高海拔地区循环冻融尾矿抗剪强度及细观分析

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　　摘  要：为了研究循环冻融尾矿颗粒的抗剪强度，通过对香格里拉某尾矿库两个时间段取样进行直剪试验以及电镜扫描试验，试验结果表明含水率是影响尾矿抗剪强度的主要因素，同时，循环冻融条件并非是尾矿抗剪强度的破坏性因素，合理采用放矿速率及放矿方式，循环冻融条件将会提高尾矿材料的抗剪强度。
　　关键词：循环冻融;尾矿颗粒;抗剪强度
　　中图分类号：TU41         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0058-04
　　Abstract： In order to study the shear strength of cyclic freeze-thaw tailings， direct shear test and electron microscope scanning test were carried out on two time periods of a tailings reservoir in Shangrila. The test results show that water content is the main factor affecting the shear strength of tailings. At the same time， the cyclic freeze-thaw condition is not the destructive factor of the shear strength of tailings， and the ore drawing rate and drawing mode are adopted reasonably. The cyclic freezing and thawing conditions will improve the shear strength of tailings materials.
　　Keywords： high altitude area; cyclic freeze-thaw tailings; shear strength
　　引言
　　随着我国矿产行业的不断发展，修筑在特殊环境条件下的尾矿库也逐年增多，处于冻土区的尾矿库除受到常规条件的影响因素外，还受到季节性冻融影响带来的危害[1]。循环冻融环境下尾矿颗粒的物理力学特性及其结构均产生较大的变化，艾凯明[2]通过进行室内循环冻融直剪试验，研究了尾矿颗粒尾矿表面龟裂、含水率、抗剪强度等在不同循环次数条件下的变化;张二军[3]研究了不同含水率，相同循环冻融次数以及相同含水率，不同循环次数尾矿颗粒的抗剪强度指标的变化趋势;刘友能[4]通过进行循环冻融条件下尾矿的固结不排水（CU）试验，提出受到循环冻融的作用下，尾矿颗粒抗剪强度及弹性模量均出现一定程度的降低。以上试验均采用人为控制循环冻融次数进行试验，虽然具有一定程度的研究参考意义，但是受到人为因素及环境因素的影响较大，研究成果可能存在一定程度的失真。云南香格里拉某尾矿库昼夜温差较大，十一月份日间温度达12℃，夜间达-11℃，是天然的循环冻融尾矿样品，本文采用现场采取循环冻融样品的方法进行现场直剪试验及电镜扫描试验，以探索尾矿颗粒的力学特性对冻融环境下的响应。
　　1 试验材料及方案
　　1.1 试验材料
　　本次试验采用云南香格里拉某尾矿库进行取样，参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）采用筛分法和密度计法对两个时间段的尾矿试样进行颗粒分析试验，图1为尾矿材料的颗粒级配特征曲线，结果表明尾矿库产出尾矿级配特征大体相同，均以产出尾粉砂为主。
　　1.2 试验方案
　　根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）附录F，香格里拉某尾矿库属于季节性冻土區，冻土深度达60cm，图2为云南香格里拉地区2019年9月气温曲线，其最低温度为5℃，最高温度为20℃，是典型的非循环冻融尾矿样品，图3为云南香格里拉地区2019年12月气温曲线，其最低温度为-11℃，最高温度为13℃，是天然的循环冻融尾矿样。本次试验采用上述两个时间段进行两批次取样进行试验，具体取样方法为首先清理地表约20cm厚度尾矿后进行环刀取样，取样过程中尽量减少样品的扰动。由于尾粉砂渗透性较好，随着尾矿的继续堆填尾粉砂可以完成自重固结，所以本次试验采用固结快剪和浸水固结快剪试验，试验仪器采用南京土壤仪器厂ZJ型应变控制式直剪仪，施加的垂向压力分别为100、200、300、400kPa，剪切速率为0.08mm/min，试验完成后测定尾粉砂的物理性指标。
　　2 试验结果分析
　　2.1 抗剪强度变化规律
　　表1列举出在循环冻融环境下以及在非循环冻融环境下尾粉砂的抗剪强度指标，结果表明循环冻融对尾矿抗剪强度具有一定程度的影响，主要体现在粘聚力上，这是由于在循环冻融条件下尾粉砂颗粒之间的联结方式及联结结构被破坏，从而表现出c值具有较大的离散性，最大粘聚力为33.2kPa，最小粘聚力为13kPa。同时，内摩擦角受循环冻融影响作用同样存在一定程度的影响，但是影响范围较小，图4为固结快剪下尾粉砂在循环冻融条件下及非循环冻融条件下的抗剪强度曲线，拟合后的库伦公式为：
　　非循环冻融条件下：τ=26.2+σ×tan25.6° （1）
　　循环冻融条件下：τ=23.67+σ×tan26.35° （2）
　　图5为浸水固结快剪条件下尾粉砂在循环冻融条件下及非循环冻融条件下的抗剪强度曲线，浸水固结快剪条件下尾矿的抗剪强度指标较固结快剪试验均有所降低，从而解释了降雨条件及水位升高条件下将会影响坡体的稳定性的原因[5]，同时，浸水固结快剪试验条件下尾矿在循环冻融和非循环冻融条件下抗剪强度的变化与固结快剪试验结果基本一致，冻融主要影响了尾矿材料的粘聚力，对内摩擦角影响较小，拟合后的库伦公式为： 　　非循环冻融条件下：τ=25.72+σ×tan23.76° （3）
　　循环冻融条件下：τ=23.4+σ×tan23.4° （4）
　　为了查明循环冻融条件下影响了尾矿材料的抗剪强度的主要因素，首先将非循环冻融固结剪切试验完成的尾矿材料进行物理性试验，统计分析试验结果如表2。
　　试验结果表明，影响试验结果的因素主要为含水率，图6为不同含水率条件下尾粉砂粘聚力的变化曲线，可以发现，随着含水率的增加尾粉砂的粘聚力总体上呈现先增加后降低的变化趋势，研究结果与文献[3]一致。
　　根据摩尔-库伦破坏准则，采用有效应力方法饱和土的抗剪强度公式如下：
　　τf=c’+（σ-ua）tanφ’ （5）
　　对于非饱和土，抗剪强度公式为：
　　τf=c’+（σ-ua）tanφ’+x（ua-uw）tanφ’      （6）
　　其中c’、φ’均为有效应力强度指标;ua、uw分别为土体内空隙气压力及孔隙水压力;x为与饱和度相关参数。
　　综合两式，得到：
　　τf=c’+（σ-ua）tanφ’+τs（7）
　　其中τs为与基质吸力相关的抗剪强度，称为吸力强度，τs可看作非饱和土总粘聚力的一部分。
　　综上，水的作用严重影响了尾矿的抗剪强度，尾矿材料存在最优含水率，当含水率低于尾矿的最优含水率时，基质吸力发挥作用，从而粘聚力不断增加，当含水率逐渐增加，超过最优含水率时，有效应力减小，有效粘聚力减小，抗剪强度降低。
　　其次，试验结果表明，循环冻融尾矿样品的粘聚力具有较大的离散型，并不具备一定的规律，造成以上情况主要存在两方面原因，文献[2]通过进行循环冻融试验结果表明，随着冻融次数的增加，尾矿材料表面出现不同程度的龟裂，在进行剪切试验时，原有的龟裂逐渐发展成贯彻的裂缝，从而体现出粘聚力降低，抗剪强度降低的情况;除此之外，既有研究成果表明，循环冻融条件下将加快尾矿材料内水分的蒸发，含水率的降低导致试样的融沉和重固结作用更为明显，样品的固结程度逐渐提高，从而增大了尾矿材料的抗剪强度。综上，说明循环冻融条件并非是影响尾矿强度的破坏性因素，在一定条件下合理控制放矿方式、放矿速率，循环冻融条件将会成为有力条件。
　　2.2 细观颗粒形态研究
　　为了研究影响尾矿抗剪强度的主要因素，对尾矿材料进行了电镜扫描试验，试验仪器采用Quanta 250扫描电子显微镜，图7为尾矿颗粒放大200倍的表面形貌图，颗粒主要形态以单粒结构为主，多呈次棱角状、亚圆形、四方体，图8为尾矿颗粒放大800倍的表面形貌图，颗粒表明有覆盖有不规则条纹状的、粒状的材料，此種材料应为附着在尾矿颗粒表面的黏土矿物;在干燥情况下，尾矿材料的抗剪强度主要通过颗粒之间的摩擦为主，随着含水量的提高，颗粒表面的黏土矿物发挥作用，从而加大了尾矿材料的粘聚力，当含水率继续提高时，黏土颗粒表面形成饱和状态的水膜，抗剪强度又有所降低，以上研究解释了上文粘聚力随含水量变化成先增高后逐步降低的情况。
　　3 结论
　　为了研究高海拔地区循环冻融尾矿的抗剪强度，通过对香格里拉某尾矿库不同时间段尾矿样进行固结剪切、浸水固结剪切试验，同时进行电镜扫描试验，对比分析了尾矿材料在循环冻融作用下及非循环冻融作用下抗剪强度的响应，得到以下结论：
　　（1）循环冻融条件及循环条件下尾矿的抗剪强度变化主要体现在粘聚力上，这是由于循环冻融作用下尾矿颗粒之间的连接结构及连接方式被破坏。
　　（2）通过对尾矿材料进行物理性试验，试验结果表明影响尾矿颗粒抗剪强度的主要因素为含水率。
　　（3）非循环冻融条件下尾矿颗粒的粘聚力具备一定的规律性，具体表现为随着含水率的逐渐增高，尾矿材料的粘聚力呈先增大后减小的趋势。
　　（4）循环冻融条件下尾矿材料的抗剪强度离散性较大，其原因主要为两方面，首先随着尾矿循环冻融的增加，尾矿材料产生龟裂，在进行剪切试验是原有的龟裂发展成贯穿的裂缝，从而降低尾矿的抗剪强度。其次，随着尾矿循环冻融的增加，尾矿材料内部的水分蒸发，尾矿的融沉和重固结导致尾矿结构变密，增加了尾矿材料的抗剪强度。
　　（5）循环冻融条件并非是影响尾矿强度的破坏性因素，合理的控制尾矿排放速率及排放方式将会成为有利条件。
　　（6）电镜扫描试验结果表明，尾矿颗粒表面附着的黏土矿物是尾矿粘聚力随着含水率增加呈先升高后降低的根本原因。
　　参考文献：
　　[1]金佳旭，宋晨光，陈亿军，等.冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响研究[J].实验力学，2017（3）：431-438.
　　[2]艾凯明，周科平，胡建华，等.寒区尾矿力学特性的环境响应试验[J].矿冶工程，2014，34（3）：4-8.
　　[3]张二军，梁冰，王彪，等.冻融循环作用下尾矿砂抗剪强度和变形特性研究[J].安全与环境学报，2018，18（01）：134-138.
　　[4]刘友能，黄润秋，王忠福，等.冻融循环对云贵高原尾矿土力学性质的影响[J/OL].西南交通大学学报：1-12[2020-01-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20190904.1107.002.html.
　　[5]李亮，褚雪松.浸润线深度对尾矿坝稳定性分析的影响研究[J].中国安全生产科学技术，2011（11）：22-25.
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