謝瑞杰，管 斌，丁 丹，汪丹丹，洪 陽

(1.銅陵市地震局，安徽 銅陵244000；2.安徽省地礦局321地質隊，安徽 銅陵 244000， 3.安徽省地震局，合肥 230031)

尾砂是選礦分選作業(yè)的產(chǎn)物之一，通過堆積處理形成的尾砂庫是重大危險源[1]。隨著城市擴張，尾砂庫對周邊環(huán)境及居民的影響越來越突出。地震砂土液化是指飽和土體在地震力的作用下，受到強烈震動而喪失抗剪強度，由固態(tài)變成液態(tài)的力學過程[2]。尾砂庫在地震作用下極易出現(xiàn)液化現(xiàn)象，導致庫體失穩(wěn)，出現(xiàn)潰庫風險。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，銅陵市地震動峰值加速度分區(qū)值為0.10 g，對應基本地震烈度為Ⅶ度，應對飽和砂土和粉土進行液化判別。本文以銅陵市水木沖尾砂庫為研究對象，采用標準貫入法、靜力觸探法和剪切波速判斷法分析尾砂庫地震砂土液化。

1 項目背景

1.1 工程概況

水木沖尾礦庫位于銅陵市烏木山與小峰山形成的沖溝內(nèi)，屬山谷形尾礦庫，庫容約550萬m3，現(xiàn)壩頂標高約+75 m，庫底地面標高30 m，屬于Ⅲ級庫。水木沖尾礦庫由初級壩、尾礦堆積壩、副壩組成，其中初級壩為透水性堆石壩，壩高21.4 m；尾礦堆積壩采用上游式尾礦筑壩法，堆積壩為三級堆積，平臺寬6 m，標高分別為+57 m，+70 m、+81.5 m；副壩為混凝土壩，壩頂標高+82 m。庫內(nèi)尾砂是由硫化型礦石經(jīng)選礦后的產(chǎn)物，按尾砂粗細依次分為尾粗砂、尾中砂、尾細砂、尾粉砂。

1.2 地震構造背景

水木沖尾礦庫地處安徽省沿江丘陵平原區(qū)，周邊微地貌類型主要有坳谷、坡崗地、低丘(圖1)。本區(qū)地質構造復雜，斷裂發(fā)育，以北北東—北東向和北西向為主，次為近南北向，區(qū)內(nèi)斷裂活動時代主要為印支—燕山期，除洪家巷斷裂和方山—小丹陽斷裂在第四紀早、中更新世有所活動，其余斷裂未見新生代以來活動跡象。從地震活動的時間特征和未來活動趨勢來看，該尾礦庫位于華北地震區(qū)的長江下游—南黃海地震帶內(nèi)[3]，以中強地震活動為主，地震主要發(fā)生在北西與北東向構造交匯部位，該帶自1485年以來有兩個地震活躍期，目前正處于第二活躍期的第三個活躍幕(圖2)。長江下游—南黃海地震帶目前所處活躍期可能還將持續(xù)一段時間，宜以活躍期地震活動水平估計地震帶未來百年地震活動趨勢。

圖1 區(qū)域第四紀地質地貌圖Fig.1 Regional quaternary geology and geomorphology map

圖2 長江下游—南黃海地震帶地震分布圖Fig.2 Seismic distribution map of the lower Yangtze River-South Yellow Sea seismic belt

2 研究方法

砂土液化影響因素主要有土性條件、動荷條件及埋藏條件三類，水木沖尾礦庫內(nèi)尾砂由尾細砂、尾粗砂及尾粉砂組成，各尾砂d50粒徑尾砂一般在0.2～0.25 mm，其中d<0.005 mm的尾砂占比均不足1%，依據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011—2010對砂土液化可能性進行判別，判別存在液化的可能。

2.1 標準貫入擊數(shù)判別法

標準貫入試驗法屬于經(jīng)驗分析法[4-5]，是在分析、統(tǒng)計世界各地廣泛的地震液化震害調查基礎之上建立的經(jīng)驗準則和公式[6]。根據(jù)國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011—2010(2016年版)，當飽和土標準貫入錘擊數(shù)小于或等于液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值時，應判斷為液化土，反之不液化。當飽和土在地面下20 m 深度范圍內(nèi)液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr計算公式如下：

(1)

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，當設計基本地震加速度為0.10 g時，取7；ds為飽和土標準貫入點深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3；β為調整系數(shù)，設計地震第一組取0.8，第二組取0.95，第三組取1.05。

本次對烏木山尾礦庫的6個孔20 m范圍內(nèi)的16個試驗數(shù)據(jù)分析(表1)，結果表明庫內(nèi)地下水水位線以下的尾中砂、尾細砂、尾粉砂在地震作用下易產(chǎn)生液化。

表1 標準貫入試驗砂土液化判別表Table 1 Standard penetration test sand liquefaction discrimination table

2.2 靜力觸探數(shù)據(jù)判別法[7]

根據(jù)工程地質手冊，利用靜力觸探判別砂土液化，可按式(2)計算。當實測值小于臨界值時，可判為液化土，反之則為不發(fā)生液化，計算公式如下：

qccr=qc0αw·αu·αp

(2)

αw=1-0.065(dw-2)

(3)

αu=1-0.05(du-2)

(4)

式中：qccr為飽和土液化錐尖阻力臨界值，MPa；qc0為du=2 m時，飽和土液化判別錐尖阻力基準值，MPa，可按表2取值；αw為地下水位埋深修正系數(shù)，αu為上覆非液化土層厚度修正系數(shù)，dw為地下水位深度，m；du為上覆非液化土層厚度，m；αp為與靜力觸探摩阻比有關的土性修正系數(shù)，可按表3進行取值[8]。

表2 錐尖阻力基準值 Table 2 Reference value of cone tip resistance /MPa

表3 土性綜合影響系數(shù)αp值

本次對烏木山尾礦庫的6個孔實施了12個試驗數(shù)據(jù)分析(表4)，7個判別為不液化，5個判別為液化。

表4 靜力觸探試驗砂土液化判別表

2.3 剪切波速法

剪切波速逐漸發(fā)展成為液化判別的一種基本指標，并形成了不同形式的液化判別式[9]。土體剪切波速在地震工程和巖土工程方面應用較為廣泛，在土體液化勢的判別方面，剪切波速具有測定穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點，同時還存在著相對密度、結構性以及早期應變歷史等使抗液化強度減小的因素。SEED等認為地震動荷載為循環(huán)剪切荷載[10]，飽和砂土在動荷載力的作用下，有效應力為零，砂土抗剪輕度迅速減小，達到液化初始狀態(tài)，加載會使砂土產(chǎn)生剪漲破壞，卸載則產(chǎn)生剪縮破壞，在循環(huán)加卸載過程中，破壞加劇，巖土體失穩(wěn)[11]。

(5)

式中：Vscr為飽和砂土液化剪切波速臨界值，m/s；Vs0與烈度、土類有關的經(jīng)驗系數(shù)；ds剪切波速測點深度，m；dW地下水深度，m。該公式適用于15 m以內(nèi)的飽和砂土和粉土的液化判別。

根據(jù)上式對各孔(孔深15 m以內(nèi)，地下水水位線以下)剪切波速臨界值進行液化判別(表5)，鉆孔位置見圖3。計算結果表明，剪切波速法的判別結果與標準貫入擊數(shù)判別法大體相同，液化主要發(fā)生在地下水位線以下的尾中砂、尾細砂和尾粉砂中。

圖3 鉆孔位置分布圖 Fig.3 Borehole location distribution

表5 剪切波速判別砂土液化結果表

由于基于標準貫入試驗數(shù)據(jù)和基于靜力觸探數(shù)據(jù)判別方法都是基于大量試驗數(shù)據(jù)推導出經(jīng)驗公式，從而進行液化判別，兩種方法在數(shù)據(jù)統(tǒng)計上具有不同程度的數(shù)據(jù)偏差，判別結果可能存在不一致性。通過統(tǒng)計兩種試驗數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)之間存在的數(shù)學關系，進而統(tǒng)一到一種方法上進行判別，判別結果更具有說服力。

3 結論

1)基于標準貫入法、靜力觸探法和剪切波速法等三種方法，烏木山尾砂庫均不同程度出現(xiàn)液化現(xiàn)象，因三種方法鉆孔位置和實驗方法不同，得出的液化結果有所不同。

2)本文研究對象為硫化型礦石經(jīng)選礦后的尾砂采用上游式尾礦筑壩法構建的尾砂庫，不同尾砂和筑壩方法的尾砂庫，砂土液化特性有所不同。政府應按照風險防范等級，對尾砂庫開展安全隱患研究，加強對尾砂庫的安全管理，特別是地震易發(fā)區(qū)域，要做好尾砂庫潰庫次生地震災害應急準備工作。