鐵尾砂抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨固結(jié)度變化規(guī)律研究

張敬博 , 車高鳳, 張文強(qiáng)

(1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2. 中國地震局蘭州地震研究所 黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;3. 甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心, 甘肅 蘭州 730000; 4. 濟(jì)寧市規(guī)劃設(shè)計研究院, 山東 濟(jì)寧 272000)

0 引言

尾礦壩的滑坡、坍塌等都是某些面上的剪切力超過尾礦本身的抗剪強(qiáng)度而造成的,可以說,尾礦壩的破壞大多數(shù)都是屬于剪切破壞。尾礦的抗剪強(qiáng)度是決定尾礦壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[1]。因此,只有采用對工程安全性最不利的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行設(shè)計才能更好地保證工程的安全。部分學(xué)者研究指出,土的抗剪強(qiáng)度與土的固結(jié)程度有關(guān),會隨著固結(jié)程度的變化而發(fā)生改變。鄭澤宇等[2]對飽和軟黏土進(jìn)行不同圍壓下不同固結(jié)度的抗剪強(qiáng)度分析,得出孔壓增量和固結(jié)度之間的關(guān)系;劉紅軍等[3]對軟土進(jìn)行直剪試驗和單向壓縮固結(jié)實驗,分析軟土固結(jié)度與抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系;梁冰等[4]對鉛鋅尾礦砂進(jìn)行不同壓實度及含水率的抗剪強(qiáng)度試驗,得出鉛鋅尾礦砂的抗剪強(qiáng)度隨著壓實度的增加而增大,隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢;楊凱等[5]通過對尾礦砂的三軸試驗及壓縮試驗,分析尾礦砂在不同密實程度條件下,應(yīng)力應(yīng)變與強(qiáng)度特性之間的關(guān)系。譚凡等[6]通過對尾礦砂進(jìn)行圍壓100 kPa、200 kPa和300 kPa以及固結(jié)比分別為1.0和2.0條件下的動三軸試驗,分析尾礦粉土的動強(qiáng)度特性與孔壓特性之間的特性;馬衛(wèi)華等[7]通過對尾礦砂進(jìn)行四點加載梁抗剪試驗,得到了不同強(qiáng)度等級的鐵尾礦砂混凝土剪切破壞現(xiàn)象與抗剪強(qiáng)度的試驗數(shù)據(jù)。 由于尾礦壩增高填筑的過程也是下部壩體逐漸排水固結(jié)的過程,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對尾礦砂進(jìn)行不同干密度不同固結(jié)度的三軸試驗,分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨固結(jié)度的變化規(guī)律,以期對尾礦壩穩(wěn)定性評價和安全管理提供理論依據(jù)。

1 抗剪強(qiáng)度理論

土的抗剪強(qiáng)度由其內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力組成[8]。非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論研究己有近50年的歷史,它以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為基礎(chǔ)。目前有兩類抗剪強(qiáng)度表示方法被廣泛接受:一種是以總應(yīng)力表示剪切破壞面上的法向應(yīng)力,抗剪強(qiáng)度表達(dá)式即為庫倫公式,稱為抗剪強(qiáng)度總應(yīng)力法。c、φ稱為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo);另一種則以有效應(yīng)力表示剪切破壞面上的法向應(yīng)力,稱為抗剪強(qiáng)度有效應(yīng)力法。c′、φ′稱為有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

總應(yīng)力法:

τ=c+σ·tgφ

(1)

有效應(yīng)力法:

τ′=c′+(σ-μ)·tgφ′

(2)

式中:τ為破壞面上的剪應(yīng)力;c′為土的有效黏聚力;σ、σ′為破壞面上總應(yīng)力和有效法向應(yīng)力;φ′土的有效內(nèi)摩擦角。

土體的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度,是巖土工程建設(shè)的重要檢測指標(biāo)之一[9]。試驗研究表明,土的抗剪強(qiáng)度取決于土粒間的有效應(yīng)力。然而,由庫倫公式建立的概念在應(yīng)用上方便,許多土工問題的分析方法都還建立在這種概念的基礎(chǔ)上,故在工程上沿用至今。為了充分研究尾礦砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),本文將分別采用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法對尾礦砂進(jìn)行抗剪強(qiáng)度分析。

2 試驗內(nèi)容

試驗所用尾礦料來自陜西商洛某鐵礦尾礦壩。按照GB/T50123、|1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]將試樣制備成干密度為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3尾礦砂試樣。試驗所用儀器為南京電力自動化設(shè)備廠生產(chǎn)的三軸剪力儀,并采用飽和固結(jié)不排水剪試驗(CU試驗)。試驗時,對干密度分別為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3尾礦砂試樣施加圍壓100 kPa,當(dāng)試樣完成不同程度固結(jié)(25%、50%、75%、100%固結(jié))后進(jìn)行排水剪切,剪切速率設(shè)定為0.166 mm/min,記錄每次試驗的量力環(huán)百分表讀數(shù),孔壓的讀數(shù)。

需要說明的是,本試驗的固結(jié)度指的是尾礦料的固結(jié)程度,由于飽和后試樣在固結(jié)過程中固結(jié)排水量等于試樣體積的變化量[11],因此,本試驗的固結(jié)度是通過控制排水量的方法來控制的,固結(jié)度定義為任意固結(jié)排水量與100%固結(jié)排水量之比。如:要得到25%固結(jié)度的試樣,控制排水量當(dāng)其數(shù)值達(dá)到0.25×100%固結(jié)排水量時則認(rèn)為試樣已達(dá)到25%固結(jié),同樣方法,可得到50%、75%、100%固結(jié)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 摩爾圓的繪制

根據(jù)三軸固結(jié)不排水剪的試驗數(shù)據(jù),分別點繪出干密度為1.55 g/cm3、1.65 g/cm3、1.75 g/cm3尾礦砂試樣在τf～σ平面內(nèi)的強(qiáng)度包線,由于篇幅有限,僅在文中列出干密度為1.55 g/cm3尾礦砂試樣在τf～σ平面內(nèi)的強(qiáng)度包線圖1所示。其中,c為尾礦砂的黏聚力,是抗剪強(qiáng)度線在τf～σ坐標(biāo)平面內(nèi)的截距,φ為尾礦砂的內(nèi)摩擦角,即抗剪強(qiáng)度線的傾角。同理得出有效黏聚力c′和有效內(nèi)摩擦角φ′。

圖1 干密度為1.55 g/cm3尾礦砂試樣在不同固結(jié)度條件下摩爾圓Fig.1 Mohr circles for tailings sand samples with a dry density of 1.55 g/cm3 under different consolidation degrees

3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與固結(jié)度關(guān)系

為了分析尾礦砂固結(jié)度對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響,將以上圖中得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ以及有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′、φ′值列于表1,并繪出固結(jié)度與各抗剪強(qiáng)度指標(biāo)間的關(guān)系曲線如圖2～5所示。

表1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)匯總表

圖2 不同干密度c值隨固結(jié)度變化曲線Fig.2 Variation of c value with the consolidation degree under different dry densities

圖3 不同干密度c′值隨固結(jié)度變化曲線Fig.3 Variation of c′ value with the consolidation degree under different dry densities

圖4 不同干密度φ值隨固結(jié)度變化曲線Fig.4 Variation of φ value with the consolidation degree under different dry densities

圖5 不同干密度φ′值隨固結(jié)度變化曲線Fig.5 Variation of φ′ value with the consolidation degree under different dry densities

(1) 由表1及圖2～圖5可知,對于同一干密度的尾礦砂,隨著固結(jié)度的增加,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ以及有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c′、φ′都逐漸增加,其中黏聚力c及有效黏聚力c′的變化范圍在10～16 kPa之間,變化的幅度不大。c及c′隨著固結(jié)度的增加呈逐漸增大的趨勢,但規(guī)律不是很明顯。這主要是由于尾礦砂在試驗中隨著固結(jié)度的逐漸增加,尾礦砂中水分會被逐漸排出,土顆粒表面結(jié)合水膜變薄,使粘聚力增大。由此可見,黏聚力c及有效黏聚力c′受固結(jié)度的影響不大。

(2) 內(nèi)摩擦角φ以及有效內(nèi)摩擦角φ′隨固結(jié)度的變化而反應(yīng)明顯,變化范圍在18.78°～35.50°之間,但并不是單調(diào)的線性變化。主要表現(xiàn)為:當(dāng)固結(jié)度為25%～50%時,內(nèi)摩擦角φ以及有效內(nèi)摩擦角φ′增長較為平緩,而當(dāng)固結(jié)度為75%～100%時內(nèi)摩擦角φ以及有效內(nèi)摩擦角φ′增長較快,曲線較陡。如干密度為1.55 g/cm3的尾礦砂,當(dāng)固結(jié)度為25%～50%時內(nèi)摩擦角φ值由18.78°增加至19.29°,增加了0.51°;有效內(nèi)摩擦角φ′由25.98°增加至26.81°,增加了0.83°。當(dāng)固結(jié)度在75%～100%時,內(nèi)摩擦角φ值由20.30°增加至22.73°,增加了2.43°;有效內(nèi)摩擦角φ′由27.56°增加至29.01°,增加了1.45°。內(nèi)摩擦角φ以及有效內(nèi)摩擦角φ′位于75%～100%區(qū)間的增量明顯大于固結(jié)度位于25%～50%區(qū)間。研究表明,固結(jié)度會明顯改變顆粒表面摩擦力及顆粒連鎖產(chǎn)生的咬合力。隨著固結(jié)度的不斷增大,尾礦砂之間的接觸更加緊密,尾礦顆粒間起潤滑作用的水分子會不斷排出,使摩阻力提高,同時固結(jié)壓密又使土顆粒之間的咬合作用加強(qiáng),因而摩阻力增大。同時當(dāng)尾礦砂固結(jié)度不斷增大,部分顆粒間的自由水轉(zhuǎn)化為弱結(jié)合水,水對顆粒間的潤滑作用降低,從而使內(nèi)摩擦角增大。

由于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均受固結(jié)度的影響,因此,將同一固結(jié)度不同干密度的尾礦砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別進(jìn)行分析,如圖6～9所示。

圖6 不同固結(jié)度γd～c關(guān)系Fig.6 Relationship between γd and c under different consolidation degrees

圖7 不同固結(jié)度γd～c′關(guān)系Fig.7 Relationship between γd and c′ under different consolidation degrees

圖8 不同固結(jié)度γd～φ關(guān)系Fig.8 Relationship between γd and φ under different consolidation degrees

圖9 不同固結(jié)度γd～φ′關(guān)系Fig.9 Relationship between γd and φ′ under different consolidation degrees

由圖6～9可知,相同固結(jié)度條件下,尾礦砂的黏聚力c及有效黏聚力c′隨著干密度的增加而逐漸增大,但規(guī)律性不太明顯。內(nèi)摩擦角φ以及有效內(nèi)摩擦角φ′隨著干密度的增大而增大,成線性增長趨勢,且固結(jié)度高的曲線位于固結(jié)度低的曲線上方。不同固結(jié)度下的γd-φ曲線、γd-φ′曲線斜率相近,擬合度較高。因此,將相同固結(jié)度條件下的干密度與內(nèi)摩擦角φ以及有效內(nèi)摩擦角φ′的關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合公式及相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 各尾礦砂γd-φ、γd-φ′經(jīng)驗關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 對于同一干密度的尾礦砂,隨著固結(jié)度的增加,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ及有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均c′、φ′逐漸增加。

(2) 固結(jié)度變化對黏聚力c及有效黏聚力c′的影響較小,而內(nèi)摩擦角φ以及有效內(nèi)摩擦角φ′隨固結(jié)度的不同而變化明顯,鐵尾礦的抗剪強(qiáng)度主要依靠內(nèi)摩擦角做貢獻(xiàn)。

(3) 尾礦砂的抗剪強(qiáng)度隨著干密度的增大而增大,也隨著固結(jié)度的增大而增大。在尾礦壩穩(wěn)定性評價及安全管理中,考慮鐵尾礦材料的抗剪強(qiáng)度因固結(jié)度的不同而變化,可使尾礦壩穩(wěn)定性分析更符合實際情況。在實際工程中,提高堆壩材料的密實度,可以提高壩體的抗剪強(qiáng)度,增加壩體的穩(wěn)定性。