尾矿粉改良土的动态三轴试验研究

刘国强 王喜刚

【摘要】尾矿粉作为矿山的废弃物已经成为企业的负担，并且污染环境，为了使尾矿粉变废为宝，利用辽宁本溪某矿山铁尾矿粉为原料，掺入到某粘性去中，考察其力学性能的变化；通过实验发现掺入尾矿粉可以有效提高土的力学性能，实验用土最佳掺入量为8%。

1、引言

本钢集团是我国大型钢铁企业，其下属的两大矿山都有一定的规模，矿山在生产过程中产生了大量的尾矿粉，现在一直堆积在矿山，如何利用这些尾矿粉一直是该企业的一个难题。

近年来，我国交通事业发展迅速，尤其是高速铁路发展较快，由于高铁技术等级较高，其路基的承载能力和沉降量要求较苛刻，对于一般的路基土都要进行改良才能到达其要求。尾矿粉可以作为路基土的改良材料，通过试验分析研究尾矿粉改良土的技术性质，使得尾矿粉变废为宝，提高企业效益，净化矿山环境。

路基土改良技术主要包括水泥改良土、粉煤灰改良土、石灰改良土等。本钢矿山有大量尾矿粉需要处理，能否将尾矿粉作为改良剂，用来改良路基土呢？这是一个非常值得探讨的问题，如果通过实验发现尾矿粉能有效改良土的静态动态力学特性，则尾矿粉可被用作土的改良剂用在工程中，变废为宝，能大大净化矿山环境。

2、实验仪器

本文采用的实验设备为西安立创公司生产的SDT-10型土动三轴试验系统，微机控制电液伺服岩土动三轴试验系统，主要用于细粒土、岩石、砂土、岩浆的轴向压力和侧向压力的强度试验、土动力学试验。也可用于测量细粒土和沙土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数、阻尼。通过用3--4个圆柱形试样，分别在不同的周围压力（即小主应力σ3）下，施加动态轴向压力 （ 即主应力差（σ1-σ3） ），进行剪切直至破坏，测定土的抗剪强度，然后根据摩尔-库仑理论，求得抗剪强度参数，细粒土和砂土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数。本试验机采用计算机多通道闭环数字控制，测量精度、控制程度在同行业居领先地位，是水利水电、大专院校、科研院所理想的土工试验设备。排水条件的不同可进行以下几种土工试验：

（1）不固结不排水剪切试验——UU

在施加周围压力和增加轴向力直至破坏的全过程不允许试样排水，用于测定总抗剪强度参数Cu、φu。

（2）固结不排水三轴剪切试验——CU或

使试样先在某一周围压力作用下排水固结后，保持不排水的状态下，增加轴向力直至破坏，测定总抗剪强度参数Ccu、φcu或有效抗剪强度参数 、 和孔隙压力系数。

（3）固结排水三轴剪切试验—CD

使试样先在某一周围压力作用下排水固结后，在允许试样充分排水的情况下增加轴向力直至破坏，测得有效抗剪强度参数Cd、φd。

试验软件在Windows/XP中文环境下工作，强大的数据处理功能，试验条件和试验结果自动存盘，显示、打印符合相关国家标准的随机成组试验数据、试验曲线、试验报告，是广泛适应于科研院所、冶金建筑、国防人防、大专院校、机械制造、交通运输等行业理想的高性价比的试验系统。

该试验机基本由七大部分组成：A、轴向加载机构及框架；B、围压施加机构C、压力室；D、压力室提升机构；E、液压油源；F、电气控制部分；G、微机显示，控制与数据处理部分；

以下分别为各个结构的基本工作原理和说明：轴向加载机构：轴向加载机构主要由四大部分构成。主机框架、轴向作动器、轴向载荷传感器、轴向位移传感器。

其中主机框架的主要功能是固定轴向载荷传感器及试样夹具；轴向作动器位于工作台下部。压力室安装好后，通过伺服系统形成按实验要求设定的交变应力，在需要时也可做静载荷实验。轴向载荷传感器通过微机控制实时测量并控制轴向力。轴向位移传感器主要测量试样在轴向力的作用下的变形情况及活塞杆位置。

围压测控系统部分：由围压作动器（侧向作动器）及围压测定压力传感器构成。围压作动器主要是通过伺服系统形成按实验要求设定的交变围压，围压的变化主要由围压测定压力传感器来控制并测量，通过微机实时显示。

压力室结构部分：压力室位于工作台上面由有机玻璃外罩，压力室上下盖及各密封结构构成。压力室最大压力为1MPa，在实验过程中压力不能超过1MPa，否则将引起压力室变形。压力室下部有各个测量部分的接口。还有加水和排水口，用于向压力室内部注水或排水，压力室盖上有二个气阀，用于在压力室加水或排水过程中排气。

压力室提升機构：主要由立柱、钢丝绳配置组成。主要功能用于在实验开始和结束时移动压力室，使试样安装更方便。

油源部分；本机加载和形成围压都由作动器来实现，是一个独立的系统。油源主要是为二个作动器提供一定流量、压力稳定的压力油。油源主要由电机、油泵、吸油口、滤油器、单向阀、溢流阀、电磁溢流阀、压力表、冷却器、蓄能器，液面计、油箱等组成。输出压力可达21MPa，纸质滤油器的过滤精度小于5um，液压油采用32#汽轮机油。

3、实验方案

本文采用试验用试样尺寸为φ39.1×80mm，分别对原状土、4%、8%、12%的四种土进行研究，围压分别为30kpa、60kpa和90kpa。

每组试验做3个试块，分别测定其静态破坏强度和动力特性，实验采用分层振捣法得到土样，然后再饱和，使其达到饱和后在进行其力学性能的检测。

实验发现，掺加尾矿粉的试样都比没有掺加尾矿粉的实验强度高，且动力性能好。随着尾矿粉加入量的提高各项力学指标先增大后减小，都有一个合理掺入量的控制问题。

4、结论

掺入尾矿粉可以有效提高原状土的力学性能，尤其是动态力学性能得到了提高，但要控制好尾矿粉的掺入量，随着掺入量的增大，其效果先增大后减小。