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細(xì)粒含量對(duì)飽和鎢鉬尾砂剪切變形及穩(wěn)態(tài)特性影響的試驗(yàn)研究

2017-03-14 02:40楊建永朱仁玉吳建奇
中國(guó)鎢業(yè) 2017年6期
關(guān)鍵詞:孔壓尾砂細(xì)粒

楊建永,朱仁玉,吳建奇,李 鈞

(1.江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 贛州 341000)

0 引言

隨著我國(guó)選礦工藝水平和回收率的提高,使得進(jìn)入尾礦庫(kù)內(nèi)的尾砂粒徑越來(lái)越細(xì)[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和巖土工程界針對(duì)細(xì)粒含量對(duì)粉砂或砂質(zhì)粉土的抗液化特性的影響這一問(wèn)題已經(jīng)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響,隨后Lee等[3]人相繼提出了黏粒和粉粒含量對(duì)土體抗液化強(qiáng)度的影響。Dezfulian等人則認(rèn)為隨著粉粒含量的增加粉砂的抗液化強(qiáng)度在提高[4-6]。相反,Shen等[7-11]人卻認(rèn)為隨著細(xì)粒含量的增加粉砂的抗液化勢(shì)在降低。劉雪珠等[12]對(duì)3種黏粒含量(5%,10%和15%)的南京粉細(xì)砂進(jìn)行了液化試驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明黏粒含量對(duì)南京粉細(xì)砂的抗液化強(qiáng)度影響很大。衡朝陽(yáng)等[13]對(duì)含黏粒砂土抗液化性能的試驗(yàn)研究表明,黏粒礦物成分和含量的不同均會(huì)引起砂土動(dòng)力穩(wěn)定性的變化。皮清珠[14]以室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)、物理性質(zhì)試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和顆粒流數(shù)值試驗(yàn)為手段研究了不同細(xì)粒含量、不同圍壓對(duì)尾粉砂力學(xué)特性的影響,結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起尾粉砂的強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測(cè)模型,并對(duì)該模型進(jìn)行工程應(yīng)用和討論。潘建平等[15]通過(guò)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn),對(duì)飽和尾砂的剪切強(qiáng)度特性和顆粒破碎特性進(jìn)行研究,討論了試驗(yàn)中尾砂在不同細(xì)粒含量和圍壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、孔隙水壓力特性、應(yīng)力路徑和顆粒破碎程度。

鎢鉬尾砂作為一種特殊尾砂,普遍存在于贛南地區(qū),關(guān)于細(xì)粒含量對(duì)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度的影響研究目前主要還集中在一般砂類土,對(duì)尾礦材料的研究相對(duì)較少,專門針對(duì)鎢鉬尾粉砂的研究就更少。且由于鎢鉬尾粉砂自身所具有的復(fù)雜性和不確定性,使得目前在細(xì)粒含量對(duì)其穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度影響的研究方面仍缺乏系統(tǒng)和深入的認(rèn)識(shí)。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度是判斷鎢鉬尾粉砂液化后穩(wěn)定性的重要參數(shù),而細(xì)粒含量是影響鎢鉬尾粉砂液化的眾多關(guān)鍵因素之一。因此,開(kāi)展細(xì)粒含量對(duì)鎢鉬尾粉砂剪切變形及穩(wěn)態(tài)特性影響研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)土樣及方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)的尾砂取自江西某尾礦庫(kù)壩體部位,土樣取回后放置在105℃烘箱中恒溫烘6 h左右,取出尾砂待其冷卻后進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)。粒徑小于0.075mm 的稱為細(xì)粒部分(Fine Content,簡(jiǎn)稱“FC”),粒徑0.075mm以上的稱為粗粒部分。將各粒徑的尾砂分別用保鮮袋裝好密封,為制備試樣做準(zhǔn)備。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的儀器為英國(guó)歐美大地公司研發(fā)的GDS全自動(dòng)三軸儀,采用應(yīng)變控制加載方式。為了研究不同細(xì)粒含量下飽和鎢鉬尾砂的剪切變形及穩(wěn)態(tài)特性,試樣干密度選定為1.42 g/cm3,試驗(yàn)配置4組不同細(xì)粒含量的尾砂試樣,不同細(xì)粒含量下各粒徑的尾砂質(zhì)量如表1所示。

表1 不同細(xì)粒含量下各粒徑范圍的尾砂質(zhì)量Tab.1 Tailings mass of each particle size range under different fines contents

經(jīng)過(guò)室內(nèi)一系列鎢鉬尾砂的物理力學(xué)性能試驗(yàn),得出不同細(xì)粒含量下的鎢鉬尾砂顆粒級(jí)配曲線和物理性質(zhì)指標(biāo)分別如圖1和表2所示。

試驗(yàn)方法采用等向固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),采用濕法制備試樣,試樣含水率為15%,直徑為50mm,高100mm,分三層擊實(shí)。試樣采用二氧化碳飽和、水頭飽和與反壓飽和聯(lián)合進(jìn)行試驗(yàn)。飽和完成后進(jìn)行B值檢測(cè),試樣飽和度均能達(dá)到98%以上。飽和結(jié)束后分別在有效固結(jié)圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa下固結(jié),固結(jié)完成后進(jìn)行剪切試驗(yàn),剪切速率取0.5mm/min。試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯匡柡臀采霸诓慌潘畻l件下穩(wěn)態(tài)變形特性。因此,試驗(yàn)過(guò)程中需要不斷增加軸向應(yīng)力,直到試樣發(fā)生剪切破壞。在偏應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度之后,要繼續(xù)進(jìn)行剪切,直至軸向應(yīng)變達(dá)到25%。

圖1 不同細(xì)粒含量下鎢鉬尾砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of tailings sample under different finesfines content

表2 不同細(xì)粒含量下尾砂的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Physical properties of tailings under different fines

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)可以得到不同細(xì)粒含量下飽和鎢鉬尾砂在不同有效固結(jié)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和孔壓-軸向應(yīng)變曲線。典型的不排水剪切試驗(yàn)曲線如圖2~圖7所示。

圖2 有效圍壓為100 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves under Confined pressure of 100 kPa

圖3 有效圍壓為100 kPa的孔壓-應(yīng)變曲線Fig.3 Pore pressure-strain curves under confined pressure of100 kPa

圖4 有效圍壓為200 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves under confined pressure of 200 kPa

圖5 有效圍壓為200 kPa的孔壓-應(yīng)變曲線Fig.5 Pore pressure-strain curves under confined pressure of200 kPa

圖6 有效圍壓為300 kPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves under confined pressure of300 kPa

圖7 有效圍壓為300 kPa的孔壓-應(yīng)變曲線Fig.7 Pore pressure-strain curves under confined pressure of300 kPa

2.1 不同細(xì)粒含量的鎢鉬尾砂剪切變形特性分析

飽和鎢鉬尾砂在進(jìn)行三軸剪切時(shí),其破壞模式與尾礦材料顆粒粗細(xì)有關(guān),一般情況下有劈裂和鼓脹兩種破壞模式。大多數(shù)粗顆粒尾礦材料的剪切破壞面與水平面大約呈45°-φ/2;但是細(xì)粒尾礦材料在一般情況下是無(wú)明顯的剪切破壞面,試樣通常呈鼓狀破壞。由于試驗(yàn)中的試樣粒徑主要集中在0.075~0.15mm及0.075mm以下范圍內(nèi),當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí),尾砂試樣呈鼓狀破壞。

女,出生于1978年。中國(guó)少數(shù)民族藝術(shù)博士,云南大學(xué)文化發(fā)展研究院教師。長(zhǎng)期致力于地方文化、民族文化、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承保護(hù)研究。著有《佛在云南——從西雙版納到香格里拉的佛教之旅》《指尖上的故事——云南民族民間工藝大師訪談錄》等專著,在《中華遺產(chǎn)》《人與自然》等雜志發(fā)表文論多篇。

圖2、圖4、圖6分別為不同細(xì)粒含量的鎢鉬尾砂在同一固結(jié)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線??梢杂^察到,應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為三種類型:應(yīng)變硬化型、應(yīng)變穩(wěn)定型、應(yīng)變軟化型。應(yīng)變硬化型曲線分為兩階段:第一階段隨著軸向應(yīng)變的增加,偏應(yīng)力緩慢增大,偏應(yīng)力的增幅隨應(yīng)變的增加而不斷減小;第二階段隨軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大,偏應(yīng)力趨近于某一最大值,但是不會(huì)出現(xiàn)峰值應(yīng)力。應(yīng)變穩(wěn)定型曲線也分為兩個(gè)階段:第一階段隨著軸向應(yīng)變的增大,偏應(yīng)力緩慢增加到最大值,隨后偏應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而大致保持不變。應(yīng)變軟化型大致可以分為以下三個(gè)階段:第一階段偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加先達(dá)到峰值應(yīng)力點(diǎn),在達(dá)到峰值應(yīng)力點(diǎn)之前,偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增加而增大,但偏應(yīng)力增幅隨軸向應(yīng)變的增加而減?。坏诙A段偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大而減小,偏應(yīng)力從峰值強(qiáng)度減小到殘余強(qiáng)度;第三階段偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的繼續(xù)增加而大致保持不變,稱之為偏應(yīng)力的持續(xù)階段。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn),在有效固結(jié)圍壓為100 kPa下,細(xì)粒含量從15%增大到22%,鎢鉬尾砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從應(yīng)變硬化型過(guò)渡到應(yīng)變穩(wěn)定性。對(duì)比分析圖2、圖4、圖6,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)粒含量為22%時(shí),不同有效固結(jié)圍壓下飽和鎢鉬尾砂試樣變形都為應(yīng)變穩(wěn)定性,隨著細(xì)粒含量的繼續(xù)增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線都變?yōu)閼?yīng)變軟化型,應(yīng)變軟化型試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都隨著細(xì)粒含量的增加而顯著降低。引起應(yīng)變軟化可能的原因是由于試樣中細(xì)顆粒部分過(guò)多,使得細(xì)顆粒部分除了分布在粗顆粒的間隙之中,還廣泛存在于粗顆粒與粗顆粒之間的接觸面上,由于接觸面上的細(xì)顆粒有“滾珠”作用,進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型;故只有當(dāng)細(xì)顆粒含量適中,細(xì)顆粒能充分填充粗顆粒的空隙,粗顆粒之間充分接觸,應(yīng)力-應(yīng)變曲線才能表現(xiàn)為應(yīng)變穩(wěn)定型。

圖3、圖5、圖7分別為不同細(xì)粒含量的鎢鉬尾砂在同一固結(jié)圍壓下的孔壓-應(yīng)變曲線??梢杂^察到,在相同的有效固結(jié)圍壓下,隨著細(xì)粒含量的增加,孔隙水壓力也在增加。應(yīng)變硬化型試樣孔壓增長(zhǎng)曲線表現(xiàn)為:隨著軸向應(yīng)變的增加,孔壓先增加到最大值,隨后孔壓有微弱的減小。應(yīng)變穩(wěn)定型試樣孔壓增長(zhǎng)曲線表現(xiàn)為:孔壓在低應(yīng)變下先上升到最大值,隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大孔壓保持穩(wěn)定。應(yīng)變軟化型試樣孔壓增長(zhǎng)曲線表現(xiàn)為:孔壓隨軸向應(yīng)變的增加而緩慢增大,增幅隨著軸向應(yīng)變的增加而逐漸減小,在應(yīng)變達(dá)到20%左右,孔壓保持穩(wěn)定。選取應(yīng)變?yōu)?0%對(duì)應(yīng)的孔壓值為穩(wěn)定值,不同細(xì)粒含量的鎢鉬尾砂試樣在孔壓達(dá)到穩(wěn)定其值有很大差異。這是因?yàn)榧?xì)顆粒改變了試樣的初始孔隙比,細(xì)粒含量越多,相同干密度的試樣初始孔隙比越小,導(dǎo)致試樣的滲透性差,在剪切過(guò)程中孔壓累積大,利用Origin9.1制圖軟件擬合在不同圍壓下孔壓穩(wěn)定值與細(xì)粒含量的關(guān)系曲線:式(1)、(2)、(3)分別為當(dāng)有效圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa時(shí)孔壓穩(wěn)定值與細(xì)粒含量的線性擬合關(guān)系曲線。

式中:u為穩(wěn)態(tài)時(shí)孔隙水壓力,kPa;ω為試樣中細(xì)粒部分(<0.075mm)所占百分比,%。

2.2 不同細(xì)粒含量的飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)特性分析

穩(wěn)態(tài)變形是指試樣顆粒之間的最初膠結(jié)狀態(tài)在剪應(yīng)力作用下遭到破壞,顆粒之間的重組在統(tǒng)計(jì)學(xué)上已形成新的定向排列。分析試驗(yàn)結(jié)果可知,不同細(xì)粒含量下的飽和鎢鉬尾砂在不同圍壓下進(jìn)行剪切,當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到20%,偏應(yīng)力保持穩(wěn)定,孔隙水壓力也保持穩(wěn)定。故認(rèn)為當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí),試樣已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

有研究表明[14],穩(wěn)態(tài)時(shí)的孔隙比對(duì)土體的性能起著關(guān)鍵的作用,穩(wěn)態(tài)時(shí)孔隙比與達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的平均有效應(yīng)力pss'[(σ1'+2σ3')/3]、剪應(yīng)力qss(σ1'-σ3')之間均可建立相應(yīng)的關(guān)系曲線,即穩(wěn)態(tài)線。圖8為不同細(xì)粒含量下飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)線,穩(wěn)態(tài)線把不同有效應(yīng)力作用下的飽和鎢鉬尾砂分為兩個(gè)區(qū)域,分別代表土體潛在流動(dòng)液化區(qū)和無(wú)流動(dòng)液化區(qū)。利用Origin軟件,對(duì)圖8中的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)進(jìn)行擬合,得到4種不同細(xì)粒含量下的ess-qss穩(wěn)態(tài)線,分別如式(4)~式(7)所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)時(shí)ess-qss的關(guān)系曲線Fig.8 Correlative curves of ess-qss during steady state

飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)線作為潛在流動(dòng)液化區(qū)和無(wú)流動(dòng)液化區(qū)的分界線,可以用來(lái)分析尾礦壩是否會(huì)發(fā)生流滑破壞。對(duì)比分析FC15%和FC22%的穩(wěn)態(tài)線,其位置明顯不同,說(shuō)明細(xì)粒含量的改變對(duì)穩(wěn)態(tài)線影響顯著。根據(jù)線性擬合結(jié)果可知,隨著細(xì)粒含量的增加,穩(wěn)態(tài)線在逐漸下移,細(xì)粒含量為15%時(shí),試樣中粗顆粒最多,穩(wěn)態(tài)線斜率最大,在同等外力作用下最難發(fā)生液化。當(dāng)細(xì)粒含量為45%時(shí),穩(wěn)態(tài)線斜率最小,在同等外力作用下,最易發(fā)生液化。細(xì)粒含量的改變雖然使試樣顆粒級(jí)配發(fā)生了變化,但是各穩(wěn)態(tài)線的變化范圍仍然很窄:ess-qss空間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)線線性擬合的截距在0.9左右變化,當(dāng)細(xì)粒含量在低于30%時(shí)斜率在0.000 6左右變動(dòng),當(dāng)細(xì)粒含量高于30%時(shí)斜率則在0.000 8左右波動(dòng)。根據(jù)前人研究表明,對(duì)于無(wú)黏聚力的砂性土體,其顆粒越細(xì),越容易發(fā)生液化,試驗(yàn)結(jié)果與之相吻合。

圖9為不同細(xì)粒含量下的飽和鎢鉬尾砂在不同圍壓下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的pss'-qss關(guān)系曲線。對(duì)圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)利用Origin進(jìn)行擬合,得到不同細(xì)粒含量下pss'-qss關(guān)系曲線表達(dá)式如式(8)~式(11)所示。

圖9 穩(wěn)態(tài)時(shí)pss'-qss的關(guān)系曲線Fig.9 Correlative curves of pss'-qss during steady state

根據(jù)擬合結(jié)果可知到,不同細(xì)粒含量下的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度線斜率相近卻各有差異,隨著細(xì)粒含量的增加,pss'-qss關(guān)系曲線斜率在減小,當(dāng)細(xì)粒含量為15%時(shí),曲線斜率最大,強(qiáng)度最高。當(dāng)細(xì)粒含量增加到45%時(shí),曲線斜率最小,在同等圍壓下強(qiáng)度最低。

穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角作為土體變形最終可動(dòng)用的有效內(nèi)摩擦角,其大小關(guān)系到土體在外力作用下是否發(fā)生流滑失穩(wěn)破壞。不同細(xì)粒含量下的飽和鎢鉬尾礦的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角可根據(jù)摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則根據(jù)式(12)求得:

式中:φcri為穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角,(°);k為不同細(xì)粒含量下試樣的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度線斜率。

利用式(12)分別計(jì)算出不同細(xì)粒含量下飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3中可以得出,隨著細(xì)粒含量的增加,飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角在逐漸減小,15%細(xì)粒含量下鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角最大為30.62°,45%細(xì)粒含量下鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角最小為27.85°,說(shuō)明飽和鎢鉬尾砂的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角與顆粒的平均粒徑呈正相關(guān)。

表3 不同細(xì)粒含量下的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角Tab.3 Steady-state internal friction angle under different fine particle contents

3 結(jié)論

(1)不同細(xì)粒含量的飽和鎢鉬尾砂在同一固結(jié)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為三類:應(yīng)變硬化型、應(yīng)變穩(wěn)定型、應(yīng)變軟化型。細(xì)粒含量從15%增大到22%的過(guò)程中,鎢鉬尾砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從應(yīng)變硬化型過(guò)渡到應(yīng)變穩(wěn)定性。當(dāng)細(xì)粒含量高于30%時(shí),不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都變現(xiàn)為應(yīng)變軟化型。

(2)在相同的有效固結(jié)圍壓下,孔隙水壓力隨細(xì)粒含量的增加而增加。應(yīng)變硬化型試樣孔壓增長(zhǎng)曲線表現(xiàn)為:隨著軸向應(yīng)變的增加,孔壓先增加到最大值,隨后孔壓有微弱的減小。應(yīng)變穩(wěn)定型試樣孔壓增長(zhǎng)曲線表現(xiàn)為:孔壓在低應(yīng)變下先上升到最大值,隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大孔壓保持穩(wěn)定。應(yīng)變軟化型試樣孔壓增長(zhǎng)曲線表現(xiàn)為:隨軸向應(yīng)變的增加孔壓緩慢增大,孔壓增幅隨應(yīng)變的增加而逐漸減小,在應(yīng)變達(dá)到20%左右,孔壓保持穩(wěn)定。

(3)細(xì)粒含量的改變對(duì)飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)線影響顯著,隨著細(xì)粒含量的增加,飽和鎢鉬尾砂穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角在逐漸減小,穩(wěn)態(tài)線逐漸向下平移,無(wú)液化流動(dòng)區(qū)面積在不斷減小,即在受到同一荷載作用下,越易發(fā)生液化流滑破壞。因此,企業(yè)在尾礦筑壩過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制細(xì)粒含量,做好壩體安全監(jiān)測(cè)和液化勢(shì)評(píng)估工作。

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