某尾矿库坝基粉砂动力特性试验

余湘娟，吴克雄，高　磊

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京　210098； 2. 河海大学岩土工程研究所，江苏南京　210098)



某尾矿库坝基粉砂动力特性试验

余湘娟1,2，吴克雄1,2，高磊1,2

(1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098； 2. 河海大学岩土工程研究所，江苏南京210098)

摘要：通过对某尾矿库坝基粉砂进行共振柱和动三轴试验，得到动力特性参数的归一化曲线。分析变形特性与强度特性得到粉砂动力参数的变化规律。由动三轴试验得到不同固结比和固结压力下粉砂动强度、动孔压比与振次的关系，发现动强度与破坏振次间符合乘幂关系，可用幂函数来拟合；动孔压比与振次的关系可用指数函数进行拟合。采用Hardin-Drnevich双曲线模型与Davidenkov模型对动剪切模量比进行拟合，试验分析结果表明，随着围压的增加，两种模型的拟合效果均有所改善。同一围压下，Davidenkov模型拟合效果优于Hardin-Drnevich双曲线模型。

关键词：粉砂； 动剪切模量； 共振柱试验； 动三轴试验； 动强度； Davidenkov模型； Hardin-Drnevich模型

尾矿库是堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出的尾矿或其他工业废渣的场所，是具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。粉砂是工程性质较为特殊的土类，在强烈振动下，饱和粉砂易发生液化，引起地面喷砂、地基不均匀沉降、道路滑移和滑坡等震害，所以需对粉砂进行抗震液化分析[1-6]。李男等[7]研究了等向固结条件下饱和福建标准松砂在循环斜椭圆、圆形、扭剪、三轴路径下的动力特性，研究表明：土体循环孔压发展有陡升型和陡降型两种模式，不同路径下孔压增长速率不同，其中圆形路径最快，循环扭剪最小；傅华等[8]对不同掺量胶凝材料进行静动力三轴试验，研究其力学和变形特性；周金领等[9]对某核电厂取水明渠导流堤地基土粉砂层进行室内共振柱试验和动三轴液化试验，分析了粉砂的动力变形曲线，探讨了砂土的抗液化强度与液化振次间的关系。

动剪切模量作为土体重要动力参数之一，目前对动剪切模型进行拟合的模型比较经典的有Hardin-Drnevich双曲线模型和Davidenkov模型。李永强等[10]通过对土体动剪切模量的联合测定，研究了两种不同拟合方法的拟合效果，通过对拟合参数的比较来判断模型的优劣程度。张明等[11]提出了基于Davidenkov模型和新阻尼比的计算模型。经过验证新模型具有较好的可靠性和实用性。彭盛恩等[12]选择统一的模型对黏土、砂土、淤泥质土及岩石的试验数据进行了回归分析，得到了不同土的回归方程。庄海洋等[13]基于Davidenkov模型曲线，采用破坏剪应变上限值作为分界点，修正了Davidenkov模型曲线。

本文结合某尾矿坝工程，针对坝基粉砂开展粉砂的动力特性试验研究，通过粉砂的室内共振柱试验及动三轴试验，获得粉砂的动强度指标，为尾矿库的动力计算提供必要参数，并使用Hardin-Drnevich双曲线模型和Davidenkov模型对粉砂的动剪切模量与剪应变的关系进行拟合，分析两种模型对于粉砂的拟合效果。

图1　粉砂颗分曲线Fig.1　Gradation curve of silt

1试验材料与仪器

根据基础试验判定该试验用土为粉砂，取自云南某尾矿库坝体，两种试验需要进行3组平行试验，共振柱试验每组需要1个试样，得到围压在50，100，200，300 kPa时的动剪切模量和阻尼比等参数，动三轴试验每组需要3个试样，分别得到围压在100,200,300 kPa时的动剪应力和振动周期等参数，共振柱试样：直径50 mm，高100 mm，动三轴试样：直径39 mm，高80 mm。采用击样法制备重塑样，根据不同的试验制作成相应尺寸的圆柱形试样，分5层击实成型，用抽气饱和法对试样进行饱和，确保饱和度达到95%以上，粉砂控制干密度为1.65 g/cm3，含水率为23.4%，孔隙比为0.692。土样颗分曲线见图1。

粉砂的剪切模量与阻尼比在剪应变γ<10-4时用共振柱三轴仪测试，具体步骤为：用橡皮膜包扎安装在压力室内施加周围压力和轴向压力，使试样在预定压力下(50，100，200，300 kPa)固结，固结应力比kc=1.0，制样时控制含水率在8%左右；在试样顶端施加扭转的谐振激振力，调节激振频率使试样顶端的振幅达到最大值，此时试样系统发生共振，测得共振频率fn；进而可计算出剪切模量和阻尼比。

在进行液化判别时，需要有粉砂在不同固结压力下的抗液化剪应力与振动周数的关系曲线，此关系曲线由动三轴试验得到。在周围压力和作用下固结，在不排水条件下施加轴向激振力，3种土试样的固结应力比kc=σ1/σ3为1.0，1.5和2.0，固结围压σ3分别为100，200和300 kPa。试样在周期剪切时以轴向周期应变(kc=1.0)或残余应变(kc=1.5,2.0)达到5%作为破坏标准。在各向等压情况下破坏时孔隙压力已等于周围压力，试样发生液化，有效应力降低为零。

2试验结果

2.1粉砂的动力变形特性

图2　试验曲线的归一化处理Fig.2　Normalization processing for test curves

动剪切模量和动阻尼比是土的重要动力参数，是土层地震反应分析中必备的动力参数。通过对粉砂进行动力特性试验，得到粉砂在动力作用下的变形数据，将试验数据进行归一化处理后得关系曲线见图2。图2(a)中σ0为初始平均应力，σ0=(1+2K0)σv/3，K0为静止侧压力系数，取K0=0.7,σv为竖向压力。从图2(b)，(c)可看出剪切模量、阻尼比与剪应变关系曲线有很好的规律性；不同围压(50，100，200，300 kPa)下粉砂的初始剪切模量分别为35.07，46.09，58.27，81.66 MPa，最大阻尼比为0.30。

2.2粉砂的动力强度特性

图3是重塑粉砂土样在固结应力比分别为kc=1.0，1.5，2.0时不同固结应力下的动强度与振次的关系曲线，可看出曲线有较好的规律性，动强度随着振次的增加而降低，且两者有较好的乘幂函数关系，可用幂函数来拟合。从图3中还可初步判断出在同一固结应力比时，动强度随着围压的增大而增大，在围压相同时，动强度随着固结应力比的增大而增大(见图4)。

图3　不同固结应力比时抗液化剪应力与破坏振次关系Fig.3　Curves of anti liquefaction shear stress and failure vibration times with different consoliclation stree ratios

图4　强度与固结压力σ0关系Fig.4　Relationships between strength and consolidation pressure

图5　动孔隙水压力比与振次关系Fig.5　Relationships between dynamic pore water pressure 　ratio and vibration times

2.3粉砂的动孔隙水压力特性

动荷作用下孔隙水压力的发展是土体变形强度变化的根本因素，孔压值可作为砂土是否发生液化的依据。对动孔压发生，发展到消散的研究是热点。目前，常用孔压的应力模型，而动应力的大小从应力幅值与持时两方面来反映，所以模型常出现动应力和振次。这类模型大多用指数函数拟合，根据本次试验数据得到的动孔压与振次关系如图5，可见，试验数据能较好地符合指数函数形式，通过拟合可得到相关参数。

3模型拟合对比

3.1拟合模型

本文采用Hardin-Drnevich双曲线模型和Davidenkov模型进行动剪切模量拟合。Hardin-Drnevich双曲线模型为：

Davidenkov模型为：

其中：Gd为动剪切模量；Gdmax为最大动剪切模量；γd为动剪应变，γr为参考剪应变，可当作拟合参数由拟合得到；γ，A，B均为相关参数，由拟合得到。

3.2拟合结果及分析

图6　曲线拟合Fig.6　Fitting curves

表1　拟合参数值

4结语

(1)本次试验得到的抗液化剪应力与振次之间有较好的乘幂关系，可用幂函数进行拟合。分析了不同固结应力比下粉砂动孔隙水压力与振次的关系，得出孔隙水压力与振次曲线可用指数函数拟合。

(2)通过对动剪切模量和阻尼比进行归一化处理，呈现出较好的规律性，并采用Hardin-Drnevich双曲线模型与Davidenkov模型对剪切模量比与剪应变的关系进行拟合，均具有较好的效果，且拟合效果随围压增加而变得更优。Davidenkov模型更适合本次试验粉砂剪切模量比与剪应变的拟合。

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Experimental studies on dynamic characteristics of silty sand for tailing dam foundation

YU Xiang-juan1, 2， WU Ke-xiong1, 2， GAO Lei1, 2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：In order to study the dynamic properties of silty sand in a tailing pond and get the relative dynamic parameters, a series of laboratory tests about dynamic strength of silty sand were performed, and the normalized curve of the dynamic parameters with a very good regularity was obtained from resonant column tests and dynamic triaxial tests. Some important conclusions were obtained from the analysis of the deformation properties and strength properties. The influences of different consolidation ratios and consolidation pressures on the relationships between dynamic strength, pore water pressure and vibration times were analysed according to dynamic triaxial tests. It is found that the dynamic strength of the silty sand has a good exponential relationship with vibration times, which can be fitted by a power function. And the relationships between the dynamic pore water pressure ratio and vibration times can be fitted by an exponential function. The dynamic parameters of the silty sand was obtained to offer necessary parameters for the seismic design of engineering and relevent dynamic calculation. Meanwhile, the Hardin-Drnevich hyperbolic model and Davidenkov model were used to fit the dynamic shear modulus. The testing analysis results show that the fitting effects of two kinds of models are improved with the increase of the confining pressure, and the fitting effect of Davidenkov model is superior to Hardin Drnevich hyperbolic model under the same confining pressure. The research results can provide a reference value for the studies of dynamic characteristics of the silty sand.

Key words：silty sand; dynamic shear modulus; resonant column test; dynamic triaxial test; dynamic strength; Davidenkov model; Hardin Drnevich model

中图分类号：TV649；TU411

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2016)02-0011-06

作者简介：余湘娟(1957—)，女，浙江黄岩人，教授，博士，主要从事土动力学研究。E-mail: xjyu@hhu.edu.cn

基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2012M511193，2014T70468)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20130832)；河海大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(B15020060)

收稿日期：2015-07-08