李 琳，趙 程,2*，白彪天，于仕才，周 健,2

(1.同濟大學 土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；3.四川長園工程勘察設(shè)計有限公司，四川 成都 610063；4.上海中建東孚投資發(fā)展有限公司，上海 200120)

鎳礦作為一種重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，需求不斷上升。我國散裝精鎳礦的進口量逐年增長，其主要運輸方式是海上運輸。鎳礦在儲存和運輸過程中，往往存在中心層溫度過高、粉塵飛揚等問題，需要人為噴水來解決。精粉礦散貨自身含水量、露天存放時遭受雨淋及噴水措施等因素導致在其運輸過程中發(fā)生流態(tài)化的可能性增加[1-2]。我國曾發(fā)生過多起因運載精粉礦導致的沉船事故，帶來船毀人亡的重大損失[3]。鎳礦由于顆粒粒徑很細，且黏粒含量較高，其流態(tài)化機理與其他礦粉等存在顯著差異[4-7]，很多學者對其流態(tài)化風險及特點進行了單獨研究[8-10]。這些研究為鎳礦流態(tài)化的振動臺模型試驗提供了參考。而對于鎳礦發(fā)生流態(tài)化的機理，目前研究尚屬于初步探討階段。當前國際上關(guān)于礦粉流態(tài)化判別的方法主要是將礦粉含水率值與流動水分點進行比較，認為只有其含水率大于流動水分點時，礦粉才有可能發(fā)生液化[11]。諸多學者就流動水分點的測定方法進行了研究[12-13]。但考慮細粒含量對鎳礦流態(tài)化的影響，目前對鎳礦流態(tài)化的判別并不十分完善。

本文基于室內(nèi)可視化小型振動臺模型試驗，利用數(shù)字圖像采集和分析系統(tǒng)，分析了在縮尺條件下鎳礦流態(tài)化演化歷程及形成機理，確定了鎳礦試樣在較不利加速度下的流態(tài)化臨界含水率，探討了影響鎳礦流態(tài)化的關(guān)鍵因素，最后提出了新的鎳礦流態(tài)化判別方法，并分析了流盤試驗所得流動水分點(Flow Moisture Point，F(xiàn)MP)的可靠性。本研究擬從源頭上對散裝鎳礦流態(tài)化風險進行有效判定，具有重要的工程意義。

1 振動臺模型試驗

1.1 試驗材料

鎳礦顆粒粒徑很細，且其中黏粒含量較高，難以制備多種級配的鎳礦，因此鎳礦流態(tài)化模型試驗只采用一種級配的鎳礦，研究其在較不利工況下發(fā)生流態(tài)化的臨界含水率。試驗所用鎳礦由上海出入境檢驗檢疫局提供，取自上海羅涇碼頭自由堆場。基本物理力學性質(zhì)見表1，其中FMP為流動水分點，TML(Transportable Moisture Limit)為適運水分限量。

表1 鎳礦基本性質(zhì)

1.2 試驗裝置

由于海浪運動的隨機性，船舶在其作用下的運動通常也是隨機的。為了使分析計算更為方便，可以假定海浪的運動是規(guī)則及穩(wěn)定的，那么在其作用下，船舶運動則可以認為是由簡諧運動組成的，該計算結(jié)果同樣具有參考價值[14]。試驗通過教研室自主研發(fā)的室內(nèi)小型振動臺[15]對模型箱施加水平往復簡諧荷載，以此來模擬在波浪作用下船舶的水平橫搖[16]。

試驗?zāi)M5.7×104t級散貨船在5艙均勻裝載時精粉礦散貨的堆載情況。由模型相似設(shè)計的基本原則，首先確定模型幾何尺寸的相似比為1/25；其次，考慮重力加速度g的近似模擬，質(zhì)量密度的相似關(guān)系為1；最后，根據(jù)量綱分析的π定理確定相似規(guī)律推導出的室內(nèi)振動臺模型試驗的相似系數(shù)如表2所示。

表2 室內(nèi)模型試驗的模型相似比

根據(jù)模型相似比，設(shè)計模型箱長66 cm，寬32 cm，高40 cm。為了便于觀測，在模型高度方向設(shè)置橫向標志砂，每層間隔10 cm，在長度方向中間位置設(shè)置豎向標志砂。試驗在模型箱一側(cè)設(shè)置高清數(shù)碼相機實時記錄精粉礦流態(tài)化宏觀演化過程，觀測流態(tài)化發(fā)生發(fā)展全過程中的礦體變形。試驗中采用孔隙水壓力傳感器采集全過程孔隙水壓力的變化，采樣方式和采樣頻率等都通過計算機進行控制，采樣頻率設(shè)定為50 Hz。鎳礦模型及水壓傳感器在礦體內(nèi)的布置如圖1所示。

圖1 鎳礦模型及孔壓測點布置圖Tab. 1 The physical parameters of nickel ore

1.3 試驗設(shè)計

(1) 試驗方案

根據(jù)課題組前期的研究成果[8]，影響鎳礦流態(tài)化特性的關(guān)鍵因素為含水率和加速度，因此在試驗中將其作為主要控制變量。根據(jù)上海出入境檢驗檢疫局提供的資料[17]顯示，波浪譜的特征頻率一般為0.1～1 Hz，本試驗按較不利情況，設(shè)計頻率為1 Hz。實測資料表明，散裝鎳礦貨船在載運時，艙內(nèi)鎳礦的橫向加速度幅值范圍為0.16～0.42 g。為了獲得偏安全的臨界含水率，取較不利的加速度工況進行試驗，不考慮鎳礦在加速度為0.1～0.3 g的情況。試驗設(shè)計施加在試樣上的加速度值分別為0.4和0.5 g，對應(yīng)振幅分別為82和99 mm。具體方案如表3所示。

表3 模型試驗方案

(2) 試驗過程

為了精確控制試樣含水率并保證合適的相對密實度，本試驗采用分層濕搗法均勻配置鎳礦試樣，將鎳礦在110 ℃的烘箱里烘置24 h，待充分烘干后，根據(jù)設(shè)計含水率配置所需試樣，將配置好的試樣分10層裝樣，控制每層試樣的密實度相同。為使鎳礦內(nèi)部含水率保持充分均勻，裝樣后于鎳礦表面鋪設(shè)濕毛巾，并靜置1 h。準備工作完成后，啟動振動臺施加振動荷載，最大振動周數(shù)為600次，當試驗中發(fā)生明顯流態(tài)化破壞現(xiàn)象后即停止振動臺振動。

2 試驗結(jié)果分析

本次試驗所用的鎳礦，按照土力學分類，屬于粉質(zhì)粘土，其黏性很高，其流態(tài)化機理主要從宏觀現(xiàn)象、分層含水率、孔隙水壓力三個方面進行探討。

2.1 鎳礦流態(tài)化現(xiàn)象

試驗以是否出現(xiàn)破壞變形與滑動面為依據(jù)來判定是否出現(xiàn)流態(tài)化。表4為五組鎳礦模型試驗的試驗結(jié)果。當含水率較小，鎳礦不發(fā)生流態(tài)化，鎳礦礦體在試驗過程中基本不發(fā)生變形；當含水率較大，鎳礦發(fā)生流態(tài)化時，鎳礦礦體喪失強度，在振動荷載作用下產(chǎn)生大變形。鎳礦由于污染玻璃面的原因，側(cè)面宏觀現(xiàn)象并不能很直觀地反應(yīng)鎳礦的流態(tài)化發(fā)展過程，這需要在后續(xù)研究中繼續(xù)優(yōu)化試驗方案。但在試驗過程中，可以實際觀測到其流態(tài)化發(fā)展規(guī)律。

表4 模型試驗結(jié)果

圖2和圖3為第5#組試驗鎳礦在振動前后宏觀現(xiàn)象的對比圖?？梢钥吹剑囼炃霸诘V體內(nèi)設(shè)置的三道橫向標志砂在試驗結(jié)束后基本不可見，由于礦體發(fā)生了大變形，導致標志砂與礦粉混合在了一起，而在表面可以看到在部分地方出現(xiàn)較大的張拉裂縫，并且左邊出現(xiàn)了隆起，右邊出現(xiàn)了塌陷。在試驗過程中可以觀測到流態(tài)化發(fā)展過程仍是頂部先破壞，出現(xiàn)圓弧滑動面，并逐漸向下發(fā)展。在整個試驗過程中沒有表現(xiàn)出明顯的水分遷移現(xiàn)象。

圖2 5#試驗鎳礦流態(tài)化現(xiàn)象正視圖Fig.2 The front view of nickel concentrate ore’s fluidization

圖3 5#試驗鎳礦流態(tài)化現(xiàn)象俯視圖Fig.3 The top view of nickel concentrate ore’s fluidization

2.2 分層含水率規(guī)律

在試驗結(jié)束后，測定了鎳礦的分層含水率分布，來探究鎳礦在振動荷載作用下的水分遷移規(guī)律。圖4為各組試驗中鎳礦分層含水率沿模型高度方向分布的變化情況，橫坐標表示含水率值，縱坐標表示模型的高度。其中，第1#、2#、3#、4#四組試驗中鎳礦未發(fā)生流態(tài)化，第5#組試驗中鎳礦發(fā)生了流態(tài)化。

圖4 鎳礦試驗后分層含水率Fig.4 Moisture contents at different layers after tests

比較各組試驗中分層含水率的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，對于鎳礦來說，無論是否發(fā)生流態(tài)化，其含水率分布均表現(xiàn)為從上往下均勻分布，含水率的離散型較大。其主要原因為鎳礦細粒中黏粒含量較多，因此導致其滲透性非常低，在振動荷載作用下礦體內(nèi)水分基本不發(fā)生遷移。

2.3 孔隙水壓力規(guī)律

在鎳礦模型試驗中，測定了兩個測點的孔隙水壓力隨振動荷載的變化情況，關(guān)于孔隙水壓力測點布置情況見圖1。圖5為第1#、2#、4#、5#組試驗中鎳礦在振動荷載作用下孔隙水壓力的時程曲線。比較各組試驗可以發(fā)現(xiàn)，當鎳礦未發(fā)生流態(tài)化時，孔隙水壓力未發(fā)展；當含水率較大，鎳礦發(fā)生流態(tài)化時，孔隙水壓力有小幅發(fā)展，但其值很小，頂部孔壓甚至出現(xiàn)了負值，說明在鎳礦中由于黏粒含量較大，同時試驗又處于非飽和狀態(tài)，因此在鎳礦中存在負孔壓，但由于其飽和度較高，所以負孔壓很小。而由分層含水率規(guī)律可知在試驗過程中水分基本不發(fā)生遷移，因此在試驗過程中孔壓基本不發(fā)展。

圖5 鎳礦孔隙水壓力時程曲線Fig.5 The pore pressure curves of nickel concentrate ore

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鎳礦是否發(fā)生流態(tài)化和孔壓發(fā)展無明顯關(guān)系。鎳礦在動力荷載作用下會發(fā)生流態(tài)化的主要原因是其顆粒粒徑非常細小，比表面積很大，導致顆粒之間產(chǎn)生界面活性等膠體特性，從而在顆粒表面形成吸著水層，進而導致鎳礦形成非常復雜的絮狀構(gòu)造。在振動荷載作用下，絮狀構(gòu)造被破壞，鎳礦強度逐漸降低，產(chǎn)生振動軟化，進而導致流態(tài)化。因此，鎳礦發(fā)生流態(tài)化的主要原因是在高含水率下發(fā)生了振動軟化。

3 鎳礦流態(tài)化判別

當前礦粉流態(tài)化判別的主要方法是比較其含水率值與流動水分點(FMP)的大小，只有當含水率大于FMP時，才認為其可能發(fā)生流態(tài)化。目前流動水分點的測定方法主要包括流盤試驗法、針入度試驗及盧梭飽和度試驗法。本文借鑒土力學相關(guān)知識，基于細粒含量對鎳礦流態(tài)化的影響，提出一種新的確定鎳礦流動水分點的方法，將其與流盤試驗法進行比較，進一步完善鎳礦流態(tài)化判別方法。

Bray J D[18]于2006年提出的細粒土液化初判標準，通過考慮不同的塑性指數(shù)(PI)，建立了確定細粒土是否流態(tài)化的三條準則：(1)當PI<12時，只有當ωc/LL>0.85時，細粒土才可能發(fā)生液化；(2)當120.8時，細粒土才可能發(fā)生液化；(3)當180.8時，才認為鎳礦可能發(fā)生流態(tài)化，將以此標準確定的含水率作為鎳礦流態(tài)化的臨界含水率。

計算臨界含水率時還需考慮，土力學中含水率指的是水的質(zhì)量和固體質(zhì)量的比值，而海運中含水率指的是水的質(zhì)量和固體與水總質(zhì)量的比值，因此在研究過程中需區(qū)分這兩種含水率，以ωc指代土力學中含水率，以ωs指代海運含水率。公式(1)和公式(2)給出了兩種含水率的計算方法，聯(lián)合公式(1)和(2)，可以得出ωc與ωs之間關(guān)系如式(3)所示，將其代入上述標準，即ωs/((1-ωs)LL)>0.8時，鎳礦可能發(fā)生流態(tài)化。因此，鎳礦發(fā)生流態(tài)化的臨界含水率公式如式(4)所示。

ωc=mw/ms

(1)

ωs=mw/(ms+mw)

(2)

ωc=ωs/(1-ωs)

(3)

(4)

結(jié)合以上分析，通過試驗測出鎳礦流態(tài)化的液限，即可計算出其流態(tài)化臨界含水率。表5為室內(nèi)模型試驗、計算、流盤試驗三種方法所得臨界含水率。比較結(jié)果可以看出，對于高細粒含量的鎳礦，通過計算所得臨界含水率為38.1%，傳統(tǒng)流盤試驗所得的FMP為36.6%，而試驗所得的臨界含水率區(qū)間為38%～39%。計算所得含水率位于試驗臨界區(qū)間內(nèi)，因此，該方法適用于高細粒含量的鎳礦的流態(tài)化臨界含水率確定，而傳統(tǒng)的流盤試驗結(jié)果相對偏保守。

表5 臨界含水率比較

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)模型試驗，研究了鎳礦在振動荷載作用下的流態(tài)化規(guī)律，分析了其流態(tài)化演化過程，確定了鎳礦試樣流態(tài)化臨界含水率，借鑒含細粒土液化的判別方法，提出了鎳礦流態(tài)化的判別方法。主要得到以下結(jié)論：

1) 散裝鎳礦流態(tài)化演化歷程：其發(fā)生流態(tài)化時滑動面首先出現(xiàn)在礦粉頂部，并逐漸向下遷移，最終形成礦體整體左右滑移狀。

2) 含水率是影響鎳礦礦粉流態(tài)化形成的關(guān)鍵因素，鎳礦存在含水率臨界值，高于該含水率時，鎳礦會發(fā)生流態(tài)化，低于該含水率時，鎳礦不會發(fā)生流態(tài)化。

3) 鎳礦由于黏粒含量很高，其在振動過程中水分基本不發(fā)生遷移，孔隙水壓力也基本不發(fā)展，其發(fā)生流態(tài)化的主要原因是高含水率條件下發(fā)生了振動軟化。

4) 通過測定鎳礦的液塑性指標，提出了其流態(tài)化的判別方法。計算得到的流態(tài)化臨界含水率與模型試驗結(jié)果基本一致。對于鎳礦這種高細粒含量的試樣，通過流盤試驗測定的FMP值在實際中偏保守。