栾川水露沟尾矿库土工试验分析

耿俊涵

（华北水利水电大学 地球科学与工程学院，郑州 450046）

水露沟尾矿库扩建工程位于栾川县狮子庙乡白石崖村，是在原水露沟尾矿库一期工程设计标高1 225 m的基础上进行的二期扩建，扩建后堆积坝顶标高1300m，总坝高210 m，总库容5 989.55×104m3，有效库容5 390.60×104m3，新增有效库容4 037.60×104m3，可接纳众和公司、洛钼集团选矿一公司马圈选矿厂和三强钼钨有限公司共计117 000 t/d 的尾矿放矿规模，新增服务年限17.97 a。建设内容主要包括防排洪设施，坝体观测设施，新建库区道路、隧道，改造现有尾矿输送系统和回水设施。该项目总投资33 166.62 万元，其中环保投资113 万元。

土工试验顾名思义就是对岩土体进行工程试验，大体上分为室内试验和施工场地试验，具体试验内容主要是对岩土体的物理性质进行测量，包括对岩土密度、压缩系数、含水量、干密度、颗粒级配及快剪等试验。在试验的基础上对试验结果进行数据分析也同样是土工试验的一部分，通过对测试结果的分析，使用规范公式对其进行整合就能得到一些新的土性指标，例如渗透系数、内摩擦角和粘聚力等[1]。土工试验在工程勘察中起到十分重要的作用，特别是对地形错综复杂，不容易在直观上进行判断的岩土工程。通过对土工试验测量所得到的信息进行对比和分析，可以很好地减少意外因素的干扰，降低不确定性和提高试验数据的准确性[2]。

直剪试验是用来测量土体抗剪强度的一种较为直接的方法，有着制样简单、操作方便和出结果快等优点。但直剪试验很容易就受到剪切仪器和剪切速率的影响，因此在使用仪器时应该尽量控制剪切速率和规范操作，从而减小试验误差[3]。

1.1 试验目的

通过开展堆积坝坝料的颗分、直剪试验、三轴试验和渗透变形试验等一系列静力试验，给出各分区堆积坝料不同应力条件下的基本物理特性指标、变形指标、强度指标（有效应力、总应力）和渗透特性，给出各分区堆积坝料力学参数指标体系。分析各分区堆积坝料力学参数随围压（不同堆高阶段应力）变化规律（试验最大压力应与坝体的实际应力一致），为水露沟尾矿库全面安全性复核提供基本的参数依据。

针对水露沟尾矿库堆积坝坝料分别开展动力学特性试验，包括动力变形特性试验、动力残余变形特性试验、动孔压和动强度特性试验，以及稳态强度试验，提出相应的动力学计算参数。对于稳态强度试验，将试验材料按照多种制样控制密度进行试验；
对于其他试验，将每种材料按照一种代表性级配和一种制样控制密度考虑。

1.2 试验仪器

试验需要用到的仪器有：自动直剪仪、千分之一压力天秤、烘箱、动静三轴试验仪、比重瓶、烧杯、纯净水、0.05 mm 筛网、真空泵和环刀等。

2.1 密度和含水率试验

针对钻孔开展原状尾矿砂取样，并在相应部位取一定数量扰动尾矿砂样，在每一个钻孔取10～12 个深度不一样的土样（图1）。采用环刀法取原状尾矿砂样，在整平期的两端，环刀（图2）的内壁涂上一层薄薄的凡士林。刃口垂直试样表面。土样用切土刀（或钢丝锯）削成比环刀直径稍大一些的土柱。再将环刀竖直下压，边压边削，直到把环刀伸出土样为止。将两端余土削去修平。把修理平整后的环刀及土样放于电子天平上称重，根据规范要求选择百分制或者千分制的电子天平。其次测量圆形铝盒的重量，将称重过的环刀中的土样取出一部分碾碎后放入铝盒中，大约装满1/3 或者1/2即可，之后擦除铝盒外部多余土样放置于天平上称重。把称重过后的土样及铝盒一起放到烘箱里，烘箱温度调到98～102 ℃，烘烤16 h 即可取出，称出剩余重量，计算出该土样的天然密度及含水率。

图1 粉砂土

图2 环刀

2.2 比重试验

为了解各分区尾矿砂的颗粒大小分布情况，开展颗粒分析试验。粒径为0.075～60 mm 的颗粒采用筛析法，粒径小于0.075 mm 的颗粒采用密度计法。根据对土样的观察，为了获得所需要的粒径使用0.05 mm 的筛网进行筛分。将筛出来的粉砂土放到铝盘上进行研磨，取一张光滑白纸，卷成沙漏状，方便接下来往比重瓶里装碎土。先用纯净水（绝对纯净没有杂质的水）清洗比重瓶，清洗后把水倒出，放于千分之一电子秤上进行称重，称出瓶子加挂壁水珠的重量，然后将砂粉通过漏斗状纸倒入瓶口中称重，加纯净水至比重瓶颈处，放入真空机中进行真空处理。待约2 h 后真空完毕后，取出比重瓶加水至溢出瓶口，放置天平称重，即可计算出比重。

2.3 压缩试验

为了了解土体的压变系数，需要对该土体进行压缩试验。用环刀取出土样后，与压缩试验仪卡槽进行固定，用力按压环刀让土体平缓地滑入试验仪中，调整压力计让表盘归零，先加小重量砝码确认土体能正常收到压力后，再依次加50、100、200、400 kPa 的砝码，并在试验开始后的1、2、3、4、24 h 分别进行读数即可计算出土体的压缩系数。

2.4 液塑限试验

取0.5 mm 筛网筛出具有代表性的尾矿粉砂颗粒土样200 g，分别放入盛土的3 个器皿中，加入数量不等的蒸馏水。搅拌均匀后进行压密排除土体中的残余气体。在联合测定仪（图3）上将装有搅拌好土样的试杯放在升降座上。调整仪器高度让尖锥在恰好触碰土体表面的位置，启动仪器让尖锥进行自由落体，读出锥头没入土体的深度，当深度分别在3～5 cm、10～12 cm 和17～19 cm时，取对应土体进行含水率试验，在双对数坐标纸上，以含水率为横坐标，锥入土体深度为纵坐标点绘出3 个坐标点，连此3 点应呈一条直线，得出液塑限数据。

图3 液塑限仪

2.5 直剪试验

用环刀取出适量土样放置于直剪仪（图4）中，上下分别垫上滤纸和透水石，把仪器固定好后使仪器处于始动未动的状态，拔出直剪仪上的销钉，加上50 kPa的砝码，确定压力成功加载后缓缓转动转轮，直到数字从刻度“0”处有细微变化，记下以此时位置为起点，然后用15 s/圈的速度转动直剪仪，观察表盘数字变化直到指针停止转动并且有回弹趋势时，说明土体已经完全剪切，记录下此时的读数和直剪仪的编号，重复试验依次加砝码100 kPa 和200 kPa。3 个为一组，记录数据。在操作剪切仪器时，应该着重注意于对手动仪器的规范操作，如果在规范操作下进行试验则剪切仪器对于抗剪强度指标的影响就很小，反之就会严重影响试验结果。做这个试验时最需要注意的部分就是手动剪切时，受到人体机理的不可控性，很难对剪切速率进行准确稳定的控制，从而增加抗剪切强度的离散性，会给试验造成极大误差，剪切速率之所以对剪切试验有如此影响，主要是由于在剪切过程中，土样会直接受到剪力箱的切动，从而使剪力箱在水平方向上对土体产生切应力和剪应力。在上述2 种应力的作用下，土体内部孔隙力受应力影响就会产生超孔隙水压力。由于土样水平向受压产生的垂向变形受垂直压力的制约，在垂直向上会产生附加应力，而垂直方向增大的孔隙水压力在开始时就全部承担了这部分应力。由于剪切仪器内部土体上下2 处均放置有透水石，所以，当超孔隙水压力产生后，很快就会散去。这些孔隙水压力会转化为一种有效的受力作用。而竖向有效应力的增大，又不可避免地提高了土体的剪切强度。因此，当剪切速率不同时，剪损时间就不同，孔隙水压力消散的程度就不同，垂直方向转变为有效应力的程度也不同，所得到的抗剪强度也就会出现较大的差异。

图4 手动环剪仪

2.6 动三轴试验

采用大型动力三轴试验机（试样尺寸φ30×H 75 cm）对初期坝堆石料材料饱和样进行动力变形特性试验，尾矿堆积坝料饱和样采用共振柱仪进行动力变形特性测试。测定试验材料在动应力作用下的动应力和动应变关系曲线，确定最大动剪切模量Gmax 与有效固结压力的关系（即Gmax-σ0 关系曲线），确定最大动剪切模量Gmax 与有效固结压力的关系（即Gmax-σ0 关系曲线）、动剪切模量G 和阻尼比D 与动剪应变的关系（即G/Gmax-γ，D-γ 关系曲线），确定不同分区坝料的泊松比。

2.7 稳态强度试验

稳态强度反映了稳态变形条件下土体的抗剪切能力，其大小决定了地震中和震后土体的稳定程度和可能发生的变形程度。稳态强度的测定在室内试验中经常采用应变控制式固结不排水三轴剪切试验测定。

试验中，拟对不同分区尾矿堆积坝料饱和样进行饱和固结不排水三轴剪切试验。首先根据情况，对每种试验材料，采用4～5 个有效固结压力进行试验，测定其残余强度参数，为尾矿库地震后地震稳定性计算提供依据。然后，在上述试验的基础上，在每个有效固结围压力，调整制样控制密度，饱和固结不排水三轴剪切试验对不同固结相对密度（或孔隙比）试样进行检验。找出每种有效固结围压力对应的临界相对密度（或孔隙比）。对5～6 个不同密度的试样，重复上述试验，最终确定试验材料强度稳态线，作为判别尾矿库地震后是否发生大变形的参考依据。

通过上述试验得出下列数据，同类土样会根据取土深度变化而产生明显的物理性质差别，随着取土深度的提高，土体自然含水率也随之提高，天然密度也在增大，推断可能是深度增加，下部土体受到上部的压力也增大，土体被压得更密实，因为土体密度和密实度均有增大。观察含水率可以发现在浅层的含水率较低，之后升高，再往深处开挖时，含水率又有明显降低，这可能是因为在浅层处的土体因为受到太阳光的照射水分蒸发因此含水率比较低，而土体的下层含水率是因为较深，土体蓄水不够导致的（图5）。

图5 含水率变化折线图

通过分析动三轴试验的结果与试样原本的天然重度作对比发现，随着试验天然重度的增加，最大动剪切模量也随之增加，这可能是由于天然重度的增加，因此在同体积土体试样情况下，土体内部孔隙减少，土体的压缩系数变大，土体颗粒与颗粒之间的抗剪强度也增大，因此剪切模量增加（图6）。

图6 土体抗剪能力变化折线图

从上述样品钻孔点取不同深度试样分别做三轴试验，通过数据结果可以发现不固结不排水的土样的土体稳定性最弱，而固结排水后的土体稳定性最好，并且发现在同一种方式下，取土深度更浅的粘聚力会比较小，这是因为土体表层存在更多的是一些比较粗大的颗粒，而深处的土体则经过挤压和应力作用使得细颗粒占更大一部分。而深处的土体内摩擦角小于表层，猜测可能是因为深处土体颗粒分布更为均匀，因此在试验特异性的影响下导致内摩擦角小于表层土体（表1）。

表1 土工试验数据

1）水露沟尾矿库颗粒性质较为松散，即使在固结排水情况下土体最大内摩擦角依然小于35°，属于松散土体范畴，因此在进行尾矿坝扩坝工程时应先以加固土体稳定性为首要工作。

2）做直剪试验时候，预固结的时间也会影响抗剪强度的变化，因此试样固定后就需要立马做试验，并对其他因素的变量进行严格控制，以减少测试误差。

3）土体最大动剪切模量与天然重度呈现正相关的关系，因此做三轴试验验证土体稳定性时候需要控制天然重度为同一量以达到控制变量。