饱和尾矿稳态特性研究

潘建平 刘湘平 王宇鸽 石满生 彭 勃

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000; 2.江西铜业集团公司，江西 贵溪 335400)

饱和尾矿稳态特性研究

潘建平1刘湘平1王宇鸽1石满生2彭 勃1

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000; 2.江西铜业集团公司，江西 贵溪 335400)

饱和尾矿的稳态强度和变形特性是尾矿坝能否发生流滑破坏的关键因素，通过试验充分了解尾矿的稳态特性是尾矿坝稳定性评价的重要内容。以江西九江某尾矿坝体的尾矿为对象，进行三轴固结不排水剪切试验，研究饱和尾矿的稳态特性。结果表明：饱和松散尾矿的三轴固结不排水剪切曲线具有明显的软化特性，曲线软化程度随围压的增大而减小，同一围压下孔隙比越小软化现象越不明显。根据试验结果建立尾矿的稳态线，论证了稳态是尾矿的固有属性，即稳态线具有唯一性。指出稳态内摩擦角是尾矿变形最终可动用的有效内摩擦角，并求出尾矿稳态内摩擦角。

尾矿 三轴试验 稳态强度 稳态线 稳态内摩擦角

尾矿是将原矿经过破碎与磨矿作业，选取有用组分后所排放的矿山固体废弃物。目前，除少数尾矿得到利用外，大部分尾矿只能筑坝堆存。而国内近90%以上的尾矿坝，都采用工艺简单、管理方便、运营费用低的上游法筑坝[1]。坝体密实度较低，浸润线偏高，导致大部分坝体处于饱和状态，在静、动荷载作用下易发生液化或流滑。饱和尾矿流动破坏，具有突发性、危害性大的特点。大多数研究者试图从找出触发液化的条件入手，进而避免尾矿液化的发生[2-3]。然而，由于尾矿液化的触发受边界条件等因素的影响很大，室内研究很难将各个影响因子考虑全面；另一方面，尾矿的稳态特性与边界条件无关，主要取决于尾矿的固有特性及其密度[4]。因此，对饱和尾矿的稳态特性进行研究，比进行液化判断对规避坝体液化流滑破坏更具有实际意义。

砂土的流滑失稳已引起人们广泛关注，对此问题较为一致的认识是土体应变软化导致了后续的渐进性破坏[5]。自Castro、Poulos等人将稳态理论用于砂土液化评价后[6-9]，有学者针对砂土和黄土的稳态特性进行一些研究。如余湘娟、魏松等人对砂土的稳态强度做了相关实验研究，指出饱和松砂应变软化是地震后土层中液化范围扩大，并发生渐进破坏的根本原因[10-11]。杨振茂、周永习等分析了饱和黄土的稳态强度与液化特性，并对比了黄土与砂土稳态特性的异同[12-13]。刘红军等通过三轴试验，对黄河三角洲粉质土稳态强度进行了研究，定量分析了粉质土中的黏粒含量对稳态强度线的影响[14]。朱建群等以南京砂的固结不排水试验为基础，对其稳态特征进行了研究，建立了南京砂峰值强度和残余强度的关系，认为微小孔隙比变化可导致南京砂软化程度的较大变化[5]。

尾矿是一种特殊的砂土，其物理力学性质的研究还未形成一套系统的理论，在坝体安全评价中，仍使用普通砂土的研究成果[15]。饱和尾矿的稳态特性是尾矿坝是否发生流滑破坏的关键因素，而针对尾矿的稳态特性研究很少。本研究通过对某尾矿坝取样进行室内三轴固结不排水剪切试验，研究其稳态特性，为尾矿坝工程进行安全评价提供支持。

1 试样及试验方案

1.1 尾矿试样

试验所用尾矿取自江西九江某铜矿尾矿坝体；物理性质指标及颗粒大小分析曲线分别见图1和表1。可见试样级配不良，粒径较粗，从矿山尾矿库管理人员处得知，坝体部分尾矿是经过二次选矿后进行堆存的。

表1 尾矿样的物理性质指标Table 1 Physical properties of tailings sample

图1 尾矿样颗粒大小分析曲线Fig.1 Grain size distribution curve of tailings sample

1.2 试验仪器

试验采用浙江土工生产的STSZ-ZD型全自动应变控制三轴仪，电机控制剪切速率，配套计算机辅助系统自动采集试验数据。

1.3 制样与饱和

湿击样法可以得到较大范围孔隙比的试样，因此本试验所制样均采用湿击样法，含水率为5%[16]。试样直径D=3.91 cm，高h=8 cm，分3层击实，试验方案见表2。

表2 试验方案Table 2 Arrangement of test

试样饱和采用先通二氧化碳再水头饱和的方法进行。二氧化碳饱和时气流速度宜慢不宜快，防止过快气流对试样密实度造成影响，据实际操作经验，2 s左右冒1个气泡为好。水头饱和过程中，规范要求施加20 kPa围压避免水头差对试样造成膨胀影响，但据实际试验过程来看，20 kPa围压对试样有挤压效果，致使水头饱和后饱和度达不到要求，故建议15 kPa左右围压为好[17]。试样经上述方法饱和后，饱和度均能达到95%以上。

1.4 试验方案

试验方法采用固结不排水剪切试验(CU)。饱和完成后的试样，分别在100、200、300 kPa的围压下进行固结，固结完成后进入剪切阶段。不排水剪切的速率按规程中的砂土取值，此处取0.8 mm/min。由于本试验的目的是研究尾矿的稳态特性，因而需要测定饱和松散尾矿在大应变下的残余强度。故在剪应力达到峰值之后，还要继续进行剪切，直至轴向应变达到20%左右，以便出现软化现象，观察到明显的稳态点。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变-孔压关系

以ρd=1.30 g/cm3试样为例，图2、图3分别为试样在不同围压下的应力-应变及孔隙水压力增长曲线。可以看出，在剪切初期，随着轴向应变不断增大，剪切应力及孔隙水压均持续增长。剪应力达到峰值后，孔隙水压力继续上升，根据有效应力原理，土体强度开始下降，此时轴向应变增长很快。在剪切应变达20%左右以后，达到密度、法向有效应力、孔隙水压和剪应力不变的情况下产生持续等速剪应变的运动状态，即所谓的稳态；此状态时，饱和尾矿原有结构已经完全破坏，形成新的流动结构。试验结果表明，饱和松散尾矿的固结不排水曲线具有明显的软化特性。而且随着围压的增大，剪切曲线软化程度逐渐降低，稳态点则随之上升，这也进一步证实了高尾矿坝体深部不易发生液化破坏。

图2 不同围压下试样(ρd=1.30)应力-应变曲线Fig.2 The stress-stain curve (ρd=1.30)▲—围压100 kPa;●—围压200 kPa;■—围压300 kPa

图3 不同围压下试样(ρd=1.30)孔隙水压力增长曲线Fig.3 The pore water pressure curve (ρd=1.30)▲—围压100 kPa;●—围压200 kPa;■—围压300 kPa

图4、图5分别为不同初始孔隙比的试样在同一围压(200 kPa)下的应力-应变及孔隙水压力增长曲线。孔隙比大的试样，剪切时发生剪缩，属应变软化型。砂土密实度是无黏性土的重要结构特征，也是砂土液化重要影响因素之一[18]。因孔隙比是反应材料密实程度的重要指标，故孔隙比越大，试样越疏松，剪切强度则越低。从孔隙水压力发展曲线来看，达到稳定时的孔隙水压力随孔隙比的增大而增大，这是因为试样愈疏松则在同一围压下挤压效果愈明显，故稳定时的孔隙水压力也逐渐增大。

图4 不同孔隙比下应力-应变曲线(σ3=200 kPa)Fig.4 The stress-stain curve (σ3=200 kPa)▲—孔隙比1.2;●—孔隙比1.1;■—孔隙比1.0

图5 不同孔隙比下孔隙水压力增长曲线(σ3=200 kPa)Fig.5 The pore water pressure curve (σ3=200 kPa)▲—孔隙比1.2;●—孔隙比1.1;■—孔隙比1.0

2.2 稳态线的求解

据已有研究得知，稳态时孔隙比对土体的性能起关键作用，固定孔隙比对应着固定有效平均应力[13]。稳态时平均有效应力

(1)

剪应力

(2)

图6 饱和尾矿稳态线Fig.6 Steady state lines of saturated tailings

如图6所示，在算术坐标上，尾矿稳态线是一条直线，与黄土、南京砂的稳态线相类似[5,13]。直线坡度较陡，这主要是因为该尾矿具有角状的颗粒含量较多。利用Origin进行数值拟合的关系式分别为

(3)

(4)

稳态线是一分界线，将不同有效应力作用下的饱和尾矿分成2个区域，即潜在液化流动区与无液化流动区。由于只有松砂才可能发生孔压升高和流动滑移破坏，紧密砂只可能发生循环变形或循环软化，而不可能发生流动滑移破坏，因而通常认为当砂土处于稳态线上方受到剪切时土体呈现剪缩性，才可能发生流滑破坏。而线以下区域则为具有剪胀性的土体，液化时不会触发流滑。

稳态强度是指土体在稳态变形状态下可以动用的强度，其大小决定了土体在静、动荷载作用下的稳定性和永久变形，是验算震后土体是否发生渐进破坏的重要特性参数[10-11]。当驱动剪应力小于稳态强度时，尾矿只能产生有限的变形，而不能产生失稳流动破坏，只有驱动剪应力大于稳态强度时，才有可能产生失稳流动破坏。

2.3 稳态的固有性及描述稳态的参数

对于均质尾矿，稳态线是唯一不受土的结构、初始密度和压力影响的参考线，是土体的内在固有属性，剪切过程中是否排水对其没有影响，因此可以用土体共有的某种参数结合各自的初始条件来描述其稳态特性[13,16]。笔者拟从施加外荷载(不同围压)的角度出发，以验证尾矿稳态的固有性。

(5)

图7 尾矿稳态时与间的关系Fig.7 Relation between the deviatoric stress and the mean effective stress for tailings in steady state 实线—围压100 kPa;虚线—围压200 kPa

描述稳态的参数可以采用稳态内摩擦角，即当土体发生稳态变形时，土体内原有颗粒结构遭到彻底破坏，颗粒之间产生新的重组结构[10-13]。所以稳态内摩擦角是土体变形最终可动用的有效内摩擦角，这也是稳态内摩擦角的物理含义。

根据Mohr-Coulomb准则，尾矿稳态时的内摩擦角可通过下式反算得到[5,11]：

(6)

根据式(4)中的Ks，计算得到φss=36.35°(σ3=100 kPa)，φss=36.80°(σ3=200 kPa)，对于同一尾矿只有1个内摩擦角，取平均值φss=36.575°。

3 结 论

(1)饱和松散尾矿的三轴固结不排水剪切曲线具有明显的软化特性，试样在轴向应变增长到20%左右达到稳态。

(2)随着试验围压的增大，剪切曲线软化程度逐渐降低，尾矿稳态点则随之上升。在同一围压下，孔隙比愈大软化现象愈明显，达到稳定时的孔隙水压力也愈高。

(3)稳态是尾矿的固有属性，与外界条件无关。在算术坐标上，尾矿的稳态线是一条直线，这与南京砂、黄土的稳态线类似。

(4)稳态内摩擦角是尾矿变形最终可动用的有效内摩擦角，试验分析得该尾矿的有效内摩擦角为φss=36.575°。建立稳态线可以用来研究尾矿坝的液化流滑机理，当驱动剪应力大于稳态强度时，有可能发生流滑破坏。

(5)饱和尾矿的峰值强度在相同初始孔隙比条件下是随着初始围压的增大而提高的，而稳态特性是砂土的固有属性。因此，用稳态强度来进行稳定性分析更具合理性。

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(责任编辑 徐志宏)

Study on Steady-state Properties of Saturated Tailings

Pan Jianping1Liu Xiangping1Wang Yuge1Shi Mansheng2Peng Bo1

(1.SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China; 2.JiangxiCopperCorporation,Guixi335400,China)

The steady-state strength and deformation characteristics of saturated tailings play a major role in flow slide of tailings dams.Through the tests，it is fully understood that the steady-state properties of tailings is an important content for dam stability evaluation.Taking a tailing dam of Jiujiang in Jiangxi as the research object，the steady-state properties of saturated tailings were studied by CU test.The results showed that triaxial shear curve of saturated loose tailings has obviously softening characteristic，and softening degree of curve decreases with increasing of confining pressure.Under the same confining pressure，the less the pore is，the more the softening phenomenon is not obvious.The steady line of tailings is established according to the test results，and it is proved that steady-state is inherent property of tailings，namely the steady state line is unique.The steady-state internal friction angle is the effective internal friction angle that tailings deformation ultimately can utilize，and then the value of internal friction angle is calculated.

Tailings，Triaxial tests，Steady-state properties，Steady-state line，Steady-state internal friction angle

2013-11-04

国家自然科学基金项目(编号：51204076)，江西省自然科学基金项目(编号：20114BAB216011)，江西省教育厅科学基金项目(编号：GJJ12340)。

潘建平(1978—)，男，博士，副教授。

X833

A

1001-1250(2014)-01-145-05