红土镍矿尾渣三轴抗剪强度试验研究

王希萌，郭利杰，李文臣，张志红

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室， 北京 100124；2.北京矿冶科技集团有限公司， 北京 100160)

镍是一种重要的战略金属，具有很好的可塑、耐腐蚀和耐高温等性能，广泛地应用于国防、航空航天、能源等领域。随着镍资源开采的急剧增加，产生的尾渣日益增多，除小部分作为矿山充填或综合利用外，绝大部分尾渣堆存于尾矿库中，形成尾渣堆场[1]。尾渣堆场稳定是保证矿山企业的经济效益及下游居民、设施安全的重要保障。能否准确测定尾渣抗剪强度指标是决定尾渣堆场工程成败与设计质量的关键，同时尾渣抗剪强度指标也是尾渣堆场设计与稳定性分析评价的重要参数[2]。因此研究尾渣的抗剪强度特性对尾渣堆场设计及稳定性评价具有非常重要的意义。

国内外学者对尾渣抗剪强度特性方面已进行了较多研究。尹光志等[3]开展了羊拉铜矿尾矿料的固结快剪试验和三轴剪切试验，发现铜矿尾矿料应力-应变关系以剪缩性为主。梁冰等[4]和海龙等[5]为探究含水率和压实度对尾矿抗剪强度特性的影响，以某铁矿和铅锌矿为研究对象开展室内剪切试验，得到了尾矿的抗剪强度与其含水率和压实度具有相关性的结论。林海等[6]研究了铜、钨两种尾砂在不同含水率下抗剪强度变化规律，研究结果表明两种尾砂遇水后会表现出一定的黏聚力而使抗剪强度有所增强，随着含水率从10%增加到20%，钨尾砂的黏聚力不断地减小而使其抗剪强度不断降低。阮庆等[1]和聂亚林[7]通过直剪试验测定了不同堆放高度下尾砂的抗剪强度指标，讨论分析了堆放高度变化对尾砂抗剪强度指标的影响规律。于丹等[8]通过开展室内试验对尾粉土、尾粉砂、尾粉质黏土三种尾矿土的主要物理指标与抗剪强度指标进行测定，分析物理指标变化对抗剪强度指标的影响，发现两指标具有相关性，抗剪强度指标可通过物理指标推断出来。Ozcan等[9]通过室内试验测定了土耳其某铜锌矿库尾矿的抗剪强度指标，并进而分析了该尾矿库的稳定性。黄燕伟等[10]开展了尾矿料在不同干密度下的直剪试验，发现尾矿料的干密度与抗剪强度具有相关性，干密度大的尾矿料抗剪强度也随之增大。Dimitrova等[11]研究不同含水率的尾矿抗剪强度变化规律，得出尾矿的不排水抗剪强度随含水率的降低而增大。杨建永等[12]采用固结不排水三轴剪切试验对赣南地区的钨钼尾砂的剪切特性进行研究，探究了细粒含量对尾砂的强度特性影响规律，得出随着细粒含量的增加，钨钼尾砂内摩擦角逐渐减小的结论。

已有研究成果表明，尾渣的抗剪强度主要受尾渣种类、粒径组成、含水率和压实度等因素影响[13-14]，其中含水率与压实度是影响尾渣抗剪强度的重要因素，本文以红土镍矿尾渣试样为研究对象，开展了室内固结不排水抗剪强度试验，探究不同含水率条件下尾渣的抗剪强度特性变化规律，旨在为红土镍矿尾渣堆场的设计和稳定性评价提供可靠的力学参数，并为类似工程实践提供参考依据。

1 红土镍矿尾渣基本物性参数

尾渣试样基本物性参数测定试验过程严格按照《土工试验方法标准》[15](GB/T 50123—2019)中的相关操作规定执行，其中液限和塑限采用液塑限联合测定仪测定，结果如表1所示。颗粒分析试验采用比重计法进行测试，获得了尾渣试验样的粒径级配分布(见表2)。通过对尾渣开展击实试验(轻型)，测得试样最大干密度为1.56 g/cm3，最优含水率为35.6%，击实曲线如图1所示。

表1 红土镍矿尾渣基本物理性质指标

表2 红土镍矿尾渣颗粒组成百分比测试结果

图1 ρd-w关系曲线

通过颗粒分析试验，测得尾渣粒径主要分布范围为0.075 mm～0.005 mm，占试样总质量的89%，即红土镍矿尾渣主要由粉粒构成，属于细粒土的范畴，根据《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》[16](GB 50547—2010)，将其定名为尾粉质黏土。

2 试验设备与方案

2.1 试验设备

采用TSZ-2全自动应力式三轴仪进行三轴剪切试验。该仪器能够进行固结不排水剪(CU)、固结排水剪(CD)、不固结不排水剪(UU)等剪切试验。该仪器主要技术指标：围压、反压和孔隙压力范围为0～2MPa，剪切速率范围为0.000 1 mm/min～4.800 0 mm/min。

2.2 试验方案

根据工程设计要求，红土镍矿尾渣采用干式堆存工艺，采用分层法从堆场所在沟谷的沟前端底部开始从前到后、自下而上进行分层排矿、摊平、碾压。为了模拟现场的实际堆填工况，强度试验采用固结不排水三轴剪切试验(CU试验)。根据《尾矿设施设计规范》[17](GB 50863—2013)，当尾渣干式堆存时，尾渣应分层碾压加高，对堆积坝体稳定性有影响的区域，尾渣压实度要求不应低于92%，对堆积坝体稳定性无影响的区域，碾压标准可适当降低。当尾渣压实度为最低限值92%时，通过ρd-w关系曲线可得到其对应含水率为31%。冶炼厂压滤车间设计尾渣含水率为35%，通过ρd-w关系曲线可得到其对应干密度为1.554 g/cm3，压实度达到99.6%。为探究红土镍矿尾渣碾压堆填时，规范要求最低压实度限值、极限压实度以及实际堆场设计压实度对应的含水率条件下尾渣强度特性，选取三种工况开展尾渣试样强度试验，分别为：含水率35.6%(压实度100%)、含水率35%(实际堆场设计压实度)、含水率31%(压实度92%)。

依据上述含水率和压实度制备CU试验试样，即直径为39.1 mm，高为80 mm的实心圆柱体试样，按照设计规划进行3组试样的试验(见图2)。试验主要步骤依次为制备试样、试样饱和、固结、剪切、拆样。对每组试样分别施加的围压为100 kPa，250 kPa和400 kPa，进行恒定的剪切速率为0.080 mm/min的三轴固结不排水试验，由应变控制轴向加载，当应变为15%时终止加载。

图2 红土镍矿尾渣试样

3 试验结果与分析

3.1 应力-应变特性

对土的各种力学特性的核心研究问题是土的应力-应变关系的准确描述[18-19]，因此，研究试样在剪切过程中应力-应变关系显得尤为重要。由剪切强度试验得到的3组红土镍矿尾渣CU三轴试验应力-应变关系曲线，如图3所示。

由图3可知，尾渣轴向应变小于5%时，随着轴向应变的增加，偏应力(σ1-σ3)迅速增大，超过该范围，曲线出现拐点，而后偏应力增大幅度减小，应力-应变关系曲线无明显峰值点，应力-应变关系呈现应变硬化型。当尾渣含水率为31%时，在250 kPa和400 kPa围压下，试验中后期，应力-应变关系曲线有缓慢下降趋势，但下降幅度较小,缓慢下降一段时间后曲线不再下降而趋于平稳，且围压在100 kPa时，应力-应变关系呈现明显应变硬化型。

图3 红土镍矿尾渣应力-应变关系曲线

另外，应力应变关系曲线中，初始偏应力增长速率和拐点处应力值均随有效固结围压增大而逐渐增大，拐点位置右移，这与文献[18]得到的结论相似。各试样在达到同一轴向应变时的偏应力，随围压的升高而显著提升，主要是由于随着围压逐渐升高，土颗粒间更加密实，土体能够承受的变形更大，承受外荷载能力越强，即红土镍矿尾渣的抗剪强度随着围压升高而增大。

3.2 孔隙水压力变化特性

许多工程的失事主要是孔隙水压力发生变化所导致[20-21]，试样在剪切过程中孔隙水压力会发生变化，因此应对其孔隙水压力的变化进行研究。由剪切强度试验得到的3组红土镍矿尾渣CU三轴试验孔隙压力-应变关系曲线，如图4所示。

图4 红土镍矿尾渣孔隙压力-应变关系曲线

由图4可知，尾渣在含水率为31.0%时，试验初期，随轴向应变的增大，孔隙水压力逐渐增大，试验中后期，曲线出现拐点，而后偏应力增大幅度减小，逐渐趋于平缓，表现出剪缩倾向。尾渣含水率为35.6%和35.0%时，试验初期，随着轴向应变的增加，孔隙水压力迅速增大，试验中后期，随着剪切的进行，孔隙水压力达到峰值强度，随后呈下降趋势，表现出一定的剪胀倾向。

同一含水率下的试样，围压越大，同一轴向应变下，其孔隙水压力也随之增大，且增幅较明显。孔隙水压力在试验前期的增长速率随着围压增加而随之逐渐增大，随后逐渐趋于稳定。

3.3 抗剪强度指标

根据《土工试验方法标准》[15](GB/T 50123—2019)破坏应力的确定依据是应力-应变关系曲线是否存在峰值点，若存在峰值点，峰值点对应的应力确定为破坏应力，若不存在峰值点，应变为0.15时对应的应力即为破坏应力。法向应力σ作为横坐标，剪应力τ作为纵坐标。在横坐标上以(σ1f+σ3f)/2为圆心，(σ1f-σ3f)/2为半径，绘制总应力描述的摩尔应力圆(实线)，以(σ1f'+σ3f')/2为圆心，(σ1f-σ3f)/2为半径，绘制有效应力状态下的摩尔应力圆(虚线)。结合Mohr-Coulomb准则，做出摩尔圆的公切线即为强度包线(见图5)，由强度包线的倾角和在纵坐标上的截距，得到表3所示各试样的总抗剪强度和有效抗剪强度指标。

图5 红土镍矿尾渣摩尔应力圆与强度包线

由表3试验结果可知，同一尾渣试样有效内摩擦角大于总内摩擦角，有效黏聚力小于总黏聚力。在击实曲线的上升趋势阶段，随着含水率的增大，即压实度的增大(从压实度92%至极限压实度100%)，红土镍矿尾渣的总应力强度指标及有效应力强度指标的变化规律保持一致，黏聚力及有效黏聚力值均逐渐减小，内摩擦角及有效内摩擦角均逐渐增大。

表3 红土镍矿尾渣固结不排水剪切强度指标

铅锌、铁矿尾渣的黏聚力随着含水率的增大先增大后迅速减小，随着压实度的增大而增大[4-5]。试验得到红土镍矿尾渣的黏聚力随含水率和压实度的增大而减小，尤其是从规范要求达到的最低压实度92%对应的含水率升至最优含水率时，红土镍矿尾渣试样的黏聚力及有效黏聚力数值减小50%，表明含水率对红土镍矿尾渣黏聚力的影响很大。铅锌、铁矿尾渣的内摩擦角随含水率的增大先减小后迅速增大，随着压实度的增大而增大[4-5]。试验得到红土镍矿尾渣的内摩擦角随含水率和压实度的增大而增大，但红土镍矿尾渣试样的内摩擦角及有效内摩擦角数值增大幅度不大。

4 结 论

(1) 红土镍矿尾渣的应力-应变关系均呈应变硬化型。随着围压增大，各试样在达到同一轴向应变时偏应力大幅提升。

(2) 尾渣含水率接近最优含水率即接近最密实状态时，孔压-应变关系表现出剪胀倾向，含水率为31%即压实度最小时，孔压-应变关系表现出剪缩倾向。随着围压增长，各试样在达到同一轴向应变时孔隙水压力大幅提升。

(3) 同一试样有效内摩擦角比总内摩擦角大，有效黏聚力比总黏聚力小。在击实曲线上升趋势阶段，随含水率的增大，尾渣的黏聚力及有效黏聚力逐渐减小，内摩擦角及有效内摩擦角逐渐增大。