许振华，王晓军，张春虎，查道欢

（1.中国瑞林工程技术股份有限公司，南昌江西 330038；2.江西理工大学，江西赣州 341099）

某铜矿大部分矿体位于广域湖水体之下，开采条件极为复杂，经过多年的开采，特别是历史露天方式民采将大量废石杂填土堆载至矿床周边原始湖泥上方，使临近矿床的湖泥含水量、厚度、形态、赋存位置、力学性质等均产生了变化，进而形成如今的堆载固结湖泥层。其湖泥区域淤泥质土在上覆荷载作用下固结后形成的次生粉质粘土，使其物理力学性质变得极为复杂，主要体现在次生粉质粘土的物理力学性质受土体矿物成分、结构形式和含水率的影响显著[1-3]。目前，国内学者对含水率与固结压力对土体力学性质的影响展开了较多试验与研究[4-7]。黄琨等[8]选择欠固结砂土以不同含水率的重塑土做直剪试验，研究砂土的抗剪强度随含水率的变化规律。邢鲜丽等[9]以黄土为研究对象，利用了三轴固结不排水试验，得出黄土不同含水率下有效残余抗剪强度的变化规律。牛亚强等[10]分析了初始含水状态下冻土的变形与强度关系。在初始含水率较低时，若增加围压，冻结粉质黏土会随之出现应变软化与应变硬化的现象；当初始含水率增加时，对应的初始切线模量伴随围压的增加由线性缓缓增加过渡到抛物线形。边加敏等[11]对黄土进行直剪试验，研究表明随含水率增加粘聚力和内摩擦角变化都呈现降低趋势。卢黎等[12]利用大型直剪试验仪测定碎石土试样在不同含水率状态下的抗剪强度。研究得出，随着含水率的增加，碎石土凝聚力将减少，其变化具有阶段性，且与粉质黏土所占的比例有关；对碎石土的内摩擦角的影响较小。

以上研究的成果主要通过试验分析方法结合非饱和土理论，探究了含水率与固结压力对非饱和的碎石土、砂土及粉质黏土力学参数的影响，但关于含水率对次生粉质黏土力学性质影响的相关研究甚少。因此，针对某铜矿堆载固结湖泥层中次生粉质黏土的特殊工程条件，以不同含水率的次生粉质黏土为研究对象进行直剪试验和固结试验，分析次生粉质黏土的力学特性与演化规律，具有重要的理论和现实意义。

1 工程背景

某铜矿是一个大型多金属矿床，其可行性研究和原湖泥区域岩土工程勘察报告表明：露天开采地表境界面积为148.41×104m2，其中位于湖内的面积约占一半，露天境界内湖泥由上至下可依次分为湖积相黏土、湖积相粉质黏土、湖积相粉土3类，平均湖泥厚度约30m。次生粉质黏土最薄处为1.50 m，厚处为18.10m，平均厚度为6.21m，层面最高处标高为12.97 m，层面最低处标高为-7.90 m，平均标高为4.13 m。由于次生粉质黏土分布广，对后期采矿作业影响明显。因此，展开不同含水率条件下次生粉质黏土的相关物理力学性质研究，具有较强的工程指导意义。

2 试验方法

2.1 材料选取

试验选用次生粉质黏土取样点位于某铜矿区内，依据《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001），采用国家标准取样器（见图1）取土样。在实验之前，根据GYS-2液塑限联合测定仪测定，测定结果为：次生粉质黏土塑限为19.7%，液限为30%，塑性指数为10.3%。利用激光粒度仪分析仪对试样进行粒径分析，粉粒含量（0.005～0.05 mm）占 47.4%，黏粒含量（＜0.005 mm）占52.6%，试样颗粒分析曲线（见图 2）。

图1 次生粉质黏土采样

图2 粒径分布曲线

2.2 试样制备

从现场选取代表性风干土，将土样放在橡皮板上使用木碾碾散，并过0.5 mm筛；将筛后土样拌匀，再测定其含水率。由测定的塑限值来预估最优含水率，制备7种不同含水率（包括大于塑限、小于塑限、接近塑性），其含水率分别为10%、13%、16%、21%、25%、30%、37%。土样平铺于不吸水的盛土盘中，并按不同含水率用喷水设备往土样上均匀洒适量水，拌匀并装入双层塑料袋密封，而后静置24 h备用。每种含水率制备3组对照试验。土样用压样法制备，其中高20 mm，直径为61.8 mm。每小组试验取4个试样，在4种不同垂直压力下进行剪切试验。

2.3 试验仪器与方法

试验选用的仪器包括ZJ型应变控制式直剪仪、全自动气压固结仪等。试验方法如下：

1）直剪试验。每组试样需在对应垂直压力下进行剪切试验，试验分别取垂直压力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切的速率控制在 0.8 mm/min，剪损时间控制在3～5min内。当读数达到稳定，或有显著后退，其剪切变形达到4mm。若读数继续增加，则剪切变形应达到6mm为止。手轮每转1圈，需要同时记录数据直到剪损（见图3）。

2）固结试验。首先施加1 kPa的预压力，确保试样与仪器各部件之间充分接触；再通过调整量表，指针数清零。根据粉质黏土软硬程度来施加第一级压力，再逐次施加各级压力，试件在每级压力下固结24 h稳定后，再记录，依次逐级加至试验结束（见图 4）。

图3 直剪试验

图4 固结试验

3 实验结果分析

3.1 直接剪切试验结果分析

为了展开含水率对次生粉质黏土的内摩擦角与凝聚力特性的影响研究，本文对不同含水率条件下次生粉质黏土进行了快剪试验。凝聚力与内摩擦角是两个重要的力学参数，其中凝聚力为垂直压力（横轴）—剪切强度（纵轴）曲线在纵轴上的截距，内摩擦角垂直压力（横轴）—剪切强度（纵轴）曲线的倾角。对7种不同含水率，进行了84组直接剪切试验，将试验结果通过预处理，得出含水率与次生粉质黏土凝聚力及内摩擦角的关系曲线（见图5）。

图5 含水率对凝聚力和摩擦角的影响

由图5可知，次生粉质黏土含水率小于最优含水率（16.6%）时，凝聚力与内摩擦角随着其增大而减小；其处于最优含水率时，凝聚力与内摩擦角略微增大；而其大于最优含水率小于液限时，凝聚力与摩擦角随着其增大将大幅度下降。其大于次生粉质黏土液限时，凝聚力与内摩擦角数值减幅降缓。

3.2 固结试验结果分析

通过对7种不同含水率进行21组固结试验，可测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，得出粉质黏土含水率—孔隙比曲线（见图6）。

图6 含水率对孔隙比的影响

由图6可知，含水率等于最优含水率时，孔隙比位于极小值，而后孔隙比随着其增大而增大。由此可得出次生粉质黏土在不同含水率条件下压缩系数和压缩模量之间的关系曲线（见图7）。

图7 含水率对压缩系数和压缩模量的影响

由图7可知，含水率在13.5%~21.5%时，次生粉质黏土压缩系数数值较小，并且随含水率的增大略有下降；而后，随着含水率增大，其数值也相应增大。但当含水率大于液限时，其数值增大的幅度有所下降。相应的压缩模量在含水率为13.5%~21.5%时，其数值随着含水率的增大而增大；而后，随着含水率增大，其数值也相应减小。但当含水率大于液限时，其数值减小的幅度有所下降。

4 结论

文中针对不同含水率条件下次生粉质黏土力学特性进行了大量的实验研究，由试验结果分析得到以下结论：

1）通过对7种不同含水率湖相次生粉质黏土的含水率与凝聚力、摩擦角、孔隙比、压缩系数和压缩模量关系曲线分析可知，含水率与与凝聚力、摩擦角、孔隙比、压缩系数和压缩模量均呈现指数型的关系。

2）某铜矿湖相次生粉质黏土的最优含水率为16.6%左右，其数值略小于塑限指标。

3）次生粉质黏土的凝聚力与内摩擦角受含水率的影响较大，随含水率的增加凝聚力与内摩擦角整体协调下降趋势，在接近其最优含水率时下降幅度逐渐减缓，但在最优含水率时凝聚力与内摩擦角明显放缓。

4）通过对次生粉质黏土的孔隙比与含水率关系曲线可知，同样以最优含水率为临界点先减小后增加，处于最优含水率时孔隙比为最小值。含水率处于13.5%～21.5%之间，压缩系数略有下降，压缩模量将增大。但随含水率的增大，压缩系数逐渐增大，压缩模量数值也相应减小。