（岩土工程专业论文）尾矿赤泥自重固结模拟试验研究.pdf

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p r e s s i b i l i t y s e l f - c o n s o l i d a t i o ns e d i m e n t a t i o ni sg i a n t b u tf e wt od e s c r i b e s u b s i d em e c h a n i z a t i o na n dt h er e g u l a rp a r e mb e t w e e nw a t e ra n ds o i l i n t h em e a n t i m e ，t h em e c h a n i z a t i o no ft h er e dm u ds e l f - c o n s o l i d a t i o na n d c o n c l u s i o ni si m m a t u r e s ow en e e df u r t h e rr e s e a r c h t h i sp a p e rs t u d yf o rp i n g g u oa l u m i n u mr e dm u d u s ei n d o o rs i m u l a - t i o ne x p e r i m e n t sa n dl a r g e s c a l em o d e lo ft h em e c h a n i s mc h a m b e rt e s t m e c h a n i s me x p e r i m e n tu s e4p v ct u b e se a c h1 5 ml o n g ，p r e p a r a t i o nt h e s i m i l a rs o i la sr e dm u di ns i t e p r e p a r ef o rf o u rl a y e r si ns e q u e n c e15 c m ， 2 5 c m ，3 0 c m ，35 c ma n db o t ht h ef o u r - s t o r yp i l eo ft a i l i n g sc o n s o l i d m i o n m e c h a n i s mo ft w ot e s t sa r ec a r r i e do u t r e s u l t ss h o w st h a t ：w i t ht h ei n c r e a - s eo ft h et h i c k n e s so ft h el a n d f i l lf r o mr e dm u d ，s e t t l e m e n ti n c r e a s e ，t h e l a r g e s ts e t t l e m e n ti s 1 1c m ；t h i c k n e s si s15 c m ，2 5 c mo fr e dm u ds e t t l i n g r a t ec h a n g el i t t l e ，w h i l et h et h i c k n e s so f3 0 c m ，35 c mo fr e dm u d s e t t l i n g r a t ei sc o n s i s t e n t ，b u ts i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r ， i n i t i a ld r a i n a g el i n e a rc h a n g e si nt h es e t t l e m e n t ，t h ef i r s ti n f l e c t i o np o i n t f o rt h em a x i m u mt h i c k n e s so ft h eu p p e ra l a r mt i m e ，t h et h i c k n e s so ft h e s e c o n di n f l e c t i o np o i n ti sz e r of o rt h ea l a r mt i m e ，t h i st i m es e t t l e m e n ti s a b o u t1c m ；t h ef i r s ta n dt w o s t o r yr e dm u di n i t i a lv o i dr a t i ob e t w e e n2 3 a n d2 5 ，t h ef i n a ls t a b l ev o i dr a t i ob e t w e e n1 3t o1 4 ，r e d u c i n gt h er a n g e o fa b o u t1 0 t h es a m ed i s p l a c e m e n tw i t ht i m ei sn o n l i n e a r , t h eg r e a t e rt h e t h i c k n e s so ft h el a n d f i l l ，t h em o r e d i s p l a c e m e n t ，d r a i n a g e r a t ea l s o n i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , t h ef i n a lw a t e rs t a b i l i z a t i o nt i m eu pt o10d a y s b u t t h el a r g e s c a l em o d e lt e s tu s ec h a m b e rf o r10 0 0 m m l0 0 0 m mx6 0 0 m m ss i z e ，t og e tr e dm u do n s i t e ，d r a i n a g ew a y sl i k ep i n g g u oa l u m i n u m t a i l i n g sy a r dl i n e ，f i l l i n gt h r e e l a y e r2 0 c ms t e pb ys t e p u s et h i st os t a r t i n d o o rm o d e lt e s t t h er e s u l t ss h o w e st h a t ：e a c hr e dm u d ss e t t l e m e n ta t t h es a m e e q u a t i o nl e v e l t o t a ls e t t l e m e n ti s110 m m a n dd i s p l a c e m e n t d e c r e a s ep r o g r e s s i v e l ya st h eg r o w so fr e dm u d s l e v e l ，a n dm o i s t u r e c o n t e n td e c r e a s ei nc p r r e s p o n d e n c e ，t h el e s ti s3 4 a f t e rt h et h i r dl e v e l r e dm u d s t e a d y t h ec o h e s i o nc f i r s tg r o w t ha n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h e g r o w t ho f m o i s t u r ec o n t e n t ，t h el e s tp o i n ti s6 2 k p a ，b u tt h ei n t e m a lf r i c t i o np a r tw i l lg r o w a st h es e c o n da n dt h i r dl e v e l sl a n d f i l l ，t h ef i r s tl e v e l s m o i s t u r ec o n t e n tw i l lr e d u c e ，t h ec o h e s i o nw i l lf i r s tr e d u c ea n dt h e ng r o w a st h ed e c r e a s eo ft h em o i s t u r ec o n t e n t t h el o w e s ti s5 9 k p a t h ei n t e m a l f r i c t i o np a r tw i l lb eo p p o s i t e t h eh i g h e s ti s3 4 5 。，c o n t r a s tt ot h es e c o n d l e v e la f t e rt h et h i r dl e v e l ，t h es e c o n dl e v e l sm o i s t u r ec o n t e n ti sl o w e r , a s t h ed e c r e a s eo fm o i s t u r ec o n t e n t ，t h ec o h e s i o nw i l lg r o wg r a d u a l l y t h e i n t e m a lf r i c t i o np a r tw i l lr e d u c eg r a d u a l l y a ta l l ，t h ei n t e n s i t yo fr e dm u d i sn o to n l yi nc o n n e c t i o nw i t hm o i s t u r ec o n t e n tb u ta l s ow i t hl a n d f i l l s i t u a t i o no fr e dm u d u s et h el a r g ed e f o r m a t i o nc o n c r e t i o nt h e o r yt o c o n f i r mt h er a t i oo fl a r g ed e f o r m a t i o nc o n c r e t i o nw i l lr e d u c es h a r p a sa o r d e r , c o n c r e t i o nr a t i ow i l lg r o wa n dt h e nk e e ps t a b l ew i t ht h eg r o wo f v o i dr a t i o k e yw o r d s ：t a i l i n g sm u d ，s e l f - c o n s o l i d a t i o n ，m e c h a n i s mt e s t s ， m o d e lt e s t s i i i 目录 摘要i a b a s t r a c t i i 第一章论文选题依据及研究意义1 1 1 尾矿库概况1 1 2 论文选题依据及研究意义2 1 3 国内外研究动态4 1 3 1 国外研究现状4 1 3 2 尾矿化学吲结研究现状4 1 3 2 尾矿沉降固结研究现状5 1 3 3 尾矿渗流固结研究现状5 1 3 4 非尾矿土体同结研究现状6 1 4 本文研究内容及研究路线7 1 4 1 研究内容7 1 4 2 研究技术路线8 第二章广西平果铝尾矿赤泥性质9 2 1 广西平果铝尾矿赤泥堆场概况9 2 1 1 广两平果铝尾矿堆场地理位置及工程地质概况9 2 1 2 广西平果铝尾矿赤泥堆场堆筑概况1 0 2 2 广西平果铝尾矿赤泥土物理力学特性1 1 2 2 1 尾矿赤泥浆的物质组成1 l 2 2 2 尾矿赤泥的物理性质1 3 2 3 本章小结1 4 第三章尾矿赤泥自重固结机理试验研究1 5 3 1 机理试验设计1 5 3 1 1 试验目的1 5 3 1 2 试验装置1 5 3 1 3 试验泥浆制备1 6 3 1 4 试验步骤1 6 3 2 试验结果与分析1 7 3 2 1 第一层泥浆试验结果及分析1 7 3 2 2 第二层泥浆试验结果及分析1 9 3 3 本章小结2 2 第四章尾矿赤泥自重固结模型试验研究2 4 4 1 模型试验设计2 4 4 1 1 试验装置2 4 4 1 2 尾矿泥浆2 5 4 1 3 试验步骤2 5 4 2 试验结果及分析2 7 4 2 1 第一层泥浆试验结果及分析2 7 4 2 2 第二层泥浆试验结果及分析3 0 4 2 3 加第二层泥浆后第一层试验结果及分析3 3 4 3 4 加第三层泥浆后第一层试验结果及分析3 4 4 2 5 加第三层泥浆后第二层试验结果及分析3 6 4 2 6 第三层泥浆试验结果及分析3 8 4 3 总结分析4 1 4 4 本章小结4 3 第五章尾矿赤泥大变形固结理论研究4 5 5 1 大变形固结理论4 5 5 2 尾矿赤泥大变形固结系数变化规律4 7 5 2 1 尾矿赤泥的压缩性4 7 5 2 2 尾矿赤泥的渗透性4 8 5 2 3 尾矿赤泥人变形同结系数4 9 5 3 本章小结5 l 第六章结论与展望5 2 6 1 结论5 2 6 2 有待进一步研究的问题5 3 参考文献5 4 致谢5 8 v 尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 1 1 尾矿库概况 第一章选题依据及研究意义 2 0 0 8 年9 月8 日，山西省襄汾县新塔矿业公司尾矿库发生特大溃坝事故， 事故泄容量有2 6 8 万m 3 ，过泥面积3 0 2 万m 2 ，死亡人数达2 6 0 余人。然而，近 年来广西尾矿坝事故也时有发生。如2 0 0 0 年1 0 月1 8 日，南丹县大厂镇鸿图选 矿厂尾矿库发生重大垮坝事故，共造成2 8 人死亡，5 6 人受伤，直接经济损失3 4 0 万元，教训十分深刻。 广西平果铝尾矿赤泥库是广西迄今为止库容最大的尾矿库之一。它地处广西 平果县，该赤泥库有i 、i i 期工程。其设计总有效库容达11 2 0 万m 3 ，共堆填八 级子坝。根据选矿厂尾矿设施设计规范( z b j l 9 0 ) 中尾矿库分类等级，平果 铝i 、i i 期赤泥库等级为三等。目前已堆填至三级子坝，已堆高度为2 8m ，尾 矿总计约6 0 0 余万吨。目前在排三级子坝，每年有8 0 万吨赤泥入库。尾矿赤泥 坝距平果铝业公司3k m ，堆场北面约1 0m 左右处为南宁至百色的高速公路；三 期工程正在建初期坝，有效设计库容为1 8 0 0 万m 3 ，设计坝高5 0 一8 0m 。赤泥坝 特征值见下表卜1 。 表卜1 赤泥坝特征值 平果铝尾矿赤泥坝 一、二期 三期 最大坝高( m )6 0 5 0 8 0 堆场外坝周长( m ) 2 6 0 02 5 0 0 基坝总库容( 万m 3 ) 1 5 02 0 覆盖面积( 万m z )5 5 5 0 总有效库容( 万m 3 )1 1 2 0 1 8 0 0 使用年限( 年) 2 02 5 赤泥成分因选矿工艺不同而不同，通过拜耳法排放的赤泥称之为拜耳赤泥， 烧结法生产的赤泥为烧结赤泥。赤泥尾矿一般通过管道水力输送的方式运输至堆 场，逐层进行排放。排放后的赤泥经过一定排水固结后，进行再次排放，以此循 广西大掌硕士学位论文 尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 环往复。而平果铝赤泥堆场首次引进德国的拜耳法生产工艺。其选矿产物尾矿赤 泥同样以管道泥浆输送的形式运送至赤泥堆场，进行逐级排放，入库时含水率为 7 0 。此工法与国内传统的干法堆填工序有很大不同。该法是从铝土矿中选出有 价值的氧化铝后产生一种红色矿渣泥浆状的废弃物“赤泥”。运用拜耳法生产工 艺，优点是有效的减少赤泥附液量，同时有效的限制了地面径流和地下水的渗流， 添加了可以抵御大量雨水的排水管，充分缓解雨水对坝体的冲刷压力。因为该工 艺还未在国内普及，还在试用阶段，同时平果铝赤泥堆场处在一个容量之大、含 水率之高的特殊环境中，几年后便成为一个高大的构筑物，坝体稳定性问题值得 关注。 1 2 论文选题依据及研究意义 广西平果铝尾矿赤泥堆场是广西目前最大的尾矿库之一。该赤泥在排水固结 过程中，由初始流念到塑性状态，含水量明显降低，其物理性质产生质的变化， 其主要体现在： ( 1 ) 赤泥沉积不均匀。赤泥的颗粒的粒径随着距离排水管的位置不同呈现 出明显的规律性。距离排水管越近颗粒越细，反之越粗。 ( 2 ) 渗透性变化明显。尾矿赤泥在堆填过程中，赤泥中的自由水不断排出， 含水率逐渐降低，堆场表面出现大量的裂隙，并且随着固结时间的继续，裂缝纵 向横向逐渐丌展。当进行第二层赤泥堆填时，会将第一层赤泥所形成的裂隙堵塞， 影响第一层赤泥的渗透性。 ( 3 ) 赤泥层密度、强度值变化明显。在自重固结过程中，赤泥中的自由水 不断排出，孔隙不断变化，密度、强度值也在不断变化。 据不完全统计，每年至少有8 0 万吨左右赤泥排入该尾矿赤泥库中，并将此 赤泥浆以堆填的方式存储起来。对于一种在国内没有任何借鉴经验的拜耳法工 艺，并且平果铝尾矿拥有如此大的库容及坝高，同时坝体旁边有南宁至百色高速 公路，下游3k m 处为平果铝厂区。该尾矿库的稳定性研究势在必行，从模型试 验的角度充分认识以及把握尾矿赤泥在堆填、固结、渗流等过程中的赤泥特征及 固结过程中的变化规律，通过获取强度、渗透性、压缩性等的指标进一步探索固 结赤泥本身的结构状态的转变，准确定量的描述赤泥在某个时刻的固结状态。同 2 广西大掌硕士学位论文尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 时，由于尾矿坝是一个不断升高的过程，其应力场与渗流场是不断变化的，因此 正确获取应力场、变形场、渗流场之间的关系对于把握尾矿库赤泥的运行有着至 关重要的作用。虽然尾矿库内赤泥的化学成份极其复杂，含有大量的金属氧化物， 碱性很强，p h 值较高，同时固结过程相当复杂，层与层之间的影响规律不明晰， 但是只有获得了这些赤泥渗透固结的本质，才有可能对坝体的安全稳定性等做出 评估。 基于以上原因，本文以广西平果铝尾矿赤泥为试验土样，采用室内固结机理 试验，采用底部排水的方式，开展堆填不同层厚、不同层数的尾矿沉降底部排水 机理试验。同时设计室内模型试验，试验条件同尾矿现场相似，逐层堆填来进行 室内模型的试验研究。在试验过程中，采用取样测试方法，获取试验土样的物理 力学性质。同时观察赤泥颗粒的沉降、排水现象以及裂缝的开展情况。探究赤泥 在自重排水固结过程中的基本性质如沉降、排水量、含水率等之间的相互影响关 系，同时通过模型试验研究每层赤泥距离排水管不同距离的表层、分层沉降规律， 以及堆填三层赤泥后的层与层之间沉降影响规律。最后，在模型试验的基础上， 取样做压缩试验、变水头渗透试验，获得针对平果铝拜耳法赤泥在固结过程中的 对应的大变形固结系数的变化规律。因此，无论对于土体固结的理论探索还是实 践应用，掌握固结赤泥的特性都是必要前提条件。当前，人们在土体固结沉降理 论、渗透理论及工程实践方面的研究成果较多。然而对于比较特殊的人工堆填尾 矿坝体，间隔不同时间逐层堆填尾矿后的土颗粒沉降特性以及层与层之间沉降固 结特性的相互影响规律，至今关注的人很少。目前，尾矿土的沉降固结理论和计 算方法还不成熟，传统的固结理论只能在采用不同程度的假设条件下对某个简单 问题给予解决，当考虑相对复杂的边界条件时，效果就很不理想了。因此，本文 以通过尾矿赤泥室内机理试验和模型试验，结合尾矿堆场实际情况，着重考虑尾 矿赤泥浆在排水固结同时进行的条件下的自重固结情况，旨在提出平果铝尾矿赤 泥的沉降固结机理，对后续的尾矿坝的稳定性及溃坝危险性研究有着很好的理论 价值和实际意义。 g - 西大学硕士学位论文尾矿q h - 泥自重固结模拟试验研究 1 3 国内外研究动态 1 3 1 国外研究现状 国外近期文献检索表明，有关尾矿库方面的文献并不多见。近1 5 年来，国 外对尾矿坝的研究主要集中在环境污染与防治方面，对于细粒平地型尾矿固结沉 降研究却少之又少。1 9 9 5 年r jc h a n d l e r t l 】介绍了意大利s t a v a 尾矿库垮塌事故； k m o h d a z i z l i 2 】介绍了m a l a y s i a 最大的露天铜矿m a m u tc o p p e rm i n e 的尾矿设计 与管理等方面情况；1 9 9 7 年v i c ks g 【3 1 介绍了圭亚那的0 m a n i 尾矿库垮坝事故。 2 0 0 0 年t r o s n e r 4 1 ，2 0 0 1 年k m o h d a z i z l i ! 卯，m a s c a r o 6 1 ，分别对尾矿库内废水 中有害成份及其对环境与水土的污染等进行了研究。2 0 0 6 年o l g a l g a s k o v a ，s v e t l a n ab b o r t n i k o v a i v a nvg a s k o v 7 1 在西伯利亚对高硫化尾矿氧 化过程做了物理化学建模。2 0 0 8 年，e d g e o r g e s e ua n dm p o p e s c u 8 l 主要研究了 罗马尼亚铀尾矿库的辐射风险评估和生态复垦。同年，d a v i dz e n g 9 1 等通过实验 研究了高围压下矿山尾矿材料的静力和动力特性。初始有效围压从0 1 至 5 8 m p a ，塑性行为一般在较高的围压下，这些测试结果为处于地震活跃带的秘鲁 南部的尾矿设计提供了重要依据。 1 3 2 尾矿化学固结研究现状 国内对尾矿库的研究较多。据不完全统计，有关尾矿库的文献资料分别为： 2 0 0 1 年3 7 篇，2 0 0 2 年4 9 篇，2 0 0 3 年4 4 篇，2 0 0 4 年3 5 篇，2 0 0 5 年4 9 篇，2 0 0 6 年5 4 篇，2 0 0 7 年6 7 篇，2 0 0 8 年9 1 篇，2 0 0 9 年6 1 篇。国内对尾矿化学固结的 研究主要体现在：欧孝夺，曹净【1 0 1 针对广西平果铝尾矿泥浆排放存在的问题， 通过选取合适的化学絮凝剂来加快尾矿泥浆排水，使其得到快速的固结；张去非 n l 从添加絮凝剂种类及数量的角度研究加速尾矿沉降的技术方法。李忠，温秋生 0 2 1 研究了浸金尾渣选铁尾矿中阴、阳离子絮凝剂对细粒尾矿沉降性能及絮凝效 果。陈志友i j ，刘广学1 1 4 】等研究了不同絮凝剂及p h 值对尾矿泥浆的沉降性能的 影响，有效提高了尾矿泥浆沉降速率。曹净【1 5 】【l 卅对尾矿砂土进行了淋滤固结机理 方面的研究，阐述了尾矿砂土在渗透作用力和毛细力作用下的淋滤固结，取得了 很好的效果。 4 广西大学硕士掌位论文尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 1 3 2 尾矿沉降固结研究现状 孙凯年i 1 提出了细粒级尾矿砂沉降计算模型。余任焕【1 8 1 从矿石浮选溶液化学 性质和粒度特性的角度，研究了梅山铁矿尾矿的沉降特性，找到了加速沉降过程 的方法。齐丁丁【1 9 1 研究了温度对细粒尾矿的沉降速率的影响，证明了温度越高沉 降速率越快。谢孔金【2 0 l 通过工程案例，总结了御驾泉尾矿坝坝体沉积尾矿在固结 沉降过程中物理力学性质的变化规律。尹光志、唐建新等 2 1 - 2 3 1 利用物理模型试验 对龙都尾矿库细粒尾矿堆积坝进行加筋加固，获得了加筋坝体与未加筋坝体的破 坏模式，探讨了干滩长度、堆积坝坡度以及浸润线位置对尾矿坝体危险性的影响。 孙国文【2 4 1 从赤泥的沉积条件、赤泥结构、密实度、固结排水抗剪强度入手，研究 赤泥由流体变为固体具有结构强度的固结过程。 1 3 3 尾矿渗流固结研究现状 陈章友【2 5 】考虑固结状态和应力场的不同对渗流场的影响，提出了尾矿坝固结 渗流分析模型和相应的计算方法。柳厚祥【2 6 l 【2 7 】将应力场与渗流场耦合的非稳定渗 流分析，利用弹性力学和渗流理论提出了进行耦合分析的力学模型及其控制微分 方程，首次导出了尾矿渗透系数与应力场的关系式。路美丽【2 8 l 探讨了尾矿坝体内 各层尾矿土渗透系数之比、干滩长度、上下游坝坡、排水出口附近渗透系数变化 等因素对尾矿坝浸润线的特殊影响，提出尾矿坝前期设计中应综合考虑能够降低 浸润线的各种因素，以设计出符合实际的坝型、排渗设施等。杜长学f 2 9 1 通过查明 地下水的渗流特性确定渗漏通道，肯定了渗漏污染是在岩溶地区建立赤泥堆场的 主要环境工程地质问题。宁民霞【3 0 l 提出了渗流与应力相耦合的二维固结渗流分析 方法，进行了系统的理论推导和方案设计，并应用于白雉山尾矿坝的渗流分析。 吴小刚，汪斌【3 1 l 等论证了大变形固结理论在饱和细粒尾矿自重应力下与时间因素 演化过程的适用性。张慧，曹力桥【3 2 j 等总结了数值分析法在设计尾矿土体孔隙水 压力消散试验过程中的预期效果及实际运用。谢孔金，王霞【3 3 j 应用太沙基固结 理论对御驾泉沉积尾矿建立了平面渗流固结模型和相应的偏微分方程，把尾矿土 体的固结与水的渗流有机结合起来，得出可信度很高的数值解。 广西大学硕士学位论文尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 1 3 4 非尾矿土体固结研究现状 近十年来，非尾矿土体固结渗流方面的文献较多。主要采用数值分析的方法 对吹填土、淤泥土体固结渗流作了分析，以及利用土体大变形固结理论、太沙基 固结理论分析了沉降、孔隙水压力的变化，还有通过试验手段对土体进行了加固 和采用微观的手段分析土体固结过程中孔隙变化，揭示固结变形的内在原因。吴 健【3 4 l 、谢新宇f 3 5 1 基于g i b s o n 土体大变形固结方程，推导了土颗粒在静水中的沉 降公式。杨坪，唐益群【3 6 i 同样以大变形理论和离心模型试验为基础对上海临港新 城区冲填土进行了自重固结沉降研究，拟合了冲填土的自重固结沉降与时间关系 方程。赵卫矧3 7 1 研究土体在自重应力下底面不排水沉积厚度与时问的关系曲线， 并且计算了沉积结束后沉降达到稳定的固结时间。谢新宇【3 8 】对土体基本的物理力 学性质做了简化分析，利用h o p - c o l e 变换方法求得了厚层土体在自重应力作用 下的非线性固结问题的完整解析解答。王志亮，吴勇1 3 9 1 假设土体匀质连续，引入 d u n c a n - - w o r t h y 模型，证明了土体的非线性无限单元法解答比有限元解答更灵 活更方便。刘莹，王清【4 0 1 对江苏连云港地区吹填土在静水中的沉积规律和固结特 性做了细致的实验研究，并对试验土体做了微观结构定量分析，为土体的加固提 供了重要理论依据。房后国，刘娉慧【4 l l 等对海积软土固结特性做了微观分析，得 知在固结过程中的土体孔隙随着固结压力的增大，孔隙水的类型、渗透系数、孔 隙水压力、固结系数之间相互影响，相互传递。文海家，张永判4 2 1 对超软土进行 了固结分析，从微观上探讨了孔隙变化规律对宏观软土的渗透、压缩性、孔隙水 压力的消散的影响。江辉煌，赵有明，刘国榭4 3 】进行了深圳湾海底淤泥重塑样固 结及渗透试验，证明在利用大变形固结理论计算时体积压缩系数不能设定为常 数、而大变形固结系数可为常数的解的精确性要求。叶淑君，薛禹群1 4 4 1 分析了上 海过量开采地下水引发的区域地面各土层不均匀沉降特征，对于上海区域地面沉 降模型的验证有着重要意义。刘荣，施建勇，彭功勋【4 5 】对垃圾土进行了固结试验 和沉降试验，获得了其沉降规律及机理，并采用s o w e r s 沉降模型对其进行了计 算，给出了主压缩指数的变化幅度。刘莹，肖树芳，王清【4 6 】在室内开展吹填土量 筒沉积试验和沉降柱试验，测得不同土水比下的土体沉降特征指标，得出吹填土 在静水中沉降由前期的细粒下沉阶段和后期的自重固结阶段。白冰【4 7 1 研究饱和土 层固结度随时间因素的变化过程，进而分析其固结变形的内在原因，最后提出一 6 广西大学硕士学位论文 尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 个描述饱和土体非线性固结变形特征的实用的理论模型。朱斌，陈若曦1 4 8 l 以一维 大变形固结理论为基础，获得了充分反映真空预压土体的固结变形性状的大变形 固结模型。王安明，黄志全【4 9 】建立了一动力排水模型试验的系统测试方法，加深 了动力排水试验的研究。陈云敏，谢焰1 5 0 】建立了一维大孔隙垃圾土的固液气耦合 的固结模型。 综上所述，近几年关于尾矿土的研究主要集中在化学加固、沉降特性、渗流 数值模拟等方面。化学加固主要采用添加絮凝剂的办法使尾矿土颗粒快速沉降， 快速固结；对于沉降模型方面的研究主要采用模型试验的手段，探究尾矿颗粒在 不排水的情况下的沉降及沉降速率规律；渗流方面的研究主要采用数值模拟和求 解渗流方程获得解析解的方式，研究堆场尾矿在固结过程中的渗流场和应力场的 关系；在非尾矿土体固结方面，采用实验手段研究了在不排水条件下量筒中尾矿 颗粒的沉降试验，另外利用模型试验对吹填土及淤泥做了自重排水下的固结特性 研究，试验条件为先进行自重沉降，后将水头保持在固定值再进行排水。然而对 于尾矿在自重沉降和排水同时进行的条件下固结特性的研究鲜有涉及，对赤泥尾 矿的排水固结特性研究至今还未涉及。因此，本文采用机理试验和模型试验研究 赤泥尾矿的排水固结特性，探究多层赤泥在不同荷载下的对应大变形理论中固结 系数的变化规律。 1 4 本文研究内容及研究路线 1 4 1 研究内容 本论文以广西平果铝尾矿赤泥为研究对象，以室内机理试验和模型试验为 手段，模拟赤泥的自重排水固结过程，探讨其沉降、排水随时间的变化规律， 以及多层赤泥之间先后排放的相互影响规律，掌握赤泥固结过程中的实际状态， 用以评估尾矿坝现场的赤泥的固结情况。本论文研究的主要内容为： ( 1 ) 平果铝尾矿赤泥室内机理试验研究。获取赤泥沉降、沉降速率、排水 量、含水量、孔隙比、密度等随时间的变化规律。 ( 2 ) 平果铝尾矿赤泥室内模型试验研究。获得每一层泥浆的表层沉降、分 层沉降、排水量随时间的变化规律，以及加入第二层泥浆本身的沉降及对第一层 表层沉降、分层沉降的影响，加入第三层泥浆本身的沉降及对第一层、第二层表 7 尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 层沉降、分层沉降的影响。之后分别在不同赤泥层取样，做直剪、侧限压缩试验、 变水头渗透试验等，综合分析其内在影响因素。 ( 3 ) 以大变形固结理论为基础，研究不同赤泥层在不同外荷载作用下，赤 泥压缩性、渗透性的变化规律以及对大变形固结系数的影响。 1 4 2 研究技术路线 前期准备阶段 收集资料，查阅文献，制定研究目标及研究内容 1r 调研阶段 现场调研，获取堆场赤泥特征 0 尾矿赤泥物理力学特性测试 基础实验阶段 ( 包括颗粒级配、比重、液塑限、液性指数、塑 性指数、p h 值、矿物组份、化学组份) 尾矿赤泥室内机理试验研究 机 ( 分别堆填两层四种层厚为1 5 0 m m 、2 5 0 m m 、3 0 0 m m 、 理3 5 0 m m 的赤泥浆剑机理试验装置中，测试泥面沉降量及排 试 水量，并观察泥面以上附液的变化情况，获取沉降速率最 验 快的赤泥厚度，为模型试验堆填层厚做准备) 及 士酋 堑i ：p 讥 验 尾矿赤泥室内模型试验研究 阶( 依次堆填三层从现场取旧的赤泥浆到模型试验装置中， 段 布置分层沉降标，测试不同时刻i 古l 结赤泥表层及分层沉降 的沉降量、排水量及裂缝开展情况) i 山 探究赤泥固结过程利用大变形同结理论解释的合理性，同 理论分析阶段 时取模型试验箱中的赤泥做连续压缩、渗透试验，得剑三 层赤泥在外荷载作用下的对应人变形同结系数的变化规律 l 上 t 结论及建议 赤泥吲结沉降变化规律及人变形i 司结系数的变化规律 图卜1 课题技术路线框图 f i g1 - 1 t h et e c h n i c a ll i n ed i a g r a mi nt h i sp a p e r 8 广西大学硕士掌位论文 尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 第二章广西平果铝尾矿赤泥性质 本文选取广西平果铝尾矿赤泥为研究对象，本章首先介绍了平果铝尾矿赤泥 堆场概况，然后对该堆场赤泥土的物质组成、物理化学性质进行了详细介绍。 2 1 广西平果铝尾矿赤泥堆场概况 2 1 1 广西平果铝尾矿堆场地理位置及工程地质概况 广西平果铝尾矿赤泥堆场位于广西壮族自治区被誉为“南国铝都”的百色市 平果县，坐落于新安乡的愣烦屯与平南屯间，其地理坐标为东经1 0 7 。3 47 ，北纬 3 0 。1 97 。该堆场距离平果县工业区东南3k m ，位于南宁至百色高速公路岩溶准 平原南西边缘。尾矿坝区外围有村镇和农田，与右江相距2k m 左右，其基础坝 坝底高于右江河岸。堆场场地呈n v y _ s e 向展布，除东西两端的孤丘外，其它地面 波澜起伏，地坪标高变化于l1 0 0m 1 2 3 0m 之间。地貌上为右江南岸溶蚀准平 原的i 一级剥蚀阶地。场地内有四条季节性干沟，均从落水洞消失，没有直达 右江的溪流。场地出露的地层除第四系外，主要以下三迭统北四组白云质灰岩夹 白云岩、灰岩为主。有十余条小规模的溶沟和3 条规模较大的沟槽。溶洞在堆场 内不甚发育，可见到两处规模甚小的溶洞，且均被粘性土全充填。因此，赤泥堆 场的安全稳定问题很重要。 广西平果铝尾矿赤泥堆场的地理位置如图2 1 所示。 9 广西大学硕士学位论文尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 图2 - 1 广西平果铝尾矿赤泥堆场的地理位置图 f i g2 - 1 t h eg e o g r a p h i cl o c a t i o n so ft h ep i n g g u oa l u m i n u mr e dm u dh e a pi ng u a n g x i 2 1 2 广西平果铝尾矿赤泥堆场堆筑概况 广西平果铝尾矿赤泥坝采用初期坝和子坝相结合的上游法干法堆筑方式，赤 泥从氧化铝沉降车间输送至堆场，堆场库区四周设布料管和支管，通过支管在几 个库区轮流布料，采用周边放矿形式。该堆场共有三期工程。一、二期堆场共包 含1 # 、2 # 、3 # 、4 # 、5 # 五个库区，l # 、2 # 、3 # 库区为外坝排水，4 # 、5 # 库区为 中间排水，库区坡度为1 3 。赤泥排入堆场后，赤泥的特性随着时间的变化 而变化，从赤泥外观情况看，赤泥表面出现一层很薄的硬壳，且出现宽度不一的 裂缝。赤泥堆场平面图及排放、堆积剖面图详见图2 - 2 ，图2 - 3 ，图2 - 4 。 图2 - 2 赤泥堆场平面图 f i g2 - 2 t h ep l a n a rg r a p ho f r e dm u dh e a p 1 0 j - - 西大学硕士学位论文 尾矿赤泥自重固结模拟试验研究 图2 - 3 三级子坝赤泥排放现场 f i g2 - 3 t h ef i e l de m i s s i o no ft h et h i r dd a m 图2 - 4 固结赤泥堆场堆积剖面图 f i g2 - 4 t h ep r o f i l ec h a r to ft h ec o n s o l i d a t i o no ft h er e dm u d 2 2 广西平果铝尾矿赤泥土物理力学特性 2 2 1 尾矿赤泥浆的物质组成 l 、赤泥土粒度成份 本文取平果铝赤泥浆因