飽和尾礦粉土動力特性試驗研究①

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. 長江科學院，湖北 武漢 430010； 2. 水利部巖土力學與工程重點試驗室，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與固結比1.0和2.0條件下進行。結果表明：(1)在循環荷載作用下, 等壓固結時飽和尾礦粉土全部液化；偏壓固結時飽和尾礦粉土未發生液化；(2)各向等壓固結時，選取雙幅動應變達到5%作為破壞標準；偏壓固結時，選取總應變達到5%作為破壞標準；(3)圍壓越大，-Nf曲線越高，動剪應力比與破壞振次Nf在對數坐標圖上表現出良好的線性關系，可以采用對數函數來擬合-Nf關系曲線；(4)固結應力條件相同時，動應力σd 變化對尾中砂的孔壓增長ud/σ0-N/Nf 關系曲線基本上沒有影響；固結應力比Kc一定時，固結圍壓σ3越大，-N/Nf關系曲線越高；(5)尾礦粉土孔壓發展模式在等壓固結和偏壓固結時不同，固結比Kc = 1.0時，可采用冪函數表達式來描述尾粉土孔壓發展；固結比Kc =2.0時，可用對數函數來模擬其發展。

關鍵詞：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：國家自然科學青年基金(51309027)

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

中圖分類號:TU43文獻標志碼：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，經選礦廠選出有價值的精礦后產生的像細砂或粉土一樣的細粒“廢渣”，而尾礦庫是礦業為堆存尾礦所修建的構筑物系統[1]。尾礦壩是尾礦庫的主要構筑物，我國許多尾礦壩位于地震高烈度區，地震時易產生液化。以往地震引起尾礦庫的液化、裂縫以及沉降等問題時有發生， 其中以上游尾礦壩的震害較多。 因此， 現在在地震高烈度地區新建尾礦壩和現有尾礦壩加高的設計時皆需要對其動力穩定性進行分析， 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，顆粒較細，比重較大，由于顆粒組成、礦物成分等因素的影響，它們看似穩定，實際上對擾動非常敏感，在地震中很容易發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，顆粒質量不超過總質量的50%，且塑性指數不大于10的尾礦料[3]。目前關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特性，獲得了在動力條件下細粒尾礦土的變形破壞規律和動力力學特性指標及其相互關系；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行不同初始應力狀態下的動強度試驗，確定尾礦粉土的動強度破壞標準，得到細粒尾礦土的動強度特性及孔壓發展規律，以期為尾礦壩設計時進行抗震穩定性計算分析提供科學依據。

1試驗試樣和設備

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，單層擊實達到試驗密度后對層面進行刨毛，再進行下一層擊實。采用抽氣飽和結合反壓飽和的方法,對飽和試樣的孔隙水壓力系數B值進行檢驗，達0.95以上后進行試驗。

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。設備循環荷載激振頻率為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和偏壓固結研究不同應力狀態條件下的尾礦粉土的動力特性。試驗固結應力比Kc選取1.0和2.0，每個固結應力比下圍壓為100、200和300 kPa，每個應力狀態選取3～4個不同的動應力進行試驗。試樣飽和完成后在一定的應力狀態下進行固結，固結完成后在不排水條件下施加一定的動應力進行試驗。

3試驗結果

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變和孔壓發展受固結比影響較大。固結比為1.0時，隨著動荷載的作用,孔壓逐漸上升，并最終達到周圍壓力；總應變在開始階段增長較慢，當孔壓上升到到0.8～0.9倍σ3時總應變快速增長；試樣雙幅應變與振次關系曲線呈S型，隨著動荷載的作用,雙幅應變快速增長，當孔壓到達圍壓值后雙幅應變值基本保持不變(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定值。相同固結條件下，循環動荷載越大,孔壓穩定值越大，偏壓固結條件下孔壓穩定值約為0.5～0.8σ3；試樣總應變隨著動荷載作用呈直線增長；雙幅動應變發展模式與孔壓曲線較為相似，隨著試樣孔壓的提高，土樣有效應力降低，動模量減小，雙幅動應變增大，最終趨于穩定(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則

動強度是一定振次作用下達到某一破壞標準時所需的動應力，動強度試驗中，合理地確定破壞標準是試驗和成果整理的基礎。目前動強度試驗破壞標準主要包括孔壓標準與應變標準，孔壓標準是土樣累積孔隙水壓等于圍壓即可判為發生破壞，但由于粉土孔壓發展具有延遲，孔壓標準在實際操作中很難實現；在周期荷載作用下，粉土孔隙水壓的上升必然會導致有效應力的下降,從而使抗剪強度降低。以雙幅應變或總應變達到某一值作為破壞標準稱為應變標準，但在實際操作中破壞應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則，整理了各向等壓固結條件下雙幅動應變與孔壓比的關系曲線(圖5)和偏壓固結條件下的總應變與孔壓比的關系曲線(圖6)。在各向等壓條件下孔壓比與雙幅應變關系曲線存在比較明顯的拐點，開始階段孔壓隨著雙幅應變增大快速增長，達到拐點后孔壓增長緩慢，拐點雙幅應變值為1.0%～3.0%;當雙幅動應變達到3.0%～5.0%時，孔壓基本穩定;雙幅總應變達到5.0%時孔壓比范圍值為0.95～1.0。偏壓固結下，當總應變達到5%后孔壓趨于穩定，增長較小。

圖5　雙幅應變-孔壓關系曲線 (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　總應變-孔壓關系曲線(σ 3=100 kPa,K c=2.0) Fig.6　Total strian-pore pressure relationship curves 　　　 (σ 3=100 kPa,K c=2.0)

根據對試驗成果的分析，本次試驗破壞標準為：固結比為1.0時，當雙幅應變達到5%時，孔壓基本穩定，且孔壓比大于0.95，取雙幅應變達到5%作為破壞標準；偏壓固結時，總應變值達到5%時孔壓基本穩定，取總應變達到5%作為破壞標準。

3.3尾礦粉土動強度特性

式中：A、B為測定的參數。

圖7　破壞振次與動剪應力比曲線 Fig.6　τd/σ’0-Nf curvs

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

3.4尾礦粉土動孔壓特性

各向等壓固結時，分別采用Seed孔壓模型與冪函數描述尾粉土的的動孔壓發展。Seed各向等壓孔壓模型[11]公式為：

式中：θ為試驗參數，大多數情況下取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，孔壓的發展模式與冪函數較為接近，采用冪函數擬合效果相對于Seed模型較好。冪函數公式為：

式中：A、B為試驗參數，本文中A、B分別取0.975與 0.522。

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

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

式中：A、B為試驗參數，本文中A=0.422，B=0.083。

4結論與建議

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

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

(2) 各向等壓時，當尾礦粉土雙幅動應變達到5%時，孔壓已經穩定，且基本達到圍壓值，選取雙幅動應變達到5%作為破壞標準；偏壓固結時，當總應變達到5%時尾粉土孔壓基本穩定，選取總應變達到5%作為破壞標準。

(5) 尾粉土孔壓發展模式在等壓固結和偏壓固結時不同，固結比Kc =1.0時，可采用冪函數表達式來描述尾粉土孔壓發展；固結比Kc=2.0時，可用對數函數來模擬尾粉土孔壓發展。

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