尾粉砂動(dòng)模量阻尼試驗(yàn)研究

萬(wàn)大紅 高貴全 代啟亮 趙福民

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650000)

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尾粉砂動(dòng)模量阻尼試驗(yàn)研究

萬(wàn)大紅 高貴全 代啟亮 趙福民

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650000)

通過(guò)動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，研究了尾粉砂在等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)下的一些力學(xué)特性，分析了動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興，固結(jié)壓力σ3c，固結(jié)應(yīng)力比Ed對(duì)動(dòng)模量Ed的影響，得到了阻尼比與動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系,為該尾礦庫(kù)二次擴(kuò)容設(shè)計(jì)提供了相關(guān)的力學(xué)特性依據(jù)。

尾粉砂，動(dòng)模量，阻尼比，固結(jié)壓力

0 引言

尾粉砂是尾礦渣的主要成分之一，主要是通過(guò)筑填或沖填的形式排放在尾礦庫(kù)內(nèi)，主要形成了堆積子壩。一般而言尾礦壩中的粉砂是人工填筑或自然沖積形成尾礦，這樣就有結(jié)構(gòu)組合均勻，有著大空隙小密度的特點(diǎn)。由于未經(jīng)風(fēng)化和變質(zhì)，雖然顆粒比較細(xì)，卻塑性較低，在動(dòng)荷載作用下易發(fā)生液化而失去強(qiáng)度，因而在地震荷載作用下極易會(huì)形成流體甚至發(fā)生潰壩。尾礦能否安全處理不僅與礦庫(kù)整體的安全相關(guān)，還會(huì)給周邊環(huán)境及住在下游居民帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。就目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)許多尾礦庫(kù)都已經(jīng)達(dá)到或即將達(dá)到使用極限，為了能夠使尾礦庫(kù)繼續(xù)安全的使用就必須對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行加固和擴(kuò)容。在這個(gè)過(guò)程中就必須對(duì)尾粉砂一些特性有一定的了解，因此對(duì)尾粉砂的試驗(yàn)研究具有十分重要的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)儀器

主機(jī)是DZ78-1型電磁式動(dòng)三軸儀，激振器在試件的上方，力傳感器在活塞與激振器動(dòng)圈之間。試件尺寸D×H=50.0 mm×110.0 mm。

拉力傳感器型號(hào)BLR-1-型，最大荷載2 kN；孔壓傳感器型號(hào)AK-1，航天工業(yè)總公司701所產(chǎn)，量程0 MPa～1 MPa；大量程位移傳感器型號(hào)(HP-DC-LVDT)DA-10型，小量程位移傳感器型號(hào)DA-2，中國(guó)水利科學(xué)研究設(shè)計(jì)院研制。

測(cè)控系統(tǒng)為北京新技術(shù)研究所的DDS-30,動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。微機(jī)信號(hào)發(fā)生板發(fā)出給定信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大信號(hào)以后輸入主機(jī)開始試驗(yàn)，試驗(yàn)信號(hào)由傳感器→動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大儀→再由數(shù)據(jù)采集板將數(shù)據(jù)反饋并儲(chǔ)存于電腦中，然后進(jìn)行整理分析。

2 試樣

本次試驗(yàn)選取云南蘭坪縣某尾礦具有代表性的尾礦粉砂樣，尾粉砂的動(dòng)模量阻尼試驗(yàn)試樣采用水下裝樣制取。試驗(yàn)測(cè)得，尾粉砂試樣的平均干密度為1.67 g/cm3；試樣直徑50.0 mm,高度110.0 mm。所有試樣均雙面排水固結(jié)，尾粉砂歷時(shí)1 h，動(dòng)模量阻尼試樣做6組，等壓固結(jié)(Kc=σ1c/σ3c=1.0;σ3c=100 kPa,200 kPa,300 kPa)、偏壓固結(jié)(Kc=1.0,1.5,2.0；σ3c=100 kPa,200 kPa,400 kPa)各3組。尾礦砂的顆粒分析成果統(tǒng)計(jì)見表1。

3 動(dòng)模量試驗(yàn)阻尼試驗(yàn)結(jié)果分析

傳感器將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要通過(guò)放大儀的放大，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集板的采集后儲(chǔ)存在電腦中。動(dòng)模量Ed為通過(guò)滯回圈頂點(diǎn)連線的斜率。

Ed=σd/εd。

其中，σ3c為軸向動(dòng)應(yīng)力;εd為軸向動(dòng)應(yīng)變。

表1 尾礦砂的顆粒分析成果統(tǒng)計(jì)表

阻尼比D：

。

其中，AL，AT分別為滯回圈面積和1/4滯回圈與X軸圍成的三角形面積。

模量比：RE=Ed/Ed0。

依據(jù)上述公式繪制曲線εd—Ed,εd—Ed/Ed0,εd—D,見圖1～圖6。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)動(dòng)模量Ed與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興成倍呈正相關(guān)。如圖1,圖2所示，曲線初期比較平緩，而后變得十分陡峭，最后又回歸平緩，說(shuō)明εd對(duì)Ed的影響是非線性，其中在εd=10-5～10-3較大，而剩下的影響較小。以圖2為例：當(dāng)動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興從10-6增至10-5時(shí)，動(dòng)模量Ed由390.5 MPa，減小到369.5 MPa,減小了5%左右；當(dāng)εd=10-4時(shí)，動(dòng)模量Ed為204.0 MPa，減小了50%左右；εd=10-3時(shí)，動(dòng)模量Ed為54.0 MPa，減小了10倍左右；εd=10-2時(shí)動(dòng)模量Ed為20 MPa，減小了約20倍。所以，尾粉砂的動(dòng)模量受動(dòng)應(yīng)變水平的影響較大。由于我們常規(guī)的試驗(yàn)儀器能測(cè)到的范圍僅僅為εd=10-3～10-4級(jí)，因此得出的動(dòng)模量值比實(shí)際值要減小幾倍。

2)動(dòng)模量Ed與固結(jié)壓力σ3c呈正相關(guān)。相同應(yīng)變水平時(shí)Ed隨σ3c增加而增加，其規(guī)律呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。

其中，Ed0為初始模量；Pa為大氣壓力；σ3c為固結(jié)壓力；k在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)Ed0—σ3c中與σ3c=100 kPa時(shí)的Ed0數(shù)值相同，但無(wú)綱量；n為Ed0—σ3c直線的斜率，見圖7。

3)尾粉砂的動(dòng)模量Ed與固結(jié)應(yīng)力比Kc呈正相關(guān)。粉砂的動(dòng)模量受初始應(yīng)力的影響較大，一則由于初始剪應(yīng)力τf0讓砂粒間相互滑動(dòng)，增加了粉砂骨架的穩(wěn)定性；再則粉砂的平均應(yīng)力σm=1/3(σ1c+2σ3c)也對(duì)動(dòng)模量造成影響，見圖8。

動(dòng)模量Ed與固結(jié)應(yīng)力比Kc和動(dòng)應(yīng)力比R0隨固結(jié)與Kc的相關(guān)性一樣成正相關(guān)，但兩者都不能無(wú)限增大。

4)阻尼比D與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興、固結(jié)比Kc和圍壓σ3c。通過(guò)圖5,圖6可以發(fā)現(xiàn)阻尼比與動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線是一條增曲線，說(shuō)明尾粉砂的阻尼比與動(dòng)應(yīng)變之間存在正相關(guān)性；但卻不是單一的線性關(guān)系。曲線是由緩到急再變緩的過(guò)程，說(shuō)明動(dòng)應(yīng)變對(duì)阻尼比的影響是由小到大再變小的過(guò)程，其中在動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興=10-4～10-2是曲線最陡，此段是動(dòng)應(yīng)變對(duì)阻尼比影響最大的取值段。在阻尼比與動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線中，不同的固結(jié)比與圍壓取值相對(duì)集中，差值均在0.1以內(nèi)，說(shuō)明阻尼比受到固結(jié)比和圍壓的影響并不大。

3.2 參數(shù)的求取

1)初始動(dòng)模量Ed0。對(duì)于動(dòng)靜力模型的定義都是假定初始模量Ed0→0，例如經(jīng)典的Duncan-Chang模型，此時(shí)的尾粉砂大多彈性較大，因此我們也稱作彈性或最大模量。由于常規(guī)的動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)芰繙y(cè)的范圍有限(εd=10-3～10-4)，我們常規(guī)的方法是在εd/σd—εd相關(guān)性的關(guān)系曲線中獲取，一般取εd=0處所對(duì)應(yīng)的值即a=1/Edmax。然而就實(shí)際工程中的大多數(shù)粉砂來(lái)說(shuō)，我們所求取的初始模量Ed0是在粉砂非彈性狀態(tài)下取得的，因此這樣就讓初始模量失去了最初的物理意義。由于εd=10-6對(duì)應(yīng)的模量比我們?nèi)?yīng)變的模量高出了數(shù)倍，有時(shí)還可能高出10倍之多。因此造成了我國(guó)數(shù)十年以來(lái)在該數(shù)據(jù)上所取得結(jié)果差別較大，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)明顯的變形的重要原因之一。所以，為了能夠符合我們?cè)囼?yàn)的物理學(xué)意義，無(wú)論采取什么樣的試驗(yàn)方法都必須滿足Ed0都是在εd極小的情況下所取得。

在圖1或在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中繪制εd/σd—εd曲線都可以看出，在εd=10-5～10-6范圍內(nèi)的Ed變化很小。曲線趨于水平，Ed近于常數(shù)，表明土體處于彈性狀態(tài)，因此取εd=10-6對(duì)應(yīng)的Ed作為Ed0。

2)最大阻尼比Dmax。阻尼比D隨變形增加而增加，見圖3。此次試驗(yàn)采用Hardin的建議D=Dmax(1-RG)，其中模量比RE由圖3，圖4查得。Dmax的取值是，當(dāng)εd>10-3時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)變化較小，曲線趨于平緩，取其漸進(jìn)線作為Dmax。

4 結(jié)語(yǔ)

1)試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，尾粉砂的動(dòng)模量與動(dòng)應(yīng)變、固結(jié)壓力和固結(jié)應(yīng)力比存在十分緊密的相關(guān)性。分析研究發(fā)現(xiàn)相關(guān)性均為正相關(guān)，只是其中動(dòng)應(yīng)變對(duì)模量的影響是非線性，而固結(jié)壓力與固結(jié)應(yīng)力比與模量間存在十分明顯的線性關(guān)系。

2)尾粉砂的阻尼比與動(dòng)應(yīng)變之間有著明顯的正相關(guān)性，這種關(guān)系是非線性的。

3)尾粉砂的阻尼比與固結(jié)圍壓和固結(jié)比相比而言沒(méi)有明顯

[1] 辛希孟.信息技術(shù)與信息服務(wù)國(guó)際研討會(huì)論文集：A集[C].北京：中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社，1994：121-150.

[2] 閻金安,王武林.尾礦砂的動(dòng)力特性研究[J].巖土力學(xué),1990(41)：69-74.

[3] 阮元成,郭 新.飽和尾礦料動(dòng)力變形特性的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2003(4)：24-29.

[4] 劉艷華,尹興辯,席滿惠.粘粒和粘土礦物對(duì)砂土液化影響的探討[J].勘察科學(xué)技術(shù),2004(3)：6-9.

[5] 張 超,楊春和,白世偉.尾礦料的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2006,27(1)：35-40.

[6] 王海龍,張 寧,張 偉.山西粉土的動(dòng)力特性及液化趨勢(shì)研究[J].工程勘察，2010，389(1)：19-22.

[7] 王江風(fēng).上游法高尾壩的抗震問(wèn)題[J].冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，2001，23(5)：10-13.

[8] 李永樂(lè)，陳 寧，李敏芝.粉煤灰的動(dòng)力特性試驗(yàn)及地震動(dòng)液化研究[J].華北水利水電學(xué)院，2002，23(4):64-67.

[9] 黃永林.南京砂的液化與判別[J].世界地震工程，2001(4)：24-29.

[10] 柯 瀚，陳云敏.改進(jìn)的判別砂土液化勢(shì)的剪切波速法[J].巖土工程學(xué)報(bào),1993，15(1)：74-80.

[11] 陳興國(guó)，張克緒.以剪切波速為指標(biāo)的液化判別方法及其適用性[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，29(1)：97-103.

Tail of silt damping dynamic modulus

Wan Dahong Gao Guiquan Dai Qiliang Zhao Fumin

(YunnanAgriculturalUniversity,CollegeofWaterConservancy,Kunming650000,China)

Through tri-axial liquefaction test, the paper studies some chemical properties of tail-silty sand under equal pressure and bias pressure consolidation, analyzes the impact of dynamic stressεd, consolidated pressureσ3cand consolidated stressEdupon dynamic modulusEd, and obtains the relationship between damping ratio and dynamic stress, which has provided relevant mechanical property basis for expanding and designing secondary tail-silty pond.

tail-silty sand, dynamic modulus, damping ratio, consolidation pressure

1009-6825(2017)11-0067-03

2017-02-09

萬(wàn)大紅(1990- )，男，在讀碩士； 高貴全(1968- )，男，教授； 代啟亮(1983- )，男，碩士，講師; 趙福民(1993- )，男，在讀碩士

TU441.4

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