饱和尾矿粉土动力特性试验研究①

饱和尾矿粉土动力特性试验研究①

谭凡1,2， 饶锡保1,2， 黄斌1,2， 王占彬1,2， 徐言勇1,2

(1. 长江科学院，湖北 武汉 430010； 2. 水利部岩土力学与工程重点试验室，湖北 武汉 430010)

摘要：通过动三轴试验研究某尾矿粉土的动强度特性与孔压特性，试验在围压100、200和300 kPa与固结比1.0和2.0条件下进行。结果表明：(1)在循环荷载作用下, 等压固结时饱和尾矿粉土全部液化；偏压固结时饱和尾矿粉土未发生液化；(2)各向等压固结时，选取双幅动应变达到5%作为破坏标准；偏压固结时，选取总应变达到5%作为破坏标准；(3)围压越大，-Nf曲线越高，动剪应力比与破坏振次Nf在对数坐标图上表现出良好的线性关系，可以采用对数函数来拟合-Nf关系曲线；(4)固结应力条件相同时，动应力σd 变化对尾中砂的孔压增长ud/σ0-N/Nf 关系曲线基本上没有影响；固结应力比Kc一定时，固结围压σ3越大，-N/Nf关系曲线越高；(5)尾矿粉土孔压发展模式在等压固结和偏压固结时不同，固结比Kc = 1.0时，可采用幂函数表达式来描述尾粉土孔压发展；固结比Kc =2.0时，可用对数函数来模拟其发展。

关键词：尾矿粉土； 动力特性； 动强度； 动孔压

收稿日期：①2014-08-20

基金项目：国家自然科学青年基金(51309027)

作者简介：谭凡(1986-)，男，硕士，主要从事土动力学等方面的研究。E-mail：664313174@qq.com。

中图分类号:TU43文献标志码：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

尾矿是由金属或非金属矿山开采出的矿石，经选矿厂选出有价值的精矿后产生的像细砂或粉土一样的细粒“废渣”，而尾矿库是矿业为堆存尾矿所修建的构筑物系统[1]。尾矿坝是尾矿库的主要构筑物，我国许多尾矿坝位于地震高烈度区，地震时易产生液化。以往地震引起尾矿库的液化、裂缝以及沉降等问题时有发生， 其中以上游尾矿坝的震害较多。 因此， 现在在地震高烈度地区新建尾矿坝和现有尾矿坝加高的设计时皆需要对其动力稳定性进行分析， 尾矿料的动力特性试验研究具有十分重要的实际意义。

尾矿材料与一般土体材料不同，它们通常处于饱和的疏松状态，颗粒较细，比重较大，由于颗粒组成、矿物成分等因素的影响，它们看似稳定，实际上对扰动非常敏感，在地震中很容易发生液化和破坏性变形[2]。尾矿料按其粒径组成可分为砂性尾矿、粉性尾矿和黏性尾矿。粉性尾矿(即尾粉土)是指粒径小于0.075 mm，颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数不大于10的尾矿料[3]。目前关于尾矿材料的研究主要集中在砂性尾矿[4-9]，而同样作为尾矿坝筑坝材料的尾矿粉土[10]，其动力特性试验研究成果却较少。樊鹏斐[1]通过动三轴试验研究了尾矿粉土的动力力学特性，获得了在动力条件下细粒尾矿土的变形破坏规律和动力力学特性指标及其相互关系；张超[6-7]研究了尾矿粉土的动力变形特性和动强度特性。尾粉土的土质特性与砂土不同，特别是颗粒组成和孔隙中薄膜水的物理化学作用，其动力特性与砂土有明显差异，动强度及动荷载作用过程中孔隙水压力的增长模式与尾砂土也有很大差别。本文拟通过对尾矿粉土进行不同初始应力状态下的动强度试验，确定尾矿粉土的动强度破坏标准，得到细粒尾矿土的动强度特性及孔压发展规律，以期为尾矿坝设计时进行抗震稳定性计算分析提供科学依据。

1试验试样和设备

试验所用尾矿料取于某一尾矿库。土料比重为2.89，塑性指数为8.9。试验试样尺寸为φ39.1 mm×H80 mm，采用击实法制备，制样干密度为1.70 g/cm3，试样分三层击实，单层击实达到试验密度后对层面进行刨毛，再进行下一层击实。采用抽气饱和结合反压饱和的方法,对饱和试样的孔隙水压力系数B值进行检验，达0.95以上后进行试验。

图1　尾矿粉土级配曲线 Fig.1　Grading curve of tailing silts

动力试验采用英国GDS全自动多功能动三轴仪，如图2所示。设备循环荷载激振频率为0～5 Hz，动荷载波形可选择正选波、三角波和自定义波形进行试验，本次试验采用正弦波。

图2　英国GDS动三轴试验仪器 Fig.2　The GDS dynaminc triaxial testing instrument

2试验方案

本次动力试验采用等压固结和偏压固结研究不同应力状态条件下的尾矿粉土的动力特性。试验固结应力比Kc选取1.0和2.0，每个固结应力比下围压为100、200和300 kPa，每个应力状态选取3～4个不同的动应力进行试验。试样饱和完成后在一定的应力状态下进行固结，固结完成后在不排水条件下施加一定的动应力进行试验。

3试验结果

3.1尾矿粉土动力试验基本特性

尾矿粉土在动荷载作用下的应变和孔压发展受固结比影响较大。固结比为1.0时，随着动荷载的作用,孔压逐渐上升，并最终达到周围压力；总应变在开始阶段增长较慢，当孔压上升到到0.8～0.9倍σ3时总应变快速增长；试样双幅应变与振次关系曲线呈S型，随着动荷载的作用,双幅应变快速增长，当孔压到达围压值后双幅应变值基本保持不变(图3)。

图3　尾矿粉土动力试验曲线 (σ 3=100 kPa,K c=1.0) Fig.3　Dynamic tests curves of tailing silts 　　　(σ 3=100 kPa,K c=1.0)

偏压固结时，在荷载作用的初始阶段,孔压逐渐上升，并最终趋于一个小于围压的稳定值。相同固结条件下，循环动荷载越大,孔压稳定值越大，偏压固结条件下孔压稳定值约为0.5～0.8σ3；试样总应变随着动荷载作用呈直线增长；双幅动应变发展模式与孔压曲线较为相似，随着试样孔压的提高，土样有效应力降低，动模量减小，双幅动应变增大，最终趋于稳定(图4)。

图4　尾矿粉土动力试验时程曲线(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尾矿粉土动强度破坏准则

动强度是一定振次作用下达到某一破坏标准时所需的动应力，动强度试验中，合理地确定破坏标准是试验和成果整理的基础。目前动强度试验破坏标准主要包括孔压标准与应变标准，孔压标准是土样累积孔隙水压等于围压即可判为发生破坏，但由于粉土孔压发展具有延迟，孔压标准在实际操作中很难实现；在周期荷载作用下，粉土孔隙水压的上升必然会导致有效应力的下降,从而使抗剪强度降低。以双幅应变或总应变达到某一值作为破坏标准称为应变标准，但在实际操作中破坏应变也需要通过分析成果合理选取。为了合理确定尾矿粉土的破坏准则，整理了各向等压固结条件下双幅动应变与孔压比的关系曲线(图5)和偏压固结条件下的总应变与孔压比的关系曲线(图6)。在各向等压条件下孔压比与双幅应变关系曲线存在比较明显的拐点，开始阶段孔压随着双幅应变增大快速增长，达到拐点后孔压增长缓慢，拐点双幅应变值为1.0%～3.0%;当双幅动应变达到3.0%～5.0%时，孔压基本稳定;双幅总应变达到5.0%时孔压比范围值为0.95～1.0。偏压固结下，当总应变达到5%后孔压趋于稳定，增长较小。

图5　双幅应变-孔压关系曲线 (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)

图6　总应变-孔压关系曲线(σ 3=100 kPa,K c=2.0) Fig.6　Total strian-pore pressure relationship curves 　　　 (σ 3=100 kPa,K c=2.0)

根据对试验成果的分析，本次试验破坏标准为：固结比为1.0时，当双幅应变达到5%时，孔压基本稳定，且孔压比大于0.95，取双幅应变达到5%作为破坏标准；偏压固结时，总应变值达到5%时孔压基本稳定，取总应变达到5%作为破坏标准。

3.3尾矿粉土动强度特性

式中：A、B为测定的参数。

图7　破坏振次与动剪应力比曲线 Fig.6　τd/σ’0-Nf curvs

图8　动孔压比与振次比关系曲线 Fig.8　ud/σ’0-N/Nf curves

3.4尾矿粉土动孔压特性

各向等压固结时，分别采用Seed孔压模型与幂函数描述尾粉土的的动孔压发展。Seed各向等压孔压模型[11]公式为：

式中：θ为试验参数，大多数情况下取0.7[11]，本次试验取2.0拟合效果最好。对比试验点与拟合曲线(图9)，Seed模型在孔压比大于0.5后拟合效果较差，孔压的发展模式与幂函数较为接近，采用幂函数拟合效果相对于Seed模型较好。幂函数公式为：

式中：A、B为试验参数，本文中A、B分别取0.975与 0.522。

图9　Seed公式与幂函数拟合动孔压比与 　　　振次比关系曲线 Fig.9　u d/σ ′ 0-N/N f curves fitted by Seed formula and 　　　 power function

图10　对数函数拟合动孔压比与振次比关系曲线 Fig.10　ud/σ’0-N/Nf curves fitted by logarithmic function

式中：A、B为试验参数，本文中A=0.422，B=0.083。

4结论与建议

通过对饱和尾矿粉土进行动力试验，研究尾矿粉土的动强度与动孔压特性。结论与建议如下：

(1) 在循环荷载作用下, 等压固结时饱和尾矿粉土基本上全部液化；偏压固结时饱和尾矿粉土未发生液化。

(2) 各向等压时，当尾矿粉土双幅动应变达到5%时，孔压已经稳定，且基本达到围压值，选取双幅动应变达到5%作为破坏标准；偏压固结时，当总应变达到5%时尾粉土孔压基本稳定，选取总应变达到5%作为破坏标准。

(5) 尾粉土孔压发展模式在等压固结和偏压固结时不同，固结比Kc =1.0时，可采用幂函数表达式来描述尾粉土孔压发展；固结比Kc=2.0时，可用对数函数来模拟尾粉土孔压发展。

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