飽和尾礦料動力變形特性的試驗研究

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 阮元成1 郭新2
上傳時間:2006/2/22 14:17:00

摘要:介紹對兩種飽和尾礦料(尾礦砂和尾礦泥)的動力變形特性進行的一系列試驗研究。試驗结果表明,飽和疏松的尾礦料具有敏感的不穩定結構,在往返加荷條件下,同一種尾礦料對于不同的固結比,其壓力效應的試驗結果可以近似地用同一條直線來表示。在固結應力條件和振動次數一定時,飽和尾矿料的殘余軸應變隨動剪應力比的增大而增大,其變化规律不僅在雙對數坐標中呈線形關系,而且,在較小的動剪應力比變化範圍內试樣就會因殘余軸應變的迅速增大而進入破壞狀態。

關鍵詞:尾礦料 動力變形特性 礦物成分

  我國現今的尾礦壩大部分都是用上遊法建造的。這些尾礦壩以及尾礦庫中的尾礦料,通常處於飽和的疏松狀態,顆粒較細,比重較大,由於顆粒組成、礦物成分等因素的影响,它們看似穩定,实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,S.G. Vick指出[1]:“迄今所報道的所有在地震中發生流動破壞的尾礦壩都是用上遊法建造的。”不僅是設計和建造方法使得當前我國已建的尾礦壩有不少具有潛在的危險,而且,為了节省占地費和居民的動遷費,減少環境汙染,有的礦山工業還在廢棄的尾矿庫上建起了高達百米左右的排土場,排土場的地基大部分是位於水下的尾礦料,这些飽和的尾礦料在地震情況下的动強度、動變形、液化特性以及穩定性,都是需要進行试驗研究的問題。迄今為止,對於尾矿料動力特性的研究,我国雖然已經開展了一些工作,並取得了一些成果,但是,和天然土料的研究成果相比,還遠遠不夠,可參考的尾礦料動力特性的資料還比較少,特別是礦石的種類繁多,礦物的化学成分復雜,進一步增加了對尾礦料研究的難度。另一方面還存在着人為的社會因素,由於對于尾礦料的研究和尾礦坝的建造,需要投入大量的經費,這種投資要加到礦業的成本上,從某些方面看又無法收回,這就使得不少的礦業部門對於這方面的研究主動性不夠。加強對尾礦料動力特性的研究,開展對尾礦壩和廢棄尾礦庫的利用工作,對於節省投資、減少環境汙染,保障工程的安全,具有重要的社會意義和現實意義。
  作者通過對飽和尾礦料的一系列試驗,研究了尾礦料在往返加荷條件下的動力變形特性,對用尾礦料充填的地基土層不同于天然地基的某些現象進行了分析和討論,所得結論,可為尾礦壩設計和廢棄尾矿庫的開發利用提供依據。

1 試验土樣、儀器與方法

  试驗所用尾礦料取自一個鐵礦的尾礦庫。該尾礦庫中的尾礦料大致可分為兩種,尾礦砂和尾礦泥,大部分位於水下,处於較為疏松的飽和狀態。尾礦砂的比重為2.88,平均相對密度約為0.49,中間粒徑約為0.058mm,屬顆粒較細的尾粉砂,其中還含有少量的尾細砂,主要成分是石英,不均勻系數為4.1,屬於不良級配;尾矿泥的比重為2.84,飽和含水量為34.9%,孔隙比为0.99,中間粒徑約為0.006mm,根據液限和塑限試驗結果,其液限為29.2%,塑限為23.0%,塑性指數只有6.2,按塑性圖分类,屬於尾粉土,由顆分曲線可知,顆粒中小於0.005mm的粒徑含量為39%,在顯微鏡下觀察,其顆粒中石英含量較多,粘土礦物顆粒較少,礦物成分具有尾礦砂的特點,試驗中發現,它的親水性很弱。由現場地質勘測资料分析,試驗中所用的尾礦砂和尾礦泥,試樣制備幹密度分別取為1.55g/cm3和1.43g/cm3,顆分曲線見圖1。
  尾礦料的動力殘余軸應變试驗采用DSZ-100型電磁式動三軸儀和S-3-D型液壓式動三軸儀。電磁式動三轴儀,試樣尺寸為50mm×100mm,最大側向应力為0.5MPa,最大軸向應力為1.0MPa;液压式動三軸儀,試樣尺寸為100mm×210mm(Kc=1)和100mm×230mm(Kc=2),該儀器的最大側向應力為1.5MPa,最大軸向應力為7.6MPa,以上兩種動三軸儀的循環荷載激振頻率均選用1Hz,試驗的激振波形采用正弦波。尾礦料的動剪模量和阻尼比試驗是在DTC-158-1型共振柱儀上進行的。該儀器為底端固定、上端附有質量塊的彈簧阻尼系統。儀器的最大侧向應力為1MPa,最大軸向應力為25MPa,可測試的剪應變幅範圍為10-6~2×10-3,試樣尺寸為50mm×100mm,有關參数和波形可通過儀器系統顯示、記录並進行處理。
  尾礦料動三軸試驗的原理和方法以及共振柱試驗的方法和資料整理按《土工試驗規程、SL237-1999》进行[2]。試驗全部采用飽和試樣。除尾礦砂在DSZ-100型電磁式動三軸儀上進行動力殘余軸應變試驗时采用煮沸飽和水下裝樣外,其余試驗均采用幹裝法,控制幹密度裝好幹樣後進行真空抽氣,然後由底部通入脫气水進行飽和,使孔隙水压力系數B值達到0.97以上。飽和後在一定的固結應力條件下排水固結,而後,施加不同的動應力進行試驗。 免費論文下载中心 http://www.hi138.com 2 動剪模量和阻尼比

  
動剪模量與阻尼比特性試驗是動力反應分析的基本依據之一,這些關系反映了在動荷載作用下土的應力应變關系的非線性與粘滯性特征。本項研究采用共振柱儀微小应變測試系統進行動力變形特性試驗,分別测定了尾礦砂和尾礦泥的動剪模量与阻尼比,試驗中動剪應變幅的測試範圍為10-62×10-3

饱和尾矿料动力变形特性的试验研究

饱和尾矿料动力变形特性的试验研究

  2.1 壓力效應 通过共振柱的壓力效應試驗,分別得出尾 礦砂和尾礦泥的最大動剪模量Gmax与平均有效主應力σ′0=(σ′1+σ′3)/2的關系曲線,如圖2所示。在雙對數坐標中,最大動剪模量Gmax與平均 有效主應力σ′0之間為直線關系,可以用如下的冪函數形式表示[3]

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(1)

1 尾礦砂和尾礦泥的動剪模量系數C與指數n

現場命名

按照規範命名

幹密度
/(g·cm-3)

Kc

C

n

尾礦砂

尾粉砂

1.55

1
2

687.19
649.30

0.4350
0.4144

尾礦泥

尾粉土

1.43

1
2

457.72
426.31

0.4397
0.4750

式中:Pa為大氣壓力,Gmaxσ′0Pa采用同一量綱,動剪模量系數C與指數n由試验確定,尾礦砂和尾矿泥的試驗結果列於表1
  
從图2中可以看出,無論是尾矿砂或者是尾砂泥,對於同一種尾礦料,在等壓固結(Kc=1)和偏壓固结(c=2)時壓力效應的試驗結果非常接近。在固結比相同的情況下,尾礦砂和尾礦泥的動剪模量指數n也是較為接近的,但是,這兩种料的動剪模量系數C值還是有差別的,尾礦砂大约是尾礦泥的1.5倍左右,這種差別主要是由它們的顆粒组成和礦物成分等因素的不同造成的。

2.2
應變效應 通過共振柱的應變效應試驗,分別給出了尾礦砂和尾礦泥在偏壓固結Kc=2、侧壓力σ′3分別為100kPa200kPa500kPa900kPa時的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ、阻尼比D与動剪應變幅γ的關系曲線,為了进行比較,同時還給出了尾礦砂和尾礦泥在等壓固结Kc=1、側壓力σ′3900kPa時的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ、阻尼比D與動剪應變幅γ的關系曲線[4],如圖3~圖6所示。可以看出,對于尾礦砂來說,當動剪應變幅γ<10-5時,由於試樣基本上處于彈性狀態,不同初始應力条件下試樣的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ的關系曲線差別不大,當γ≥10-5之后,試樣的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ的關系曲線出現一個带形區域,在這個區域內,對於同一个動剪應變幅γ,動剪模量比G/Gmax隨側壓力σ′3的增大而增大,也就是說,γ=10-5是不同初始应力條件下試樣的動剪模量比GGmax與動剪應變幅γ關系曲線是否出現差別的分界點;而對於尾礦泥,由於顆粒組成和礦物成分的差別,更容易產生殘余變形,所以,該分界點大約是在3×10-6左右。從圖中還可以看出,無論是尾礦砂或者是尾礦泥,當动剪應變幅γ<10-4時,對於同一種尾礦料,不同初始應力条件下試樣的阻尼比D與動剪應变幅γ關系曲線差別不大,當動剪應變幅γ≥10-4之後,試樣的阻尼比D與动剪應變幅γ的關系曲線也出現了一個帶形區域,在這個区域內,對於同一個動剪應變幅γ,阻尼比Dσ′3的增大而減小,也就是說,γ=10-4基本上是不同初始應力條件下試樣的阻尼比D與動剪应變幅γ關系曲線是否出現差別的分界點。以上的試驗结果說明,動剪應變幅γ對於動剪模量的影響比對於阻尼的影響更為敏感一些。通過比較可以得出,由於尾矿砂和尾礦泥的顆粒組成和礦物成分等因素的不同,在相同的初始應力條件下,对於同一個動剪應變幅γ值,這兩種料的動剪模量比G/Gmax和阻尼比D都有所不同,一般來說,當侧壓力σ′3<500kPa,動剪應變幅γ>10-4時,尾礦砂的动剪模量比G/Gmax高於尾礦泥,而阻尼比D比尾礦泥低。

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3 動力殘余變形特性

  根據動三軸試驗結果,分別整理出了尾礦砂和尾礦泥在不同固結應力条件和動剪應力作用下尾礦料的残余軸應變εpa與動剪應力比Δτ/σ′0的關系曲線,如圖7和圖8所示。圖中,Δτ為试樣45°剪切面上的动剪應力,σ′0=(σ′1+σ′3)/2為試樣45°剪切面上的有效法向應力,σ′1σ′3分別為試樣固結時的大、小主應力,ρd為試樣的幹密度,N為振动次數。從圖中可以看出,尾礦料的殘余軸應變εpa與固結應力條件(σ′Kc)和往返加荷條件(ΔτN)等有关,在固結應力條件和振动次數N一定時,殘余軸應變εpa隨動剪應力比Δτ/σ′0的增大而增大。由於飽和的尾礦料對於振動荷载非常敏感,當試樣受到振动荷載作用時,較小的动應力就會使試樣進入塑性变形階段,一旦進入塑性變形階段,在較小的動剪應力比範圍內試樣就會因殘余軸應變εpa的迅速增大而進入破壞状態,在等壓條件下,這種現象尤為突出。側壓力σ′3對殘余軸應變εpa與動剪應力比Δτ/σ′0關系的影響,在等壓固結Kc=1时不太顯著,但是在偏壓固結Kc=2時還是有影響的,對於同一种尾礦料,在相同的動剪應力比作用下,側壓力σ′3越大,殘余軸應變εpa也就越大。
  
对尾礦砂和尾礦泥來說,無論是等壓固結還是偏壓固結,在固結應力條件和振動次數N一定時,殘余軸應變εpa隨动剪應力比Δτ/σ′0的發展變化,在雙對數坐標中均呈線形關系。由於飽和尾礦料對於振动荷載具有特別的敏感性,動剪應力比的變化範围較小,根據試驗結果,殘余軸应變εpa与動剪應力比Δτ/σ′0的關系可用冪函數形式近似表示如下:

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7 尾礦砂殘余軸应變與動減力比的關系

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2

經轉换可得

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3

式中:Km分別是以σ′3KcN為參變數的系數和指数,由試驗結果確定,等效振次Neq=612時不同固結應力条件下尾礦砂和尾礦泥的系数K和指數m值分別列於表2。殘余轴應變εpa以百分數計,動剪应力Δτ和有效法向應力σ′0采用相同的量綱。

2 尾礦砂和尾礦泥的殘余軸應變系數K與指數m

現場命名

規范命名

幹密度
/(g·cm-3)

KC

σ′3/kPa

Neq=6

Neq=12

K

m

K

m

尾礦砂

尾粉砂

1.55

1

≤900

0.212

0.077

0.14

0.187

2

100-200

1.104

0.383

0.18

0.928

500-700

1.181

0.530

0.08

1.240

尾礦砂

尾粉砂

1.43

1

≤900

0.248

0.090

0.15

0.215

2

100-200

0.315

0.145

0.15

0.300

500-700

0.429

0.246

0.11

0.560

从表2可以看出,尾礦泥和尾礦砂的殘余变形特性既有相近的特征,又有一些差別。由於尾礦泥中石英含量較大,親水性弱,飽和含水量超過液限,塑性指數較小,其礦物成分和尾砂砂有著一定的近似性,它們都具有非常敏感的不穩定結構,所以,無論是尾礦砂或者是尾礦泥,在等壓時不同側壓力條件下的殘余變形特性沒有顯著的差別,其殘余軸應變系數和指數都較為接近。但是,由於尾礦泥和尾礦砂的顆粒級配不同,其礦物成分也不完全相同,在偏壓Kc=2的條件下,這兩種尾矿料之間的殘余軸應變系數和指數還是有所不同的,而且在殘余軸应變εpa與動剪應力比Δτ/σ′0的關系曲線中可以看出,進入弹塑性變形階段後到試樣進入破壞状態前,尾礦砂的剪應力比變化範圍比尾礦泥有所增大。

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8 尾礦泥殘余軸應變與動剪應力比的關系

4

  (1)按常規土分类,尾礦泥在塑性圖中屬粉土範圍,應具有粘性土的特性,但是,由於其顆粒中石英含量較多,粘土礦物顆粒較少,礦物成分具有尾矿砂的特點,試驗中表現為親水性很弱,容易發生突然的破壞性应變,動力變形特性和尾礦砂非常相似,天然地基少粘性土層的一些規律和標準對於用尾礦泥充填的地基土層是不適用的。(2)無論是尾礦砂還是尾礦泥 ,對於同一种尾礦料,在不同的固結比(Kc=1Kc=2)條件下,其壓力效應的試驗結果非常接近,在雙對數坐標中可近似用同一條直線來表示;對於不同的尾礦料,在固結比相同,(Kc=1Kc=2)的條件下,飽和尾礦砂和尾礦泥的最大動剪模量指數n較為接近,但是,它們的最大動剪模量系數C值是有差別的,尾礦砂大約是尾礦泥的1.5倍左右。(3)飽和的尾礦料對於振動荷載非常敏感,当試樣受到振動荷載作用時,較小的動應力就會使試樣進入彈塑性變形階段,一旦進入彈塑性變形階段,在較小的動剪應力比範圍內試樣就會因殘余軸應變εpa的迅速增大而進入破壞狀態。飽和尾矿泥的這種特點尤為明顯,不僅動剪應力比範圍小,而且動剪應力比的值也比較小,一般不超过0.25(4)在等压固結條件下,側壓力σ′3對飽和尾礦料殘余軸應變εpa與動剪應力比Δτ/σ′0關系的影響可以忽略不計,但是在偏壓固結Kc=2的条件下,其影響還是應當考慮的,对於同一種尾礦料,在相同的動剪應力比作用下,側壓力σ′3越大,殘余軸應变εpa也就越大。(5)对飽和尾礦砂和尾礦泥來說,無論是固結比Kc=1Kc=2,在固结應力條件和振動次數N一定時,殘余軸應變εpa隨動剪應力比Δτ/σ′0的發展變化,在双對數坐標中均呈線形關系。對振動荷載具有特別敏感性的飽和尾礦料,動剪應力比的變化範圍較小,根據試驗成果,殘余軸應變εpa與動剪應力比Δτ/σ′0的关系可用冪函數形式近似用式(2)和式(3)表示。

參 考 文

[1]Vick S G,RiskBased Approach to Seismic Stability and Inundation Hazard for Upstream Tailings Dams[A].Proc.International Symposium on Safety and Rehabilitation of Tailings Dams[C].ICOLD,Sydney,Australia,May 23,2,1990.
[2]SL237
1999土工試驗規程”[S].
[3]
阮元成.重塑土的動力變形特性[A].中國土木工程學会第六屆土力學及基礎工程學術會议論文集[C].北京:中國建筑工業出版社,1991.
[4]
阮元成.土的双曲線模型中修正系数的確定[J].學報,1991(12)6976.

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