0.   引言

尾矿库是堆存各类矿石尾料的场所,其稳定性及运行状况的好坏,直接关系到矿山生产和人民生命财产安全^[1]。细粒尾矿因抗剪强度低,渗透系数小,固结稳定慢^[2]等特点,使坝体发生滑坡、液化失稳的风险急剧增加,因此越来越受到国内外学术界及工程界的重视。

中国很早就开始关注尾矿的稳定性问题^[3-6],但对细粒尾矿的研究起步较晚。陈守义^[7]首先从沉积滩形式,坝体横截面结构,土层力学形式和渗透性等方面对比分析了细粒尾矿对尾矿坝稳定性的不利影响。尹光志等^[8]对细粒尾矿坝静、动力稳定性进行了系统研究。巫尚蔚等^[9]研究了粉粒含量对细粒尾矿力学特性的影响。同时,已有许多学者对不同黏粒含量土的工程性质进行较为深入的研究,如Constantinescu等^[10]研究了黏粒含量对冰川沉积物的液限、塑限、塑性指数以及抗剪强度指标的影响。Dafalla^[11]通过对黏土与砂土混合材料进行直剪试验发现,混合材料的黏聚力随黏粒含量增加而不断增加。曾长女等^[12]研究指出,黏粒含量为8%的粉土动剪应力最小而液化后低强度段应变最大。王力等^[13]通过负压湿筛装置筛选出黄土中的黏粒,配制出不同黏粒含量的黄土并进行一系列物理力学试验。李涛等^[14]研究表明,在相同细粒含量的砂土中,黏粒含量不同,试样抗液化强度也不同。而对不同黏粒含量尾矿物理力学性质的研究还鲜有报道。

随着选矿技术的进步,一些金属矿山的矿渣颗粒越来越细,尾矿中黏粒占比也逐渐增多,因此,研究黏粒含量对细粒尾矿物理力学性质的影响就变得尤为紧迫和必要。为更好地研究黏粒含量对细粒尾矿物理力学特性的影响,本文对不同黏粒含量细粒尾矿进行一系列物理力学试验,分析了黏粒含量对细粒尾矿物理特性、渗透特性、压缩特性、剪切特性和动力特性的影响,为含黏粒细粒尾矿的理论研究及工程实践提供科学依据。

1.   试样制备与试验方案

1.1   试样制备

本次试验所用尾矿料取自河南某钼矿尾矿库,颗粒粒径小于0.075 mm的尾矿含量为74%,属细粒尾矿^[15]。将不同比例高岭土与细粒尾矿混合,配制成黏粒含量分别为2%（未掺高岭土）,5%,10%,15%和20%的尾矿料,以初始含水率为15%制备试样,制备完成后将试样抽真空饱和,待试样孔压系数B达到95%以上,默认饱和完成。表1,2分别为细粒尾矿和高岭土的物理参数。

表  1  细粒尾矿各项物理参数

Table  1.  Various physical parameters of fine tailings

颜色	ρdmin/(g·cm-3)	ρdmax/(g·cm-3)	Gs
灰色	1.21	1.90	2.78

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表  2  高岭土各项物理参数

Table  2.  Various physical parameters of kaolin

颜色	塑性指数Ip	Gs	(粒径<0.005 mm)/%
白色	18.1	2.7	98

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1.2   试验方案

对5种黏粒含量细粒尾矿进行渗透试验,取干密度为1.47,1.55,1.62,1.71,1.80 g/cm³。

对5种黏粒含量的细粒尾矿进行侧限压缩试验,控制干密度为1.55 g/cm³。试验采用逐级加载的方式,压力等级为12.5,25,50,100,200,400,800,1200,1600 kPa,每级荷载持续24 h,待固结稳定后,施加下一级荷载。

直接剪切试验采取固结快剪方式,试样固结压力分别为50,100,200,400 kPa。研究黏粒含量对细粒尾矿抗剪强度指标的影响规律时,5种细粒尾矿控制干密度都为1.55 g/cm³。

对5种黏粒含量细粒尾矿进行动三轴试验,控制干密度为1.55 g/cm³,研究黏粒含量对细粒尾矿动强度、动孔压、动剪切模量和阻尼比的影响规律。固结方式选用均压固结,固结压力分别为50,100,200,400 kPa。液化破坏标准为应变控制标准,应用5%应变作为液化破坏标准。试验时施加的振动波形为正弦波,频率为1 Hz。

2.   结果与分析

2.1   黏粒含量对粒度组成的影响

对5种黏粒含量细粒尾矿进行颗粒分析,分析结果见表3。从表3中可以看出,5种黏粒含量细粒尾矿的C_u均大于5,C_c均在1～3,说明这5种黏粒含量的细粒尾矿级配均良好。随黏粒含量的增大,C_u显著增大,C_c变化规律不明显。

表  3  不同黏粒含量细粒尾矿颗粒分析结果表

Table  3.  Analysis results of fine tailings particles with different clay contents

试样 编号	颗粒大小组成百分比（%）					不均匀系数C u	曲率系数Cc	中值粒径D 50/mm
	>0.5 mm	0.5~0.1 mm	0.1~0.074 mm	0.074~0.005 mm	<0.005 mm
#1	1.29	18.29	6.41	71.96	2.05	6.34	1.01	0.031
#2	1.25	17.74	6.22	69.81	4.99	7.33	1.09	0.030
#3	1.19	16.83	5.89	66.20	9.88	8.02	1.13	0.029
#4	1.12	15.91	5.58	62.61	14.78	12.01	1.02	0.024
#5	1.06	14.99	5.26	59.01	19.68	15.52	1.31	0.021

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2.2   黏粒含量和液塑限指标的关系

图1为不同黏粒含量细粒尾矿液塑限和塑性指数与黏粒含量P_c关系曲线,由图可知,随黏粒含量的增加,液限、塑限和塑性指数均增大,且与黏粒含量呈正相关的线性关系,相关系数R²均大于0.93。这是因为黏粒粒径小,而比表面积和表面电荷大,结合水含量高,从而使塑性指数随黏粒含量的增大而增大。

图  1  液塑限和塑性指与黏粒含量关系曲线

Figure  1.  Relationship among liquid-plastic limit, plastic finger and clay content

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2.3   黏粒含量对细粒尾矿渗透系数的影响

图2为不同黏粒含量细粒尾矿渗透系数k与孔隙比e关系曲线,由图可知,黏粒含量对细粒尾矿的渗透性有显著影响。在相同孔隙比条件下,黏粒含量增多,渗透系数随之减小。当黏粒含量一定时,渗透系数随孔隙比的增大而增大。

图  2  渗透系数与孔隙比关系曲线

Figure  2.  Relationship between k and e

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这是因为,当黏粒含量较小时,黏粒分散地附着于骨架颗粒表面,随黏粒含量增大,骨架大颗粒逐渐被包埋在黏粒中。在相同孔隙比条件下,随黏粒含量的增加,小孔隙通道增多,大孔隙通道减少,导致渗透系数减小。另一方面,由于黏粒中的黏土矿物比表面积大,电荷作用强,且具有良好的亲水性,使得土体内水流速度降低,从而导致渗透系数减小。

2.4   黏粒含量对细粒尾矿固结特性的影响

图3为不同黏粒含量细粒尾矿e-lgp曲线,其中e为孔隙比,p为竖向压力。由图可知,不同黏粒含量细粒尾矿e-lgp曲线都由平缓段和陡峭段组成,当黏粒含量小于10%时,黏粒含量越多,平缓段越短,陡峭段越长,压缩曲线随黏粒含量的增加而下移,即试样压缩性增大；当黏粒含量大于10%时,规律则相反。

图  3  不同黏粒含量细粒尾矿的压缩曲线

Figure  3.  Compression curves of fine tailings with different clay contents

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这是因为,当黏粒含量小于10%时,大部分黏粒分布于大颗粒接触点位置,使大颗粒构成的骨架结构不稳定性增大,从而导致试样压缩性增强；当黏粒含量大于10%时,黏粒可较好地填充大颗粒间孔隙,将骨架颗粒包埋其中,使试样压缩性减弱。

2.5   黏粒含量对细粒尾矿抗剪强度的影响

黏聚力c、内摩擦角φ与黏粒含量P_c的关系曲线如图4所示。由图4可知,黏聚力随黏粒含量的增加而呈上升趋势。当黏粒含量从2%增加到5%时,黏聚力增加趋势较平缓,而当黏粒含量大于5%,黏聚力迅速增加。这是因为,当黏粒含量较小时,黏粒散乱地分布于大颗粒表面,使黏聚力有所增大；而当黏粒含量较大时,黏聚力主要源于黏粒间黏结作用,黏粒增多,黏结作用增强^[16],黏聚力迅速增加。内摩擦角随黏粒含量的增加持续减小。这是因为,细粒尾矿颗粒表面粗糙度大,咬合摩擦力强,但黏粒含量增多,降低了颗粒间咬合摩擦力,起“润滑”作用^[17],从而导致内摩擦角减小。

图  4  不同黏粒含量细粒尾矿的抗剪强度指标

Figure  4.  Shear strength index of fine tailings with different clay contents

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2.6   黏粒含量对细粒尾矿动力特性的影响

（1）动强度

5种黏粒含量细粒尾矿动强度试验结果以动剪应力比τ_d/${{\sigma }^{\prime }}_3$与破坏振次N_f的关系曲线表示,如图5所示。其抗液化拟合公式为

图  5  不同黏粒含量细粒尾矿τ_d/${{\sigma }^{\prime }}_{\text{3}}$与N_f关系曲线

Figure  5.  Relationship between τ_d/ ${{\sigma }^{\prime }}_{\text{3}}$ and N_f for fine tailings with different clay contents

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式中,τ_d为试样45°斜面上动剪应力（τ_d=${\sigma }_{\text{d}}$/2）,${\sigma }_{\text{d}}$为动应力,${{\sigma }^{\prime }}_{\text{3}}$为有效固结应力,N_f为破坏振次,A,B为试验参数。

比较5种黏粒含量细粒尾矿的抗液化曲线关系可以发现,随着黏粒含量的增大,抗液化曲线先下移,在黏粒含量为10%时达到最低,之后随黏粒含量的增大,曲线逐渐上移,在黏粒含量为20%时达到高。说明黏粒含量对尾矿液化的影响为先促进后抑制,且在10%时最容易发生液化破坏。

图5中的斜率和截距为式（1）中的参数A,B,如表4所示。液化曲线参数A随黏粒含量的增大,逐渐减小,参数B随黏粒含量的增大,先减小后增大。

表  4  细粒尾矿液化曲线参数

Table  4.  Parameters of liquefaction curves of fine tailings

黏粒含量Pc/%	参数A	参数B
2	0.101	0.316
5	0.091	0.296
10	0.097	0.291
15	0.095	0.302
20	0.069	0.299

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（2）动孔压

图6为不同黏粒含量细粒尾矿动孔压发展曲线,图中横坐标为振次比N/N_f,纵坐标为动孔压比u_d/${{\sigma }^{\prime }}_0$。

图  6  不同黏粒含量细粒尾矿u_d/${{\sigma }^{\prime }}_0$与N/N_f关系曲线

Figure  6.  Relationship curves of u_d/${{\sigma }^{\prime }}_0$ and N/N_f of fine tailings with different clay contents

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由图可知,在开始振动阶段,动孔压比随振次比的增大先迅速增大,随后趋于平稳,当振次比大于0.8,动孔压增长速率又逐渐增大。随黏粒含量的增大,试样动孔压拟合曲线先向上移动,在10%时达到最高,而后向下移动。在振动前期,动孔压比随黏粒含量的增大,先增大后减小。而振动后期,孔压比增长速率随黏粒含量的增大,不断减小。

该曲线与Seed等^[19]提出的动孔压模型相似。因此可考虑用修正的模型公式进行拟合,即

式中,u_d为动孔隙水压力,${{\sigma }^{\prime }}_0$为初始有效固结应力,N为振次,N_f 为破坏振次,a,b为试验参数。

由图6可知,式（2）中的孔压模型可对不同黏粒含量细粒尾矿的动孔压试验结果进行良好的拟合,相关系数都大于0.95。其试验参数a,b结果如图7所示。由图7可知,试验参数a,b都随着黏粒含量的增加,先增加后减小,且在黏粒含量为10%达到最大。

图  7  孔压模型试验参数

Figure  7.  Test parameters of pore pressure model

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（3）动剪切模量

图8为各黏粒含量细粒尾矿在不同围压下动剪切模量G_d与动剪应变${\gamma }_{\text{d}}$关系曲线。如图8所示,随动剪应变的增加,各黏粒含量尾矿试样动剪切模量均不断降低,且在小应变范围内,动剪切模量下降迅速,而随动剪应变的增大,曲线逐渐趋于平缓。当黏粒含量小于10%时,动剪切模量随黏粒含量的增大不断减少,而当黏粒含量大于10%时,动剪切模量随黏粒含量的增大而增大。

图  8  不同黏粒含量细粒尾矿G_d与${\gamma }_{\text{d}}$关系曲线

Figure  8.  Relationship between G_d and ${\gamma }_{\text{d}}$ of fine tailings with different clay content

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（4）阻尼比

图9所示为各黏粒含量尾矿试样在不同围压下阻尼比$\lambda$与动剪应变${\gamma }_{\text{d}}$关系曲线。由图可知,随动剪应变增大,各黏粒含量尾矿试样阻尼比均不断增大,前期应变较小时,阻尼比增加迅速,随应变增大,阻尼比增速减慢。相同剪应变条件下,黏粒含量对阻尼比的影响较为明显。当黏粒含量小于10%时,随黏粒含量的增加,阻尼比不断增大。当黏粒含量大于10%时,随黏粒含量的增加,阻尼比不断减小。

图  9  不同黏粒含量细粒尾矿$\lambda$与${\gamma }_{\text{d}}$关系曲线

Figure  9.  Relationship between $\lambda$ and ${\gamma }_{\text{d}}$ of fine tailings with different clay contents

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3.   结论

（1）5种黏粒含量的细粒尾矿级配均良好。随黏粒含量的增大,C_u显著增大,C_c变化规律不明显；细粒尾矿液限、塑限和塑性指数都增大。

（2）在相同孔隙比条件下,黏粒含量增多,细粒尾矿渗透系数随之减小；当黏粒含量一定时,渗透系数随孔隙比的增大而增大。

（3）当黏粒含量小于10%时,随黏粒含量增大,试样压缩性增强；当黏粒含量大于10%时,随黏粒含量增大,试样压缩性减弱。

（4）黏聚力随黏粒含量的增大而增大,内摩擦角随黏粒含量增大而减小。

（5）当黏粒含量小于10%时,随黏粒含量的增大,细粒尾矿抗液化能力下降,动孔压升高,动剪切模量呈减小趋势,阻尼比呈增大趋势。而黏粒含量大于10%时,规律则相反。