飽和尾礦粉土動力特性試驗研究①

譚凡1,2， 饒錫保1,2， 黃斌1,2， 王占彬1,2， 徐言勇1,2

(1. 長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010； 2. 水利部巖土力學(xué)與工程重點試驗室，湖北 武漢 430010)

摘要：通過動三軸試驗研究某尾礦粉土的動強度特性與孔壓特性，試驗在圍壓100、200和300 kPa與固結(jié)比1.0和2.0條件下進(jìn)行。結(jié)果表明：(1)在循環(huán)荷載作用下, 等壓固結(jié)時飽和尾礦粉土全部液化；偏壓固結(jié)時飽和尾礦粉土未發(fā)生液化；(2)各向等壓固結(jié)時，選取雙幅動應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)；偏壓固結(jié)時，選取總應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)；(3)圍壓越大，-Nf曲線越高，動剪應(yīng)力比與破壞振次Nf在對數(shù)坐標(biāo)圖上表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，可以采用對數(shù)函數(shù)來擬合-Nf關(guān)系曲線；(4)固結(jié)應(yīng)力條件相同時，動應(yīng)力σd 變化對尾中砂的孔壓增長ud/σ0-N/Nf 關(guān)系曲線基本上沒有影響；固結(jié)應(yīng)力比Kc一定時，固結(jié)圍壓σ3越大，-N/Nf關(guān)系曲線越高；(5)尾礦粉土孔壓發(fā)展模式在等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)時不同，固結(jié)比Kc = 1.0時，可采用冪函數(shù)表達(dá)式來描述尾粉土孔壓發(fā)展；固結(jié)比Kc =2.0時，可用對數(shù)函數(shù)來模擬其發(fā)展。

關(guān)鍵詞：尾礦粉土； 動力特性； 動強度； 動孔壓

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：國家自然科學(xué)青年基金(51309027)

作者簡介：譚凡(1986-)，男，碩士，主要從事土動力學(xué)等方面的研究。E-mail：664313174@qq.com。

中圖分類號:TU43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0772

Experimental Study of the Dynamic Characteristics of Tailings Silts

TAN Fan1, 2, RAO Xi-bao1, 2, HUANG Bin1, 2, WANG Zhan-bin1, 2, XU Yan-yong1, 2

(1.YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,Hubei，China;

2.KeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineeringoftheMinistryofWaterResources,Wuhan430010,Hubei，China)

Abstract：Based on dynamic triaxial tests conducted on tailings silts under different consolidation conditions, the dynamic strength, and developing characteristics of dynamic pore water pressure of tailings silts were studied. The cell pressures used were 100, 200, and 300 kPa, and the consolidation ratios were 1.0 and 2.0. The results indicated that saturated tailings silts underwent liquefaction under isotropic consolidation conditions and did not experience liquefaction under anisotropic consolidation conditions. The failure criterion under the isotropic consolidation condition was the 5% double amplitude strain condition, and the criterion under the anisotropic consolidation condition was the 5% total strain condition. and Nf of different cell pressures could not be normalized. and Nf could be described by a logarithmic function.-N/Nf was the same.-N/Nf.When the consolidation ratio was Kc = 1.0, the pore pressure developed characteristics that could be described by a power function, and the pore pressure developed characteristics under Kc = 2.0 that could be described by a logarithmic function.

Key words： tailings silts; dynamic characteristics; dynamic strength; dynamic pore pressure

0引言

尾礦是由金屬或非金屬礦山開采出的礦石，經(jīng)選礦廠選出有價值的精礦后產(chǎn)生的像細(xì)砂或粉土一樣的細(xì)粒“廢渣”，而尾礦庫是礦業(yè)為堆存尾礦所修建的構(gòu)筑物系統(tǒng)[1]。尾礦壩是尾礦庫的主要構(gòu)筑物，我國許多尾礦壩位于地震高烈度區(qū)，地震時易產(chǎn)生液化。以往地震引起尾礦庫的液化、裂縫以及沉降等問題時有發(fā)生， 其中以上游尾礦壩的震害較多。 因此， 現(xiàn)在在地震高烈度地區(qū)新建尾礦壩和現(xiàn)有尾礦壩加高的設(shè)計時皆需要對其動力穩(wěn)定性進(jìn)行分析， 尾礦料的動力特性試驗研究具有十分重要的實際意義。

尾礦材料與一般土體材料不同，它們通常處于飽和的疏松狀態(tài)，顆粒較細(xì)，比重較大，由于顆粒組成、礦物成分等因素的影響，它們看似穩(wěn)定，實際上對擾動非常敏感，在地震中很容易發(fā)生液化和破壞性變形[2]。尾礦料按其粒徑組成可分為砂性尾礦、粉性尾礦和黏性尾礦。粉性尾礦(即尾粉土)是指粒徑小于0.075 mm，顆粒質(zhì)量不超過總質(zhì)量的50%，且塑性指數(shù)不大于10的尾礦料[3]。目前關(guān)于尾礦材料的研究主要集中在砂性尾礦[4-9]，而同樣作為尾礦壩筑壩材料的尾礦粉土[10]，其動力特性試驗研究成果卻較少。樊鵬斐[1]通過動三軸試驗研究了尾礦粉土的動力力學(xué)特性，獲得了在動力條件下細(xì)粒尾礦土的變形破壞規(guī)律和動力力學(xué)特性指標(biāo)及其相互關(guān)系；張超[6-7]研究了尾礦粉土的動力變形特性和動強度特性。尾粉土的土質(zhì)特性與砂土不同，特別是顆粒組成和孔隙中薄膜水的物理化學(xué)作用，其動力特性與砂土有明顯差異，動強度及動荷載作用過程中孔隙水壓力的增長模式與尾砂土也有很大差別。本文擬通過對尾礦粉土進(jìn)行不同初始應(yīng)力狀態(tài)下的動強度試驗，確定尾礦粉土的動強度破壞標(biāo)準(zhǔn)，得到細(xì)粒尾礦土的動強度特性及孔壓發(fā)展規(guī)律，以期為尾礦壩設(shè)計時進(jìn)行抗震穩(wěn)定性計算分析提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗試樣和設(shè)備

試驗所用尾礦料取于某一尾礦庫。土料比重為2.89，塑性指數(shù)為8.9。試驗試樣尺寸為φ39.1 mm×H80 mm，采用擊實法制備，制樣干密度為1.70 g/cm3，試樣分三層擊實，單層擊實達(dá)到試驗密度后對層面進(jìn)行刨毛，再進(jìn)行下一層擊實。采用抽氣飽和結(jié)合反壓飽和的方法,對飽和試樣的孔隙水壓力系數(shù)B值進(jìn)行檢驗，達(dá)0.95以上后進(jìn)行試驗。

圖1　尾礦粉土級配曲線 Fig.1　Grading curve of tailing silts

動力試驗采用英國GDS全自動多功能動三軸儀，如圖2所示。設(shè)備循環(huán)荷載激振頻率為0～5 Hz，動荷載波形可選擇正選波、三角波和自定義波形進(jìn)行試驗，本次試驗采用正弦波。

圖2　英國GDS動三軸試驗儀器 Fig.2　The GDS dynaminc triaxial testing instrument

2試驗方案

本次動力試驗采用等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)研究不同應(yīng)力狀態(tài)條件下的尾礦粉土的動力特性。試驗固結(jié)應(yīng)力比Kc選取1.0和2.0，每個固結(jié)應(yīng)力比下圍壓為100、200和300 kPa，每個應(yīng)力狀態(tài)選取3～4個不同的動應(yīng)力進(jìn)行試驗。試樣飽和完成后在一定的應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后在不排水條件下施加一定的動應(yīng)力進(jìn)行試驗。

3試驗結(jié)果

3.1尾礦粉土動力試驗基本特性

尾礦粉土在動荷載作用下的應(yīng)變和孔壓發(fā)展受固結(jié)比影響較大。固結(jié)比為1.0時，隨著動荷載的作用,孔壓逐漸上升，并最終達(dá)到周圍壓力；總應(yīng)變在開始階段增長較慢，當(dāng)孔壓上升到到0.8～0.9倍σ3時總應(yīng)變快速增長；試樣雙幅應(yīng)變與振次關(guān)系曲線呈S型，隨著動荷載的作用,雙幅應(yīng)變快速增長，當(dāng)孔壓到達(dá)圍壓值后雙幅應(yīng)變值基本保持不變(圖3)。

圖3　尾礦粉土動力試驗曲線 (σ 3=100 kPa,K c=1.0) Fig.3　Dynamic tests curves of tailing silts 　　　(σ 3=100 kPa,K c=1.0)

偏壓固結(jié)時，在荷載作用的初始階段,孔壓逐漸上升，并最終趨于一個小于圍壓的穩(wěn)定值。相同固結(jié)條件下，循環(huán)動荷載越大,孔壓穩(wěn)定值越大，偏壓固結(jié)條件下孔壓穩(wěn)定值約為0.5～0.8σ3；試樣總應(yīng)變隨著動荷載作用呈直線增長；雙幅動應(yīng)變發(fā)展模式與孔壓曲線較為相似，隨著試樣孔壓的提高，土樣有效應(yīng)力降低，動模量減小，雙幅動應(yīng)變增大，最終趨于穩(wěn)定(圖4)。

圖4　尾礦粉土動力試驗時程曲線(σ 3=100 kPa, 　　　K c=2.0) Fig.4　Time-history curves of tailing silts in dynamic tests 　　　(σ 3=100 kPa,K c=2.0)

3.2尾礦粉土動強度破壞準(zhǔn)則

動強度是一定振次作用下達(dá)到某一破壞標(biāo)準(zhǔn)時所需的動應(yīng)力，動強度試驗中，合理地確定破壞標(biāo)準(zhǔn)是試驗和成果整理的基礎(chǔ)。目前動強度試驗破壞標(biāo)準(zhǔn)主要包括孔壓標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，孔壓標(biāo)準(zhǔn)是土樣累積孔隙水壓等于圍壓即可判為發(fā)生破壞，但由于粉土孔壓發(fā)展具有延遲，孔壓標(biāo)準(zhǔn)在實際操作中很難實現(xiàn)；在周期荷載作用下，粉土孔隙水壓的上升必然會導(dǎo)致有效應(yīng)力的下降,從而使抗剪強度降低。以雙幅應(yīng)變或總應(yīng)變達(dá)到某一值作為破壞標(biāo)準(zhǔn)稱為應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，但在實際操作中破壞應(yīng)變也需要通過分析成果合理選取。為了合理確定尾礦粉土的破壞準(zhǔn)則，整理了各向等壓固結(jié)條件下雙幅動應(yīng)變與孔壓比的關(guān)系曲線(圖5)和偏壓固結(jié)條件下的總應(yīng)變與孔壓比的關(guān)系曲線(圖6)。在各向等壓條件下孔壓比與雙幅應(yīng)變關(guān)系曲線存在比較明顯的拐點，開始階段孔壓隨著雙幅應(yīng)變增大快速增長，達(dá)到拐點后孔壓增長緩慢，拐點雙幅應(yīng)變值為1.0%～3.0%;當(dāng)雙幅動應(yīng)變達(dá)到3.0%～5.0%時，孔壓基本穩(wěn)定;雙幅總應(yīng)變達(dá)到5.0%時孔壓比范圍值為0.95～1.0。偏壓固結(jié)下，當(dāng)總應(yīng)變達(dá)到5%后孔壓趨于穩(wěn)定，增長較小。

圖5　雙幅應(yīng)變-孔壓關(guān)系曲線 (σ 3=100 kPa,K c=1.0) Fig.5　Double amplitude strain-pore pressure relationship 　　　 curves (σ 3=100 kPa,K c=1.0)

圖6　總應(yīng)變-孔壓關(guān)系曲線(σ 3=100 kPa,K c=2.0) Fig.6　Total strian-pore pressure relationship curves 　　　 (σ 3=100 kPa,K c=2.0)

根據(jù)對試驗成果的分析，本次試驗破壞標(biāo)準(zhǔn)為：固結(jié)比為1.0時，當(dāng)雙幅應(yīng)變達(dá)到5%時，孔壓基本穩(wěn)定，且孔壓比大于0.95，取雙幅應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)；偏壓固結(jié)時，總應(yīng)變值達(dá)到5%時孔壓基本穩(wěn)定，取總應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

3.3尾礦粉土動強度特性

式中：A、B為測定的參數(shù)。

圖7　破壞振次與動剪應(yīng)力比曲線 Fig.6　τd/σ’0-Nf curvs

圖8　動孔壓比與振次比關(guān)系曲線 Fig.8　ud/σ’0-N/Nf curves

3.4尾礦粉土動孔壓特性

各向等壓固結(jié)時，分別采用Seed孔壓模型與冪函數(shù)描述尾粉土的的動孔壓發(fā)展。Seed各向等壓孔壓模型[11]公式為：

式中：θ為試驗參數(shù)，大多數(shù)情況下取0.7[11]，本次試驗取2.0擬合效果最好。對比試驗點與擬合曲線(圖9)，Seed模型在孔壓比大于0.5后擬合效果較差，孔壓的發(fā)展模式與冪函數(shù)較為接近，采用冪函數(shù)擬合效果相對于Seed模型較好。冪函數(shù)公式為：

式中：A、B為試驗參數(shù)，本文中A、B分別取0.975與 0.522。

圖9　Seed公式與冪函數(shù)擬合動孔壓比與 　　　振次比關(guān)系曲線 Fig.9　u d/σ ′ 0-N/N f curves fitted by Seed formula and 　　　 power function

圖10　對數(shù)函數(shù)擬合動孔壓比與振次比關(guān)系曲線 Fig.10　ud/σ’0-N/Nf curves fitted by logarithmic function

式中：A、B為試驗參數(shù)，本文中A=0.422，B=0.083。

4結(jié)論與建議

通過對飽和尾礦粉土進(jìn)行動力試驗，研究尾礦粉土的動強度與動孔壓特性。結(jié)論與建議如下：

(1) 在循環(huán)荷載作用下, 等壓固結(jié)時飽和尾礦粉土基本上全部液化；偏壓固結(jié)時飽和尾礦粉土未發(fā)生液化。

(2) 各向等壓時，當(dāng)尾礦粉土雙幅動應(yīng)變達(dá)到5%時，孔壓已經(jīng)穩(wěn)定，且基本達(dá)到圍壓值，選取雙幅動應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)；偏壓固結(jié)時，當(dāng)總應(yīng)變達(dá)到5%時尾粉土孔壓基本穩(wěn)定，選取總應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 尾粉土孔壓發(fā)展模式在等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)時不同，固結(jié)比Kc =1.0時，可采用冪函數(shù)表達(dá)式來描述尾粉土孔壓發(fā)展；固結(jié)比Kc=2.0時，可用對數(shù)函數(shù)來模擬尾粉土孔壓發(fā)展。

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