飽和尾礦料動(dòng)力變形特性-試驗(yàn)研究

1、飽和尾礦料動(dòng)力變形特性-試驗(yàn)研究摘要：介紹對(duì)兩種飽和尾礦料(尾礦砂和尾礦泥)的動(dòng)力變形特性進(jìn)行的一系列試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，飽和疏松的尾礦料具有敏感的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在往返加荷條件下，同一種尾礦料對(duì)于不同的固結(jié)比，其壓力效應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果可以近似地用同一條直線來(lái)表示。在固結(jié)應(yīng)力條件和振動(dòng)次數(shù)一定時(shí)，飽和尾礦料的殘余軸應(yīng)變隨動(dòng)剪應(yīng)力比的增大而增大，其變化規(guī)律不僅在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線形關(guān)系，而且，在較小的動(dòng)剪應(yīng)力比變化范圍內(nèi)試樣就會(huì)因殘余軸應(yīng)變的迅速增大而進(jìn)入破壞狀態(tài)。 關(guān)鍵詞：尾礦料動(dòng)力變形特性礦物成分 我國(guó)現(xiàn)今的尾礦壩大部分都是用上游法建造的。這些尾礦壩以及尾礦庫(kù)中的尾礦料，通常處于飽和的疏松狀態(tài)，顆

2、粒較細(xì)，比重較大，由于顆粒組成、礦物成分等因素的影響，它們看似穩(wěn)定，實(shí)際上對(duì)擾動(dòng)非常敏感，在地震中很容易發(fā)生液化和破壞性變形，S.G.Vick指出1：“迄今所報(bào)道的所有在地震中發(fā)生流動(dòng)破壞的尾礦壩都是用上游法建造的?！辈粌H是設(shè)計(jì)和建造方法使得當(dāng)前我國(guó)已建的尾礦壩有不少具有潛在的危險(xiǎn)，而且，為了節(jié)省占地費(fèi)和居民的動(dòng)遷費(fèi)，減少環(huán)境污染，有的礦山工業(yè)還在廢棄的尾礦庫(kù)上建起了高達(dá)百米左右的排土場(chǎng)，排土場(chǎng)的地基大部分是位于水下的尾礦料，這些飽和的尾礦料在地震情況下的動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)變形、液化特性以及穩(wěn)定性，都是需要進(jìn)行試驗(yàn)研究的問(wèn)題。迄今為止，對(duì)于尾礦料動(dòng)力特性的研究，我國(guó)雖然已經(jīng)開(kāi)展了一些工作，并取得了一些

3、成果，但是，和天然土料的研究成果相比，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，可參考的尾礦料動(dòng)力特性的資料還比較少，特別是礦石的種類繁多，礦物的化學(xué)成分復(fù)雜，進(jìn)一步增加了對(duì)尾礦料研究的難度。另一方面還存在著人為的社會(huì)因素，由于對(duì)于尾礦料的研究和尾礦壩的建造，需要投入大量的經(jīng)費(fèi)，這種投資要加到礦業(yè)的成本上，從某些方面看又無(wú)法收回，這就使得不少的礦業(yè)部門(mén)對(duì)于這方面的研究主動(dòng)性不夠。加強(qiáng)對(duì)尾礦料動(dòng)力特性的研究，開(kāi)展對(duì)尾礦壩和廢棄尾礦庫(kù)的利用工作，對(duì)于節(jié)省投資、減少環(huán)境污染，保障工程的安全，具有重要的社會(huì)意義和現(xiàn)實(shí)意義。 作者通過(guò)對(duì)飽和尾礦料的一系列試驗(yàn)，研究了尾礦料在往返加荷條件下的動(dòng)力變形特性，對(duì)用尾礦料充填的地基土層不同于

4、天然地基的某些現(xiàn)象進(jìn)行了分析和討論，所得結(jié)論，可為尾礦壩設(shè)計(jì)和廢棄尾礦庫(kù)的開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。 1試驗(yàn)土樣、儀器與方法 試驗(yàn)所用尾礦料取自一個(gè)鐵礦的尾礦庫(kù)。該尾礦庫(kù)中的尾礦料大致可分為兩種，尾礦砂和尾礦泥，大部分位于水下，處于較為疏松的飽和狀態(tài)。尾礦砂的比重為2.88，平均相對(duì)密度約為0.49，中間粒徑約為0.058mm，屬顆粒較細(xì)的尾粉砂，其中還含有少量的尾細(xì)砂，主要成分是石英，不均勻系數(shù)為4.1，屬于不良級(jí)配；尾礦泥的比重為2.84，飽和含水量為34.9%，孔隙比為0.99，中間粒徑約為0.006mm，根據(jù)液限和塑限試驗(yàn)結(jié)果，其液限為29.2%，塑限為23.0%，塑性指數(shù)只有6.2，按塑性圖

5、分類，屬于尾粉土，由顆分曲線可知，顆粒中小于0.005mm的粒徑含量為39%，在顯微鏡下觀察，其顆粒中石英含量較多，粘土礦物顆粒較少，礦物成分具有尾礦砂的特點(diǎn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，它的親水性很弱。由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)資料分析，試驗(yàn)中所用的尾礦砂和尾礦泥，試樣制備干密度分別取為1.55g/cm3和1.43g/cm3，顆分曲線見(jiàn)圖1。 尾礦料的動(dòng)力殘余軸應(yīng)變?cè)囼?yàn)采用DSZ-100型電磁式動(dòng)三軸儀和S-3-D型液壓式動(dòng)三軸儀。電磁式動(dòng)三軸儀，試樣尺寸為50mm100mm，最大側(cè)向應(yīng)力為0.5MPa，最大軸向應(yīng)力為1.0MPa；液壓式動(dòng)三軸儀，試樣尺寸為100mm210mm(Kc=1)和100mm230mm(Kc=

6、2)，該儀器的最大側(cè)向應(yīng)力為1.5MPa，最大軸向應(yīng)力為7.6MPa，以上兩種動(dòng)三軸儀的循環(huán)荷載激振頻率均選用1Hz，試驗(yàn)的激振波形采用正弦波。尾礦料的動(dòng)剪模量和阻尼比試驗(yàn)是在DTC-158-1型共振柱儀上進(jìn)行的。該儀器為底端固定、上端附有質(zhì)量塊的彈簧阻尼系統(tǒng)。儀器的最大側(cè)向應(yīng)力為1MPa，最大軸向應(yīng)力為25MPa，可測(cè)試的剪應(yīng)變幅范圍為10-6210-3，試樣尺寸為50mm100mm，有關(guān)參數(shù)和波形可通過(guò)儀器系統(tǒng)顯示、記錄并進(jìn)行處理。 尾礦料動(dòng)三軸試驗(yàn)的原理和方法以及共振柱試驗(yàn)的方法和資料整理按土工試驗(yàn)規(guī)程、SL237-1999進(jìn)行2。試驗(yàn)全部采用飽和試樣。除尾礦砂在DSZ-100型電磁式動(dòng)

7、三軸儀上進(jìn)行動(dòng)力殘余軸應(yīng)變?cè)囼?yàn)時(shí)采用煮沸飽和水下裝樣外，其余試驗(yàn)均采用干裝法，控制干密度裝好干樣后進(jìn)行真空抽氣，然后由底部通入脫氣水進(jìn)行飽和，使孔隙水壓力系數(shù)B值達(dá)到0.97以上。飽和后在一定的固結(jié)應(yīng)力條件下排水固結(jié)，而后，施加不同的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)。2 動(dòng)剪模量和阻尼比 動(dòng)剪模量與阻尼比特性試驗(yàn)是動(dòng)力反應(yīng)分析的基本依據(jù)之一，這些關(guān)系反映了在動(dòng)荷載作用下土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性與粘滯性特征。本項(xiàng)研究采用共振柱儀微小應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力變形特性試驗(yàn)，分別測(cè)定了尾礦砂和尾礦泥的動(dòng)剪模量與阻尼比，試驗(yàn)中動(dòng)剪應(yīng)變幅的測(cè)試范圍為10-6210-3。 2.12007-04-23 壓力效應(yīng) 通過(guò)共振柱的壓力效

8、應(yīng)試驗(yàn)，分別得出尾 礦砂和尾礦泥的最大動(dòng)剪模量Gmax與平均有效主應(yīng)力0=(1+3)/2的關(guān)系曲線，如圖2所示。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，最大動(dòng)剪模量Gmax與平均 有效主應(yīng)力0之間為直線關(guān)系，可以用如下的冪函數(shù)形式表示3： 圖7 尾礦砂殘余軸應(yīng)變與動(dòng)減力比的關(guān)系（3）式中：K、m分別是以3、Kc和N為參變數(shù)的系數(shù)和指數(shù)，由試驗(yàn)結(jié)果確定，等效振次Neq=6和12時(shí)不同固結(jié)應(yīng)力條件下尾礦砂和尾礦泥的系數(shù)K和指數(shù)m值分別列于表2。殘余軸應(yīng)變pa以百分?jǐn)?shù)計(jì)，動(dòng)剪應(yīng)力和有效法向應(yīng)力0采用相同的量綱。表2 尾礦砂和尾礦泥的殘余軸應(yīng)變系數(shù)K與指數(shù)m現(xiàn)場(chǎng)命名規(guī)范命名干密度/(gcm-3)2007-04-23KC3/k

9、PaNeq=6Neq=12KmKm尾礦砂尾粉砂1.5519000.2120.0770.140.1872100-2001.1040.3830.180.928500-7001.1810.5300.081.240尾礦砂尾粉砂1.4319000.2480.0900.150.2152007-04-232100-2000.3150.1450.150.300500-7000.4290.2460.110.560從表2可以看出，尾礦泥和尾礦砂的殘余變形特性既有相近的特征，又有一些差別。由于尾礦泥中石英含量較大，親水性弱，飽和含水量超過(guò)液限，塑性指數(shù)較小，其礦物成分和尾砂砂有著一定的近似性，它們都具有非常敏感的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以，無(wú)論是尾礦砂或者是尾礦泥，在等壓時(shí)不同側(cè)壓力條件下的殘余變形特性沒(méi)有顯著的差別，其殘余軸應(yīng)變系數(shù)和指數(shù)都較為