冻融循环作用下石墨尾矿抗剪强度特性研究.pdf

第 卷第 期黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 年 月 .:/冻融循环作用下石墨尾矿抗剪强度特性研究周 婷 孙 静*陈 浩 王润泽 赵浩男(黑龙江大学 建筑工程学院 哈尔滨)摘 要:以季节性冻土区黑龙江省鹤岗市萝北县的石墨尾矿为研究对象 研究了冻融循环对 种相对密度下冻结石墨尾矿抗剪强度的影响规律 建立了冻融循环次数对黏聚力和内摩擦角影响的拟合公式 提出了冻融循环作用下抗剪强度修正公式 结果表明:相对密度越大 抗剪强度、黏聚力和内摩擦角劣化程度越小 提高相对密度对提高抗剪强度非常有利 随冻融循环次数的增大 抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均减小 次冻融循环后抗剪强度劣化效果最显著 次冻融循环后基本趋于稳定 当相对密度为、和 时 次冻融循环后 抗剪强度分别降低了 、和 黏聚力分别降低了 、和 内摩擦角分别降低了 、和 建议将 次循环后的抗剪强度参数作为计算分析的参考指标研究成果可供我国季冻区石墨尾矿相关工程建设及冻害防治等参考关键词:冻融循环 石墨尾矿 抗剪强度 黏聚力 内摩擦角中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金项目()黑龙江省省属本科高校中央支持地方高校改革发展资金青年骨干人才项目 黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目()作者简介:周 婷()女 硕士研究生 研究方向:灾害成灾机理与控制技术:通讯作者:孙 静()女 教授 博士 硕士研究生导师 研究方向:岩土地震工程:引文格式:周婷 孙静 陈浩 等.冻融循环作用下石墨尾矿抗剪强度特性研究.黑龙江大学工程学报 ():.引 言我国石墨尾矿累计堆存量超过 且呈逐年上升趋势 尾矿堆积带来了一系列生态问题 如尾矿在长期氧化和风蚀过程中 使各种有毒矿物成分随水转入地下 造成水体污染 尾矿颗粒较细 在风起时产生大量扬尘 造成大气污染 我国季冻土分布十分广泛 季冻土面积约占国土面积的 冻融作用是影响寒区工程安全的主要因素之一 尾矿的工程性能随着冻融循环的发展而逐渐恶化 严重影响尾矿库长期使用的能力 因此 在季节性冻土区 需要关注石墨尾矿在冻融循环作用下的静力特性对尾矿库的使用安全至关重要目前对冻融循环作用下土的抗剪强度特性研究较多 主要针对粉土、黏土、黄土、膨胀土等 尹松等对不同含水率和冻融循环次数条件下的压实粉土进行直接剪切试验 张浩等研究膨胀土经过干湿 冻融循环后抗剪强度参数的变化 全晓娟等、王丽黎等研究了冻融循环对黏土抗剪强度的影响规律 杨喜莲等、叶万军等探讨冻融循环等因素对黄土抗剪强度的影响 范留军等、王瑶等、左小锋等、王宇等分别研究了冻融循环作用对土木质纤维水泥土、金属污染土、东北黑土和胶结土抗剪强度的影响 而对冻融循环作用下尾矿抗剪强度特性的研究不多 主要针对磁铁矿、铅锌矿和铜矿 等研究超细磁铁矿尾矿在冻融循环作用下的剪切行为 金佳旭等、张二军等、刘友能等研究了冻融循环次数和含水率对尾矿砂力学性质的影响 赵浩南等研究了细粒含量对石墨尾矿抗剪强度的影响 综上所述 当前研究成果多集中于冻融循环条件下土的力学性质 对尾矿的抗剪强度研究较少 而对石墨尾矿的研究更少 因此 开展冻融循环作用下石墨尾矿抗剪强度特性研究显得尤为重要以季节性冻土区黑龙江省鹤岗市萝北县的石墨尾矿为研究对象 通过直剪试验 研究了冻融循环对不同相对密度下冻结石墨尾矿抗剪强度的影响规律 建立了冻融循环次数对黏聚力和内摩擦角影响的拟合公式 提出了冻融循环作用下抗剪强度修正公式 研究成果可供我国季冻区石墨尾矿相关工程建设及冻害防治等参考 试验方案 试验材料试验所用石墨尾矿取自黑龙江省鹤岗市萝北县 呈深灰色 其主要组成成分为 其含量为 经测试得出:石墨尾矿的天然含水率为 保水性极差 水分极易流失 最优含水率为 最大干密度为 最小干密度为 图 石墨尾矿级配曲线 通过筛分试验 确定其粒径分布情况 级配曲线见图 计算得 不均匀系数 且曲率系数 在 之间 属于级配良好的尾矿砂 试验方法根据土工试验规程()当 /时 为松散状态 当/时为中密状态 当/时 为密实状态 设计试样相对密度为、和 分别对应松散、中密和密实 种状态在最优含水率下按要求配置试样 采用标准圆柱体试样 直径为 高度为 放入密封的塑料袋内焖料 使土体内水分分布均匀 按设计相对密度击实后放入低温试验箱进行冻融循环 冻结温度为 融化温度为 冻结和融化各 即为一次冻融循环 整个冻融过程要保证试样完全冻透、融透 冻融循环次数分别为、次 其中 次冻融循环表示冻结 作为对照组采用快剪方式在直剪仪上对 种相对密度为、和 的石墨尾矿试样进行直剪试验 剪切时做好保温措施 保证试样温度恒定为 将试样推进直剪仪剪切盒内施加垂直荷载为 以 速率顺时针转动手轮 直至试样剪切破坏 记录破坏时测力计读数 垂直荷载分别递加至 、重复剪切步骤 试验工况试验采用 种相对密度分别为、设定 种垂直荷载分别为、冻融循环次数分别为、次 共计 种工况 试验工况见表 表 试验工况 试样编号 相对密度/垂直荷载 /冻融循环次数/次、黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷 对抗剪强度的影响对冻融循环、次的试样进行直接剪切试验后 得到不同相对密度条件下 冻融循环作用后抗剪强度见表 劣化趋势见图 表 不同冻融次数下抗剪强度 相对密度/垂直荷载 /次/次/次/次/次/次/图 不同相对密度下抗剪强度劣化趋势 由图 可见 在同一冻融循环条件下 抗剪强度随相对密度增大呈现升高趋势 当相对密度较高时颗粒排列紧密 颗粒间的咬合作用比较强烈 在冻融循环作用下 颗粒位置不易发生调整 抵抗变形的能力较强 故密砂抗剪强度劣化程度比松砂小 因此 尽可能地提高相对密度对提高抗剪强度非常有利在同一相对密度条件下 随冻融次数增加抗剪强度明显发生劣化 劣化过程可分为劣化阶段和稳定阶段前 次冻融循环为劣化阶段 其余属于稳定阶段由表 可见 当垂直荷载为 时 与未冻融的试样相比 相对密度为、和的 组试样经过 次冻融循环后 抗剪强度分别降低了 、和 次冻融循环后 分别降低了 、和 可见相对密度越大 抗剪强度劣化程度越小第 期 周 婷 等.冻融循环作用下石墨尾矿抗剪强度特性研究当垂直荷载为 相对密度为 时 与未冻融的试样相比 第、次冻融循环衰减量分别占总体的、可见第 次冻融循环对试样的抗剪强度劣化影响效果最显著 次冻融循环后趋于稳定 建议将 次冻融循环后的抗剪强度参数作为计算分析的参考指标 其余工况变化规律与此相同 只是减小幅度略有不同 不再赘述 对黏聚力和内摩擦角的影响不同冻融次数下黏聚力和内摩擦角结果见表 拟合曲线见图 和图 表 不同冻融次数下黏聚力和内摩擦角 相对密度/冻融循环次数 黏聚力/内摩擦角/()图 黏聚力拟合曲线 图 内摩擦角拟合曲线 由图、图 可见 随着冻融循环次数的增加 不同相对密度的石墨尾矿黏聚力、内摩擦角均呈下降趋势 当温度降低尾矿冻结时 内部水分结冰膨胀 尾矿颗粒受冷收缩 颗粒之间的连接关系被破坏当温度升高尾矿融化时 内部水分融化 颗粒逐渐膨胀 冻结破坏的连接不能够恢复 反复冻融作用最终导致尾矿颗粒结构逐渐弱化 从而使黏聚力、内摩擦角降低 与抗剪强度的劣化曲线类似 黏聚力和内摩擦角的变化也可分为劣化阶段和稳定阶段 其中劣化阶段涵盖了前 次的循环过程 其余为稳定阶段 二者的相似性也表明黏聚力和内摩擦角是影响抗剪强度的关键因素与未冻融的试样相比 相对密度为、和 的 组试样经过 次冻融循环后黏聚力分别降低了 、和 内摩擦角分别降低了 、和 可见相对密度越大时黏聚力和内摩擦角劣化程度越小 与未冻融试样相比 第 次冻融循环后 黏聚力衰减量分别占总体的黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷、和 内摩擦角衰减量分别占总体的 、和 因此 第 次冻融循环劣化效果最为明显对试验结果分析发现 采用指数函数对数据进行拟合时 拟合效果较好 具体的函数关系如下:(/)()(/)()式中:为黏聚力 为内摩擦角 为冻融循环次数、和、为拟合参数 表 为黏聚力和内摩擦角与冻融循环次数的拟合参数取值 为相关系数表 黏聚力和内摩擦角与冻融次数的拟合参数值 相对密度/分别对、及、拟合 线性关系拟合效果较佳 可得 、和 拟合参数 和 取均值 将以上参数代入式()和式()得出:()()(/)()()(/)拟合参数值:、得到拟合公式:()()(/)()()()(/)()王丽黎等分析干密度、含水率和冻融循环次数对含碎石黏土抗剪强度参数的影响 发现冻融循环次数、含水率与黏聚力和内摩擦角均符合三次多项式关系 叶万军等通过剪切试验探讨冻融循环和含水率等因素对黄土抗剪强度的影响规律 发现冻融次数、含水率和黏聚力三者符合指数函数关系 本文拟合结果表明 冻融循环次数、相对密度与黏聚力或内摩擦角三者符合指数函数拟合关系 这与文献的拟合规律相似 抗剪强度修正公式 年库仑提出了抗剪强度公式 适用于砂土和一般黏性土 对于季冻区 反复冻融循环导致尾矿颗粒结构逐渐弱化 从而使抗剪强度降低 因此库仑的抗剪强度公式对冻融循环作用下的石墨尾矿并不适用 必须进行修正 根据本文给出的不同冻融循环次数下黏聚力和内摩擦角的拟合式()和式()提出不同冻融循环次数和相对密度条件下石墨尾矿的抗剪强度修正公式:()()此修正公式能较好地描述抗剪强度的变化规律 可以对不同冻融循环次数和相对密度条件下尾矿的抗剪强度进行预测 以期为我国季冻区石墨尾矿相关工程建设及冻害防治等提供参考 结 论通过研究冻融循环对 种相对密度下冻结石墨尾矿抗剪强度的影响规律 得出以下结论:)相对密度越大 抗剪强度、黏聚力和内摩擦角劣化程度越小 提高相对密度对提高抗剪强度非常有利第 期 周 婷 等.冻融循环作用下石墨尾矿抗剪强度特性研究)随冻融循环次数的增大 抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均减小 次冻融循环后抗剪强度劣化效果最显著 次冻融循环后基本趋于稳定 建议将 次循环后的抗剪强度参数作为计算分析的参考指标)当相对密度为、和 时 次冻融循环后 抗剪强度分别降低了 、和 黏聚力分别降低了 、和 内摩擦角分别降低了 、和 )建立了冻融循环次数对黏聚力和内摩擦角影响的拟合公式 提出了冻融循环作用下抗剪强度修正公式 研究成果可供我国季冻区石墨尾矿相关工程建设及冻害防治等参考参考文献:柯春英.石墨尾矿干排技术及石墨尾矿综合利用和治理.黑龙江环境通报 ():.马巍 王大雁.冻土力学.北京:科学出版社.尹松 李力 边亚东.冻融循环作用下压实粉土的剪切强度性能试验研究.公路工程 ():.张浩 张凌凯.干湿冻融循环条件下膨胀土剪切特性的劣化机制研究/.工程力学:.:/./.全晓娟 龚禹为 汪波 等.冻融循环对青藏黏土抗剪强度影响试验研究/.冰川冻土:.:/./.王丽黎 高志华 金龙 等.冻融循环对含碎石黏土抗剪强度参数的影响研究.路基工程():.杨喜莲 何文社 刘尚昆.冻融循环对原状黄土抗剪强度的影响及微观解释.水电能源科学 ():.叶万军 刘宽 杨更社 等.冻融循环作用下黄土抗剪强度劣化试验研究.科学技术与工程 ():.范留军 路晓明 李伟.冻融循环对木质纤维水泥土抗剪强度劣化特性的试验研究.水电能源科学():.王瑶 杨忠平 周杨 等.长期冻融循环下固化铅锌镉复合重金属污染土抗剪强度及浸出特征研究.中国环境科学 ():.左小锋 王磊 郑粉莉 等.冻融循环和土壤性质对东北黑土抗剪强度的影响.水土保持学报 ():.王宇 李兆宇 苏安双 等.胶结土改性分散性土冻融特性与微观机理研究.黑龙江大学工程学报():.():.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.实验力学 ():.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.安全与环境学报 ():.刘友能 黄润秋 刘恩龙 等.冻融循环对云贵高原尾矿土力学性质的影响.西南交通大学学报 ():.赵浩男 孙静 周婷 等.鸡西和萝北石墨尾矿静力学特性试验研究.黑龙江大学工程学报 ():.黑 龙 江 大 学 工 程 学 报 第 卷 ():.:():.:第 期 周 婷 等.冻融循环作用下石墨尾矿抗剪强度特性研究