铁矿尾矿料动力特性研究

2022-09-30林永洪禹艳阳刘恩龙

四川建材 2022年9期

林永洪，禹艳阳，刘恩龙

(1.宁夏中房实业集团有限公司，宁夏银川 710005；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065；3.四川大学水利水电学院，四川成都 610065)

0 前言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所[1]。尾矿库溃坝对库区下游居民的生命财产和设施的安全构成严重威胁[2]。因此，研究尾矿料的动力特性具有重要的现实意义。

目前已有许多学者对尾矿料的静、动力特性进行了较为深入的研究[3-6]。刘菀茹[7]利用动三轴仪对尾粉砂和尾粉土进行了动力试验，探讨了固结主应力比、土样密度等因素对动力参数的影响。陈劲松等[8]通过对饱和尾矿砂的动三轴液化试验，发现固结围压对动剪应力比的影响不大，而密度对其抗液化强度影响很大。尹光志等[9]探讨了尾矿砂的压缩性、渗透性与粒径、孔隙比的关系，发现粗、细尾矿的渗透性都大于全尾矿的渗透性。阮元成等[10]研究了尾矿砂和尾矿泥的动力残余变形等特性。余君等[11]通过试验得出了尾粉砂内摩擦角和孔隙比的关系。

尾矿库中的尾矿料大多是具有低塑性的细颗粒，在动力荷载作用下极易发生液化从而丧失强度[12]，另外由于所含矿物成分的不同，变形特征及力学特征呈现出较大差异。因此，本文对某铁矿尾矿料进行固结不排水和排水动力试验，获得动强度、动模量、阻尼比。不同围压下轴向应变、体变与振次的关系等动力特性，为尾矿坝的抗震稳定性评价提供了必要参数。

1 试验仪器与试验方法

试验所用尾矿料取自攀西地区某铁矿尾矿库，试验对象尾粉细砂的干密度为2.1 g/cm3。试样尺寸为φ50 mm×100 mm，采用控制干密度的方式在三瓣膜内制样。试验仪器采用GCTS静、动力三轴试验仪，循环荷载使用频率为1 Hz的等幅正弦波。

将制好的试样先进行二氧化碳饱和，然后进行水头饱和，最后对试样进行反压饱和，直至孔压系数B值达到0.97或以上视为饱和度达到要求。该尾矿砂的渗透系数很大，故将固结的时间控制为0.5 h。试验分为固结不排水和固结排水两种，分为50、200、400 kPa 3组围压，每个围压条件下施加4组不同的动应力。不排水试验的破坏标准为孔压达到相应的围压，即液化破坏。排水条件下由于试样的干密度较大，轴向应变在振动次数较大的情况下仍未产生很大变化，所以本次试验取一定的振次作为破坏标准。尾矿料静、动三轴试验的原理、方法和资料整理参照《土工试验规程》[13](SL 237—1999)及《尾矿堆积坝岩土工程技术规范》[14](GB 50547—2010)进行。

2 不排水动力特性

2.1 动强度

不排水试验中，尾矿砂试样的破坏标准为孔隙水压力达到相应的围压值。图1为不同围压下试样的动强度随振次的变化关系曲线，试样的动强度随着围压的增大而增大。在相同的振次下，围压越高，动强度越大。动强度结果如表1所示。

图1 ke=1.0τd-Nf关系曲线

表1 动强度结果

在低围压(50 kPa)下，孔压与初始有效围压的比值不能达到绝对的相等，即u/σεc≈0.96，试样不能达到完全液化条件。在200 kPa和400 kPa围压下，试样能达到完全液化条件，即u/σεc=1。由图2～4可知，对于较小动应力的试样，孔压随着振次的增大呈现出先缓慢增加，然后迅速增加，最后达到平稳的状态。对于较大动应力的试样，孔压随着振次的增加，表现为先迅速增加，而后达到平稳状态。动应力越大，相同振次下所对应的孔隙水压力越大。

图2 50 kPa围压下孔压-振次关系曲线

图3 200 kPa围压下孔压-振次关系曲线

图4 400 kPa围压下孔压-振次关系曲线

2.2 动模量及阻尼比

本次试验仪器可以自动采集滞回圈曲线，由图5～6可知弹性模量Ed和剪切模量Gd都是随着轴向应变εd的增加而减小。在相同轴向应变条件下，围压越高，相对应的模量值越大。由图7可知，不同围压下的阻尼比随着轴向应变的增加都是先增加然后趋于平稳的趋势。在3组围压下，阻尼比最大值都趋于同一值。

图5 Ed-εd关系曲线

图6 Gd-εd关系曲线

图7 λ-εd关系曲线

3 排水动力特性

针对动力三轴排水试验，本次试验的控制标准为一定的振动次数，探讨一定振次下其动应变和体变的演化规律。

由图8～9可知，在50 kPa围压、40 kPa激振力作用下，试样在振次达到800次时轴向应变的最大值约为0.2%；43 kPa和45 kPa激振力下，振次达到600次时轴向应变为0.5%；49 kPa激振力下，振次为200次时轴向应变依然不到0.4%。不同激振力作用下的试样的体变都较小，最大体变在0.9%左右。在43 kPa激振力下试样的体变先增加后减小，出现了部分剪胀。其他3个试样的体变随着振次增加先增加后稳定。

图8 50 kPa围压下轴向应变-振次关系曲线

图9 50 kPa围压下体变-振次关系曲线

由图10～11可知，在200 kPa围压、140 kPa和150 kPa激振力作用下，试样的轴向应变主要为正向压缩，当激振力为160 kPa和180 kPa时，试样出现拉伸应变。在前3种激振力作用下，试样的体变先迅速增加，平稳后稍有下降。在180 kPa激振力下，稳定后的体变较前3种明显偏大。

图10 200 kPa围压下轴向应变-振次关系曲线

图11 200 kPa围压下体变-振次关系曲线

由图12～13可知，在400 kPa围压、两个较低的激振力作用下，试样主要产生压缩的轴向应变，在较高的激振力下，试样产生拉伸的轴向应变。试样在不同激振力下的轴向应变的最大值小于1%。体变总体呈现出先迅速增加后平稳的趋势。在350 kPa激振力下，由于试样的拉伸较大，所以试样的振次很小。

图12 400 kPa围压下轴向应变-振次关系曲线

图13 400 kPa围压下体变-振次关系曲线

综上所述，试样在很大的振次下其轴向应变仍然很小，最大值也不会超过1%。原因是本次设计的尾矿砂的干密度较大(2.1 g/cm3)。当试样在激振力作用下，振捣作用使其密度越来越大，更难压缩，很难达到5%的轴向应变的控制标准。同理试样主要发生体缩现象。但是当达到一定的密实状态时，试样在不同的激振力作用下可能会发生一定量的体胀，但是由于轴向应变很小，所以体胀的趋势较弱。