某尾礦庫壩基粉砂動力特性試驗

余湘娟，吳克雄，高　磊

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京　210098； 2. 河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京　210098)

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某尾礦庫壩基粉砂動力特性試驗

余湘娟1,2，吳克雄1,2，高磊1,2

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京210098； 2. 河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京210098)

摘要：通過對某尾礦庫壩基粉砂進(jìn)行共振柱和動三軸試驗，得到動力特性參數(shù)的歸一化曲線。分析變形特性與強度特性得到粉砂動力參數(shù)的變化規(guī)律。由動三軸試驗得到不同固結(jié)比和固結(jié)壓力下粉砂動強度、動孔壓比與振次的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)動強度與破壞振次間符合乘冪關(guān)系，可用冪函數(shù)來擬合；動孔壓比與振次的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合。采用Hardin-Drnevich雙曲線模型與Davidenkov模型對動剪切模量比進(jìn)行擬合，試驗分析結(jié)果表明，隨著圍壓的增加，兩種模型的擬合效果均有所改善。同一圍壓下，Davidenkov模型擬合效果優(yōu)于Hardin-Drnevich雙曲線模型。

關(guān)鍵詞：粉砂； 動剪切模量； 共振柱試驗； 動三軸試驗； 動強度； Davidenkov模型； Hardin-Drnevich模型

尾礦庫是堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出的尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所，是具有高勢能的人造泥石流危險源，存在潰壩危險，一旦失事，容易造成重特大事故。粉砂是工程性質(zhì)較為特殊的土類，在強烈振動下，飽和粉砂易發(fā)生液化，引起地面噴砂、地基不均勻沉降、道路滑移和滑坡等震害，所以需對粉砂進(jìn)行抗震液化分析[1-6]。李男等[7]研究了等向固結(jié)條件下飽和福建標(biāo)準(zhǔn)松砂在循環(huán)斜橢圓、圓形、扭剪、三軸路徑下的動力特性，研究表明：土體循環(huán)孔壓發(fā)展有陡升型和陡降型兩種模式，不同路徑下孔壓增長速率不同，其中圓形路徑最快，循環(huán)扭剪最??；傅華等[8]對不同摻量膠凝材料進(jìn)行靜動力三軸試驗，研究其力學(xué)和變形特性；周金領(lǐng)等[9]對某核電廠取水明渠導(dǎo)流堤地基土粉砂層進(jìn)行室內(nèi)共振柱試驗和動三軸液化試驗，分析了粉砂的動力變形曲線，探討了砂土的抗液化強度與液化振次間的關(guān)系。

動剪切模量作為土體重要動力參數(shù)之一，目前對動剪切模型進(jìn)行擬合的模型比較經(jīng)典的有Hardin-Drnevich雙曲線模型和Davidenkov模型。李永強等[10]通過對土體動剪切模量的聯(lián)合測定，研究了兩種不同擬合方法的擬合效果，通過對擬合參數(shù)的比較來判斷模型的優(yōu)劣程度。張明等[11]提出了基于Davidenkov模型和新阻尼比的計算模型。經(jīng)過驗證新模型具有較好的可靠性和實用性。彭盛恩等[12]選擇統(tǒng)一的模型對黏土、砂土、淤泥質(zhì)土及巖石的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得到了不同土的回歸方程。莊海洋等[13]基于Davidenkov模型曲線，采用破壞剪應(yīng)變上限值作為分界點，修正了Davidenkov模型曲線。

本文結(jié)合某尾礦壩工程，針對壩基粉砂開展粉砂的動力特性試驗研究，通過粉砂的室內(nèi)共振柱試驗及動三軸試驗，獲得粉砂的動強度指標(biāo)，為尾礦庫的動力計算提供必要參數(shù)，并使用Hardin-Drnevich雙曲線模型和Davidenkov模型對粉砂的動剪切模量與剪應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行擬合，分析兩種模型對于粉砂的擬合效果。

圖1　粉砂顆分曲線Fig.1　Gradation curve of silt

1試驗材料與儀器

根據(jù)基礎(chǔ)試驗判定該試驗用土為粉砂，取自云南某尾礦庫壩體，兩種試驗需要進(jìn)行3組平行試驗，共振柱試驗每組需要1個試樣，得到圍壓在50，100，200，300 kPa時的動剪切模量和阻尼比等參數(shù)，動三軸試驗每組需要3個試樣，分別得到圍壓在100,200,300 kPa時的動剪應(yīng)力和振動周期等參數(shù)，共振柱試樣：直徑50 mm，高100 mm，動三軸試樣：直徑39 mm，高80 mm。采用擊樣法制備重塑樣，根據(jù)不同的試驗制作成相應(yīng)尺寸的圓柱形試樣，分5層擊實成型，用抽氣飽和法對試樣進(jìn)行飽和，確保飽和度達(dá)到95%以上，粉砂控制干密度為1.65 g/cm3，含水率為23.4%，孔隙比為0.692。土樣顆分曲線見圖1。

粉砂的剪切模量與阻尼比在剪應(yīng)變γ<10-4時用共振柱三軸儀測試，具體步驟為：用橡皮膜包扎安裝在壓力室內(nèi)施加周圍壓力和軸向壓力，使試樣在預(yù)定壓力下(50，100，200，300 kPa)固結(jié)，固結(jié)應(yīng)力比kc=1.0，制樣時控制含水率在8%左右；在試樣頂端施加扭轉(zhuǎn)的諧振激振力，調(diào)節(jié)激振頻率使試樣頂端的振幅達(dá)到最大值，此時試樣系統(tǒng)發(fā)生共振，測得共振頻率fn；進(jìn)而可計算出剪切模量和阻尼比。

在進(jìn)行液化判別時，需要有粉砂在不同固結(jié)壓力下的抗液化剪應(yīng)力與振動周數(shù)的關(guān)系曲線，此關(guān)系曲線由動三軸試驗得到。在周圍壓力和作用下固結(jié)，在不排水條件下施加軸向激振力，3種土試樣的固結(jié)應(yīng)力比kc=σ1/σ3為1.0，1.5和2.0，固結(jié)圍壓σ3分別為100，200和300 kPa。試樣在周期剪切時以軸向周期應(yīng)變(kc=1.0)或殘余應(yīng)變(kc=1.5,2.0)達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。在各向等壓情況下破壞時孔隙壓力已等于周圍壓力，試樣發(fā)生液化，有效應(yīng)力降低為零。

2試驗結(jié)果

2.1粉砂的動力變形特性

圖2　試驗曲線的歸一化處理Fig.2　Normalization processing for test curves

動剪切模量和動阻尼比是土的重要動力參數(shù)，是土層地震反應(yīng)分析中必備的動力參數(shù)。通過對粉砂進(jìn)行動力特性試驗，得到粉砂在動力作用下的變形數(shù)據(jù)，將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后得關(guān)系曲線見圖2。圖2(a)中σ0為初始平均應(yīng)力，σ0=(1+2K0)σv/3，K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)，取K0=0.7,σv為豎向壓力。從圖2(b)，(c)可看出剪切模量、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線有很好的規(guī)律性；不同圍壓(50，100，200，300 kPa)下粉砂的初始剪切模量分別為35.07，46.09，58.27，81.66 MPa，最大阻尼比為0.30。

2.2粉砂的動力強度特性

圖3是重塑粉砂土樣在固結(jié)應(yīng)力比分別為kc=1.0，1.5，2.0時不同固結(jié)應(yīng)力下的動強度與振次的關(guān)系曲線，可看出曲線有較好的規(guī)律性，動強度隨著振次的增加而降低，且兩者有較好的乘冪函數(shù)關(guān)系，可用冪函數(shù)來擬合。從圖3中還可初步判斷出在同一固結(jié)應(yīng)力比時，動強度隨著圍壓的增大而增大，在圍壓相同時，動強度隨著固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大(見圖4)。

圖3　不同固結(jié)應(yīng)力比時抗液化剪應(yīng)力與破壞振次關(guān)系Fig.3　Curves of anti liquefaction shear stress and failure vibration times with different consoliclation stree ratios

圖4　強度與固結(jié)壓力σ0關(guān)系Fig.4　Relationships between strength and consolidation pressure

圖5　動孔隙水壓力比與振次關(guān)系Fig.5　Relationships between dynamic pore water pressure 　ratio and vibration times

2.3粉砂的動孔隙水壓力特性

動荷作用下孔隙水壓力的發(fā)展是土體變形強度變化的根本因素，孔壓值可作為砂土是否發(fā)生液化的依據(jù)。對動孔壓發(fā)生，發(fā)展到消散的研究是熱點。目前，常用孔壓的應(yīng)力模型，而動應(yīng)力的大小從應(yīng)力幅值與持時兩方面來反映，所以模型常出現(xiàn)動應(yīng)力和振次。這類模型大多用指數(shù)函數(shù)擬合，根據(jù)本次試驗數(shù)據(jù)得到的動孔壓與振次關(guān)系如圖5，可見，試驗數(shù)據(jù)能較好地符合指數(shù)函數(shù)形式，通過擬合可得到相關(guān)參數(shù)。

3模型擬合對比

3.1擬合模型

本文采用Hardin-Drnevich雙曲線模型和Davidenkov模型進(jìn)行動剪切模量擬合。Hardin-Drnevich雙曲線模型為：

Davidenkov模型為：

其中：Gd為動剪切模量；Gdmax為最大動剪切模量；γd為動剪應(yīng)變，γr為參考剪應(yīng)變，可當(dāng)作擬合參數(shù)由擬合得到；γ，A，B均為相關(guān)參數(shù)，由擬合得到。

3.2擬合結(jié)果及分析

圖6　曲線擬合Fig.6　Fitting curves

表1　擬合參數(shù)值

4結(jié)語

(1)本次試驗得到的抗液化剪應(yīng)力與振次之間有較好的乘冪關(guān)系，可用冪函數(shù)進(jìn)行擬合。分析了不同固結(jié)應(yīng)力比下粉砂動孔隙水壓力與振次的關(guān)系，得出孔隙水壓力與振次曲線可用指數(shù)函數(shù)擬合。

(2)通過對動剪切模量和阻尼比進(jìn)行歸一化處理，呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性，并采用Hardin-Drnevich雙曲線模型與Davidenkov模型對剪切模量比與剪應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行擬合，均具有較好的效果，且擬合效果隨圍壓增加而變得更優(yōu)。Davidenkov模型更適合本次試驗粉砂剪切模量比與剪應(yīng)變的擬合。

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Experimental studies on dynamic characteristics of silty sand for tailing dam foundation

YU Xiang-juan1, 2， WU Ke-xiong1, 2， GAO Lei1, 2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.ResearchInstituteofGeotechnicalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：In order to study the dynamic properties of silty sand in a tailing pond and get the relative dynamic parameters, a series of laboratory tests about dynamic strength of silty sand were performed, and the normalized curve of the dynamic parameters with a very good regularity was obtained from resonant column tests and dynamic triaxial tests. Some important conclusions were obtained from the analysis of the deformation properties and strength properties. The influences of different consolidation ratios and consolidation pressures on the relationships between dynamic strength, pore water pressure and vibration times were analysed according to dynamic triaxial tests. It is found that the dynamic strength of the silty sand has a good exponential relationship with vibration times, which can be fitted by a power function. And the relationships between the dynamic pore water pressure ratio and vibration times can be fitted by an exponential function. The dynamic parameters of the silty sand was obtained to offer necessary parameters for the seismic design of engineering and relevent dynamic calculation. Meanwhile, the Hardin-Drnevich hyperbolic model and Davidenkov model were used to fit the dynamic shear modulus. The testing analysis results show that the fitting effects of two kinds of models are improved with the increase of the confining pressure, and the fitting effect of Davidenkov model is superior to Hardin Drnevich hyperbolic model under the same confining pressure. The research results can provide a reference value for the studies of dynamic characteristics of the silty sand.

Key words：silty sand; dynamic shear modulus; resonant column test; dynamic triaxial test; dynamic strength; Davidenkov model; Hardin Drnevich model

中圖分類號：TV649；TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)02-0011-06

作者簡介：余湘娟(1957—)，女，浙江黃巖人，教授，博士，主要從事土動力學(xué)研究。E-mail: xjyu@hhu.edu.cn

基金項目：中國博士后科學(xué)基金資助項目(2012M511193，2014T70468)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20130832)；河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(B15020060)

收稿日期：2015-07-08