大孤山尾矿细砂力学性质试验研究_姜元美.pdf

收稿日期2019-10-09 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51574245） 。 作者简介姜元美 （1994） ， 男， 硕士研究生。通讯作者常来山 （1963） ， 男， 教授， 博士。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 大孤山尾矿细砂力学性质试验研究 姜元美 1 常来山 1 高越 1 王鑫瑀 21 （1. 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 河北钢铁集团矿业有限公司， 河北 唐山 063000） 摘要大孤山尾矿细砂的固结试验表明静止侧压力系数K0为0.23。应用三轴剪切渗透试验仪， 对大孤山尾 矿细砂进行了不同应力路径和固结度下的三轴压缩试验。通过3种不同主应力比下的固结不排水试验， 获得了主 应力比对尾矿细砂变形特性的影响。具体体现为在主应力比较小时， 试样易发生变形突变导致破坏； 不同的主应 力比所反映的抗剪强度区别较大。不同固结度下的固结不排水试验结果表明 应力差峰值随固结度的增加呈先增 加后减少的变化过程； 固结后内摩擦角变小， 但不同固结度的内摩擦角变化较小， 随着固结度的增加， 该尾矿细砂 的黏聚力逐渐降低， 这与细砂内孔隙水的含量减少有关。 关键词尾矿细砂三轴试验主应力比固结度 中图分类号TD926文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-062-04 DOI10.19614/ki.jsks.201912010 Experimental Study on Mechanics Properties of Fine Sand from Dagushan Tailings Jiang Yuanmei1Chang Laishan1Gao Yue1Wang Xinyu22 （1. School of Mining Engineering， University of Science and Technology LiaoNing， Anshan 114051， China； 2. HBIS Group Mining Company， Tangshan 063000， China） AbstractThe consolidation tests of fine sand from Dagushan tailings show that a static lateral pressure coefficient K0is 0.23. Triaxial compression tests of the above fine sand under different stress paths and consolidation degrees were carried out by using a triaxial shear permeability apparatus. The consolidation undrained tests with three different principal stress ratios were used to obtain the effect of principal stress ratio on deation and failure features of tailings fine sand. Specifically， when the principal stress ratio is small， the specimen is easy to make deation mutation leading to failure， dditionally， the shear strength reflected by different principal stress ratio is quite different. The consolidation undrained tests under different consolidation degree show that the peak stress difference increases firstly and then decreases with the increase of consolidation degree. After consolidation，the internal friction angle decreases，but the internal friction angle of different consolidation de- gree changes slightly. Moreover， with the increase of consolidation degree， the cohesion of tailings fine sand decreases gradu- ally， which is related to the decrease of pore water content in fine sand. KeywordsTailings， Fine sand， Triaxial test， Principal stress ratio， Consolidation degree 尾矿库分为尾矿库区和尾矿坝两部分， 尾矿坝 溃决等地质灾害会严重威胁矿山生产及人身安全， 尾矿坝的稳定性与坝体工程特性与尾矿力学特性密 切相关 ［1-2］。 国内外学者对尾矿砂力学特性方面进行了大量 研究， 主要包含静力和动力两方面的特性， 其中静力 特性的研究有 Jeda ［3］通过多种应力路径的三轴试验 揭示了砂土破坏包络线与应力路径密切相关的客观 事实； 王凤江等 ［4］研究了多种因素对尾矿砂内摩擦角 的影响； 王崇淦等 ［5］在试验的基础上总结得到了尾矿 砂内摩擦角与孔隙比的近似关系； 余君等 ［6］研究了某 尾矿库的尾矿料强度特性与其埋深的关系； 高越 ［7］研 究了固结度对尾矿细砂力学参数的影响。 动力特性的研究包括 Sankar ［8］证实了地震动同 样会造成尾矿砂的液化； Seid ［9］通过数值手段得到了 尾矿砂的应力应变曲线， 并对其动力响应进行了分 析； 陈存礼等 ［10］应用动三轴试验技术探讨了固结比对 饱和尾矿砂动强度的影响； 谭钦文等 ［11］通过动三轴试 Series No. 522 December2019 62 ChaoXing 验得到了不同颗粒级配条件下尾矿砂的液化特征。 针对大孤山尾矿库的尾矿细砂， 应用三轴不排 水剪试验技术研究探讨了尾矿砂固结度对其强度的 影响， 以及等主应力比应力路径下尾矿细砂的不排 水剪强度变化特征， 旨在为大孤山尾矿坝的稳定性 分析提供可靠的力学参数。 1试验设计 1. 1试验样品 试验所用尾矿砂取自大孤山尾矿库 （图1） ， 通过 砂土筛分试验， 获得了尾矿细砂试验样的粒径级配 分布 （表1） 以及对应的级配曲线 （见图2） 。 根据表1， 参照沙土的分类标准可判定该尾矿砂 属于细砂， 此外还可计算得到该尾矿砂的不均匀系 数为2.15 （＜5） ， 曲率系数为0.96 （＜1） ， 因此， 该尾矿细 砂粒径级配较差， 多数颗粒的粒径较为集中。 1. 2试验设备及方案 1. 2. 1试验设备 图3所示为三轴剪切渗透试验仪的实物及原理 示意图。该三轴仪主要由控制箱与机身2部分组成， 控制器可对试验过程中的应力应变、 孔压及围压、 体 变及反压力进行控制， 样品室包含2种尺寸规格， 分 别为φ61.8 mm125 mm和φ39.1 mm80 mm。该三 轴仪的围压最大为 2 MPa， 轴向荷载最大可达到 20 kN， 反压力最大能达到1 MPa。 1. 2. 2试验方案 对制备好的尾矿细砂试验， 利用K0固结试验确 定其静止侧压力系数， K0值为0.23。 对该尾矿细砂共进行3类试验。第一类为不同主 应力比条件下的固结不排水试验 （CU试验） ， 主应力比 Q分别取0.2、 0.4和0.6， 本试验的目的是分析在主应力 比达到设计值后样品的变形特征。第二类为不同围 压 （100、 200、 300 kPa） 条件下的不固结不排水试验 （UU试验） ， 分析围压对尾矿细砂变形特性的影响。 第三类为不同固结度 （50、 60、 70、 80、 95） 下 不排水剪试验 （CU试验） ， 分析固结度对尾矿细砂的变 形破坏特征的影响， 其中后2类实验可归为一类。 2019年第12期姜元美等 大孤山尾矿细砂力学性质试验研究 63 ChaoXing 2试验结果及分析 2. 1不同主应力比的CU试验 如图4所示为Q0.2时的应力应变曲线， 试验 过程中， 最大主应力与最小主应力的差随着加载的 进行逐渐增大， 同时轴向应变也逐渐增大， 直至试样 发生破坏。此外， 图4中还给出了常规CU试验的应 力应变曲线。 由图4可知， 当Q0.2时， 其应力应变曲线在轴向 应变较小的情况下与常规CU试验基本重合。当轴 向应变增加到3左右时， 开始出现明显区别。对于 常规CU试验， 其轴向应变增加的同时， 应力差基本 维持不变， 甚至还有略微下降； 相反， Q0.2时， 应力 差扔维持原有的增长速率持续增大， 直到轴向应变 达到11左右时， 出现缓慢的下降趋势。 图5所示为主应力比为0.2时样品的破坏照片， 形成了自上而下贯通的剪切劈裂面。破坏较为突 然， 在试验后半阶段较大的主应力差导致了试样的 剪切破坏。 此外， 当主应力比为0.4、 0.6时， 试样在最后的加 载过程中并未产生贯通的剪切面。如图 6所示为 3 组不同主应力比条件下试样的有效应力路径， 图6中 横坐标为平均有效主应力， 纵坐标为偏应力， 可利用 下式进行计算 q σ1- σ3 p 1 3 σ1 2σ3 .（1） 式中，σ1、σ3分别为最大、 最小有效主应力。 由图6可知， 尾矿细砂在主应力比较小时， 在初 始加载阶段的应力应变曲线类似常规CU试验， 随着 荷载的施加， 主应力差逐渐增大， 容易造成剪切破 坏。在主应力比较大时 （Q0.6） ， 即使轴向力已经达 到了较高的水平， 试样的轴向变形依然处于稳定的 范围。对于不同应力比的有效应力路径而言， 当轴 压相同时， 不同的围压条件下的抗剪强度存在较大 的差异。 2. 2不同围压的UU试验 不同围压的UU试验， 在试验过程中试样并没有 产生明显的剪切破坏面， 而是发生了剪胀。如图7所 示， 3组试验的应力应变曲线变化过程类似， 其主 应力差均随轴向应变的增加逐渐增大， 随后达到一 个峰值， 当围压为100 kPa和200 kPa时， 主应力差维 持不变， 而300 kPa的试样的主应力差略微下降后维 持稳定。 2. 3不同固结度的不排水剪试验 图8所示为试样破坏时的最大主应力差与固结 度的关系曲线。由图8可知， 随着固结度从50增加 到90的过程中， 最大主应力差呈先增大后减小的 变化趋势， 当固结度为70时对应的应力差最大。 表2列出了不固结不排水与不同固结度下尾矿 细砂的抗剪强度参数， 对比可知， 随着固结度的增 加， 该尾矿细砂的粘聚力逐渐降低， 这与细砂内孔隙 水的含量减少有关。此外， 固结后内摩擦角变小， 但 金属矿山2019年第12期总第522期 64 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 不同固结度的内摩擦角变化较小。 3结论 3种不同主应力比下的固结不排水试验表明在 较小的主应力比条件下， 随着荷载的施加， 最大与最 小主应力差逐渐增大， 试样易发生整体剪切破坏。 相同轴压条件下， 围压的增大有利于抑制试验发生 剪切破坏。同等条件下， 较大的主应力比可以承担 较大的轴向荷载。 不同固结度的CU试验以及UU试验结果表明 随着固结度的增加， 主应力差峰值呈先增大后减小 的趋势。此外， 随着固结度的增加， 该尾矿细砂的粘 聚力逐渐降低， 这与细砂内孔隙水的含量减少有关。 此外， 固结后内摩擦角变小， 但不同固结度的内摩擦 角变化较小。 参 考 文 献 张一军.细粒土尾矿坝稳定性研究 ［D］ .西安 长安大学， 2007. 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