刘 世 喜

(贵州省交通建设工程质量监督局，贵州 贵阳 550081)

1 概述

贵州属于典型的岩溶山区，岩溶沟谷、洼地极为发育。大型的岩溶沟谷和洼地是天然的尾矿、尾渣的堆弃场地。赤泥是利用铝土矿生产氧化铝过程中产生的一种带碱性泥浆状废弃物[1]。目前我国处理赤泥的主要措施是露天筑坝堆存。赤泥因颗粒细小、含水量大、渗透性差，所以堆存困难，容易产生赤泥堆积体失稳、赤泥坝溃坝、堆场渗漏等灾害，且一旦发生这些灾害将严重影响周围的土壤、水和生态环境。

中铝贵州扎塘赤泥堆场为岩溶山谷型赤泥堆场，于1988年建成投入使用。随着制铝业的高速发展，赤泥的生产量在不断增加，为了有效利用赤泥堆场，就需要充分研究赤泥在不同堆存深度的物理力学特性，为赤泥堆积体的安全稳定计算提供参数[2,3]。因此，本文提出以贵州扎塘赤泥堆场为研究区，开展不同堆积深度赤泥物理力学性质的研究。

贵州扎塘赤泥堆场位于贵阳市白云区曹关村。区域内河流属长江流域乌江水系，地貌上属于黔中岩溶峰丛谷地[4]，主要地层岩性为第四系残坡积层、二叠系栖霞茅口组灰岩、梁山组泥页岩、三叠系大冶组灰岩、安顺组白云岩[5]，具体地层分布如图1所示。

2 样品与实验

赤泥取样利用XY-200型钻机钻探取样，设计ZK1,ZK2两个钻孔，取样深度为50 m。本次实验采用ZK1钻孔样品，取1 m原状样现场密封带回实验做物理力学指标的测试。剩余4 m赤泥扰动样运回实验室后按每5 m分10组摆放，自然风干，碾碎并充分混合，每段取少量赤泥样品用于粒径分析。

实验用的主要仪器有液塑限联合测定仪、烘箱、电子天平、比重瓶、电沙浴、应变式直剪仪、杠杆式压缩仪、激光粒度分布仪等，实验中液限为76 g圆锥体沉入土样中深度为10 mm时所对应的含水量。

3 物理特性

在不同深度范围内赤泥的固相、液相相互作用表现出来的性质有所不同，所以物理性质会产生相应变化，因此，在堆场35 m深度范围内每隔5 m进行一次钻孔取样来分析物理性质指标的变化，主要指标统计见表1。

表1 赤泥物理性质指标

试样编号取样深度/m密度g/cm3比重颗粒中粒径/μm含水率%液限%塑限%塑性指数14.8～5.01.4612.16811.1888.5271.6533.538.15210.0～10.21.4632.6488.4162.1872.7556.3816.37314.8～15.01.4642.9848.2275.1672.1051.5020.60419.8～20.01.4653.38110.1498.5181.0060.0021.00524.8～25.01.7492.85311.3165.9256.0035.5020.50629.8～30.01.5322.49910.2076.7368.0020.5047.50734.8～35.01.5132.96321.6291.3980.5046.5034.00

从表1可以看出，不同深度赤泥的密度在1.461 g/cm3～1.794 g/cm3之间，其中6个样品的密度值都小于1.6，仅有1个大于1.6，在25 m深度，且有从上到下逐渐增大的趋势，在25 m处出现一个峰值，原因可能是由于水动力条件的增强导致的，因为在该场区地下水的埋深大约在20 m，因此，在25 m深度范围由于水动力条件增强，大颗粒的赤泥得到迁移汇聚，使得密度出现了峰值，总体上属于细粒土。土粒比重在2.168～3.381区间范围，其中有4个大于2.76，与粘土相似。颗粒中粒径在8.41 μm～21.62 μm之间，7个样品的值都小于75 μm，属于细粒土。

在不同深度下含水率的值在62.18～98.51之间，数值较大，且在10 m～20 m深度范围出现逐渐升高的趋势，在20 m处出现峰值，在20 m～35 m深度范围又出现逐渐升高的趋势，出现这种分段变化的原因可能是不同期次生产的赤泥颗粒的叠加堆积与场区地下水位的影响引起。

在实际工程中，土的液限和塑限是决定土的工程性质的2个界限含水量。从表1可以看出，赤泥在0 m～35 m深度范围，液限都大于50%，属于高液限土。在0 m～20 m深度范围液限和塑限都有随着深度的增加而增大的规律，在20 m处处于峰值，在20 m以下又出现随着深度的增加而增大的规律。出现这种变化的原因与含水率相同，主要由于堆积期次和地下水埋深引起。从含水性指标可以得出，赤泥在0 m～35 m范围分2段分别出现由上至下塑性状态由硬变软的趋势，这与粘性土的“反剖面”性质相似。

综上所述，赤泥有颗粒细小、密度小、含水率大、液塑限大的物理性质，即有类似粘性土的物理性质。

4 力学特性

4.1 抗剪性

采用应变控制式直剪仪，依次对0 m～20 m深度的4组16个赤泥原状土样品进行直接剪切实验，得到不同堆积深度赤泥样的抗剪强度指标粘聚力C和内摩擦角φ，如表2和图2所示。

表2 抗剪强度指标统计表

从表2可以看出，堆场0 m～20 m深度原状赤泥样的粘聚力在1.83 kPa～7.49 kPa范围，且具有随深度的增加逐渐变小的趋势，这与含水率的变化保持一致，说明赤泥在包气带以内受自重压力和滤水条件的影响下，抗剪强度有逐渐减小的趋势。内摩擦角在9.36°～11.78°范围，变化较小，仅仅相差2.42°，且具有随深度的增加逐渐增大的趋势，但对抗剪强度影响不大。从粘聚力和内摩擦角2个指标总体来看，赤泥的抗剪强度具有逐渐减小的趋势，但总体变化不大，这表明赤泥土体抗剪强度的大小与堆放时间的长短没有直接的关系。

从图2的抗剪强度与垂直压力关系曲线同样可以看出，在不同深度下赤泥的抗剪强度指标粘聚力C和内摩擦角φ变化不大，这表明赤泥抗剪强度的大小与堆放时间的长短没有直接的关系。

4.2 压缩性

采用杠杆式压缩仪法，依次对0 m～20 m深度的3组12个赤泥原状土样品进行固结实验，得到不同堆积深度赤泥样的e—p变化曲线和压缩系数a1-2和压缩模量Es指标，如表3和图3～图5所示。

从表3和图3～图5可以看出，赤泥在5 m深度范围，随着压力的增大孔隙比逐渐减小，且减小的趋势较强。在10 m深度范围，也出现随着压力的增大孔隙比逐渐减小，且减小的趋势较强。在20 m深度范围，也出现随着压力的增大孔隙比逐渐减小，但有减小到一定程度后逐渐趋于稳定的趋势。

表3 不同深度土样固结实验指标统计表

根据固结实验得到的指标，对不同深度赤泥的压缩系数a1-2和压缩模量Es进行计算,其结果见表4。从表4可以看出，随着深度的增加压缩系数逐渐减小，压缩模量逐渐增加，这表明赤泥在包气带范围内随着深度的增加，在自重压力和滤水条件作用下逐渐固结。

表4 不同深度土样压缩指标统计表

综上分析可知，岩溶山谷堆场赤泥的抗剪强度与堆放时间的长短没有关系，压缩性与堆放时间有关，且随着堆放时间的增加，压缩性逐渐减小，即赤泥逐渐被固结。

5 结语

通过对贵州岩溶山谷堆场赤泥的物理力学性质研究得出如下结论：

1)赤泥有颗粒细小、密度小、含水率大、液塑限大的物理性质，且有在包气带物理性质指标会随深度的增加而增大的规律。

2)赤泥有抗剪强度小、压缩性大的力学性质。

3)赤泥的抗剪强度与堆放时间的长短没有关系，压缩性与堆放时间有关，且有随着堆放时间的增加压缩性逐渐减小的规律。