细粒含量对高应力尾砂不排水剪切强度特性的影响

潘建平 王宇鸽 宋应潞

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000;2.中国农业银行萍乡分行，江西 萍乡 337000)

细粒含量对高应力尾砂不排水剪切强度特性的影响

潘建平1王宇鸽2宋应潞1

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000;2.中国农业银行萍乡分行，江西 萍乡 337000)

通过三轴固结不排水试验，对饱和尾砂的剪切强度特性和颗粒破碎特性进行研究，讨论了试验中尾砂在不同细粒含量和围压条件下的应力-应变关系、孔隙水压力特性、应力路径和颗粒破碎程度。试验结果表明：在细粒含量小于15%时，高应力尾砂的剪切强度和软化程度随细粒含量的增大而减小。增加细粒含量使得孔隙水压力达到更高值，不同细粒含量时应力路径均属于完全软化-剪缩模式。颗粒破碎程度随着细粒含量的增大而减弱，且颗粒破碎程度与围压之间呈幂函数型增长关系。为此，建议在实际工程中尽可能采用粗颗粒尾砂筑坝，或采取其他工程措施，以提高尾矿坝体的稳定性。

尾砂 细粒含量 剪切强度 颗粒破碎 高应力

尾矿坝是用选矿厂尾砂堆积而成的人工构筑物。在工程实践中，出于对坝体安全的考虑，往往要对坝基承载力、挡土墙压力以及坝坡失稳等进行分析，而这些安全评价都与尾矿剪切强度密切相关[1]。长期的工程实践和试验研究表明，尾矿的剪切强度等力学性质除与矿石成分、筑坝方式以及矿浆的沉积特性有关外，还与尾矿的粒度组成有关[2]。

随着资源状况、产品质量要求以及选矿技术的发展，目前，我国选矿厂尾砂总体变得越来越细。国内外学者关于细粒含量对砂土工程特性的影响进行了少量研究，如Polito研究了砂中粉粒对液化阻力的影响，指出砂的液化阻力仅由相对密度控制，与粉粒含量无关[3]。Mehmet等通过三轴压缩试验得出，当细粒含量为0～20%、且砂粒与细粒的平均粒径比很小时，干净砂土的液化敏感性随着细粒含量的增加而增大[4]。刘雪珠等[5]对不同黏粒含量的南京粉细砂进行液化研究，结果表明黏粒含量对粉细砂抗液化能力影响很大。石杰等[6]对3组不同细粒含量的粗细粒混合土进行固结排水试验，得出在围压相同条件下，应力水平随着细粒含量的增加而降低。张超等[7]指出当细粒含量为35%时，尾砂的抗液化能力最好。王勇等[8]通过三轴试验得出，砂土阻尼比随着细粒含量的增加呈现非单调性的先增后减趋势。

尾矿是一种人工砂土，其工程特性、力学性质研究远未形成一套系统的理论，若仍将普通砂土工程性质的成果推广到尾矿坝工程中，常常致使坝体安全评价存在很大的不确定性与风险性[9]。国内外考虑细粒含量对尾砂剪切强度特性和颗粒破碎特性影响的研究很少见到，尤其是对高应力环境下的研究则鲜有报道。当尾矿赋存在高应力环境中，坝体尾矿的力学响应表现出与表层尾矿有较大差异。为此，通过开展不同细粒含量时高应力尾砂的剪切试验，分析细粒含量对饱和尾砂剪切强度特性和颗粒破碎特性的影响，为创新尾矿坝堆筑技术、坝体加高及工程安全评价提供参考。

1 试样及试验方法

1.1 试 样

试验所用尾矿取自江西九江某尾矿库子坝，主要成分为石英，金属矿物含量很低。现场尾矿经过湿筛，各粒级分别经过不少于8 h的烘干处理，装袋后置于干燥皿中。不同细粒级(<0.075 mm粒级)含量的试样粒度组成及主要物理性质指标见表1。

表1 不同细粒含量试样的粒度组成及主要物理性质指标

1.2 试验设备及方法

所采用的试验仪器为STSZ-ZD型全自动应变控制三轴剪切仪，电机控制剪切速率，计算机辅助系统自动采集试验数据。在剪切速率为0.4 mm/min、不同高围压(围压值>500 kPa)与不同细粒含量条件下，对饱和尾砂进行多组固结不排水剪切试验，观察不同细粒含量时尾砂剪切强度随围压的变化规律，然后对所有试验后试样进行筛分，通过比较试验前后级配变化来分析不同细粒含量时尾砂颗粒破碎随围压的变化情况。

2 试验结果与分析

2.1 细粒含量对不排水剪切强度影响试验

在围压(σ3)为1 600 kPa情况下对各细粒含量尾砂进行固结不排水剪切试验，得到的主应力差与轴向应变关系曲线见图1，孔隙水压力与轴向应变关系曲线见图2，应力路径曲线见图3。

从图1可知：①试样剪切强度在试验初期均迅速增长，达到峰值强度后均呈现不同程度的软化；②随细粒含量增加，峰值强度变小，软化程度越来越弱。这是由于细粒含量增加、粗粒含量减少，粒间空隙被细粒填充，从而抑制了颗粒破碎的发生，软化程度被弱化。

从图2可知，孔隙水压力随着剪切强度的增长先显著上升后升幅趋缓；细粒含量越高孔隙水压力越高。细粒含量增加，填充的粒间空隙也增加，使得孔隙水压力增长更迅速。

图1 不同细粒含量时主应力差与轴向应变关系曲线

图2 不同细粒含量时孔隙水压力与轴向应变关系曲线

图3 不同细粒含量时应力路径曲线

根据Yoshinmine等[10]对饱和砂土不排水剪切破坏模式的分类(见图4)，从图3可知，在不同细粒含量时尾砂的应力路径均属于完全软化-剪缩模式，且不同细粒含量的应力路径也有明显差异。

图4 饱和砂土不排水剪切破坏模式

2.2 细粒含量对颗粒破碎的影响

在高应力环境下，土粒可发生破碎，其主要影响因素有颗粒大小、颗粒形状、有效应力状态、应力路径、相对密度以及颗粒矿物成分等。颗粒破碎时，土颗粒的强度主要由摩擦和颗粒破碎共同控制[11]。

由于尾砂是人工砂土，微观上看有一定的棱角，比一般砂土颗粒更易破碎。为了研究不同细粒含量时尾砂颗粒破碎随围压变化的规律，对6组不同细粒含量的尾砂在5个不同围压下进行了不排水剪切试验。

为了更直观地反映细粒含量与颗粒破碎间的关系，采用Marsal[12]的“多粒径指标”法对试验数据进行分析，尾砂颗粒破碎程度(Bg)与围压的关系见图5，各细粒含量时颗粒的破碎程度与围压关系的拟合结果见表2。

从图5可见，颗粒的破碎程度随着围压的增大而增大，随着细粒含量的增加而减少。

图5 不同细粒含量时颗粒破碎程度与围压的关系

细粒含量/%拟合关系式相关系数R20Bg=12.74286σ30.25198-17.304120.995423Bg=0.46895σ31.00965+0.012600.993086Bg=0.14194σ31.31768+0.995250.992689Bg=0.05693σ31.53112+1.664910.9976012Bg=1.62493σ30.54301-2.185470.9974715Bg=0.80237σ30.67334-0.840420.99878

从表2可见，颗粒的破碎程度与围压间大体呈幂函数型增长关系。

3 结 论

(1)相同围压条件下，饱和尾砂的不排水抗剪强度和软化程度随着细粒含量的增多而减少。细粒含量的增加使得孔隙水压力达到更高值，不同细粒含量时应力路径均属于完全软化-剪缩模式。

(2)颗粒破碎程度随着围压的增大而增大，随着细粒含量的增加而降低，且颗粒破碎程度与围压值之间呈幂函数型增长关系。

(3)建议矿山企业尽可能采用粗粒尾砂堆筑坝体，如不具备条件，可采用部分替代砂土或采取加固措施(如铺设土工格栅、土工布等)，以提高坝体的稳定性。

[1] 杨 凯，吕淑然，张媛媛.尾矿坝中尾砂的强度特性试验研究[J].金属矿山,2014(2):166-170. Yang Kai,Lu Shuran,Zhang Yuanyuan.Experimental study of strength characteristics of tailing sand in tailings dam[J].Metal Mine，2014(2):166-170.

[2] 乔 兰,屈春来,崔 明.细粒含量对尾矿工程性质影响分析[J].岩土力学,2015(4):923-927. Qiao Lan,Qu Chunlai,Cui Ming.Effect of fines content on engineering characteristics of tailings[J].Rock and Soil Mechanics,2015(4):923-927.

[3] Polito C P,Martin J R.Effects of nonplastic fines on the liquefaction resistance of sands[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001,127(5)：408-415.

[4] Mehmet M M,Jerry A Y.Influence of silt size and content on liquefaction behavior of sands[J].Canadian Geotechnical Journal,2011,48(6):931-942.

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[8] 王 勇,王艳丽.细粒含量对饱和砂土动弹性模量与阻尼比的影响研究[J].岩土力学,2011,32(9):2623-2628. Wang Yong,Wang Yanli.Study of effects of fines content on dynamic elastic modulus and damping ratio of saturated sand[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(9)：2623-2628.

[9] 尹光志,张千贵,魏作安,等.尾矿细微观力学与变形观测试验装置的研制与应用[J].岩石力学与工程学报,2011,30(5):926-934. Yin Guangzhi,Zhang Qiangui,Wei Zuoan,et al.Development and application of observation testing apparatus for micromechanics and deformation of tailings[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(5):926-934.

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[12] Marsal R J.Large scale testing of rockfill materials[J].Journal of the Soils Mechanics and Foundations Division,ASCE,1967,93(2):27-43.

(责任编辑 罗主平)

Effect of Fines Content on Undrained Shear Strength of Tailings Under High Stress

Pan Jianping1Wang Yuge2Song Yinglu1

(1.SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000，China;2.PingxiangBranch，AgricultureBankofChina，Pingxiang337000，China)

The shear strength and particle breakage characteristics of saturated tailings were studied by the consolidated undrained triaxial (CU) tests.The stress-strain relationship，pore water pressure characteristics，stress path，and particle breakage degree of tailings sand were discussed under different fines content and confining pressure.The testing results showed that，the shear strength and stress softening degree of the high stress tailings are decreased with fines content increasing at the fines content less than 15%.The increase of fines content leads the pore water pressure to a higher value.The stress path is completely softening-contractive model under different fines content.The breakage degree of particles is decreased with fines content increasing，and there is a power function growth relationship between particle breakage parameters and confining pressure.Therefore，in order to improve the stability of tailings dam，the scheme of coarse particle tailings used to build dam in practice projects was proposed，or taking other engineering measures.

Tailings sand，Fines content，Shear strength，Particle breakage，High stress

2015-05-04

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)，江西省科技支撑计划项目(编号：20133BBG70103)，江西省教育厅科学技术研究项目(编号：GJJ14435)。

潘建平(1978—)，男，副教授，博士。

TU411.7

A

1001-1250(2015)-09-166-04