尾礦壩地震液化初復(fù)判方法探討

王立彬　袁子有　樊宇姣

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

?

尾礦壩地震液化初復(fù)判方法探討

王立彬袁子有樊宇姣

(中冶京誠(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

摘要尾礦壩地震液化對安全運行有著重要的影響。根據(jù)尾礦壩的自身特點，以影響尾礦壩地震液化的影響因素作為初步判別條件，當初判滿足液化條件時，推薦采用規(guī)范中的簡化判別法或有限元數(shù)值分析法進行復(fù)判驗證，為尾礦壩地震液化分析提供了一種簡化方法，對尾礦壩的液化判別具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞尾礦壩地震液化初判復(fù)判剪應(yīng)力對比法時程分析法

尾礦沖積壩多數(shù)為飽和細砂、粉砂(少數(shù)為中粗砂和砂壤土)，在地震作用下很容易發(fā)生液化。因此，研究尾礦壩的地震液化是非常重要的[1]。國內(nèi)進行有關(guān)尾礦壩地震液化的研究基本上始于上世紀80年代，而國外研究相對較早些。目前，尾礦壩的地震液化分析主要有簡化判別法和有限元等數(shù)值分析方法[2-16]。簡化判別法相對簡單，但現(xiàn)有簡化方法考慮的因素較多，計算過程相對繁瑣；數(shù)值分析方法相對復(fù)雜，一般設(shè)計人員及工程技術(shù)人員不易掌握應(yīng)用，且數(shù)值分析方法不易尋求合理的本構(gòu)關(guān)系及正確地選取土層物理力學(xué)參數(shù)，目前計算結(jié)果定量應(yīng)用還存在一定的困難[17]。本文根據(jù)尾礦壩的自身特點，建立了適合尾礦壩地震液化的初、復(fù)判方法，具有一定指導(dǎo)意義。

1尾礦壩地震液化判別思路

在文獻[7]中，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中液化地基土條件對尾礦壩土層進行初判，在尾礦壩土層不滿足初判的條件下，利用標準貫入試驗對尾礦壩是否存在液化危害進行復(fù)判。該方法適用性有待商榷，其一，嚴格來說尾礦壩并不屬于建筑物范疇，盡管新版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)和《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50191—2012)已經(jīng)完全統(tǒng)一了地基土的液化判別條件，但尾礦壩不同于天然地基，是由水力沖積而成的，尾礦漿的排放方式和尾礦的沉積規(guī)律決定了尾礦壩的自身特性，在尾礦庫運行過程中，庫內(nèi)尾砂長期處于松散狀態(tài)，屬于欠固結(jié)砂土；其二，尾礦砂是人工材料，其力學(xué)特性不同于一般天然的砂土，尾礦中的黏粒具有低黏性，其抗液化能力較差，如按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)中砂土黏粒含量的修正式對其抗液化能力進行修正[18]，單一地以標貫擊數(shù)來判別，顯然與實際不符，缺少試驗依據(jù)[6]。但從文獻[7]中得到啟示，建立適合尾礦壩自身地震液化判別的方法，以真正地簡化尾礦壩地震液化的分析與評價。

2尾礦壩地震液化初判條件分析

尾礦壩地震液化初判條件必然與尾礦壩地震液化的影響因素相關(guān)。

2.1粒度與級配

粒徑d50=0.015～0.5 mm的砂土和塑性指數(shù)小于7的砂質(zhì)黏土在一定條件下都可能發(fā)生液化，在不同地震烈度情況下，砂土液化的粒徑d50范圍見表1。其中以細砂、粉砂(d50=0.05～0.09mm)最容易液化。在其他條件相同時，顆粒均勻和級配良好的砂土相對容易發(fā)生液化。當砂土的不均勻系數(shù)Cu增大到一定程度(Cu>10) 時，砂土反而不容易發(fā)生液化[19]。

表1　砂土液化界限值參考表[1]

注：1.括號中的覆蓋壓力適用于砂質(zhì)黏土；2.6度地震烈度時，相對密度界限值為0.65。

2.2黏粒和細粒含量

黏粒含量對砂土的振動液化有著較大影響，主要原因在于黏土礦物顆粒間的相互作用使得土體具有很強的抗液化能力。試驗研究表明，黏粒含量隨著細粒尾礦的含量增加而增加，當細顆粒(粒徑小于0.074 mm的顆粒)含量占到總量的35%時，其抗液化性能最佳[20]。

2.3尾礦砂的相對密度

試驗表明，在其他條件相同時，尾礦砂的相對密實度Dr越小，抗液化強度越小。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(SL203-97)，當相對密實度在0.3～0.7時，砂土發(fā)生液化時的剪應(yīng)力大致與相對密實度成正比。在不同地震烈度情況下，飽和砂土可能發(fā)生液化的臨界相對密實度Dr見表1。

2.4有效覆蓋壓力

有效覆蓋壓力是飽和砂土層以上的有效砂土重量，上覆砂土層厚度越大時，有效覆蓋壓力就越大。表1列出了砂土液化界限參考值。只有當下部飽和砂土聚集起的超靜孔隙水壓力大于上覆砂土層的有效重力時，下部飽和砂土才可能發(fā)生振動液化。埋深大的飽和砂土較埋深小的飽和砂土難液化，而上覆砂土層的透水性越大，飽和砂土在受到震動作用下，砂土中的水很容易透過上覆砂土層迅速排出，超靜孔隙水壓力消失也越快，因此，在這種情況下很難在砂土層內(nèi)聚集起使砂土液化所需的超靜孔隙水壓力，飽和砂土層一般不易液化；相反，若上覆砂土層透水性較弱，則有可能產(chǎn)生液化。直接出露于外壩坡的飽水砂土層最易液化。

2.5浸潤線埋深

尾礦壩體內(nèi)的浸潤線相當于天然地基中的地下水位線，其對壩體的地震液化起著關(guān)鍵性作用。在尾礦庫運行過程中，庫內(nèi)尾砂長期處于松散狀態(tài)，壩體浸潤線以下的尾砂呈飽和狀態(tài)，其孔隙全部由水充填，如壩體浸潤線埋深過淺或逸出，且其上無有效蓋重或有效蓋重不足，在地震荷載作用下尾礦壩體極易發(fā)生液化破壞。研究表明，浸潤線埋深對壩體地震液化的影響顯著，壩體浸潤線埋深越深，尾礦壩地震液化區(qū)分布范圍越小，壩體抵抗液化變形的能力越強，壩體的安全度越高[12]。

在《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50191—2012)中尾礦壩的抗震構(gòu)造措施要求一級、二級、三級尾礦壩下游坡面浸潤線埋深不宜小于6 m，四級、五級尾礦壩不宜小于4 m，可將此作為浸潤線埋深影響尾礦壩地震液化的初判條件[21]。

3尾礦壩地震液化初判方法

對于同一種選礦工藝下的尾礦庫，當尾礦漿的排放方式不變時，其尾礦的沉積規(guī)律也趨于穩(wěn)定。針對同一尾礦庫，如要判斷其地震液化的可能性，首先應(yīng)從其粒徑與級配入手，分析尾礦砂的中值粒徑、級配曲線以及黏細粒含量等指標參數(shù)，判斷該尾礦砂顆粒是否屬于易液化顆粒粒徑，計算其不均勻系數(shù)Cu及黏細粒含量P。如尾礦砂的中值粒徑不在表1所屬范圍內(nèi)，可判定為不液化；如尾礦砂的中值粒徑在表1所屬范圍內(nèi)，但其不均勻系數(shù)Cu>10或黏細粒含量P>35%時，可初步判定為不液化。如已確定尾礦砂屬于易液化粒徑顆粒，且不均勻系數(shù)Cu<10或黏細粒含量P<35%，但尾礦砂的相對密度Dr大于表1所列數(shù)值或飽和易液化的尾礦砂層之上的有效覆蓋壓力大于表1所列數(shù)值，可初步判定為不液化，否則，判定為可能液化，需進行復(fù)判；亦或尾礦壩體的浸潤線埋深小于規(guī)范要求的最小值[21]，且易液化的尾礦砂層恰好位于壩體浸潤線埋深范圍內(nèi)，此時可初步判定為可能液化，需進行復(fù)判，否則，初步判定為不液化。具體判別步驟見圖1。

圖1　尾礦壩地震液化初判步驟示意

4尾礦壩地震液化復(fù)判方法

當尾礦壩經(jīng)初步判定為可能發(fā)生液化，推薦采用《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50191—2012)中的方法進行復(fù)判驗證，并按照規(guī)范要求：四級、五級尾礦壩采用簡化判別方法(剪應(yīng)力對比法)；一級、二級、三級尾礦壩采用二維或三維時程分析法。

4.1四級、五級尾礦壩地震液化判別

(1)尾礦的液化應(yīng)力比宜根據(jù)尾礦沉積狀態(tài)通過動力試驗確定，當無試驗結(jié)果時，可按下列公式計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，R為尾礦的液化應(yīng)力比；c為試驗條件修正系數(shù)，可取1.2；λd為相對密度修正系數(shù)；R15為固結(jié)比等于1，相對密度為50%，等價地震作用次數(shù)為15時的三軸試驗液化應(yīng)力比；Nsf為震次修整系數(shù)；Dr為尾礦砂的相對密度，%；d50為尾礦砂的中值粒徑，mm；Ne為等價地震作用次數(shù)，可按表2取值。

表2　等價地震作用次數(shù)

注：中間值可采用線性插入法計算，但應(yīng)取整數(shù)。

(2)地震裂度為7～9度時，四級和五級尾礦壩的地震作用應(yīng)力比可按下式計算：

(5)

(3)尾礦液化率可按下式計算：

(6)

當尾礦壩體中飽和尾礦的液化率FL≤1.0時，應(yīng)判定為液化。

4.2一級、二級、三級尾礦壩地震液化分析

采用時程分析法進行尾礦壩抗震計算時，應(yīng)符合下列規(guī)定：①應(yīng)按材料的非線性應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系計算地震前的初始應(yīng)力狀態(tài);②宜采用室內(nèi)動力試驗方法測定尾礦等材料的動力變形特性和抗液化強度;③宜采用等效線性或非線性時程分析法求解地震應(yīng)力和加速度反應(yīng);④應(yīng)根據(jù)地震作用效應(yīng)計算沿滑動面的地震穩(wěn)定性，并應(yīng)驗證壩體地震永久變形。

尾礦壩動力分析使用的地震加速度時程應(yīng)符合下列規(guī)定：①應(yīng)至少選取2條類似場地和地震地質(zhì)環(huán)境的地震加速度記錄和1條人工模擬的地震加速度時程曲線;②人工模擬地震加速度時程的目標譜應(yīng)采用場地的設(shè)計反應(yīng)譜;③地震加速度時程的峰值應(yīng)采用設(shè)計基本加速度值;④人工模擬地震加速度時程的持續(xù)時間可按表3取值。

表3　地震加速度時程的持續(xù)時間

注：近震持續(xù)時間取小值，遠震取大值。

5結(jié)論

(1)尾礦壩是由水力沖填而成，尾礦漿的排放方式和尾礦的沉積規(guī)律決定了尾礦壩的特性。在尾礦庫運行過程中，庫內(nèi)尾砂長期處于松散狀態(tài)，屬于欠固結(jié)土，其力學(xué)特性不同于一般砂土，尾礦中的黏粒具有低黏性，其抗液化能力較差，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)中的初、復(fù)判方法不適合尾礦壩液化判別。

(2)根據(jù)尾礦壩自身特點，分析總結(jié)影響尾礦壩地震液化的相關(guān)影響因素，將其作為尾礦壩地震液化的初判條件，經(jīng)過對相關(guān)影響因素進行分析，建立了尾礦壩地震液化初判步驟流程。

(3)當尾礦壩經(jīng)初步判定為可能發(fā)生液化，需要進一步復(fù)判時，推薦采用《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191—2012)中的的簡化判別法或有限元數(shù)值分析法進行復(fù)判驗證。

參考文獻

[1]《尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料》編寫組.尾礦設(shè)施設(shè)計參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

[2]Seed H B，Idriss I M. Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，ASCE，1971，97(7)：1249-1273.

[3]姜濤.尾礦壩砂土液化的簡化判別方法[C]∥姚伯英，侯忠良.構(gòu)筑物抗震.北京：測繪出版社，1990，112-122.

[4] 高艷平，王余慶，辛鴻博.尾礦壩地震液化簡化判別法[J].巖土工程學(xué)報，1995，17(5)：72-79.

[5]潘建平，孔憲京，鄒德高.尾礦壩地震液化穩(wěn)定的簡化分析[J].水利學(xué)報，2006，37(10)：1224-1229.

[6]張超，楊春和.尾礦壩液化判別簡化方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006(S2)：3730-3736.

[7]袁兵，王飛躍，金永健，楊鎧騰.尾礦壩的液化判別研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2007，17(6):166-171.

[8]徐志英，沈珠江.高尾礦壩的地震液化和穩(wěn)定分析[J].巖土工程學(xué)報，1981(4):22-32.

[9]潘建平，孔憲京，鄒德高.尾礦壩地震液化分析[C]∥首屆全國水工抗震防災(zāi)學(xué)術(shù)會議論文集.南京：中國水力發(fā)電工程學(xué)會抗震防災(zāi)專業(yè)委員會，2006：5.

[10]蔡嗣經(jīng)，張棟，何理.地震中尾礦庫液化失穩(wěn)機理及數(shù)值模擬研究[J].有色金屬科學(xué)與工程，2011(2):1-6.

[11]周漢民.庫水位對尾礦壩抗震液化穩(wěn)定性的影響分析[J].中國礦業(yè)，2011，20(10):103-106.

[12]倪尤運，林啟祥，吳光富，孫麗敏.浸潤線對上游法尾礦壩地震液化區(qū)影響[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2011(6):109-111.

[13]宋宜祥.尾礦壩地震液化及穩(wěn)定性分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[14]張進，樂陶，曹紀剛.頭石山尾礦壩的動力液化分析[J].金屬礦山，2012(6):13-15,18.

[15]張富有，李劉操，徐松.基于液化判別的尾礦壩動力穩(wěn)定性分析[J].河海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，40(6)：648-652.

[16]金佳旭，梁力，陳天宇，等.基于液化流動模型的尾礦壩地震響應(yīng)分析[J].地震工程與工程振動，2013，33(3):232-238.

[17]潘建平.尾礦壩抗震設(shè)計研究進展[J].中國鎢業(yè)，2009，24(2):28-31.

[18]中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[19]王會芬.尾礦壩砂土液化機理及其判別方法研究[J].施工技術(shù)，2010(S1):672-675.

[20]張超，楊春和.細粒含量對尾礦材料液化特性的影響[J].巖土力學(xué)，2006，27(7):1133-1137,1142.

[21]中冶建筑研究總院有限公司.GB 50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

(收稿日期2015-11-20)

Discussion of the Primary and Compound Discrimination of the Earthquake Liquefaction of Tailings Dam

Wang LibinYuan ZiyouFan Yujiao

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Qinhuangdao Co., Ltd.)

AbstractThe earthquake liquefaction of tailings dam has important implications to the safety operation of tailings dam. According to the characteristics of tailings dam, taking the influence factors of the earthquake liquefaction of tailings dam as the primary discrimination conditions, if the primary discrimination can meet the liquefaction conditions, the simplified discrimination method or the finite element numerical analysis method can be recommended to be adopted to conduct the compound discrimination. The above results can provide a simplified method to the earthquake liquefaction of tailings dam. Besides that, it also has guiding significance for the liquefaction discrimination of tailings dam.

KeywordsTailings dam, Earthquake liquefaction, Primary discrimination, Compound discrimination, Shear stress correlation method, Time-history analysis method

王立彬(1983—)，男，工程師，碩士，066004 河北省秦皇島市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)龍海道71號。