试验所采用的尾矿砂采自陕西省柞水县某铁矿尾矿坝,在出灰口取尾矿砂试样并运回实验室.为了研究尾矿砂固结系数随干密度的变化规律,分别将初始含水量为8.5%尾粉砂配制成干密度为1.55 g/cm³、1.65 g/cm³、1.75 g/cm³的粗粒样,初始含水量为13%尾粉土配制成干密度为1.55 g/cm³、1.65 g/cm³、1.75 g/cm³的细粒样作为试样进行试验.

为了精确地测出尾矿砂的固结系数,我们采用标准固结压缩试验方案并采用时间平方根法图解求出固结系数.试验在GJZ-3中压固结仪上进行,将试样置于单向固结仪内,按照荷载等级50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa分级施加竖向压力,在完全侧限条件下用百分表测定试样的压缩变形.试样在每级压力荷载下的固结稳定时间为24 h.根据每级荷载作用下的试样的压缩变形,得出尾矿砂的压缩特性相关参数.

试验时,将量表读数分别按以下时间点读取:0 s、15 s、60 s、90 s、135 s、180 s、240 s、375 s、540 s、735 s、960 s、1 215 s、1 500 s、1 815 s、2 160 s、2 535 s、1 h、23 h、24h.且每组试验同时进行2组平行试验,并按相关规定进行数据处理.按照GB/T 50123-1999 《土工试验方法标准》^[14]的要求,以量表读数为纵轴,时间平方根t^1/2为横轴,分别画出不同干密度的粗粒尾矿砂及细粒尾矿砂在压力为50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa下的测微表读数与时间平方根t^1/2的关系曲线^[1],如图1所示.

图1 不同干密度尾矿砂的d～t1/2曲线
Fig.1 Different dry density tailings ofd～t1/2curve

曲线整体随着压力的增大而下降.曲线的压缩变形过程可划分为三个阶段:起始阶段曲线的斜率较大,试样的压缩变形增长迅速,中间阶段压缩变形增长趋势逐渐放缓,末尾阶段压缩变形增长缓慢且趋于线性,这说明尾矿砂在固结变形的初始阶段有显著的瞬时压缩变形.对比图1(a)～图1(f)可知,对于相同干密度不同粗细程度的尾矿砂,粗粒样的测微表读数比细粒样的测微表读数更大,这是因为细粒样更为密实的缘故,且表现出随着干密度的逐渐增大,两者之间的差值越不明显.这是因为随着干密度的增大,尾矿砂更为密实,其可变形的空间更小,其颗粒粗细程度对变形的影响越小.对比相同粗细程度不同干密度的图1(a)、图1(c)、图1(b)、以及图1(e)、图1(d)、图1(f)可知,干密度大的尾矿砂比干密度小的尾矿砂测微表读数d值更小,这是因为干密度大的尾矿砂更加密实,其颗粒位移空间更小.

根据GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》^[14]要求,按照时间平方根法图解求出各尾矿砂的固结系数值如表1所示.

由以上分析可以看出:

(1)尾矿砂的固结系数皆随着压力的增大而减小.这是由于随着压力的不断增加,尾矿砂受压而变得越来越密实,尾矿砂中原有的排泄流体通道被淤塞填充,导致尾矿砂中排水排气不顺畅,因此固结系数随着压力的增加而下降.当压力达到200 kPa以后,固结系数趋于稳定.如干密度为1.75 g/cm³的粗粒样,当p从50 kPa增加至100 kPa时,C_v从1.50×10^-4 cm^2/s减小至1.17×10^-4 cm^2/s,下降较多; 当p从100 kPa增加至200 kPa时,C_v从1.17×10^-4 cm^2/s减小至6.90×10^-5 cm^2/s,下降了一个数量级; 当p >200 kPa之后,C_v略有下降.

表1 各尾矿砂固结系数
Tab.1 Consolidation coefficient of each tailings

图2 粗粒尾矿各干密度Cv 变化曲线
Fig.2 Curve of dry densityCv of coarse tailings

图3 细粒尾矿各干密度Cv 变化曲线
Fig.3 Curve of dry densityCv of fine tailings

(2)对于承受同样压力的尾矿砂,固结系数随着干密度的增大而减小.这主要是因为,当尾矿砂干密度较小时,试样中孔隙较多,联通孔隙的通道大多被气体所填充.尾矿砂受压时,由于气体的压缩性大,因而固结系数较大; 尾矿砂干密度大时,尾矿砂更加密实,因而固结系数较小.

(3)由图4 ～图6可知,对于同一干密度不同粗细程度的尾矿砂, 粗粒尾矿砂的C_v曲线均位于图像上方,细粒尾矿砂的C_v 曲线均位于图像下方,这说粗粒尾矿砂比细粒尾矿砂的固结系数更大.这主要是因为,粗粒尾矿砂的变形模量较大,在压力作用下应力重分布的时间短; 而细粒尾矿砂在压力作用下应力重分布的时间长.

图4 γd=1.55时粗、细尾矿砂Cv曲线
Fig.4 Cvcurve of coarse and fine tailings sand when γd=1.55

图5 γd=1.65时粗、细尾矿砂Cv 曲线
Fig.5 Cv curve of coarse and fine tailingssand whenγd=1.65

图6 γd=1.75时粗、细尾矿砂Cv 曲线
Fig.6 Cvcurve of coarse and fine tailings sand when γd=1.75

对不同尾矿砂固结压力作用下C_v-e的关系曲线进行分析,如图7所示:

图7 固结压力作用下不同尾矿砂Cv-e关系曲线
Fig.7 Cv-e relationship curve of different tailings sand under consolidation pressure

由以上分析可知,固结压力p对固结系数C_v的影响较为明显,其变化分界点出现在p=200 kPa左右.若采用固定的C_v计算相关变形及固结度时,与实际情况差别较大.若将C_v与固结压力p的关系进行拟合,则可得出更符合实际情况的固结系数值,并可应用于实际中.由图2～图6的数据分布规律分析可知,固结系数C_v与固结压力p的关系可用冥函数进行拟合.各干密度尾矿砂拟合公式及相关系数如表2所示.

表2 各尾矿砂Cv-p经验关系
Tab.2 Cv-p empirical relationship of each tailings sand