尾粉砂動模量阻尼試驗研究

萬大紅 高貴全 代啟亮 趙福民

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650000)

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尾粉砂動模量阻尼試驗研究

萬大紅 高貴全 代啟亮 趙福民

(云南農業大學水利學院，云南 昆明 650000)

通過動三軸液化試驗，研究了尾粉砂在等壓固結和偏壓固結下的一些力學特性，分析了動應變εd，固結壓力σ3c，固結應力比Ed對動模量Ed的影響，得到了阻尼比與動應變的關系,為該尾礦庫二次擴容設計提供了相關的力學特性依據。

尾粉砂，動模量，阻尼比，固結壓力

0 引言

尾粉砂是尾礦渣的主要成分之一，主要是通過筑填或沖填的形式排放在尾礦庫內，主要形成了堆積子壩。一般而言尾礦壩中的粉砂是人工填筑或自然沖積形成尾礦，這樣就有結構組合均勻，有著大空隙小密度的特點。由于未經風化和變質，雖然顆粒比較細，卻塑性較低，在動荷載作用下易發生液化而失去強度，因而在地震荷載作用下極易會形成流體甚至發生潰壩。尾礦能否安全處理不僅與礦庫整體的安全相關，還會給周邊環境及住在下游居民帶來嚴重的威脅。就目前來說，我國許多尾礦庫都已經達到或即將達到使用極限，為了能夠使尾礦庫繼續安全的使用就必須對尾礦庫進行加固和擴容。在這個過程中就必須對尾粉砂一些特性有一定的了解，因此對尾粉砂的試驗研究具有十分重要的實際意義。

1 試驗儀器

主機是DZ78-1型電磁式動三軸儀，激振器在試件的上方，力傳感器在活塞與激振器動圈之間。試件尺寸D×H=50.0 mm×110.0 mm。

拉力傳感器型號BLR-1-型，最大荷載2 kN；孔壓傳感器型號AK-1，航天工業總公司701所產，量程0 MPa～1 MPa；大量程位移傳感器型號(HP-DC-LVDT)DA-10型，小量程位移傳感器型號DA-2，中國水利科學研究設計院研制。

測控系統為北京新技術研究所的DDS-30,動三軸試驗系統。微機信號發生板發出給定信號，經功率放大器放大信號以后輸入主機開始試驗，試驗信號由傳感器→動態應變放大儀→再由數據采集板將數據反饋并儲存于電腦中，然后進行整理分析。

2 試樣

本次試驗選取云南蘭坪縣某尾礦具有代表性的尾礦粉砂樣，尾粉砂的動模量阻尼試驗試樣采用水下裝樣制取。試驗測得，尾粉砂試樣的平均干密度為1.67 g/cm3；試樣直徑50.0 mm,高度110.0 mm。所有試樣均雙面排水固結，尾粉砂歷時1 h，動模量阻尼試樣做6組，等壓固結(Kc=σ1c/σ3c=1.0;σ3c=100 kPa,200 kPa,300 kPa)、偏壓固結(Kc=1.0,1.5,2.0；σ3c=100 kPa,200 kPa,400 kPa)各3組。尾礦砂的顆粒分析成果統計見表1。

3 動模量試驗阻尼試驗結果分析

傳感器將測得的實驗數據要通過放大儀的放大，然后經過數據采集板的采集后儲存在電腦中。動模量Ed為通過滯回圈頂點連線的斜率。

Ed=σd/εd。

其中，σ3c為軸向動應力;εd為軸向動應變。

表1 尾礦砂的顆粒分析成果統計表

阻尼比D：

。

其中，AL，AT分別為滯回圈面積和1/4滯回圈與X軸圍成的三角形面積。

模量比：RE=Ed/Ed0。

依據上述公式繪制曲線εd—Ed,εd—Ed/Ed0,εd—D,見圖1～圖6。

3.1 試驗結果分析

1)動模量Ed與動應變εd成倍呈正相關。如圖1,圖2所示，曲線初期比較平緩，而后變得十分陡峭，最后又回歸平緩，說明εd對Ed的影響是非線性，其中在εd=10-5～10-3較大，而剩下的影響較小。以圖2為例：當動應變εd從10-6增至10-5時，動模量Ed由390.5 MPa，減小到369.5 MPa,減小了5%左右；當εd=10-4時，動模量Ed為204.0 MPa，減小了50%左右；εd=10-3時，動模量Ed為54.0 MPa，減小了10倍左右；εd=10-2時動模量Ed為20 MPa，減小了約20倍。所以，尾粉砂的動模量受動應變水平的影響較大。由于我們常規的試驗儀器能測到的范圍僅僅為εd=10-3～10-4級，因此得出的動模量值比實際值要減小幾倍。

2)動模量Ed與固結壓力σ3c呈正相關。相同應變水平時Ed隨σ3c增加而增加，其規律呈指數形式增長。

其中，Ed0為初始模量；Pa為大氣壓力；σ3c為固結壓力；k在雙對數坐標系統Ed0—σ3c中與σ3c=100 kPa時的Ed0數值相同，但無綱量；n為Ed0—σ3c直線的斜率，見圖7。

3)尾粉砂的動模量Ed與固結應力比Kc呈正相關。粉砂的動模量受初始應力的影響較大，一則由于初始剪應力τf0讓砂粒間相互滑動，增加了粉砂骨架的穩定性；再則粉砂的平均應力σm=1/3(σ1c+2σ3c)也對動模量造成影響，見圖8。

動模量Ed與固結應力比Kc和動應力比R0隨固結與Kc的相關性一樣成正相關，但兩者都不能無限增大。

4)阻尼比D與動應變εd、固結比Kc和圍壓σ3c。通過圖5,圖6可以發現阻尼比與動應變的關系曲線是一條增曲線，說明尾粉砂的阻尼比與動應變之間存在正相關性；但卻不是單一的線性關系。曲線是由緩到急再變緩的過程，說明動應變對阻尼比的影響是由小到大再變小的過程，其中在動應變εd=10-4～10-2是曲線最陡，此段是動應變對阻尼比影響最大的取值段。在阻尼比與動強度的關系曲線中，不同的固結比與圍壓取值相對集中，差值均在0.1以內，說明阻尼比受到固結比和圍壓的影響并不大。

3.2 參數的求取

1)初始動模量Ed0。對于動靜力模型的定義都是假定初始模量Ed0→0，例如經典的Duncan-Chang模型，此時的尾粉砂大多彈性較大，因此我們也稱作彈性或最大模量。由于常規的動三軸試驗能量測的范圍有限(εd=10-3～10-4)，我們常規的方法是在εd/σd—εd相關性的關系曲線中獲取，一般取εd=0處所對應的值即a=1/Edmax。然而就實際工程中的大多數粉砂來說，我們所求取的初始模量Ed0是在粉砂非彈性狀態下取得的，因此這樣就讓初始模量失去了最初的物理意義。由于εd=10-6對應的模量比我們取應變的模量高出了數倍，有時還可能高出10倍之多。因此造成了我國數十年以來在該數據上所取得結果差別較大，計算結果出現明顯的變形的重要原因之一。所以，為了能夠符合我們試驗的物理學意義，無論采取什么樣的試驗方法都必須滿足Ed0都是在εd極小的情況下所取得。

在圖1或在半對數坐標中繪制εd/σd—εd曲線都可以看出，在εd=10-5～10-6范圍內的Ed變化很小。曲線趨于水平，Ed近于常數，表明土體處于彈性狀態，因此取εd=10-6對應的Ed作為Ed0。

2)最大阻尼比Dmax。阻尼比D隨變形增加而增加，見圖3。此次試驗采用Hardin的建議D=Dmax(1-RG)，其中模量比RE由圖3，圖4查得。Dmax的取值是，當εd>10-3時試驗點變化較小，曲線趨于平緩，取其漸進線作為Dmax。

4 結語

1)試驗研究中發現，尾粉砂的動模量與動應變、固結壓力和固結應力比存在十分緊密的相關性。分析研究發現相關性均為正相關，只是其中動應變對模量的影響是非線性，而固結壓力與固結應力比與模量間存在十分明顯的線性關系。

2)尾粉砂的阻尼比與動應變之間有著明顯的正相關性，這種關系是非線性的。

3)尾粉砂的阻尼比與固結圍壓和固結比相比而言沒有明顯

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Tail of silt damping dynamic modulus

Wan Dahong Gao Guiquan Dai Qiliang Zhao Fumin

(YunnanAgriculturalUniversity,CollegeofWaterConservancy,Kunming650000,China)

Through tri-axial liquefaction test, the paper studies some chemical properties of tail-silty sand under equal pressure and bias pressure consolidation, analyzes the impact of dynamic stressεd, consolidated pressureσ3cand consolidated stressEdupon dynamic modulusEd, and obtains the relationship between damping ratio and dynamic stress, which has provided relevant mechanical property basis for expanding and designing secondary tail-silty pond.

tail-silty sand, dynamic modulus, damping ratio, consolidation pressure

1009-6825(2017)11-0067-03

2017-02-09

萬大紅(1990- )，男，在讀碩士； 高貴全(1968- )，男，教授； 代啟亮(1983- )，男，碩士，講師; 趙福民(1993- )，男，在讀碩士

TU441.4

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