mechanical properties of tail silty sand[D].Chongqing：Chongqing University，2012.

[15]潘建平，劉湘平，王宇鴿.不同顆粒級配尾砂穩(wěn)態(tài)強度特性試驗研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014（6）：39-44.PAN Jianping，LIU Xiangping，WANG Yuge.Experimental study on steady-state strength characteristics for tailings sand with different grain size distribution[J].China Safety Science and Technology in Production，2014（6）：39-44