不同应力条件下饱和尾粉砂的静力学特性

黄勃翔 刘俊新 樊晓一 张友谊 王光进 韩培峰

摘要：为了得到饱和尾粉砂在高应力条件下的静力学特性，通过不排水静三轴试验分析了饱和尾粉砂在不同围压下的应力-应变规律、孔压-应变曲线的增长规律以及应力路径。结果表明：在低应力条件下孔压增长相对缓慢且土颗粒间的相对作用力较小，剪胀现象明显；当围压升高后土体被逐渐压密则表现出了应力增量引起的应变增量越来越小的现象；当围压到达一定值后表现出类似于脆性材料的破坏形式；随着围压的升高土样孔隙水压力逐渐增大；破坏时的偏主应力随着围压的增大先增大后减小；高围压和低围压的应力路径破坏线斜率相反。

关键词：尾矿库 三轴试验 饱和尾粉砂 应力路径

中图分类号：TU441；TV649文献标志码：A文章编号：1671-8755（2023）03-0070-05

Statics Characteristics of Saturated Tailings under

Different Stress Conditions

HUANG Boxiang1， LIU Junxin1， FAN Xiaoyi2， ZHANG Youyi1，

WANG Guangjin3， HAN Peifeng1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology，

Mianyang 621010， Sichuan， China; 2. School of Civil Engineering and Geomatics， Southwest

Petroleum University， Chengdu 610500， Sichuan， China;  3. School of Land and Resources

Engineering， Kunming University of Technology， Kunming 650093， Yunnan， China）

Abstract：  In order to obtain the statics characteristics of saturated tailings silt under high stress conditions， the stress-strain law， pore pressure-strain curve growth law and stress path of saturated tailings silt under different confining pressures were analyzed through undrained static triaxial tests. The results indicate that under low stress conditions， the increase of pore pressure is relatively slow and the interaction force between soil particles is relatively small， and the phenomenon of shear dilation is obvious. When the confining pressure increases， the soil is gradually compacted， and the strain increment caused by stress increment becomes smaller and smaller. When the confining pressure reaches a certain value， it exhibits a failure form similar to that of brittle materials. As the confining pressure increases， the pore water pressure of the soil sample gradually increases. The partial principal stress during failure first increases and then decreases with the increase of confining pressure. The slope of the stress path failure line is opposite for high and low confining pressures.

Keywords：  Tailings pond; Triaxial test; Saturated tail silt; Stress path

尾礦是选矿后的产物，随着选矿的不断进行，尾矿大部分得不到妥善处理而被堆积在尾矿库中且日益增多，高堆尾矿坝涉及安全与环境等一系列问题［1-2］。李全明等［3］归纳了国内外对尾矿坝沉积特征和演化规律的研究，从坝体的沉积结构、尾矿本身的物理力学特性以及坝体的安全稳定性评价对尾矿的研究现状进行了总结，揭示了尾矿坝存在一定的安全隐患，如溃坝、渗漏等风险。当坝体高度增加时其尾矿材料所受的应力作用也会相应增大。

随着选矿手段的不断提升，尾粉砂成为尾矿的主要部分。从材料组成上来说，尾粉砂与传统的砂土材料有些许不同，含有一些重金属物质，并且由于尾矿坝排水系统不完善，尾粉砂通常处于饱和状态。许成顺等［4］通过一系列不同初始密度、不同固结压力条件下的不排水扭剪试验研究了砂土的剪胀压缩特性及其对抗剪强度的影响。尾矿坝通常采用压实填筑，与原状土相比，其密实强度提高，压缩性和透水性降低，加之场地排水条件有限，因此尾矿坝中的土体长期处于饱和状态。Abdulrahman［5］通过对砂土本身的一些性质的研究，如：非相关流动性、渗透特性以及细粒含量，分析了饱和砂土的非稳定性，得出砂土的压缩指数随着细颗粒材料的增加而增大；万征等［6］研究了砂土的密实度对土体本身强度的影响以及变形规律，即松砂和密砂在相同的加载条件下分别表现出剪缩和剪胀现象。Zou等［7］提出了一种能用来描述不同密实度的砂土的剪缩、剪胀硬化和应变硬化、应变软化的模型，还提出在剪切作用的影响下砂土的密实度和平均应力决定了沙粒是受剪膨胀还是收缩。土体在不排水条件下，随着体积被压缩，土骨架间的有效应力传递到水里，从而使得孔隙水压力发生了变化，所以土体的变形特性与孔隙水压力的变化密切相关。Khalid等［8］从剪胀机理的角度解释了砂土的部分变形特性以及应力-应变规律对颗粒形态的响应。对于重塑土样，结构性差是其明显特点。王立忠等［9］在原邓肯-张模型基础上考虑土体结构性修正，得出当固结时的围压高于土的屈服应力时土体会呈现应变硬化。Thadeu 等［10］通过对土样进行不排水三轴试验，验证了土样的准稳定态，并得出剪切破坏过程中的4个阶段，并根据在不同土壤中的分布定义了该土的结构稳定性，有助于理解土样骨架的抗破坏能力。三轴仪还可以完成不同应力路径的试验。He 等［11］对3种不同土样进行各向异性加载，观察其在不同应力路径下的力学响应，得出了不同的土样在应力-应变规律和加载历史上都具有不同的响应；刘世奥等［12］进行了砂土的三轴试验，研究了其应力-应变在应力路径影响下的规律，并提出了一种能够用三轴仪分析应力路径对饱和砂土强度特性影响的试验方法。

由以上研究得知，对于土的静力学特性国内外已有大量研究，但对饱和尾粉砂的研究相对较少，并且大多数的研究都是在围压较低的条件下进行。本文通过对取自尾矿坝一定深度的饱和尾粉砂进行固结不排水三轴试验分析其静力学特性，为尾矿坝的安全管理提供参考。

1试验过程

1.1试样制备

此次试验严格遵循《土工试验规程》（GB/T 50123—2019）［13］，土样取自西南地区某尾矿库整体开挖至某一深度的尾粉矿，其基本物理性质指标如表1所示。为保证土样颗粒级配均匀，取粒径在0.250～0.075 mm之间与小于0.075 mm的土样按质量比4∶1的比例混合均匀，土样的颗粒级配曲线如图1所示。

1.2试验方法

试验采用SDT-100型动三轴试验机，对该尾粉砂进行不同应力条件下的不排水三轴试验，分析土样在不同围压下孔隙水压力的变化规律、应力-应变规律以及应力路径的特点。

试验具体步骤如下：为了研究高应力条件下饱和尾粉砂的静力学特性，本次实验设计的围压为0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4，2.7 MPa，分析在不同应力条件下尾粉砂的应力-应变特性。由于尾矿坝中的土体长期处于饱和状态，因此采用不排水三轴试验。

2试验结果分析

2.1围压变化下超静孔隙水压力的变化结果

超静孔隙水压力是由于土体的排水受限而产生的，可以用于体现土体有效应力的变化。图2为不同围压下孔压与应变的关系曲线。整体来看孔压随轴向应变的增大而增大，在围压小于1 MPa时（低应力条件下），孔压整体发展比较缓慢，当试样发生破坏时，孔隙水压力仍然远低于围压值，当围压大于1 MPa时（高应力条件下），孔隙水压力发展变得迅速，迅速接近围压后保持不变。究其原因，在饱和尾粉砂固结完成后，土颗粒间的孔隙被水完全封闭，轴向应变主要由无侧限的偏主应力引起，同时在高围压的作用下对土样有一个较高的侧向约束，土颗粒被压缩，孔隙水压力的增长在轴向剪切的作用下变得敏感，由此孔隙水压力的上升速度就会随着围压增大而增大。

超静孔隙水压力的大小取决于有效应力的大小。在对土样施加围压等向固结的过程中由于土骨架并没有产生轴向变形，即没有产生超静孔隙水压力，因此，图2中的孔压曲线从0开始增长。在剪切过程中，在低围压下施加的压力主要由土骨架和孔隙水承担，而在高应力作用下孔压逐渐增大，此时大部分的力都由孔隙水承担，结合图3和图4的应力-应变曲线可以发现，土体能承担的最大应力在1.0～1.2 MPa之间，围压增大后由孔隙水承担更多的力。在固结过程中高应力作用下土体压缩量很大，此时土体在受剪过程中产生的压缩变形很小，此时孔隙水压力对轴向的压缩变得敏感。从图2可以发现，在围压达到1.2 MPa后孔压的增长速率有明显上升，达到1.5 MPa后出现陡增现象。

在剪切过程中，土体的极限应变随着围压的增大而减小，这一规律与土体的应力-应变规律一致。但孔压-应变曲线中的极限应变要小于应力-应变曲线中的极限应变，这是由于孔压的检测具有滞后性造成的［14］。

2.2不同围压下饱和尾粉砂的应力-应变规律

对尾粉砂重塑样进行三轴固结不排水压缩试验，得到不同围压下样品的应力-应变曲线如图3和图4所示。在低应力（<1 MPa）情况下轴向应变破坏点εf随圍压增大逐渐增大（朝着坐标轴右侧移动），对应的峰值应力点的值越大。在线性阶段，随着轴向压力的增大，土样逐渐被压缩使得土颗粒间的相对滑动增加进入到塑性阶段，当偏应力达到一定阈值时试件破坏，而后随着轴向应变的增加，偏应力开始下降趋于一个稳定值。高应力（>1 MPa）情况下呈现相反的现象，轴向应变破坏点εf反而随着围压的增大而减小。这种现象可以解释为：在应力不高的情况下随着加载的进行，到达轴向应变破坏点εf后孔隙水压力上升到一定值砂土颗粒间发生相对滑动，发生剪胀现象。在高应力情况下孔压随着加载不断升高，但由于围压较高，对土体的约束较强，土样密实程度较高，土颗粒接触较为紧密，不易发生相对滑动，当加载到试样的轴向应变破坏点εf后，土骨架到达外力与孔隙水压力双重作用的临界值，突然发生破坏，宏观曲线表现出类似岩石的脆性破坏形式。破坏特征表现出突然性，也体现尾粉砂具有压硬性，相同应力增量引起的体应变增量越来越小。

从图4可以看出，围压在达到1.5 MPa后，土样在达到峰值应变后偏应力的下降速率逐渐增大，这与孔压-应变曲线吻合，且当围压超过1.5 MPa以后峰值偏应力明显降低，证明1.5MPa是该颗粒级配下的饱和尾粉砂的一个临界值，低于或高于这一值土体所能承受的应力都会降低。

根据应力-应变曲线还得出了极限应变与围压的关系如图5所示。从图5可以更直观看出土样破坏时的极限应变εf随围压增大逐渐减小，同时还可以得出不同围压下的极限应变εf约为1.41%～4.57%，当围压超过2.4 MPa后，εf减小趋势不明显。

综上分析得出：在围压较低的应力条件下，饱和尾粉砂在固结时的孔隙体积的压缩量较小，因此在剪切过程中土孔隙受到压缩会表现为峰值偏应力较低，随着围压升高到中等程度（1.5 MPa）时，大量的孔隙在固结时被压缩，因此会出现峰值偏应力和超静孔隙水压力增大的现象。但随着围压的进一步增大（1.5～2.7 MPa），孔隙水压力持续上升，峰值偏应力出现了减小的趋势，这是由于在高应力作用下对土样进行剪切时部分土颗粒发生了破碎，破碎后使得土体孔隙增大，颗粒间的相互作用力降低，即颗粒间黏性减弱，因此在高应力作用下出现了硬化现象［15-16］，同时颗粒破碎使得原本的土骨架的结构性降低，表现出峰值偏应力降低。从图6可以看出，低围压下土体剪胀破坏明显，而在高围压作用下土颗粒固结后被压缩得更紧密，同时所受的侧向约束更大，因此样品破坏后的侧向变形更小。

2.3不同应力条件下的应力路径变化规律

有效应力路径用来描述土体在外力作用下应力点的运动轨迹。土体作为弹塑性材料，它的变形和强度特性与开始和结束时的应力水平有关，应力历史也是重要的影响因素，故应力路径可以用来体现土样在荷载作用下的应力变化过程。

图7和图8为本次试验中不同围压下的有效应力路径曲线，图中采用的应力条件如式（1）-式（3）所示。

平均有效应力：

p=1/2（σ1′+σ3′）（1）

平均偏应力：

q=1/2（σ1′-σ3′）（2）

有效应力：

σ1′=σ1-u， σ3′=σ3-u（3）

式中：u为孔隙水压力；σ1为轴向压力；σ3为围压。

从图7和图8可以看出，无论是高应力作用还是低应力作用下的应力路径曲线在达到破坏点前均呈指数上升，变化规律接近线性，当达到破坏点时的应力状态时，土体发生破坏，之后的应力路径发生偏转并呈现出非线性。同时还可以看出，当围压达到一定的大小后，其有效应力路径也会随之改变。在低应力作用下随着σ3的增大，其破坏点也逐渐上升，各围压下的应力路径曲线形状也一样，而高应力作用下，其破坏点逐渐下降。不论是高应力还是低应力作用其破坏点都落在同一直线上，该直线就是破坏线（Kf线），高应力条件下试样破坏线的斜率与低应力作用下试样破坏线的斜率相反。同时，从图8中能更直观得出围压在超过1.5 MPa后破壞点逐渐下降，同样说明了该饱和尾粉砂在1.5 MPa的应力作用下能承受的峰值偏应力最高。

3结论

本文以固结不排水三轴试验分析了饱和尾粉砂在不同应力条件下的静力学特性，得到如下结论：（1）在低围压下土颗粒固结时的压缩度较低，剪切时孔隙被进一步压缩，宏观上呈现出低围压下孔压增长较缓慢；随着围压增大，土孔隙的压缩度增大，受剪时孔隙很难被进一步压缩，此时孔隙水压力出现陡增现象。（2）高应力条件下，当围压超过1.5 MPa后土样在受剪过程中表现出脆性破坏的特征，同时峰值偏应力会逐渐降低。（3）高围压和低围压的应力路径破坏线斜率相反，即：在较低应力条件下平均有效偏应力与平均有效主应力呈线性正相关关系，而在较高应力条件下呈线性负相关关系。

实际的尾矿处置工程中，环境影响因素极为复杂，涉及到多种类型的工况，本研究仅对颗粒粒径较细的饱和尾粉砂进行了不同应力作用下的静力学研究，关于其他复杂因素的影响有待进一步研究。

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