尾礦粉砂動孔隙水壓力特性試驗研究*

嚴(yán)智慧,潘建平

(江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院， 江西 贛州市 341000)

0 引 言

尾礦庫為堆存尾礦的土工建筑物，具有高勢能、易流滑特征[1]。隨著礦物加工技術(shù)的提高，礦物顆粒粒徑逐漸向更精細(xì)的方向發(fā)展，尾礦粉砂成為壩體的主要組成材料。由于壩體的堆高起浸潤線不斷提升及尾礦粉砂特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，在循環(huán)荷載作用下，飽和尾礦粉砂容易發(fā)生液化破壞，引起潰壩的危險，因此有必要對尾礦壩在循環(huán)荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

目前對于砂土、粉土液化孔隙水壓力研究已經(jīng)取得很大的進(jìn)展，Seed等[2]提出適合砂土的孔壓模型并以孔壓值作為砂土液化的標(biāo)準(zhǔn)；Finn等[3]提出內(nèi)時理論將孔壓曲線表示為單一的破損函數(shù)；謝定義等[4]提出了孔壓的瞬態(tài)模型，將孔壓按其原因分為應(yīng)力孔壓、結(jié)構(gòu)孔壓和傳遞孔壓3種類型，由瞬態(tài)確定的孔壓為三者之和；孟上九等[5]通過對砂土進(jìn)行動三軸試驗，提出了一個在不規(guī)則荷載下的孔壓模型；王艷麗等[6]對飽和砂進(jìn)行動三軸液化試驗，提出了適合飽和砂的動孔壓應(yīng)變模型；劉叔灼等[7]基于能量法利用動三軸不排水循環(huán)剪切試驗，通過非線性回歸分析建立了尾礦土的孔隙水壓力能量模型；陳國興等[8]對南京粉土進(jìn)行研究得到：在均壓固結(jié)條件下，其孔壓可以運用雙曲線進(jìn)行擬合；周海林等[9]利用動三軸試驗分析得到砂土的應(yīng)力狀態(tài)與孔隙水壓力增長由密切關(guān)系，剪脹與體縮是影響孔隙水壓力的重要因素；杜艷強等[10]通過對飽和尾粉土孔隙水壓力進(jìn)行研究，提出適合尾粉土的雙S型孔壓模型；曾長女等[11]對飽和粉質(zhì)土孔隙水壓力進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)其孔壓可以用一個改進(jìn)的指數(shù)形式描述。

由于尾礦粉砂與粉土和普通砂土的不同物理力學(xué)特性，有關(guān)粉土與普通砂土的孔壓模型不一定適合尾礦粉砂孔壓增長規(guī)律，因此有必要對其孔隙水壓力的增長特性進(jìn)行討論。本文主要從不同固結(jié)比、不同圍壓，不同相對密實度條件下針對贛南地區(qū)某尾礦庫尾礦粉砂進(jìn)行室內(nèi)動三軸固結(jié)不排水試驗，探討適合尾礦粉砂在循環(huán)荷載作用下的孔壓增長模型，為尾礦壩的動力穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。

1 試驗土樣與方法

本文采用試驗設(shè)備為英國歐美大地公司生產(chǎn)的GDS動三軸儀，試驗的尾礦粉砂土樣取自贛南地區(qū)某尾礦庫，其顆粒粒徑分析如表1所示，尾礦試樣的基本物理性質(zhì)最大干密度ρdmax=1.72 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.31 g/cm3，不均勻系數(shù)Cc=0.62，曲率系數(shù)Cu=4.25，該試驗試樣顆粒級配不良且顆粒粒徑較細(xì)。

為研究不同相對密實度、圍壓、固結(jié)比對尾礦粉砂孔隙水壓力特性的影響，試驗方案設(shè)計如表2。

試驗采用尺寸為50 mm×100 mm的圓柱體重塑土樣，試樣制備按照《土工試驗規(guī)程》[14]和土樣的干密度及預(yù)先設(shè)計的含水率確定每層土的質(zhì)量，分3層均勻裝入擊實筒內(nèi)，并擊實到相應(yīng)的高度，在分層處刮毛以保證試樣接觸良好。試驗采用二氧化碳CO2飽和、水頭飽和和反壓飽和聯(lián)合進(jìn)行飽和，飽和完成后進(jìn)行B值檢測，確保試樣飽和度均能達(dá)到98%以上。待試樣按照預(yù)定的圍壓固結(jié)完成后施加頻率為1 Hz軸向正弦等幅應(yīng)力循環(huán)荷載。

由于試驗中采用不等向固結(jié)的試驗方案，試樣液化破壞時孔隙水壓力不一定達(dá)到有效圍壓，因此采用雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到5%作為試樣液化破壞的標(biāo)準(zhǔn)，待試樣達(dá)到初始液化后再施加幾周的循環(huán)荷載。

表1 試樣顆粒分析結(jié)果

表2 試驗方案

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 圍壓對尾粉砂孔隙水壓力特性的影響

圖1為固結(jié)比Kc=1.0，相對密實度Dr=50%，圍壓σ3=100， 150， 200 kPa孔壓比與震動周次之間的關(guān)系曲線。由圖1可知：當(dāng)圍壓σ3=100 kPa時，飽和尾礦粉砂液化的震次為20次，孔壓增長曲線較快；當(dāng)圍壓σ3=150 kPa時，其液化的震次為60次左右；當(dāng)有效圍壓σ3=200 kPa時，其液化的震次為170次，孔壓增長曲線前期增長較快，后期增長較為緩慢；表明尾礦粉砂隨圍壓的增大其抗液化的能力增強，孔壓增長曲線越緩慢。

2.2 相對密實度對尾粉砂孔隙水壓力特性的影響

圖2為圍壓σ3=100 kPa，固結(jié)比Kc=1.0，相對密實度Dr=30%，50%，70%孔壓比與震動周次之間的關(guān)系曲線。由圖2可知：尾礦粉砂越松散，孔隙水壓力增長越快，較少的震次即達(dá)到液化的標(biāo)準(zhǔn)，在相同的孔壓比時，液化震次隨相對密實度增大而增加。相對密實度由30%增加到70%，其孔壓增長曲線形狀由較為陡峭轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄?。主要原因為隨著相對密實度的增加，顆粒之間由松散轉(zhuǎn)化為密實的狀態(tài)，導(dǎo)致其孔壓增長緩慢。

圖1 尾礦粉砂不同圍壓下的μd/σ3與N增長曲線

圖2 尾礦粉砂不同相對密實度下的μd/σ3與N增長曲線

2.3 固結(jié)比對尾粉砂孔隙水壓力特性的影響

圖3為圍壓σ3=100 kPa，相對密實度Dr=50%，固結(jié)比Kc=1.0， 1.5， 2.0孔壓比與震動周次之間的關(guān)系曲線。由圖3可知：當(dāng)Kc=2.0時其孔壓增長曲線與Kc=1.0，1.5時相比較為緩慢，且孔壓值μd=0.4σ3時孔壓增長趨于穩(wěn)定，不再隨著震動周次的增加而上升。隨固結(jié)比增大，其液化破壞的震次越多，且達(dá)到液化破壞的孔壓比由0.9降到0.4。這主要是由于隨著固結(jié)比的增大土體顆粒與顆粒間的間隙變小，使得顆粒的接觸更加緊密，在循環(huán)荷載時需要克服顆粒間的阻力就越大，導(dǎo)致試樣液化破壞時的孔壓比降低。

圖3 尾礦粉砂不同固結(jié)比下的μd/σ3與N增長曲線

3 尾礦粉砂動孔隙水壓力模型的建立

對于飽和土體的孔隙水壓力模型的建立，許多學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了一定的進(jìn)展，如Seed模型、張建民模型、雙曲線模型。為了找到適合本試驗的孔壓增長模型，本文對不同相對密實度、圍壓、固結(jié)比條件下的孔壓比與震次比進(jìn)行了歸一化擬合，并參照相關(guān)的孔壓增長模型進(jìn)行分析對比，認(rèn)為雙曲線模型與本文孔壓增長曲線的擬合度較高，其公式如下：

(1)

式中，σ3為有效圍壓；μd為動孔隙水壓力；N為震動周次；Nf為液化破壞震動周次；a、b分別為雙曲線的擬合參數(shù)。

圖4、表3為固結(jié)比Kc=1.0，相對密實度Dr=50%，圍壓σ3分別為100， 150， 200 kPa孔壓比與震次比之間的擬合曲線與雙曲線孔壓模型的擬合參數(shù)。

由表3、圖4可知：當(dāng)圍壓σ3=100 kPa時，多數(shù)數(shù)據(jù)點在擬合曲線上，擬合效果較好；當(dāng)圍壓σ3=150， 200 kPa時較前者擬合效果較差，數(shù)據(jù)點分布在擬合曲線上下兩側(cè)不遠(yuǎn)的距離。因此雙曲線模型較好擬合圍壓不同時飽和尾礦粉砂的孔隙水壓力增長特性。

圖5、表4為圍壓σ3=100 kPa，固結(jié)比Kc=1.0，相對密實度Dr分別為30%，50%，70%孔壓比與震次比之間的擬合曲線與雙曲線孔壓模型的擬合參數(shù)。

表3 模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

表4 模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

圖4 不同圍壓μd/σ3-N/Nf擬合曲線

圖5 不同相對密實度μd/σ3-N/Nf擬合曲線

由表4、圖5及試驗數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)Dr=30%時，在震次比N/Nf<0.4時試驗點基本上在擬合曲線上，震次比N/Nf>0.4時數(shù)據(jù)點在擬合曲線的上下側(cè)且靠近擬合曲線，擬合效果較好；當(dāng)Dr=50%時，震次比N/Nf<0.1時試驗數(shù)據(jù)點在擬合曲線的上側(cè)，震次比0.10.4時試驗數(shù)據(jù)點基本上在擬合曲線上；當(dāng)相對密實度Dr=70%時，試驗數(shù)據(jù)點距離擬合曲線較遠(yuǎn)，較前兩者擬合效果較差。這主要是由于飽和尾礦粉砂孔壓水壓力前期增長隨著相對密實度的增加增長較快，而后期隨著相對密實度的增加增長較慢，影響了雙曲線模型的擬合效果，但總體來說，雙曲線模型能較好反映不同相對密實度條件下孔隙水壓力的增長特性。

圖6、表5為圍壓σ3=100 kPa，相對密實度Dr=50%，固結(jié)比Kc分別為1.0， 1.5， 2.0孔壓比與震次比之間的擬合曲線與雙曲線孔壓模型的擬合參數(shù)。

由圖6、表5及試驗數(shù)據(jù)分析可知：雙曲線模型能較好反映飽和尾礦粉砂的孔隙水壓力增長特性。當(dāng)Kc=1.0時，試驗數(shù)據(jù)點大多在擬合曲線上，擬合效果較好；當(dāng)Kc=1.5時，數(shù)據(jù)點靠近擬合曲線，擬合效果與Kc=1.0時稍差一些；Kc=2.0時，只有很少一部分?jǐn)?shù)據(jù)點在擬合曲線上。這主要是由于隨著固結(jié)比的增大，試樣液化時的孔壓比越低，導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)點與擬合曲線的擬合效果越差。但其擬合相關(guān)性系數(shù)較高，總體上雙曲線模型能較好地反映飽和尾礦粉砂的孔壓增長規(guī)律。

表5 模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

圖6不同固結(jié)比μd/σ3-N/Nf擬合曲線

4 結(jié) 論

通過對贛南地區(qū)某尾礦庫飽和尾礦粉砂進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)不排水動三軸試驗分析得到以下結(jié)論：

(1) 尾礦粉砂隨圍壓、相對密實度的增加，振動液化所需振次增加，其抗液化能力增強，孔壓增長曲線由陡峭變?yōu)榫徛?/p>

(2) 固結(jié)比對尾礦粉砂孔壓增長有顯著的影響，固結(jié)比越大飽和尾礦粉砂液化時孔壓比越小。

(3) 通過對試驗點與孔壓模型歸一化擬合分析，認(rèn)為雙曲線模型能較好反映飽和尾礦粉砂孔壓增長特性。

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