细粒含量对饱和钨钼尾砂剪切变形及稳态特性影响的试验研究

杨建永，朱仁玉，吴建奇，李 钧

（1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 341000）

0 引言

随着我国选矿工艺水平和回收率的提高，使得进入尾矿库内的尾砂粒径越来越细[2]。国内外学术界和岩土工程界针对细粒含量对粉砂或砂质粉土的抗液化特性的影响这一问题已经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响，随后Lee等[3]人相继提出了黏粒和粉粒含量对土体抗液化强度的影响。Dezfulian等人则认为随着粉粒含量的增加粉砂的抗液化强度在提高[4-6]。相反，Shen等[7-11]人却认为随着细粒含量的增加粉砂的抗液化势在降低。刘雪珠等[12]对3种黏粒含量（5%，10%和15%）的南京粉细砂进行了液化试验研究，研究结果表明黏粒含量对南京粉细砂的抗液化强度影响很大。衡朝阳等[13]对含黏粒砂土抗液化性能的试验研究表明，黏粒矿物成分和含量的不同均会引起砂土动力稳定性的变化。皮清珠[14]以室内颗粒分析试验、物理性质试验、三轴压缩试验和颗粒流数值试验为手段研究了不同细粒含量、不同围压对尾粉砂力学特性的影响，结合人工神经网络建立起尾粉砂的强度参数预测模型，并对该模型进行工程应用和讨论。潘建平等[15]通过三轴固结不排水试验，对饱和尾砂的剪切强度特性和颗粒破碎特性进行研究，讨论了试验中尾砂在不同细粒含量和围压条件下的应力应变关系、孔隙水压力特性、应力路径和颗粒破碎程度。

钨钼尾砂作为一种特殊尾砂，普遍存在于赣南地区，关于细粒含量对稳态强度的影响研究目前主要还集中在一般砂类土，对尾矿材料的研究相对较少，专门针对钨钼尾粉砂的研究就更少。且由于钨钼尾粉砂自身所具有的复杂性和不确定性，使得目前在细粒含量对其稳态强度影响的研究方面仍缺乏系统和深入的认识。稳态强度是判断钨钼尾粉砂液化后稳定性的重要参数，而细粒含量是影响钨钼尾粉砂液化的众多关键因素之一。因此，开展细粒含量对钨钼尾粉砂剪切变形及稳态特性影响研究具有重要意义。

1 试验土样及方案

1.1 试验土样

试验的尾砂取自江西某尾矿库坝体部位，土样取回后放置在105℃烘箱中恒温烘6 h左右，取出尾砂待其冷却后进行室内筛分试验。粒径小于0.075mm 的称为细粒部分（Fine Content，简称“FC”），粒径0.075mm以上的称为粗粒部分。将各粒径的尾砂分别用保鲜袋装好密封，为制备试样做准备。

1.2 试验方案

试验采用的仪器为英国欧美大地公司研发的GDS全自动三轴仪，采用应变控制加载方式。为了研究不同细粒含量下饱和钨钼尾砂的剪切变形及稳态特性，试样干密度选定为1.42 g/cm3，试验配置4组不同细粒含量的尾砂试样，不同细粒含量下各粒径的尾砂质量如表1所示。

表1 不同细粒含量下各粒径范围的尾砂质量Tab.1 Tailings mass of each particle size range under different fines contents

经过室内一系列钨钼尾砂的物理力学性能试验，得出不同细粒含量下的钨钼尾砂颗粒级配曲线和物理性质指标分别如图1和表2所示。

试验方法采用等向固结不排水剪切试验，采用湿法制备试样，试样含水率为15%，直径为50mm，高100mm，分三层击实。试样采用二氧化碳饱和、水头饱和与反压饱和联合进行试验。饱和完成后进行B值检测，试样饱和度均能达到98%以上。饱和结束后分别在有效固结围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa下固结，固结完成后进行剪切试验，剪切速率取0.5mm/min。试验目的是为了研究饱和尾砂在不排水条件下稳态变形特性。因此，试验过程中需要不断增加轴向应力，直到试样发生剪切破坏。在偏应力达到峰值强度之后，要继续进行剪切，直至轴向应变达到25%。

图1 不同细粒含量下钨钼尾砂颗粒级配曲线Fig.1 Grain size distribution curve of tailings sample under different finesfines content

表2 不同细粒含量下尾砂的物理性质指标Tab.2 Physical properties of tailings under different fines

2 试验结果及分析

固结不排水三轴剪切试验可以得到不同细粒含量下饱和钨钼尾砂在不同有效固结围压下的应力-应变曲线和孔压-轴向应变曲线。典型的不排水剪切试验曲线如图2～图7所示。

图2 有效围压为100 kPa的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves under Confined pressure of 100 kPa

图3 有效围压为100 kPa的孔压-应变曲线Fig.3 Pore pressure-strain curves under confined pressure of100 kPa

图4 有效围压为200 kPa的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves under confined pressure of 200 kPa

图5 有效围压为200 kPa的孔压-应变曲线Fig.5 Pore pressure-strain curves under confined pressure of200 kPa

图6 有效围压为300 kPa的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves under confined pressure of300 kPa

图7 有效围压为300 kPa的孔压-应变曲线Fig.7 Pore pressure-strain curves under confined pressure of300 kPa

2.1 不同细粒含量的钨钼尾砂剪切变形特性分析

饱和钨钼尾砂在进行三轴剪切时，其破坏模式与尾矿材料颗粒粗细有关，一般情况下有劈裂和鼓胀两种破坏模式。大多数粗颗粒尾矿材料的剪切破坏面与水平面大约呈45°-φ/2；但是细粒尾矿材料在一般情况下是无明显的剪切破坏面，试样通常呈鼓状破坏。由于试验中的试样粒径主要集中在0.075～0.15mm及0.075mm以下范围内，当轴向应变达到20%时，尾砂试样呈鼓状破坏。

女，出生于1978年。中国少数民族艺术博士，云南大学文化发展研究院教师。长期致力于地方文化、民族文化、非物质文化遗产传承保护研究。著有《佛在云南——从西双版纳到香格里拉的佛教之旅》《指尖上的故事——云南民族民间工艺大师访谈录》等专著，在《中华遗产》《人与自然》等杂志发表文论多篇。

图2、图4、图6分别为不同细粒含量的钨钼尾砂在同一固结围压下的应力-应变曲线。可以观察到，应力-应变曲线大致分为三种类型：应变硬化型、应变稳定型、应变软化型。应变硬化型曲线分为两阶段：第一阶段随着轴向应变的增加，偏应力缓慢增大，偏应力的增幅随应变的增加而不断减小；第二阶段随轴向应变的继续增大，偏应力趋近于某一最大值，但是不会出现峰值应力。应变稳定型曲线也分为两个阶段：第一阶段随着轴向应变的增大，偏应力缓慢增加到最大值，随后偏应力随应变的增加而大致保持不变。应变软化型大致可以分为以下三个阶段：第一阶段偏应力随着轴向应变的增加先达到峰值应力点，在达到峰值应力点之前，偏应力随轴向应变的增加而增大，但偏应力增幅随轴向应变的增加而减小；第二阶段偏应力随轴向应变的继续增大而减小，偏应力从峰值强度减小到残余强度；第三阶段偏应力随轴向应变的继续增加而大致保持不变，称之为偏应力的持续阶段。

从图2中可以发现，在有效固结围压为100 kPa下，细粒含量从15%增大到22%，钨钼尾砂的应力-应变曲线从应变硬化型过渡到应变稳定性。对比分析图2、图4、图6，可以发现，当细粒含量为22%时，不同有效固结围压下饱和钨钼尾砂试样变形都为应变稳定性，随着细粒含量的继续增大，应力-应变曲线都变为应变软化型，应变软化型试样的峰值强度和残余强度都随着细粒含量的增加而显著降低。引起应变软化可能的原因是由于试样中细颗粒部分过多，使得细颗粒部分除了分布在粗颗粒的间隙之中，还广泛存在于粗颗粒与粗颗粒之间的接触面上，由于接触面上的细颗粒有“滚珠”作用，进而导致应力-应变曲线表现为应变软化型；故只有当细颗粒含量适中，细颗粒能充分填充粗颗粒的空隙，粗颗粒之间充分接触，应力-应变曲线才能表现为应变稳定型。

图3、图5、图7分别为不同细粒含量的钨钼尾砂在同一固结围压下的孔压-应变曲线。可以观察到，在相同的有效固结围压下，随着细粒含量的增加，孔隙水压力也在增加。应变硬化型试样孔压增长曲线表现为：随着轴向应变的增加，孔压先增加到最大值，随后孔压有微弱的减小。应变稳定型试样孔压增长曲线表现为：孔压在低应变下先上升到最大值，随着轴向应变的继续增大孔压保持稳定。应变软化型试样孔压增长曲线表现为：孔压随轴向应变的增加而缓慢增大，增幅随着轴向应变的增加而逐渐减小，在应变达到20%左右，孔压保持稳定。选取应变为20%对应的孔压值为稳定值，不同细粒含量的钨钼尾砂试样在孔压达到稳定其值有很大差异。这是因为细颗粒改变了试样的初始孔隙比，细粒含量越多，相同干密度的试样初始孔隙比越小，导致试样的渗透性差，在剪切过程中孔压累积大，利用Origin9.1制图软件拟合在不同围压下孔压稳定值与细粒含量的关系曲线：式（1）、（2）、（3）分别为当有效围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa时孔压稳定值与细粒含量的线性拟合关系曲线。

式中：u为稳态时孔隙水压力，kPa；ω为试样中细粒部分（＜0.075mm）所占百分比，%。

2.2 不同细粒含量的饱和钨钼尾砂稳态特性分析

稳态变形是指试样颗粒之间的最初胶结状态在剪应力作用下遭到破坏，颗粒之间的重组在统计学上已形成新的定向排列。分析试验结果可知，不同细粒含量下的饱和钨钼尾砂在不同围压下进行剪切，当轴向应变达到20%，偏应力保持稳定，孔隙水压力也保持稳定。故认为当轴向应变达到20%时，试样已经达到稳态。

有研究表明[14]，稳态时的孔隙比对土体的性能起着关键的作用，稳态时孔隙比与达到稳态时的平均有效应力pss'[（σ1'+2σ3'）/3]、剪应力qss（σ1'-σ3'）之间均可建立相应的关系曲线，即稳态线。图8为不同细粒含量下饱和钨钼尾砂的稳态线，稳态线把不同有效应力作用下的饱和钨钼尾砂分为两个区域，分别代表土体潜在流动液化区和无流动液化区。利用Origin软件，对图8中的稳态点进行拟合，得到4种不同细粒含量下的ess-qss稳态线，分别如式（4）～式（7）所示。

图8 稳态时ess-qss的关系曲线Fig.8 Correlative curves of ess-qss during steady state

饱和钨钼尾砂的稳态线作为潜在流动液化区和无流动液化区的分界线，可以用来分析尾矿坝是否会发生流滑破坏。对比分析FC15%和FC22%的稳态线，其位置明显不同，说明细粒含量的改变对稳态线影响显著。根据线性拟合结果可知，随着细粒含量的增加，稳态线在逐渐下移，细粒含量为15%时，试样中粗颗粒最多，稳态线斜率最大，在同等外力作用下最难发生液化。当细粒含量为45%时，稳态线斜率最小，在同等外力作用下，最易发生液化。细粒含量的改变虽然使试样颗粒级配发生了变化，但是各稳态线的变化范围仍然很窄：ess-qss空间内的稳态线线性拟合的截距在0.9左右变化，当细粒含量在低于30%时斜率在0.000 6左右变动，当细粒含量高于30%时斜率则在0.000 8左右波动。根据前人研究表明，对于无黏聚力的砂性土体，其颗粒越细，越容易发生液化，试验结果与之相吻合。

图9为不同细粒含量下的饱和钨钼尾砂在不同围压下达到稳态时的pss'-qss关系曲线。对图中的数据点利用Origin进行拟合，得到不同细粒含量下pss'-qss关系曲线表达式如式（8）～式（11）所示。

图9 稳态时pss'-qss的关系曲线Fig.9 Correlative curves of pss'-qss during steady state

根据拟合结果可知到，不同细粒含量下的稳态强度线斜率相近却各有差异，随着细粒含量的增加，pss'-qss关系曲线斜率在减小，当细粒含量为15%时，曲线斜率最大，强度最高。当细粒含量增加到45%时，曲线斜率最小，在同等围压下强度最低。

稳态内摩擦角作为土体变形最终可动用的有效内摩擦角，其大小关系到土体在外力作用下是否发生流滑失稳破坏。不同细粒含量下的饱和钨钼尾矿的稳态内摩擦角可根据摩尔库伦强度准则根据式（12）求得：

式中：φcri为稳态内摩擦角，（°）；k为不同细粒含量下试样的稳态强度线斜率。

利用式（12）分别计算出不同细粒含量下饱和钨钼尾砂的稳态内摩擦角，计算结果如表3所示。

从表3中可以得出，随着细粒含量的增加，饱和钨钼尾砂稳态内摩擦角在逐渐减小，15%细粒含量下钨钼尾砂的稳态内摩擦角最大为30.62°，45%细粒含量下钨钼尾砂的稳态内摩擦角最小为27.85°，说明饱和钨钼尾砂的稳态内摩擦角与颗粒的平均粒径呈正相关。

表3 不同细粒含量下的稳态内摩擦角Tab.3 Steady-state internal friction angle under different fine particle contents

3 结论

（1）不同细粒含量的饱和钨钼尾砂在同一固结围压下的应力-应变曲线可以分为三类：应变硬化型、应变稳定型、应变软化型。细粒含量从15%增大到22%的过程中，钨钼尾砂的应力-应变曲线从应变硬化型过渡到应变稳定性。当细粒含量高于30%时，不同围压下的应力-应变曲线都变现为应变软化型。

（2）在相同的有效固结围压下，孔隙水压力随细粒含量的增加而增加。应变硬化型试样孔压增长曲线表现为：随着轴向应变的增加，孔压先增加到最大值，随后孔压有微弱的减小。应变稳定型试样孔压增长曲线表现为：孔压在低应变下先上升到最大值，随着轴向应变的继续增大孔压保持稳定。应变软化型试样孔压增长曲线表现为：随轴向应变的增加孔压缓慢增大，孔压增幅随应变的增加而逐渐减小，在应变达到20%左右，孔压保持稳定。

（3）细粒含量的改变对饱和钨钼尾砂稳态线影响显著，随着细粒含量的增加，饱和钨钼尾砂稳态内摩擦角在逐渐减小，稳态线逐渐向下平移，无液化流动区面积在不断减小，即在受到同一荷载作用下，越易发生液化流滑破坏。因此，企业在尾矿筑坝过程中应严格控制细粒含量，做好坝体安全监测和液化势评估工作。

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