广西天等锰矿尾矿坝填料特性试验研究

陈 耀,詹海华

(1.广西大锰锰业有限公司,广西南宁 530031；2.中信大锰矿业有限责任公司,广西南宁 530028)

0 引言

尾矿坝建设通常需要进行大量的土石方填筑,填筑体是构筑物的基础,常处于各种复杂的自然环境之中,经受风蚀雨淋、水流冲刷、冻融循环等危害。因此,必须具有足够的整体稳定性、足够的强度和足够的水稳性,才能抵抗各种危害因素的破坏、保证尾矿坝安全平稳的运行。控制土石方填筑质量是工程的关键,而高质量填筑体的修筑成型,首先取决于对填料工程性质的充分掌握和合理利用[1]。充分了解填料的工程性质,有利于正确、合理地指导设计和施工。

1 工程概况

广西天等锰矿尾矿坝场址位于广西天等县东平乡。尾矿库区域为丘陵地带,属低山缓坡地貌单元。局部由于切割和剥蚀呈陡壁西高东低,库区呈马鞍形状三面(西南北)环山。东面中较低尘洼山麓的出口上。坝顶设计中心线长约360 m,顶设计宽12 m。设计总填筑土方量为22.41万m3。坝体各剖面坝高不等,其中中间坝剖面设计高38 m。

根据设计方案,本矿坝填料是利用采区剥离土方填筑,从采场挖方区的土料直接运至堤坝进行填筑。挖方区的土料主要为全、强风化的Nhb沉凝灰质角砾岩、Eλπ流纹质凝灰岩、集块岩。该风化土料大部分具有高含水量和高液限,部分土料还具有一定的膨胀性。料场范围大,土性相差也较大,对这些不同性质的开挖料,其工程性质差异较大,若控制不好,填筑质量将难以满足设计要求。因此,需要对土料的基本物理性质、压实性能、强度和变形特性以及填料的膨胀与收缩特性进行研究,以决定能否直接用于填筑施工,以及施工中应采用何种压实控制标准。

2 填料特性试验研究

2.1 取样情况

根据地质勘察报告,Nhb土层是本区性状差异性较大的土层也是主要填筑土料之一,其中的②1土层,就有灰白、紫灰、灰绿和褐红等多种颜色的成分,因此研究重点将主要针对该土层。此外,根据不同填筑区土料情况,还选取了 Eλ π的 ④、⑤层上层的代表性土样。

2.2 试验内容

根据研究内容的需要以及取样的情况,进行了较全面的土性补充试验,试验内容主要包括填料的物理性质、压实特性、变形特性、抗剪强度特性以及膨胀性能等几个方面[2-3]。

土料的物理性试验：主要分析土料的颗粒组成、颗粒比重、亲水性(界限含水率)等物性指标,并以此判别土的类型,进行土类定名[4]。

压实特性试验：目的是了解土料的填筑性能、确定填土的施工控制指标,如：填筑控制密度、含水率、压实功等。压实特性通过击实试验确定,对本工程采用重型击实试验。

填土的压缩试验：目的是量测土的压缩特性。为考察不同状态下土的压缩性质的差别,试验土样分别采用了原状土、天然湿土压实土样、按90％的压实度制备的土样(对应于湿土法击实的最大干密度)。

抗剪强度试验：采用直剪饱和固结快剪,强度指标为总应力强度,可供填方段边坡稳定分析使用。试验土样也分别采用天然湿土压实土样和按90％的压实度制备的土样。

土料的膨胀、收缩特性：进行了自由膨胀率、膨胀力、有荷膨胀量和收缩试验。

2.3 填料的物理性质

1)Nhb②1土层的1～6号土样,砂粒含量变化范围为 7％～33％,粉粒为 27％～70％,粘粒为16％～66％。不同土样之间,粒径组成差异较大。这些土样的细粒部分(＜0.002 mm)的液、塑限(反映亲水性)也有较大差异。其液限变化范围为68.5％～100％,塑限为39.4％～55.5％,塑性指数在27.4～56.5之间变化。都属高液限,塑限和塑性指数也都很高。其中,尤以4号(全白色)和6号(褐红色)两个土样的塑性(粘性)最大,两者的液限分别为96.2％、100％,塑性指数分别为40.7和56.5。4号和6号土样的区别是：前者以粉粒为主,后者以粘粒为主。1号、2号、3号和5号土样的塑性比较接近,塑性指数在27.4～30之间的小区间变化。

2)7 号(Eλπ⑤1)和 8 号 (Eλπ④1)土样两者的含砂量有一定差别,7号含砂量为23％,8号含砂量为43％。粉粒含量分别为60％和43％,差别也较大。两者的粘粒含量和塑性则相近,粘粒含量分别为17％和14％,塑性指数分别为19.1和14.3。

3)3号、4号和6号土样的天然含水率在各自的塑限含水率附近,低3％左右。3号、4号、6号、7号(Eλπ⑤1)、8 号(Eλπ④1)土样的比重都在 2.60 以下,比重较小。

2.4 填料的压实性能

填土的压实性能可通过室内击实试验来确定。本试验按《公路土工试验规程》(J TJ 051-93)中的重型击实标准进行,相应的单位体积击实功能为2 687.0 kJ/m3[5]。

规范规定,测含水率时,对于一般的土采用温度105～110℃。对含有机质的土应将温度控制在65～70℃。现场检测含水率采用的是酒精燃烧的烘干方法,而室内试验采用的是烘箱烘干的办法[6]。两者温度有差异,对土样含水率的量测结果可能有一定的影响。为此,在室内进行了比较试验,比较了酒精燃烧、高、低温烘干的不同方法对土样含水率的影响。结果显示：酒精燃烧所得到的土样含水率与60℃低温烘干的成果更为接近。

击实试验：3号土样、4号土样、6号土样3种土料的天然含水率状态下的试验室击实试验,即土样取回试验室后,经手工拣除大于38 mm的颗粒,保持取样时的天然含水率所进行的单轴击实试验。它是土料在天然含水率和压实功能条件下所能达到的填筑密度。试验成果显示,其压实密度较低。不同土样按照湿土法标准击实的试验成果,列举了两种烘干方法所得到的土样压实指标。分析得出以下规律：

1)105℃高温烘干得到的含水率比60℃低温烘干大2％～5％,差值大小应与土的矿物和化学成分有关；相应地,计算的干密度在低温烘干下的值比高温烘干大0～0.07 g/cm3。

2)②1类土层在105℃下的最大干密度为1.35～1.48 g/cm3,平均为1.39 g/cm3；在60℃下的最大干密度为1.37～1.51 g/cm3,平均为 1.43 g/cm3。最大干密度比较低。

2.5 填土的固结变形与强度特性

为研究填土的固结变形与强度特性,进行了土料的固结试验与抗剪强度试验。对于固结试验,根据工程荷载情况,试样的固结压力取12.5,25,50,100,200,400,800,1 600 kPa共8级,得到不同压力下的压缩系数、压缩模量和固结系数。为考虑各种工程条件,进行了多种条件下的固结试验[5]。对于抗剪强度,针对现场碾压后的密度进行试验。根据工程实际情况,抗剪强度试验方法为直剪饱和固结快剪。

1)原状样与天然湿土击实样的固结变形特性

对3号土样、4号土样和6号土样进行了天然含水率状态下击实后的固结试验。同时,对4号土样和6号土样还进行了原状样的固结试验,试验成果是：4号土样原状样天然含水率54.7％,接近该土的塑限含水率,对应状态下的干密度仅1.05 g/cm3,压缩系数为0.374 MPa-1,为中压缩性土。6号土样全风化料原状样天然含水率47.6％,超过其塑限含水率,对应状态下的干密度1.14 g/cm3,压缩系数为0.262 MPa-1,为中压缩性土。

天然湿土击实后的密度比原状土的密度略高(高0.03 g/cm3)。但击实制备土样的固结试验成果显示：压缩系数比原状土均有一定程度的增大,4号土样的压缩系数增大为0.469 M Pa-1,6号土样的压缩系数增大为0.332 M Pa-1。说明经开挖再压实的土,由于其天然结构破坏,其压缩性将有所增大。

2)现场碾压密度下的固结变形与强度特性

根据现场碾压后检测的含水率、密度制备土样,进行填土的固结试验和抗剪强度试验,试验成果得出：3号土料碾压后干密度为1.19 g/cm3,密度偏低,相应的压实度为 0.87。但其压缩系数只有0.199 M Pa-1,属中偏低压缩性。

对于4号土料和6号土料,由前述物理性试验成果可知,是比较特殊的土,它们的液限和塑限都很高,粘性大,属于较难压实的土。室内击实试验所得到的最大干密度分别为1.42 g/cm3和1.51 g/cm3。现场碾压后,两者干密度分别为1.19 g/cm3和1.46 g/cm3,对应的压实度分别为0.84和0.97。在此压实度情况下,土样的压缩系数分别为0.467 M Pa-1和0.280 M Pa-1,为中等压缩性土,后者接近低压缩性。②1层的5号土料取自矿区偏东侧,碾压后干密度为1.46 g/cm3,与室内试验得到的最大干密度1.46 g/cm3基本一致,说明现场碾压的效果很好。其压缩系数为0.120 M Pa-1,基本为低压缩性。7号(EλπNhb⑤1)土料和 8 号(Eλπ④1)土料属于性质相近的土,两者室内试验的最大干密度分别为1.57 g/cm3和1.51 g/cm3。现场碾压后达到的干密度分别为1.46 g/cm3和1.50 g/cm3,对应的压实度分别为0.93和0.99,压实效果较好。两者的压缩系数分别为 0.134 M Pa-1和 0.058 M Pa-1,压缩性都较低。

直剪试验成果得知以上8种土料的凝聚力在37～92 kPa之间,大部分为60 kPa左右,这是因为这些土料的粘性都较大的缘故。②1层全白色土料和②1层褐红色土料的凝聚力大分别达到80.5 kPa和92.4 kPa,两者的摩擦角则只有16.4(°)和10.7(°),这与两种土料的物理性质(粘性大)是相符的。其余土料的摩擦角在 24(°)～30.5(°)之间,强度较高。其中,Eλ π层7号土样和8号土样的摩擦角分别为 29.1(°)和 30.5(°),抗剪强度最高。

综上所述,现场碾压后的填土,其压缩性处于中—低压缩性的范围,压缩模量较高,抗剪强度也在正常范围内。

3)按90％密实度击实备样的固结特性

根据击实试验所得到的最优含水率和最大干密度,按90％密实度进行备样控制,固结试验成果显示,各个土料的压缩系数属于中—低压缩性范围。

2.6 填料的膨胀与收缩特性

进行了填土土料的自由膨胀率、膨胀力、有荷膨胀量和收缩性试验。

膨胀力根据有关规范,采用限制膨胀变形的方式测试。有荷膨胀量分别采用12.5 kPa、25 kPa和50 kPa 3种垂直荷载。按照击实试验成果,采用90％压实度控制备样条件进行膨胀性试验。试验成果显示,②1层的各个土料均不同程度的存在膨胀力和膨胀现象。其中,尤以4号土料的膨胀性最高。3号混合料的自由膨胀率50％,为弱膨胀性土。4号该土样的自由膨胀率65％,为中膨胀性土。5号其自由膨胀率为57％,为弱膨胀性土。6号其自由膨胀率为 91％,具强膨胀性。7号(Eλ π⑤)自由膨胀率为32％,无膨胀性。8号(Eλ π④1)自由膨胀率为33％,无膨胀性。各个土料的失水收缩性较低。

3 结语

通过对碾压试验区主要填筑土料的试验研究,分析结论如下。

1)填筑土料的天然含水量大,细粒含量高、液塑限高,呈现出较为典型的特殊土的物理特性。

2)采场土层均有一定程度的膨胀性,其中,②1土层的自由膨胀率为50％～91％。②1层中全白色粘土和褐红色粘土的自由膨胀率分别达到65％和91％,②1层混合土料的自由膨胀率为50％。

3)现场碾压试验的填土,碾压后的压缩性处于中—低压缩性的范围,压缩模量较高,抗剪强度也在正常范围内。

4)通过对本场区土料所进行的系统分析,结合现场施工和碾压试验成果,建议现场填筑最大干密度标准如表1,实际施工中可根据不同的填筑部位按设计所要求的压实度进行填筑控制。

表1 最大干密度建议值 g/cm3

5)根据上述填筑密度建议值制备土样进行的固结和膨胀性试验,成果表明,②1层中全白色粘土的膨胀力、有荷膨胀量均较高,如果作为填筑土料时应予以严格的施工控制。

[1]顾淦臣,束一鸣,浓长松.土坝工程经验与创新[M].北京：中国水利出版社,2004：13-18.

[2]赵颖文,孔令伟,郭爱国,等.广西红粘土击实样强度特性与胀缩性能[J].岩土力学,2004,25(3)：18-22.

[3]刘俊龙.残积土工程特性试验分析[J].工程勘察,2005(1)：40-42.

[4]唐大雄.工程岩土学[M].北京：地质出版社,1999：45-50.

[5]J TJ 051-93.公路土公试验规程[S].北京：交通出版社,1993.

[6]SL 274-2001.碾压式土石坝设计规范[S].北京：水利出版社,2002.