董致成,王光進,2,李耀基,蔡彬亭,王孟來,李樹建

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650031;2.云南省礦產(chǎn)資源開發(fā)與固廢資源利用國際技術(shù)轉(zhuǎn)移中心,昆明 650093;3.云南磷化集團有限公司,昆明 650600)

0 引 言

尾礦庫是用于堆存礦石選別后剩余尾礦渣的特殊工業(yè)建筑物[1-2]。尾礦庫給礦山企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時也帶來了巨大安全隱患[3]。在地震荷載作用下,尾礦庫中尾粉砂的孔隙水壓力迅速上升,其有效應(yīng)力迅速減小,進而發(fā)生液化現(xiàn)象導(dǎo)致尾礦庫發(fā)生潰壩[4-7]。因此,深入研究尾砂的液化特性并改善尾砂在地震條件下的液化特性對尾礦庫的安全開發(fā)和長期服役極其重要。

眾所周知,纖維作為一種巖土工程加固材料,對提高土的性能(強度和穩(wěn)定性等)起著重要的作用,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖土工程中,特別是斜坡、路堤和水壩[8-9]。Consoli等[10]對不同初始體積比的均勻細砂樣品進行壓縮試驗,研究纖維對細砂抗壓縮性能的影響,又從微觀分析纖維加筋機理。Krishnaswamy等[11-12]對不同尺寸的土工織物加筋土進行大量不排水動三軸試驗,發(fā)現(xiàn)纖維加筋顯著提高土體的抗液化性能。Vercueil等[13]通過對土工織物加筋土體進行動三軸試驗,得出土工織物加筋土體可以起到增強排水的效果,可以加快土體中的孔隙水壓力的消散從而延緩?fù)馏w的液化。Noorzad等[14]在固結(jié)-不排水(CU)條件下進行一系列應(yīng)力控制循環(huán)三軸試驗,研究了隨機分布纖維增強的砂土的抗液化性和剪切模量,考察了纖維含量、纖維長度、相對密度和圍壓等參數(shù)的影響。Festugato等[15]對纖維加筋土進行不排水的循環(huán)三軸試驗,得出纖維加筋土改變了其內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的大小。Zhao等[16]通過動三軸試驗,研究了纖維對砂土性能的影響(動剪切模量和阻尼比),得出了最大動態(tài)剪切模量和阻尼比的經(jīng)驗公式。Jiang等[17]基于耗能原理,計算了聚丙烯纖維加筋鐵尾砂的直接剪切能耗散,并結(jié)合纖維分布模型,基于直剪試驗數(shù)據(jù)得到聚丙烯纖維的界面強度參數(shù)和纖維界面耗能數(shù)學模型。Bao等[18]采用四點彎曲試驗,研究了纖維增強尾砂膠結(jié)復(fù)合材料的彎曲強度和韌性,得出纖維增強尾砂膠結(jié)復(fù)合材料具有多重裂紋、高延性和彎曲韌性等特點。Chen等[19]利用無限壓縮試驗探討了聚丙烯纖維對尾砂膠結(jié)漿料充填料的壓縮性能和微觀結(jié)構(gòu)性能的影響,結(jié)果表明纖維可以增強尾砂膠結(jié)漿料充填料的剛度和延展性。Zheng等[20]研究了玄武巖纖維加筋對尾砂力學性能的影響,并分析了玄武巖纖維與尾礦顆粒之間的微觀結(jié)構(gòu)和界面行為。

一些學者通過三軸壓縮試驗、直剪試驗和掃描電子顯微鏡等探究纖維對土壤或混凝土的強度影響,但對動荷載作用下纖維加筋土的強度變化考慮較少;另一些學者雖考慮到動荷載下纖維加筋土的強度變化,但對纖維加筋尾砂的研究較少,且沒有考慮到纖維長度及摻量對尾砂動力特性的影響?；诖?本文在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上,運用動三軸試驗探究纖維長度及摻量對尾砂抗液化特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為尾礦庫抗震設(shè)計及加固措施提供理論基礎(chǔ),也可為纖維加筋尾砂的相關(guān)研究提供參考。

1 實 驗

1.1 尾砂試樣

試驗所用的尾砂樣品取自中國四川省某鐵尾礦庫,尾砂相關(guān)物理指標如表1所示。尾砂粒徑分布情況如圖1所示,其中小于0.25粒徑占比為89.52%(質(zhì)量分數(shù),下同);小于0.1粒徑占比為40.82%;小于0.075粒徑占比為27.87%,其中粒徑在0.075～0.25 mm的顆粒為該尾礦的主要部分。依據(jù)《尾礦庫設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(GB 50863—2013)[21]中對原尾砂的劃分,因尾礦中尾砂粒徑大于0.074 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%,故界定該尾礦屬于尾粉砂。

圖1 試樣粒徑級配累計曲線Fig.1 Cumulative curve of particle size gradation of samples

1.2 纖維材料特性及樣品制備

通常情況下在金屬或非金屬礦選別后排出的尾礦會以“泥漿”的形態(tài)運輸,其主要成分是尾礦顆粒和水。依礦產(chǎn)種類的不同,“泥漿”通常呈酸性或堿性,并最終堆存到尾礦庫。因此纖維的選取既要考慮其耐酸堿腐蝕性,又要考慮在“泥漿”運輸?shù)倪^程中防止纖維與尾砂脫離,因此纖維的密度是重要因素之一[22]。

玄武巖纖維有著和尾砂較為相近的密度(玄武巖纖維的物理屬性見表2),這避免了在運輸過程中造成的纖維與尾砂脫離現(xiàn)象。其次玄武巖纖維是玄武巖在高溫情況下拉制而成,有著玄武巖本身具有的耐腐蝕的特性,這很好地應(yīng)對了尾砂的酸堿性腐蝕。此外玄武巖纖維的成本低且生產(chǎn)過程對環(huán)境污染小,可在環(huán)境中降解,無危害,是綠色環(huán)保材料?；诖吮疚倪x用玄武巖纖維進行試驗[23]。

表2 玄武巖纖維的物理屬性Table 2 Physical properties of basalt fibers

目前混合玄武巖纖維與尾砂的方式有兩種分別為干式混合法與濕式混合法[24]。干式混合法是將纖維與試樣直接混合攪拌。濕式混合法是加入水再進行攪拌。本文選用的為濕式混合法與干式混合的方式相比,避免了纖維之間的相互糾纏從而引起試樣中纖維分布集中的問題。制備過程如圖2所示,先將玄武巖纖維分散在去離子水中,進行攪動讓纖維隨著水流的帶動分散開,再緩慢加入尾砂一起攪動直到纖維與尾砂充分混合。最后將纖維與尾砂的混合液放入烘箱中溫度調(diào)節(jié)到110 ℃干燥5 h。

圖2 樣品制備流程Fig.2 Sample preparation process

1.3 動三軸試驗

本文運用KTL-DYN10型電磁式動態(tài)三軸儀進行動力試驗,試驗方法遵循《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[25]。試驗樣品依次進行CO2飽和、水頭飽和、反壓飽和,當飽和度達到97%(B>0.97)后再進行相應(yīng)條件下的等壓固結(jié);待固結(jié)完成后,在不排水條件下,施加頻率為1 Hz的循環(huán)荷載進行動力試驗,從而使試樣達到液化。

1.4 試驗方案

為探究動荷載作用下同質(zhì)量分數(shù)不同長度和同長度不同質(zhì)量分數(shù)的玄武巖纖維加筋尾砂抗液化特性的影響規(guī)律,分三組開展動力試驗,試驗方案見表3。

表3 試驗方案Table 3 Experimental scheme

1)未加入纖維的尾砂試樣。

2)相同質(zhì)量分數(shù)不同長度L(3、6、9、12、15、18 mm,見圖3)的玄武巖纖維加筋尾砂試樣(探究纖維長度對加筋尾砂液化特性的影響規(guī)律)。

圖3 不同長度的玄武巖纖維Fig.3 Basalt fibers of different length

3)相同長度不同質(zhì)量分數(shù)(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)的玄武巖纖維加筋尾砂試樣(探究纖維質(zhì)量分數(shù)對加筋尾砂液化特性的影響規(guī)律)。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維加筋尾砂的動三軸試驗結(jié)果

玄武巖纖維加筋尾砂與未加筋尾砂的動三軸對比試驗如圖4所示,纖維加筋尾砂后達到液化所需的振次明顯增多,動孔隙水壓力達到初始有效圍壓的時間增長,即說明尾砂達到液化所需時間增長,可以得出纖維加筋尾砂的抗液化影響顯著。由此表明纖維加筋尾砂可以提高其抗液化強度,但玄武巖纖維本身的性質(zhì)(長度和摻量)對尾砂抗液化效果的影響還需進一步試驗與討論[26-27]。

圖4 未加筋尾砂與加筋尾砂孔壓增長對比Fig.4 Comparison of pore pressure growth between unreinforced and reinforced tailings

2.1.1 不同長度纖維加筋尾砂振動液化規(guī)律

從不同長度纖維加筋尾砂的動孔隙水壓力增長規(guī)律曲線(見圖5(a))中可以得出纖維加筋尾砂孔壓最終都會達到圍壓值,即發(fā)生振動液化。未加筋尾砂與纖維加筋尾砂的區(qū)別在于振動液化次數(shù),動孔壓發(fā)展所需要的時間不同,即纖維加筋尾砂在動荷載作用下達到液化所需時間增長。但纖維長度的增長與振動液化的次數(shù)增加之間并不是簡單的線性關(guān)系,且存在臨界值。在臨界值之前,纖維長度的增長與加筋尾砂達到振動液化的振次呈正相關(guān)。在臨界值之后,纖維長度的增長與加筋尾砂達到振動液化的振次呈負相關(guān)。

圖5 不同長度纖維加筋尾砂試驗結(jié)果Fig.5 Test results of reinforced tailings with different fiber length

在不同長度的纖維加筋尾砂之間的振動液化次數(shù)對比(見圖5(b))中可以看出,纖維長度達到9 mm前后,加筋尾砂達到振動液化的振次呈現(xiàn)為先增加再減少的現(xiàn)象。由此看出9 mm為臨界點,即最優(yōu)長度。值得注意的是,無論是否超過臨界值時纖維加筋尾砂的抗液化性能始終強于未加筋的尾砂抗液化性能。纖維加筋尾砂對其動孔壓增長時間的影響因素可從動孔壓的三個增長階段進一步分析與討論。

從孔壓增長階段(見圖5(c))可看出,每個階段的振動液化次數(shù)都有所增加,即每個孔壓增長階段的所需時間增長。但穩(wěn)定增長階段的增加在三個孔壓增長階段中最為顯著,這說明纖維加筋尾砂達到液化所需動應(yīng)力的持續(xù)時間增長,延長了顆粒之間的有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移為孔隙水壓力的時間。

2.1.2 不同摻量纖維加筋尾砂的振動液化

纖維摻量與長度的變化對增強尾砂抗液化性能有著類似的趨勢。隨著纖維摻量的不斷增加,纖維加筋尾砂達到液化的振次次數(shù)呈先增后減。在臨界值之前,纖維摻量的增加與加筋尾砂達到振動液化的振次也隨之增加。在臨界值之后,纖維摻量的增加與加筋尾砂達到振動液化的振次隨之減少(見圖6(a))。在纖維摻量達到0.3%時,纖維加筋尾砂的振動液化次數(shù)呈先增加再減少的現(xiàn)象。由此可見當纖維摻量占總質(zhì)量的0.3%時,提高尾砂抗液化性能的效果較好,即該摻量為最優(yōu)摻量(見圖6(b))。纖維摻量對孔壓增長階段的影響與纖維長度對其影響效果相似,與未加筋尾砂的三個孔壓增長階段相比,每個階段的振動液化次數(shù)都有所增加,即每個孔壓增長階段的所需時間增長(見圖6(c))。

圖6 不同摻量纖維加筋尾砂試驗結(jié)果Fig.6 Test results of fiber reinforced tailings with different content

2.2 玄武巖纖維加筋尾砂機理分析

2.2.1 纖維表面與尾砂顆粒之間的相互作用

尾砂是一種多孔材料,其內(nèi)部含有大量的微裂隙、孔洞和空隙,未加筋尾砂裂隙與孔隙的微觀形態(tài)如圖7所示。纖維加筋尾礦的微觀形態(tài)與錨索區(qū)域示意圖如圖8所示。玄武巖纖維摻入尾砂以空間三維隨機無序地分布于尾砂顆?？紫吨?相較于未摻入纖維的尾砂,存在尾砂顆粒之間相互接觸以外,還增加了纖維與土骨架顆粒接觸,如圖8(a)所示,從而降低孔隙率,增加尾砂的致密性。纖維與尾砂顆粒形成整體,可以提高尾砂顆粒之間的內(nèi)聚力,如圖8(b)所示。當受外荷載作用時,纖維能有效抑制裂紋擴展的形成和發(fā)展。纖維填充尾砂孔隙或裂隙時可以形成“錨索區(qū)域”如圖8(a)中虛線框部分。圖8(c)為錨索區(qū)域受力示意圖。在錨固作用下纖維能有效地抑制孔隙或裂隙的發(fā)展。此外在受外力條件下,尾砂可以通過纖維進行傳遞應(yīng)力,從而避免應(yīng)力集中問題,提高其骨架的穩(wěn)定性[28-29]。

圖7 未加筋尾砂裂隙與孔隙的微觀形態(tài)Fig.7 Microscopic morphology of cracks and pores in unreinforced tail silt

圖8 纖維加筋尾礦的微觀形態(tài)與錨索區(qū)域示意圖Fig.8 Microstructure of fiber reinforced tailings and schematic diagram of anchor cable area

2.2.2 不同長度和摻量的纖維加筋尾砂液化特性的影響機理分析

玄武巖纖維加筋尾砂可以抑制微裂隙、孔洞擴展的形成和發(fā)展。纖維本身性質(zhì)(長度和摻量)的變化會影響纖維加筋尾砂的抗液化特性。

當玄武巖纖維長度為定值而摻量較小時,纖維加筋尾砂內(nèi)部的摩擦力主要來源于骨架顆粒與骨架顆粒之間,僅有少部分來源于纖維與骨架顆粒之間。因此,纖維加筋尾砂的抗液化效果不明顯。隨著玄武巖纖維摻量增加,更多纖維填充于尾砂顆粒的孔隙中,增大了纖維與尾砂顆粒接觸面積,纖維與尾砂顆粒開始相互包裹?？傮w上纖維與尾砂顆粒之間的接觸產(chǎn)生了較大的摩擦力,也促使了纖維呈三維網(wǎng)狀分布(見圖9)。受外動荷載作用發(fā)生形變時,拉筋拉網(wǎng)現(xiàn)象也抑制了加筋尾砂變形,纖維加筋尾砂抗液化效果顯著提高,加筋作用明顯。隨著玄武巖纖維摻量繼續(xù)增加并超出最優(yōu)摻量以后,尾砂中摻入的部分纖維可能處在漂浮狀態(tài)(見圖10),纖維與尾砂顆粒未能有效接觸,纖維自身可能密集交織,與尾砂顆粒也未能接觸,致使纖維網(wǎng)狀的作用未能發(fā)揮,破壞了加筋尾砂結(jié)構(gòu),纖維加筋尾砂抗液化特性效果降低。

圖10 纖維的漂浮狀態(tài)Fig.10 Floating state of fibers

玄武巖纖維長度與摻量的變化對加筋尾砂抗液化效果的影響情況較為相似。當玄武巖纖維摻量為定值而長度較短時,總體上纖維所提供的比表面積較小,不利于纖維與尾砂之間的相互包裹,不利于形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),故受外荷載作用時纖維易于脫落。隨著纖維長度增加,總體上纖維所提供的比表面積增大,與尾砂顆粒的有效接觸面積也增加,這使得纖維不僅可以纏繞、包裹于尾砂顆粒之間,而且一定程度上纖維相互穿插交織,可以構(gòu)筑尾砂顆粒之間的“橋梁”紐帶。同時,形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也增加了纖維的錨固作用,相互穿插也能更有利于機械互鎖的實現(xiàn),共同作用下大大提高了玄武巖纖維加筋尾砂抗液化強度。當玄武巖纖維長度繼續(xù)增長超出最優(yōu)值時,雖總體上纖維所提供的比表面積也增大,但部分纖維蜷縮彎曲,反而使有效接觸面積減小,使纖維加筋尾砂的抗液化效果降低。

3 結(jié) 論

1)玄武巖纖維加筋尾砂可以顯著提高尾砂的抗液化強度。纖維長度和摻量的變化會影響纖維加筋尾砂抗液化的效果,而且增強尾砂抗液化強度并不是纖維的摻量和長度增加與減少的簡單線性關(guān)系。纖維的長度和摻量都存在著最優(yōu)值,分別為9 mm和0.3%。

2)在動荷載作用下玄武巖纖維加筋尾砂的孔壓增長階段發(fā)生改變。初始增長階段、穩(wěn)定增長階段和破壞階段,三個孔隙水壓力增長階段的振動液化次數(shù)都有所增加,其中穩(wěn)定增長階段的增加在三個孔壓增長階段中最為顯著,從而延長了顆粒之間的有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移為孔隙水壓力的時間。

3)在研究玄武巖纖維加筋尾砂機理方面,纖維加筋尾砂提高抗液化機理為纖維填充尾砂孔隙與裂隙。纖維與尾砂顆粒之間的相互包裹與纏繞,促使纖維與尾砂之間呈三維網(wǎng)狀分布。