尾砂库地震砂土液化判别与分析——以铜陵市水木冲尾砂库为例

谢瑞杰，管 斌，丁 丹，汪丹丹，洪 阳

(1.铜陵市地震局，安徽 铜陵244000；2.安徽省地矿局321地质队，安徽 铜陵 244000， 3.安徽省地震局，合肥 230031)

尾砂是选矿分选作业的产物之一，通过堆积处理形成的尾砂库是重大危险源[1]。随着城市扩张，尾砂库对周边环境及居民的影响越来越突出。地震砂土液化是指饱和土体在地震力的作用下，受到强烈震动而丧失抗剪强度，由固态变成液态的力学过程[2]。尾砂库在地震作用下极易出现液化现象，导致库体失稳，出现溃库风险。根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，铜陵市地震动峰值加速度分区值为0.10 g，对应基本地震烈度为Ⅶ度，应对饱和砂土和粉土进行液化判别。本文以铜陵市水木冲尾砂库为研究对象，采用标准贯入法、静力触探法和剪切波速判断法分析尾砂库地震砂土液化。

1 项目背景

1.1 工程概况

水木冲尾矿库位于铜陵市乌木山与小峰山形成的冲沟内，属山谷形尾矿库，库容约550万m3，现坝顶标高约+75 m，库底地面标高30 m，属于Ⅲ级库。水木冲尾矿库由初级坝、尾矿堆积坝、副坝组成，其中初级坝为透水性堆石坝，坝高21.4 m；尾矿堆积坝采用上游式尾矿筑坝法，堆积坝为三级堆积，平台宽6 m，标高分别为+57 m，+70 m、+81.5 m；副坝为混凝土坝，坝顶标高+82 m。库内尾砂是由硫化型矿石经选矿后的产物，按尾砂粗细依次分为尾粗砂、尾中砂、尾细砂、尾粉砂。

1.2 地震构造背景

水木冲尾矿库地处安徽省沿江丘陵平原区，周边微地貌类型主要有坳谷、坡岗地、低丘(图1)。本区地质构造复杂，断裂发育，以北北东—北东向和北西向为主，次为近南北向，区内断裂活动时代主要为印支—燕山期，除洪家巷断裂和方山—小丹阳断裂在第四纪早、中更新世有所活动，其余断裂未见新生代以来活动迹象。从地震活动的时间特征和未来活动趋势来看，该尾矿库位于华北地震区的长江下游—南黄海地震带内[3]，以中强地震活动为主，地震主要发生在北西与北东向构造交汇部位，该带自1485年以来有两个地震活跃期，目前正处于第二活跃期的第三个活跃幕(图2)。长江下游—南黄海地震带目前所处活跃期可能还将持续一段时间，宜以活跃期地震活动水平估计地震带未来百年地震活动趋势。

图1 区域第四纪地质地貌图Fig.1 Regional quaternary geology and geomorphology map

图2 长江下游—南黄海地震带地震分布图Fig.2 Seismic distribution map of the lower Yangtze River-South Yellow Sea seismic belt

2 研究方法

砂土液化影响因素主要有土性条件、动荷条件及埋藏条件三类，水木冲尾矿库内尾砂由尾细砂、尾粗砂及尾粉砂组成，各尾砂d50粒径尾砂一般在0.2～0.25 mm，其中d<0.005 mm的尾砂占比均不足1%，依据《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010对砂土液化可能性进行判别，判别存在液化的可能。

2.1 标准贯入击数判别法

标准贯入试验法属于经验分析法[4-5]，是在分析、统计世界各地广泛的地震液化震害调查基础之上建立的经验准则和公式[6]。根据国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010(2016年版)，当饱和土标准贯入锤击数小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判断为液化土，反之不液化。当饱和土在地面下20 m 深度范围内液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr计算公式如下：

(1)

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，当设计基本地震加速度为0.10 g时，取7；ds为饱和土标准贯入点深度，m；dw为地下水位，m；ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β为调整系数，设计地震第一组取0.8，第二组取0.95，第三组取1.05。

本次对乌木山尾矿库的6个孔20 m范围内的16个试验数据分析(表1)，结果表明库内地下水水位线以下的尾中砂、尾细砂、尾粉砂在地震作用下易产生液化。

表1 标准贯入试验砂土液化判别表Table 1 Standard penetration test sand liquefaction discrimination table

2.2 静力触探数据判别法[7]

根据工程地质手册，利用静力触探判别砂土液化，可按式(2)计算。当实测值小于临界值时，可判为液化土，反之则为不发生液化，计算公式如下：

qccr=qc0αw·αu·αp

(2)

αw=1-0.065(dw-2)

(3)

αu=1-0.05(du-2)

(4)

式中：qccr为饱和土液化锥尖阻力临界值，MPa；qc0为du=2 m时，饱和土液化判别锥尖阻力基准值，MPa，可按表2取值；αw为地下水位埋深修正系数，αu为上覆非液化土层厚度修正系数，dw为地下水位深度，m；du为上覆非液化土层厚度，m；αp为与静力触探摩阻比有关的土性修正系数，可按表3进行取值[8]。

表2 锥尖阻力基准值 Table 2 Reference value of cone tip resistance /MPa

表3 土性综合影响系数αp值

本次对乌木山尾矿库的6个孔实施了12个试验数据分析(表4)，7个判别为不液化，5个判别为液化。

表4 静力触探试验砂土液化判别表

2.3 剪切波速法

剪切波速逐渐发展成为液化判别的一种基本指标，并形成了不同形式的液化判别式[9]。土体剪切波速在地震工程和岩土工程方面应用较为广泛，在土体液化势的判别方面，剪切波速具有测定稳定、可靠的优点，同时还存在着相对密度、结构性以及早期应变历史等使抗液化强度减小的因素。SEED等认为地震动荷载为循环剪切荷载[10]，饱和砂土在动荷载力的作用下，有效应力为零，砂土抗剪轻度迅速减小，达到液化初始状态，加载会使砂土产生剪涨破坏，卸载则产生剪缩破坏，在循环加卸载过程中，破坏加剧，岩土体失稳[11]。

(5)

式中：Vscr为饱和砂土液化剪切波速临界值，m/s；Vs0与烈度、土类有关的经验系数；ds剪切波速测点深度，m；dW地下水深度，m。该公式适用于15 m以内的饱和砂土和粉土的液化判别。

根据上式对各孔(孔深15 m以内，地下水水位线以下)剪切波速临界值进行液化判别(表5)，钻孔位置见图3。计算结果表明，剪切波速法的判别结果与标准贯入击数判别法大体相同，液化主要发生在地下水位线以下的尾中砂、尾细砂和尾粉砂中。

图3 钻孔位置分布图 Fig.3 Borehole location distribution

表5 剪切波速判别砂土液化结果表

由于基于标准贯入试验数据和基于静力触探数据判别方法都是基于大量试验数据推导出经验公式，从而进行液化判别，两种方法在数据统计上具有不同程度的数据偏差，判别结果可能存在不一致性。通过统计两种试验数据，找出数据之间存在的数学关系，进而统一到一种方法上进行判别，判别结果更具有说服力。

3 结论

1)基于标准贯入法、静力触探法和剪切波速法等三种方法，乌木山尾砂库均不同程度出现液化现象，因三种方法钻孔位置和实验方法不同，得出的液化结果有所不同。

2)本文研究对象为硫化型矿石经选矿后的尾砂采用上游式尾矿筑坝法构建的尾砂库，不同尾砂和筑坝方法的尾砂库，砂土液化特性有所不同。政府应按照风险防范等级，对尾砂库开展安全隐患研究，加强对尾砂库的安全管理，特别是地震易发区域，要做好尾砂库溃库次生地震灾害应急准备工作。