尾矿坝中尾砂的强度特性试验研究

杨 凯 吕淑然 张媛媛

(首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京 100070)

尾矿坝中尾砂的强度特性试验研究

杨 凯 吕淑然 张媛媛

(首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京 100070)

通过尾砂的三轴固结排水试验(CD试验)和压缩试验，对尾矿坝中尾砂的力学特性进行研究，讨论了2种试验中尾砂在不同密实程度条件下的强度特性和应力应变关系。三轴试验结果表明，随着尾砂相对密实度的增加(由0.47增加到0.73)，尾矿砂的强度指标(黏聚力和内摩擦角)均有所增加；压缩试验表明，同一孔隙比的尾砂，随着竖向压力的增大(从100 kPa增加到400 kPa)，尾砂的压缩系数减小、压缩模量增大，但是压缩指数几乎保持不变。随着尾矿料孔隙比的增大，砂的压缩系数、压缩指数增大，压缩模量减小，从而尾砂的抗压强度也随之增加。因此，在实际工程中增加尾矿坝坝体中尾砂的密实度，可以提高坝体的强度，增强坝体的稳定性。

尾砂 三轴固结排水试验 压缩试验 抗剪强度

在工程实践中，出于对施工安全的考虑，往往要对坝基的稳定性、地基的承载力、挡土墙的压力与稳定性以及边坡稳定等进行测算，而这些安全评价都与砂的抗剪强度有着密切的关系。常规三轴试验和压缩试验在实际工程施工中应用广泛，是一种测定砂体力学性质的重要方法，可以较为接近地模拟砂体实际环境的受力情况，从而测得砂体的抗剪强度参数[1-2]。

尾矿库是矿山重要生产设施，同样也是人造具有高势能的危险源，尾矿库运行的稳定性对矿山生产和周边居民的生活产生巨大的影响。尾矿库的边坡稳定性主要受其中尾砂的稳定性所影响，尾砂的液化、滑移都与其抗剪强度有关。本研究利用三轴固结排水试验和尾砂压缩试验来探索尾砂的力学性质，从而得出控制尾砂力学稳定性的相关因素。

1 试验原理

1.1 静三轴试验

尾矿坝坝料的静力学特性包括砂土的变形特性和强度特性。砂土的抗剪强度指标包括黏聚力和内摩擦角。三轴压缩试验是室内测定砂体抗剪强度参数的一种主要试验方法。通过不同相对密度下试样的静三轴试验，测定尾矿料的排水应力应变曲线，求得抗剪强度指标黏聚力、内摩擦角，为变形和强度计算分析提供科学数据依据。

1776年，库仑在直剪试验的基础上总结了库仑公式[3]：

(1)

式中，τf为剪切破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度；σ为破坏面上的法向应力；φ为砂的内摩擦角；c为砂的黏聚力，对于无黏性砂，c=0。

1900年莫尔(Mohr)提出，在砂的破坏面上的抗剪强度是作用在该面上的正应力σf的单值函数[4-5]：

(2)

用该函数即可判断砂体是否破坏。由该函数确定的曲线称为抗剪强度包线，又称莫尔破坏包线。如果砂体单元某一个面上的法向应力和剪应力落在破坏包线外，则砂体发生破坏，反之则没有；如果刚好落在破坏包线上，称砂体到达了极限状态。

根据材料力学，一点的应力状态可以用莫尔圆来表示，由图1表示的就是多个试样破坏时的应力莫尔圆包线。根据这一关系，利用三轴试验进行多个围压下的剪切试验，就可求得砂体的抗剪强度指标。

图1 应力莫尔圆包线

1.2 压缩试验

固结仪压缩试验是研究尾砂一维变形特性的测试方法[6]。压缩试验的主要指标有试验压缩系数、压缩模量、压缩指数。试验所得的各项指标用来分析坝料的压缩性。

室内压缩试验是取原状砂样放入压缩仪内进行试验，由于砂样受到环刀和护环等刚性护壁的约束，在压缩过程中只能发生垂向压缩，不可能发生侧向膨胀，所以又叫侧限压缩试验。

砂体在外力作用下的体积变化是由孔隙体积变化引起的。在侧限条件下，砂样截面面积不变，因此试样的竖向应变等于体应变ε，也就是孔隙比的变化率，可表示为[7]

(3)

式中，s为砂样在应力Δp作用下的压缩量，cm；H为砂样在初始条件下的厚度，cm；e0、e1分别为砂样的初始孔隙比和在Δp作用下压缩稳定后的孔隙比。

由式(3)得到e1的表达式为

(4)

由式(4)可知，只要知道砂样在初始条件下p0=0时的高度H和孔隙比e0，就可以根据压缩试验测得的每级荷载pi作用下的压缩量si求出相应的孔隙比ei。由(pi，ei)可以绘出e-p曲线或e-lgp曲线，如图2所示。

图2 试样的压缩曲线、回弹、再压缩曲线

由压缩曲线可得到一系列表征砂体压缩特性的参数，包括压缩系数a、压缩模量Es、体积压缩系数mv、压缩指数Cc等，如表1所示。

表1 侧限压缩试验中砂的压缩性指标

2 试验简介

2.1 试验试样制备

试验用细尾砂取至某尾矿库，其颗粒分级如图3。

图3 尾矿料的颗粒分级曲线

颗粒分级试验的试验结果如图3及表2所示。从试验结果可以看出，该尾矿坝坝体材料的不均匀系数为CU<5，砂级配不良，砂粒粒径集中在0.04～0.8 mm的区间范围内(约占总砂质量的90%)。

表2 尾矿料的级配常数

通过对试样进行相对密实度，试验试验结果表明该尾矿砂的最大孔隙比和最小孔隙比分别为1.13及0.47，当尾矿砂的干密度分别为1.64 g/cm3、1.54 g/cm3和1.48 g/cm3的时候，尾矿砂的相对密实度分别为0.73、0.58和0.47，见表3。按照砂密实度的判别标准，由于0.73>0.67、0.33<0.47<0.58<0.67，故以上3种不同干密度的砂依次对应的尾砂的物理状态为密实状态、中密状态和中密状态。由于以上3种不同的干密度已经反映了尾砂从中密到密实的状态，因此在接下来的静力学特性试验、压缩试验中将按照这3种干密度制备试样，测得的参数能涵盖尾矿砂在尾矿坝坝体中的所有状态。

表3 尾矿砂样干密度和相对密度

2.2 试验仪器及试验内容2.2.1 静三轴试验

本研究采用的静三轴试验为应变控制式三轴仪，如图4所示。

图4 应变式三轴仪

按照尾矿料的实际工作状态，本次试验采用固结排水试验。按照控制的相对密度制备试样，然后将试样装在三轴仪上，采用水头饱和的方式饱和，饱和完毕后施加围压，打开排水阀，使试样在围压作用下完成固结。打开底座发动机，开始剪切。同时记录测量轴向变形和量力环变形的百分表读数，当量力环变形出现峰值或轴向变形达到15%时终止试验。重复做围压为100、200、300、400 kPa下的三轴剪切试验。在1个坐标系上绘制不同围压下试验的莫尔圆，做出4个莫尔圆的公切线，公切线的倾角为内摩擦角，与纵轴截距为黏聚力。

2.2.2 压缩试验

本试验通过三联杠杆压缩仪来测定，如图5所示，试样放于没有侧向变形的厚壁压缩仪内。

图5 压缩试验仪

首先按照试验操作的要求准备好仪器，同时按事先配置的3种密实度来制作砂样。检查完仪器后将装好砂样的压缩盒放入仪器内，调整杠杆水平，装上百分表。在进行正式加压前，先施加预压，以保证试样与仪器上下之间各个部位接触良好。然后加压，一般按照0.1、0.2、0.3 MPa顺序加压，每级按15 min读数1次，在每次加压后应立即调整杠杆之水平。

3 试验结果分析

3.1 抗剪强度分析

通过不同固结围压下摩尔圆和抗剪强度包线的绘制，抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角得以确定。图6(a)给出了相对比密度为0.47时的应力应变曲线，图6(b)给出了相对比密度为0.47时的抗剪强度包线。相对密度为0.58和0.73的2组砂样试验通过相同的步骤也能得到应力应变曲线和抗剪强度包线。

尾矿料静力学特性试验结果如表4所示，从试验结果可以看出，尾矿砂的内摩擦角为30.17° ～39.43°，黏聚力大小为3.63～4.50 kPa。随着尾矿砂相对密实度的增加(由0.47增加到0.73)尾矿砂的强度指标(黏聚力和内摩擦角)均有所增加，黏聚力的值较小，变化的幅度不大。因此，在实际工程中增加尾矿坝坝体中尾砂的密实度，可以提高坝体的强度，增强坝体的稳定性。

3.2 抗压强度分析

根据压缩试验成果绘制孔隙比与压力的关系曲线，即称压缩曲线，如图7所示。

图6 e=0.82时CD试验结果

表4 尾砂三轴固结排水试验结果

压缩试验的试验结果如表5，试验结果表明：同一种砂，随着竖向压力的增大(从100 kPa增加到400 kPa)，砂的压缩系数减小、压缩模量增大，但是压缩指数几乎保持不变。随着尾矿料孔隙比的增大(从0.65增加到0.82)，砂的压缩系数、压缩指数增大，压缩模量减小。孔隙比由0.65增加到0.82时，压缩系数增加近2倍。因此，随着孔隙比的增加，相对密度的减小，尾砂的抗压强度也增加。

图7 不同孔隙比尾矿砂压缩曲线

表5 尾矿料压缩试验结果

4 结 论

(1)随着尾砂相对密实度的增加(由0.47增加到0.73)，尾矿砂的强度指标(黏聚力和内摩擦角)均有所增加。

(2)压缩试验表明，同一孔隙比的尾砂，随着竖向压力的增大(从100 kPa增加到300 kPa)，砂的压缩系数减小、压缩模量增大，但是压缩指数几乎保持不变。随着尾矿料孔隙比的增大，砂的压缩系数、压缩指数增大，压缩模量减小。

(3)在实际工程中增加尾矿坝坝体中尾砂的密实度，可以提高坝体的强度，增强坝体的稳定性。

[1] 韦文蜻，黄 良.浅议常规二轴试验及其参数指标的选用[J].广西大学学报：自然科学版，2009，31(3)：262-264. Wei Wenjing，Huang Liang.Definition on conventional triaxial test and selections of its parameter indexes[J].Journal of Guangxi University：Nat Sci，2009，31(3):262-264.

[2] 张朝晖，张建辉.浅谈三轴试验方法及数据整理[J].水利与建筑工程学报，2010，8(3)：170-172. Zhang Zhaohui，Zhang Jianhui.Discussion on experiment method and data processing of triaxial shear apparatus[J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2010，8(3)：170-172.

[3] 黄扬一.关于最佳三轴抗剪强度指标的探讨[J].水文地质工程地质，1990(4)：40. Huang Yangyi.Discussion on best triaxial shear strength index[J].Hydrogeology and Engineering Geology，1990(4)：40.

[4] 陈祖煜 .土质边坡稳定分析——原理·方法·程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003. Chen Zuyu.Soil Slope Stability Analysis:Principle·Method·Program[M].Beijing：China Water Power Press，2003.

[5] 李松林.动三轴试验的原理与方法[M].北京：地质出版社，1990. Li Songlin.Cyclic Triaxial Tests Principles and Methods[M].Beijing：Geological Publishing House，1990.

[6] 张 超，杨春和，白世伟.尾矿料的动力特性试验研究[J].岩土力学，2006，27(1)：36-40. Zhang Chao，Yang Chunhe，Bai Shiwei.Experimental study on dynamic characteristics of tailings material[J].Rock and Soil Mechanics，2006，27(1)：36-40.

[7] 唐辉明.工程地质学基础[M].北京：化学工业出版社，2008. Tang Huiming.Principles of Engineering Geology[M].Beijing：Chemical Industry Press，2008.

[8] 宋新江，徐海波.平面应变条件下水泥土强度特性试验研究[J].岩土力学，2011，32(8)：2325-2330. Song Xinjiang，Xu Haibo.Experimental study of strength characteristics of cement-soil under plane strain condition[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(8)：2325-2330.

[9] 翟国锋，杨智旭，黄 魁，等.爆破密实饱和粉细砂基的参数选取及分析[J].爆破器材，2007，36(3):20-24. Zhai Guofeng，Yang Zhixu，Huang Kui，et al.Parameter selection and analysis of blasting consolidating saturated sand ground[J].Explosive Materials，2007，36(3):20-24.

[10] 翁效林，唐 飞，李鹏琳.常规三轴剪切试验资料分析中问题的探讨[J].山西建筑，2005，31(19)：80-81. Weng Xiaolin，Tang Fei，LI Penglin.discussion on data analysis of ordinary three-axis shear experiment[J].Shanxi Architecture，2005，31(19)：80-81.

(责任编辑 石海林)

Experimental Study of Strength Characteristics of Tailing Sand in Tailings Dam

Yang Kai Lu Shuran Zhang Yuanyuan

(SchoolofSafetyandEnvironmentEngineering，CapitalUniversityofEconomicsandBusiness，Beijing100070，China)

The mechanical property of tailing sand in tailings dam were studied through the consolidated drained triaxial (CD) tests and compression tests.The strength characteristics and stress-strain curve of tailing sand under different compaction degree were discussed.The results showed that，with the relative density of tailing sand increased (from 0.47 to 0.73)，its strength index (cohesion and friction angle) were increased.The compression tests indicated that for tailing sand with the same porosity ratio，its compression factor was reduced，the compression modulus increased，but the compression index remained almost unchanged with the vertical pressure increasing (from 100 kPa to 400 kPa).With the porosity ratio increasing，the compression factor and compression index of tailing sand increased，and the compression modulus decreased.Thus，its compressive strength also increases.Therefore，in the actual project，an increase of tailing sand density can improve the strength and the stability of the tailings dam.

Tailing sand，Consolidated drained triaxial (CD) test，Compression test，Shear strength

2013-11-27

2011年度北京市属高等学校人才强教深化计划人才创新团队项目(编号：PHR201107143)。

杨 凯(1986—)，男，博士研究生。

TD926

A

1001-1250(2014)-02-166-05