幅值對尾粉砂強度特性的影響*

吳佳華，胡世麗，桂 勇，張 碩

(1.江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州市 341000； 2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州市 341000； 3.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州市 341000)

0 引 言

尾礦庫填料由單一磨碎礦物堆積而成；初期壩為土石混合壩(設(shè)計為透水堆石壩)，壩體透水性變?nèi)酰叵滤荒苡行蛲馀艥B，浸潤線在初期壩后雍高；堆積壩第1～10級子壩局部出現(xiàn)滲水和沼澤化現(xiàn)象，導(dǎo)致整個尾礦庫強度的偏低，降低了尾礦庫抗震性能[1]。在尾礦庫填筑過程中，往往存在相隔較近的井下爆破開采情況，爆破振動荷載加重了尾礦庫強度降低和液化災(zāi)害發(fā)生，研究振動荷載下飽和尾礦庫填料的孔壓特性和抗剪強度影響規(guī)律，有利于評價尾礦庫的抗液化性能[2-3]。孫悅等[4]對飽和福建標(biāo)準(zhǔn)砂進行了動三軸液化試驗，結(jié)果表明，固結(jié)比對砂土液化有重要影響，孔壓增量與固結(jié)比增量之間呈冪函數(shù)關(guān)系，建立了偏壓固結(jié)下孔壓增量計算公式。王星華等[5]研究了不同固結(jié)比下砂土液化的全過程，研究發(fā)現(xiàn)，在大固結(jié)比下砂土更早進入剪脹，從而抑制了砂土殘余孔壓的累積，導(dǎo)致了極限孔壓的降低；固結(jié)比越大，極限孔壓越來越小。黃博等[6]通過CU剪試驗，采用粉質(zhì)黏土進行了動、靜強度試驗，發(fā)現(xiàn)原狀土在小幅振動后強度略有增大；隨著振幅增大，振后強度低于未經(jīng)歷振動的不排水強度；重塑土振后強度低于靜剪強度。王麗霞等[7]利用低溫靜、動試驗分析了粉質(zhì)黏土在凍土狀態(tài)下動、靜強度的變化規(guī)律，得出了凍土的靜、動強度隨著溫度、含水量及圍壓的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)動、靜摩擦角隨著幅值、振次的增加而減小。潘坤等[8]采用飽和松砂進行動三軸試驗，研究應(yīng)力脈沖幅值和脈沖順序?qū)讐旱挠绊懀Y(jié)果表明，先出現(xiàn)幅值更大的應(yīng)力脈沖更容易導(dǎo)致孔壓上升，同時也更容易誘發(fā)砂土液化。

綜上所述，目前振動荷載下尾礦庫填料強度研究主要集中在固結(jié)土、粉質(zhì)黏土以及孔壓特性等，然而尾礦庫的固結(jié)需要時間，井下爆破開采時，尾礦庫還存在一定范圍的非固結(jié)土或欠固結(jié)土，這部分土的初始強度較低，因此對爆破振動作用下孔壓特性對欠固結(jié)尾礦庫填料強度的影響研究具有重要的意義。本文以福建某尾礦庫填料為研究對象，進行GDS動三軸試驗，分析了在不固結(jié)不排水條件下振動幅值對尾礦庫填料孔壓特性與強度的影響規(guī)律，建立了抗剪強度與幅值的經(jīng)驗公式。本文研究成果加深了對非固結(jié)尾礦庫填料液化性能對強度影響的認(rèn)識，為尾礦庫安全性能評價及井下爆破能量的控制提供了理論依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

對尾礦庫填料采用分層擊樣法制備，試樣尺寸為直徑50 mm、高度100 mm。為使試樣盡可能接近原狀土狀態(tài)，試樣干密度取1.42 g/cm3，含水量取12%。依據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)的要求，同一組試樣含水量差值控制在2%以內(nèi)，干密度差值小于0.03 g/cm3，分5層對試樣進行擊實，控制每層厚度以保證每層的孔隙比相同。試驗前先將試樣用保鮮膜密封后放入養(yǎng)護缸內(nèi)養(yǎng)護24 h，以保證試樣含水量均勻。對尾礦庫填料顆粒篩分試驗，繪制了土顆粒級配曲線，如圖1所示。其中粒徑大于0.075 mm的顆粒含量為59.8%，超過全重的50%，依據(jù)文獻[9]得出該礦樣為尾粉砂。

圖1 土的顆粒級配曲線

1.2 試驗流程

試驗儀器采用英國GDS公司研制的伺服電機控制的三軸試驗系統(tǒng)DYNTTS。采用應(yīng)變控制加載方式，剪切速率為0.5%/min。選擇UU剪條件下進行試驗。選用動三軸儀去模擬這種爆破振動作用下的動應(yīng)力，爆破振動頻率為實際作用頻率，通常采用低頻率，頻率范圍為0.5～4.0 Hz，采用等幅正弦波形式加載，振動頻率為1.0 Hz[10]。通過布置在尾礦庫地表的爆破測振儀接收到的實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)爆破振動波形極短，因此本試驗選取了振次為8，相當(dāng)于地震震級為6.5的情況[11]。振動和剪切過程中控制初始圍壓不變。根據(jù)試驗?zāi)康牟煌瑢柡秃蟮脑嚇臃侄M試驗：第一組3個試樣直接在330，430，530 kPa圍壓下剪切至破壞；第二組在經(jīng)歷振動頻率為1.0 Hz，幅值分別為0.05，0.1，0.2 mm和0.4 mm，振次為8的振動后立即進行剪切試驗。飽和階段采用了3種方法聯(lián)合飽和，分別為二氧化碳飽和、水頭飽和以及反壓飽和，當(dāng)孔壓系數(shù)大于95%時認(rèn)為試樣飽和。由于反壓飽和需保持有效圍壓等于20 kPa，為此判斷其在振動過程中是否完全液化，則需判斷孔壓是否等于20 kPa，當(dāng)孔壓等于有效圍壓20 kPa時，試樣完全液化，強度為0。文中動孔壓、孔壓均指的是孔壓增量。

通過GDS飽和振動三軸試驗可以得到以下主要試驗數(shù)據(jù)[12]：軸向應(yīng)變εa、偏應(yīng)力σd、彈性模量Ed=σd/εa、循環(huán)剪應(yīng)變γ=(1+V)εa、剪切模量Gd=Ed/2(1+V)。對于飽和土，泊松比V可取0.5；土樣內(nèi)45°斜面上的循環(huán)剪應(yīng)力τd=0.5σd。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試樣的破壞形式

本次試驗過程中，礦樣剪切過程中先后出現(xiàn)了2種破壞形式，如圖2所示。即剪切破壞和鼓脹破壞，隨著剪切進行，試樣中部最早出現(xiàn)裂紋，裂紋寬逐漸增大，裂紋斜向發(fā)展，然后迅速發(fā)展到試樣兩端，表現(xiàn)為剪切破壞；幅值越大出現(xiàn)裂紋的時間越短。試驗最后出現(xiàn)向外鼓脹。

圖2 試樣破壞

2.2 振幅對動力特性的影響

2.2.1 動孔壓時程曲線

試驗得到了不同圍壓不同幅值下的動孔壓時程曲線，以圍壓430 kPa動孔壓時程曲線為例，其余結(jié)果類似，如圖3所示。小幅值在0.05～0.10 mm，孔壓時程曲線相接近，土體變形主要為彈性變形，由于彈性變形引起的孔壓可恢復(fù)，因此孔壓發(fā)展比較緩慢；如果增加到振次800，也很難發(fā)生初始液化。中等幅值為0.2 mm，隨著振次的增加，孔壓逐漸增大，但增加速率介于小幅值與大幅值之間，振動到最后沒有出現(xiàn)液化現(xiàn)象；如果繼續(xù)增加振次，應(yīng)變累積，孔壓將隨著振次的增加越來越接近于有效圍壓而出現(xiàn)液化現(xiàn)象。大幅值為0.4 mm，相比中、小幅值，隨著振次的增加，孔壓逐漸增加；在第2個周期內(nèi)，幅值越大曲線越陡峭，孔壓變化速率越快；孔壓比為0.6～0.7，出現(xiàn)初始液化現(xiàn)象，這是因為塑性變形引起孔壓隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加的緣故。綜上所述，孔壓的發(fā)展規(guī)律整體呈現(xiàn)振幅越大，孔壓越大，開始階段孔壓上升越迅速，最后階段上升緩慢。

圖3 動孔壓時程曲線(圍壓=430 kPa)

2.2.2 偏應(yīng)力時程曲線分析

試驗得到了不同圍壓不同幅值下的偏應(yīng)力時程曲線，以圍壓430 kPa偏應(yīng)力時程曲線為例，其余結(jié)果類似，如圖4和圖5所示。偏應(yīng)力隨著循環(huán)應(yīng)變逐漸減低，幅值越大，偏應(yīng)力下降越快。從圖4看出，在小幅值為0.05～0.10 mm時，偏應(yīng)力下降速度比較緩慢，偏應(yīng)力基本呈平緩曲線下降，且隨著循環(huán)應(yīng)變變化曲線接近于重合。從圖5看出，在中幅值為0.2 mm時，隨著振動的進行，偏應(yīng)力下降較快，最后4個周期試樣偏應(yīng)力比較穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)試樣并沒有等于0，而是依然有部分強度。在大幅值為0.4 mm時，偏應(yīng)力下降極快，在前4次循環(huán)，下降速率很快，最后幾圈基本趨于穩(wěn)定，并趨于0，這是試樣出現(xiàn)初始液化現(xiàn)象。在大幅值情況下，土體承受應(yīng)變循環(huán)，有不可恢復(fù)的結(jié)構(gòu)改變，孔壓上升，振動作用于土骨架上的有效應(yīng)力急劇下降，土的強度大幅度喪失。

圖4 偏應(yīng)力時程曲線(圍壓=430 kPa)

圖5 偏應(yīng)力時程曲線(圍壓=430 kPa)

2.3 振后抗剪強度分析

2.3.1 幅值對不排水抗剪強度的影響

在巖土材料領(lǐng)域，有人從不同角度建立強度理論公式[13]，其中特雷斯卡(Tresca)屈服準(zhǔn)則[14]是古典強度理論中最大剪應(yīng)力理論，它不考慮中間主應(yīng)力σ2對抗剪強度的影響，數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

2Cu=σ1-σ3

(1)

式中，Cu為不排水抗剪強度；σ1為軸向應(yīng)力；σ3為圍壓。

試驗得到了不同幅值下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，以幅值為0.05 mm下偏應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為例，其余結(jié)果類似，如圖6所示。根據(jù)特雷斯卡(Tresca)準(zhǔn)則，認(rèn)為試樣中出現(xiàn)的偏應(yīng)力峰值為最大剪應(yīng)力。剪切過程是在動力試樣產(chǎn)生應(yīng)變和孔隙水壓力的基礎(chǔ)上進行，因此應(yīng)變和孔壓初始值均不為0。由圖6可知，試樣偏應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大先增后減，表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變軟化型；隨著圍壓的不斷增大，試樣最大剪應(yīng)力不斷增大。由圖7可知，隨著幅值的增大，不排水抗剪強度降低，經(jīng)過線性擬合，得到經(jīng)驗公式(2)，通過式(2)與式(1)的關(guān)系，進一步推出了幅值與最大偏應(yīng)力的經(jīng)驗公式(3)。

Cu=7.7-16.6A

(2)

Pmax=15.4-33.2A

(3)

式中，Cu為不排水抗剪強度；A為幅值；Pmax為偏應(yīng)力最大值。

圖6 幅值0.05 mm應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖7 不排水抗剪強度與幅值關(guān)系

2.3.2 抗剪強度指標(biāo)的確定

摩爾庫倫強度理論是當(dāng)前工程界應(yīng)用廣泛的強度理論[15]，數(shù)學(xué)表達式如式(4)或式(5)所示。

(4)

τf=c+σtanφ

(5)

式中，c為土體的黏聚力；φ為土體的內(nèi)摩擦角；σ為剪切面上的法向應(yīng)力。

傳統(tǒng)的求三軸試驗的黏聚力和內(nèi)摩擦角的方法是摩爾庫倫理論，然而由于土體物理力學(xué)性質(zhì)差異和試驗本身的誤差，造成試驗結(jié)果出現(xiàn)一定誤差，而且由于人為繪制極限應(yīng)力圓的公切線帶有主觀性。針對這些問題，陳祖煜[16]提出一種更為簡便的求法，是將試驗結(jié)果繪制在p-q坐標(biāo)軸上，如圖8所示。其中p=(σ1+σ3)/2，q=(σ1-σ3)/2，σ1，σ3是剪切過程的偏應(yīng)力峰值對應(yīng)的軸向應(yīng)力與圍壓數(shù)值，p為平均應(yīng)力，即剪切面上的法向應(yīng)力σ；q為不排水抗剪強度，即土的抗剪強度τf，結(jié)合公式(5)的變形公式(6)進行線性擬合，該擬合直線與縱坐標(biāo)的截距為b，直線斜率為tanα，則得到式(7)和式(8)。

p=c+qtanφ

(6)

φ=sin-1(tanα)

(7)

c=b/cosφ

(8)

根據(jù)陳祖煜提出方法，計算出黏聚力和內(nèi)摩擦角，由于不固結(jié)不排水破壞都瞬間發(fā)生，體積變化極小，計算出的內(nèi)摩擦角接近于0，不做分析；繪制了黏聚力與幅值關(guān)系圖，如圖8～圖9所示；隨著幅值的增大，黏聚力逐漸減小。

圖8 p-q關(guān)系圖

圖9 黏聚力與振幅關(guān)系曲線

從圖9看出，隨著幅值的增大，黏聚力逐漸減小直至為0，試樣逐漸喪失穩(wěn)定性而發(fā)生破壞；通過幅值的不斷增大，結(jié)構(gòu)松動越嚴(yán)重，孔壓上升，有效應(yīng)力減小，強度迅速降低；因為試驗是在振動結(jié)束后立即進行剪切，即剪切是在試樣產(chǎn)生應(yīng)變和孔隙水壓力的基礎(chǔ)上進行，因而孔壓上升是一個重要影響因素；通過對黏聚力與幅值的關(guān)系進行線性擬合，相關(guān)系數(shù)在95%以上，得出了經(jīng)驗公式(9)；從圖9可以看出，未振動試樣的強度大于振動后試樣的強度。

c=2.37-5.35A

(9)

式中，c為黏聚力；A為振動幅值。

2.4 強度變化影響因素分析

根據(jù)文獻[9]，振動作用改變了土顆粒的排列形式，對于飽和試樣，孔隙中充滿水，不存在振動壓實；振動作用下，形成一個不平衡的狀態(tài)，黏聚力隨著幅值的增加而降低。飽和試樣的總應(yīng)力等于孔壓與土顆粒產(chǎn)生的有效應(yīng)力之和；振動過程中產(chǎn)生超孔壓，有效應(yīng)力降低，土體結(jié)構(gòu)漸漸喪失穩(wěn)定性，最后發(fā)生破壞。

尾粉砂中顆粒主要成分有極細(xì)砂(0.075～0.25 mm)和粉粒(0.005～0.075 mm)，分別占61%和21%；粉粒透水性小，濕時稍有黏性，遇水膨脹性小，干時稍微有收縮，毛細(xì)水上升高度較快較高，使試樣在振動過程中具有一定結(jié)構(gòu)強度和黏結(jié)強度，限制了孔壓的增長，導(dǎo)致孔壓后期增長緩慢；而一般無黏性砂土在振動過程中開始階段孔壓平緩上升，臨近破壞時才突然升高，兩者破壞形式明顯區(qū)別。蜂窩結(jié)構(gòu)主要由粉粒組成；土顆粒間的相互吸引力大于重力，容易形成土粒鏈，土顆粒通過結(jié)合水膜或膠結(jié)連接而聚在一起，形成土粒鏈，土粒鏈組成弓架結(jié)構(gòu)，形成蜂窩狀的結(jié)構(gòu)；蜂窩結(jié)構(gòu)的土孔隙比較大，但由于弓架作用和一定程度的粒間鏈接，使其可以承擔(dān)一定的水平靜載；但當(dāng)其受到較高的水平荷載或動荷載時，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。

隨著幅值的增加，改變土顆粒間的距離，破壞了土顆粒間的穩(wěn)態(tài)，土顆粒間的引力減小，導(dǎo)致黏聚力的減小，抗剪強度的降低。礦樣為尾粉砂在循環(huán)荷載作用下，強度很弱，這與他人研究成果相一致，認(rèn)為均勻級配的極細(xì)沙和粉砂在循環(huán)荷載作用下強度很弱[17-18]。

3 結(jié) 論

本文對福建某欠固結(jié)尾粉砂進行了振動三軸試驗，采用應(yīng)變控制，研究了幅值對尾粉砂液化特性和強度的影響，得出了如下結(jié)論：

(1) 尾粉砂的偏應(yīng)力隨著振次的增加而降低，其降幅隨幅值的增大而增大。幅值在0.05～0.2 mm，孔壓均達不到有效圍壓；最大幅值0.4 mm下，孔壓比0.6～0.7，且偏應(yīng)力曲線趨于0，故判斷試樣出現(xiàn)初始液化。后期工作將通過保持振次不變，繼續(xù)增加幅值，或保持幅值不變，繼續(xù)增加振次，研究尾粉砂發(fā)生液化時的振次、幅值等相關(guān)具體數(shù)值，來指導(dǎo)工程實踐。

(2) 通過對振動后尾粉砂進行剪切試驗，發(fā)現(xiàn)尾粉砂仍然具有一定抗剪強度，且發(fā)現(xiàn)抗剪強度隨著幅值的增加而降低；幅值為0.4 mm時，雖然出現(xiàn)了初始液化，但仍然具有一定的強度，沒有完全破壞。

(3) 尾粉砂的不排水抗剪強度隨著幅值的增加逐漸降低，隨著圍壓的增大而增大，建立了不排水抗剪強度與幅值經(jīng)驗公式；振后強度均比未經(jīng)歷振動不排水強度值低。

(4) 隨著幅值的增大，尾粉砂黏聚力逐漸降低，建立了黏聚力與幅值的經(jīng)驗公式。剪切過程試樣的破壞形式由剪切破壞發(fā)展為鼓脹破壞，幅值越大出現(xiàn)裂紋越早。

(5) 尾粉砂表現(xiàn)出的動力特性和抗剪強度變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)成分和振動過程孔壓特性密切相關(guān)，振動作用下改變土骨架間的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙改變，孔壓的上升，有效應(yīng)力降低，強度下降。