幅值對(duì)尾粉砂強(qiáng)度特性的影響*

吳佳華，胡世麗，桂 勇，張 碩

(1.江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州市 341000； 2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州市 341000； 3.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州市 341000)

0 引 言

尾礦庫(kù)填料由單一磨碎礦物堆積而成；初期壩為土石混合壩(設(shè)計(jì)為透水堆石壩)，壩體透水性變?nèi)?，地下水不能有效向外排滲，浸潤(rùn)線在初期壩后雍高；堆積壩第1～10級(jí)子壩局部出現(xiàn)滲水和沼澤化現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)尾礦庫(kù)強(qiáng)度的偏低，降低了尾礦庫(kù)抗震性能[1]。在尾礦庫(kù)填筑過程中，往往存在相隔較近的井下爆破開采情況，爆破振動(dòng)荷載加重了尾礦庫(kù)強(qiáng)度降低和液化災(zāi)害發(fā)生，研究振動(dòng)荷載下飽和尾礦庫(kù)填料的孔壓特性和抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律，有利于評(píng)價(jià)尾礦庫(kù)的抗液化性能[2-3]。孫悅等[4]對(duì)飽和福建標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行了動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，結(jié)果表明，固結(jié)比對(duì)砂土液化有重要影響，孔壓增量與固結(jié)比增量之間呈冪函數(shù)關(guān)系，建立了偏壓固結(jié)下孔壓增量計(jì)算公式。王星華等[5]研究了不同固結(jié)比下砂土液化的全過程，研究發(fā)現(xiàn)，在大固結(jié)比下砂土更早進(jìn)入剪脹，從而抑制了砂土殘余孔壓的累積，導(dǎo)致了極限孔壓的降低；固結(jié)比越大，極限孔壓越來越小。黃博等[6]通過CU剪試驗(yàn)，采用粉質(zhì)黏土進(jìn)行了動(dòng)、靜強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原狀土在小幅振動(dòng)后強(qiáng)度略有增大；隨著振幅增大，振后強(qiáng)度低于未經(jīng)歷振動(dòng)的不排水強(qiáng)度；重塑土振后強(qiáng)度低于靜剪強(qiáng)度。王麗霞等[7]利用低溫靜、動(dòng)試驗(yàn)分析了粉質(zhì)黏土在凍土狀態(tài)下動(dòng)、靜強(qiáng)度的變化規(guī)律，得出了凍土的靜、動(dòng)強(qiáng)度隨著溫度、含水量及圍壓的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)動(dòng)、靜摩擦角隨著幅值、振次的增加而減小。潘坤等[8]采用飽和松砂進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究應(yīng)力脈沖幅值和脈沖順序?qū)讐旱挠绊懀Y(jié)果表明，先出現(xiàn)幅值更大的應(yīng)力脈沖更容易導(dǎo)致孔壓上升，同時(shí)也更容易誘發(fā)砂土液化。

綜上所述，目前振動(dòng)荷載下尾礦庫(kù)填料強(qiáng)度研究主要集中在固結(jié)土、粉質(zhì)黏土以及孔壓特性等，然而尾礦庫(kù)的固結(jié)需要時(shí)間，井下爆破開采時(shí)，尾礦庫(kù)還存在一定范圍的非固結(jié)土或欠固結(jié)土，這部分土的初始強(qiáng)度較低，因此對(duì)爆破振動(dòng)作用下孔壓特性對(duì)欠固結(jié)尾礦庫(kù)填料強(qiáng)度的影響研究具有重要的意義。本文以福建某尾礦庫(kù)填料為研究對(duì)象，進(jìn)行GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了在不固結(jié)不排水條件下振動(dòng)幅值對(duì)尾礦庫(kù)填料孔壓特性與強(qiáng)度的影響規(guī)律，建立了抗剪強(qiáng)度與幅值的經(jīng)驗(yàn)公式。本文研究成果加深了對(duì)非固結(jié)尾礦庫(kù)填料液化性能對(duì)強(qiáng)度影響的認(rèn)識(shí)，為尾礦庫(kù)安全性能評(píng)價(jià)及井下爆破能量的控制提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

對(duì)尾礦庫(kù)填料采用分層擊樣法制備，試樣尺寸為直徑50 mm、高度100 mm。為使試樣盡可能接近原狀土狀態(tài)，試樣干密度取1.42 g/cm3，含水量取12%。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)的要求，同一組試樣含水量差值控制在2%以內(nèi)，干密度差值小于0.03 g/cm3，分5層對(duì)試樣進(jìn)行擊實(shí)，控制每層厚度以保證每層的孔隙比相同。試驗(yàn)前先將試樣用保鮮膜密封后放入養(yǎng)護(hù)缸內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，以保證試樣含水量均勻。對(duì)尾礦庫(kù)填料顆粒篩分試驗(yàn)，繪制了土顆粒級(jí)配曲線，如圖1所示。其中粒徑大于0.075 mm的顆粒含量為59.8%，超過全重的50%，依據(jù)文獻(xiàn)[9]得出該礦樣為尾粉砂。

圖1 土的顆粒級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)儀器采用英國(guó)GDS公司研制的伺服電機(jī)控制的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS。采用應(yīng)變控制加載方式，剪切速率為0.5%/min。選擇UU剪條件下進(jìn)行試驗(yàn)。選用動(dòng)三軸儀去模擬這種爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)應(yīng)力，爆破振動(dòng)頻率為實(shí)際作用頻率，通常采用低頻率，頻率范圍為0.5～4.0 Hz，采用等幅正弦波形式加載，振動(dòng)頻率為1.0 Hz[10]。通過布置在尾礦庫(kù)地表的爆破測(cè)振儀接收到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)波形極短，因此本試驗(yàn)選取了振次為8，相當(dāng)于地震震級(jí)為6.5的情況[11]。振動(dòng)和剪切過程中控制初始圍壓不變。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌瑢柡秃蟮脑嚇臃侄M試驗(yàn)：第一組3個(gè)試樣直接在330，430，530 kPa圍壓下剪切至破壞；第二組在經(jīng)歷振動(dòng)頻率為1.0 Hz，幅值分別為0.05，0.1，0.2 mm和0.4 mm，振次為8的振動(dòng)后立即進(jìn)行剪切試驗(yàn)。飽和階段采用了3種方法聯(lián)合飽和，分別為二氧化碳飽和、水頭飽和以及反壓飽和，當(dāng)孔壓系數(shù)大于95%時(shí)認(rèn)為試樣飽和。由于反壓飽和需保持有效圍壓等于20 kPa，為此判斷其在振動(dòng)過程中是否完全液化，則需判斷孔壓是否等于20 kPa，當(dāng)孔壓等于有效圍壓20 kPa時(shí)，試樣完全液化，強(qiáng)度為0。文中動(dòng)孔壓、孔壓均指的是孔壓增量。

通過GDS飽和振動(dòng)三軸試驗(yàn)可以得到以下主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]：軸向應(yīng)變?chǔ)臿、偏應(yīng)力σd、彈性模量Ed=σd/εa、循環(huán)剪應(yīng)變?chǔ)?(1+V)εa、剪切模量Gd=Ed/2(1+V)。對(duì)于飽和土，泊松比V可取0.5；土樣內(nèi)45°斜面上的循環(huán)剪應(yīng)力τd=0.5σd。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣的破壞形式

本次試驗(yàn)過程中，礦樣剪切過程中先后出現(xiàn)了2種破壞形式，如圖2所示。即剪切破壞和鼓脹破壞，隨著剪切進(jìn)行，試樣中部最早出現(xiàn)裂紋，裂紋寬逐漸增大，裂紋斜向發(fā)展，然后迅速發(fā)展到試樣兩端，表現(xiàn)為剪切破壞；幅值越大出現(xiàn)裂紋的時(shí)間越短。試驗(yàn)最后出現(xiàn)向外鼓脹。

圖2 試樣破壞

2.2 振幅對(duì)動(dòng)力特性的影響

2.2.1 動(dòng)孔壓時(shí)程曲線

試驗(yàn)得到了不同圍壓不同幅值下的動(dòng)孔壓時(shí)程曲線，以圍壓430 kPa動(dòng)孔壓時(shí)程曲線為例，其余結(jié)果類似，如圖3所示。小幅值在0.05～0.10 mm，孔壓時(shí)程曲線相接近，土體變形主要為彈性變形，由于彈性變形引起的孔壓可恢復(fù)，因此孔壓發(fā)展比較緩慢；如果增加到振次800，也很難發(fā)生初始液化。中等幅值為0.2 mm，隨著振次的增加，孔壓逐漸增大，但增加速率介于小幅值與大幅值之間，振動(dòng)到最后沒有出現(xiàn)液化現(xiàn)象；如果繼續(xù)增加振次，應(yīng)變累積，孔壓將隨著振次的增加越來越接近于有效圍壓而出現(xiàn)液化現(xiàn)象。大幅值為0.4 mm，相比中、小幅值，隨著振次的增加，孔壓逐漸增加；在第2個(gè)周期內(nèi)，幅值越大曲線越陡峭，孔壓變化速率越快；孔壓比為0.6～0.7，出現(xiàn)初始液化現(xiàn)象，這是因?yàn)樗苄宰冃我鹂讐弘S著循環(huán)次數(shù)的增加而增加的緣故。綜上所述，孔壓的發(fā)展規(guī)律整體呈現(xiàn)振幅越大，孔壓越大，開始階段孔壓上升越迅速，最后階段上升緩慢。

圖3 動(dòng)孔壓時(shí)程曲線(圍壓=430 kPa)

2.2.2 偏應(yīng)力時(shí)程曲線分析

試驗(yàn)得到了不同圍壓不同幅值下的偏應(yīng)力時(shí)程曲線，以圍壓430 kPa偏應(yīng)力時(shí)程曲線為例，其余結(jié)果類似，如圖4和圖5所示。偏應(yīng)力隨著循環(huán)應(yīng)變逐漸減低，幅值越大，偏應(yīng)力下降越快。從圖4看出，在小幅值為0.05～0.10 mm時(shí)，偏應(yīng)力下降速度比較緩慢，偏應(yīng)力基本呈平緩曲線下降，且隨著循環(huán)應(yīng)變變化曲線接近于重合。從圖5看出，在中幅值為0.2 mm時(shí)，隨著振動(dòng)的進(jìn)行，偏應(yīng)力下降較快，最后4個(gè)周期試樣偏應(yīng)力比較穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)試樣并沒有等于0，而是依然有部分強(qiáng)度。在大幅值為0.4 mm時(shí)，偏應(yīng)力下降極快，在前4次循環(huán)，下降速率很快，最后幾圈基本趨于穩(wěn)定，并趨于0，這是試樣出現(xiàn)初始液化現(xiàn)象。在大幅值情況下，土體承受應(yīng)變循環(huán)，有不可恢復(fù)的結(jié)構(gòu)改變，孔壓上升，振動(dòng)作用于土骨架上的有效應(yīng)力急劇下降，土的強(qiáng)度大幅度喪失。

圖4 偏應(yīng)力時(shí)程曲線(圍壓=430 kPa)

圖5 偏應(yīng)力時(shí)程曲線(圍壓=430 kPa)

2.3 振后抗剪強(qiáng)度分析

2.3.1 幅值對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度的影響

在巖土材料領(lǐng)域，有人從不同角度建立強(qiáng)度理論公式[13]，其中特雷斯卡(Tresca)屈服準(zhǔn)則[14]是古典強(qiáng)度理論中最大剪應(yīng)力理論，它不考慮中間主應(yīng)力σ2對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

2Cu=σ1-σ3

(1)

式中，Cu為不排水抗剪強(qiáng)度；σ1為軸向應(yīng)力；σ3為圍壓。

試驗(yàn)得到了不同幅值下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，以幅值為0.05 mm下偏應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為例，其余結(jié)果類似，如圖6所示。根據(jù)特雷斯卡(Tresca)準(zhǔn)則，認(rèn)為試樣中出現(xiàn)的偏應(yīng)力峰值為最大剪應(yīng)力。剪切過程是在動(dòng)力試樣產(chǎn)生應(yīng)變和孔隙水壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此應(yīng)變和孔壓初始值均不為0。由圖6可知，試樣偏應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大先增后減，表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變軟化型；隨著圍壓的不斷增大，試樣最大剪應(yīng)力不斷增大。由圖7可知，隨著幅值的增大，不排水抗剪強(qiáng)度降低，經(jīng)過線性擬合，得到經(jīng)驗(yàn)公式(2)，通過式(2)與式(1)的關(guān)系，進(jìn)一步推出了幅值與最大偏應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式(3)。

Cu=7.7-16.6A

(2)

Pmax=15.4-33.2A

(3)

式中，Cu為不排水抗剪強(qiáng)度；A為幅值；Pmax為偏應(yīng)力最大值。

圖6 幅值0.05 mm應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖7 不排水抗剪強(qiáng)度與幅值關(guān)系

2.3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定

摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論是當(dāng)前工程界應(yīng)用廣泛的強(qiáng)度理論[15]，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(4)或式(5)所示。

(4)

τf=c+σtanφ

(5)

式中，c為土體的黏聚力；φ為土體的內(nèi)摩擦角；σ為剪切面上的法向應(yīng)力。

傳統(tǒng)的求三軸試驗(yàn)的黏聚力和內(nèi)摩擦角的方法是摩爾庫(kù)倫理論，然而由于土體物理力學(xué)性質(zhì)差異和試驗(yàn)本身的誤差，造成試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定誤差，而且由于人為繪制極限應(yīng)力圓的公切線帶有主觀性。針對(duì)這些問題，陳祖煜[16]提出一種更為簡(jiǎn)便的求法，是將試驗(yàn)結(jié)果繪制在p-q坐標(biāo)軸上，如圖8所示。其中p=(σ1+σ3)/2，q=(σ1-σ3)/2，σ1，σ3是剪切過程的偏應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力與圍壓數(shù)值，p為平均應(yīng)力，即剪切面上的法向應(yīng)力σ；q為不排水抗剪強(qiáng)度，即土的抗剪強(qiáng)度τf，結(jié)合公式(5)的變形公式(6)進(jìn)行線性擬合，該擬合直線與縱坐標(biāo)的截距為b，直線斜率為tanα，則得到式(7)和式(8)。

p=c+qtanφ

(6)

φ=sin-1(tanα)

(7)

c=b/cosφ

(8)

根據(jù)陳祖煜提出方法，計(jì)算出黏聚力和內(nèi)摩擦角，由于不固結(jié)不排水破壞都瞬間發(fā)生，體積變化極小，計(jì)算出的內(nèi)摩擦角接近于0，不做分析；繪制了黏聚力與幅值關(guān)系圖，如圖8～圖9所示；隨著幅值的增大，黏聚力逐漸減小。

圖8 p-q關(guān)系圖

圖9 黏聚力與振幅關(guān)系曲線

從圖9看出，隨著幅值的增大，黏聚力逐漸減小直至為0，試樣逐漸喪失穩(wěn)定性而發(fā)生破壞；通過幅值的不斷增大，結(jié)構(gòu)松動(dòng)越嚴(yán)重，孔壓上升，有效應(yīng)力減小，強(qiáng)度迅速降低；因?yàn)樵囼?yàn)是在振動(dòng)結(jié)束后立即進(jìn)行剪切，即剪切是在試樣產(chǎn)生應(yīng)變和孔隙水壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因而孔壓上升是一個(gè)重要影響因素；通過對(duì)黏聚力與幅值的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，相關(guān)系數(shù)在95%以上，得出了經(jīng)驗(yàn)公式(9)；從圖9可以看出，未振動(dòng)試樣的強(qiáng)度大于振動(dòng)后試樣的強(qiáng)度。

c=2.37-5.35A

(9)

式中，c為黏聚力；A為振動(dòng)幅值。

2.4 強(qiáng)度變化影響因素分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，振動(dòng)作用改變了土顆粒的排列形式，對(duì)于飽和試樣，孔隙中充滿水，不存在振動(dòng)壓實(shí)；振動(dòng)作用下，形成一個(gè)不平衡的狀態(tài)，黏聚力隨著幅值的增加而降低。飽和試樣的總應(yīng)力等于孔壓與土顆粒產(chǎn)生的有效應(yīng)力之和；振動(dòng)過程中產(chǎn)生超孔壓，有效應(yīng)力降低，土體結(jié)構(gòu)漸漸喪失穩(wěn)定性，最后發(fā)生破壞。

尾粉砂中顆粒主要成分有極細(xì)砂(0.075～0.25 mm)和粉粒(0.005～0.075 mm)，分別占61%和21%；粉粒透水性小，濕時(shí)稍有黏性，遇水膨脹性小，干時(shí)稍微有收縮，毛細(xì)水上升高度較快較高，使試樣在振動(dòng)過程中具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度，限制了孔壓的增長(zhǎng)，導(dǎo)致孔壓后期增長(zhǎng)緩慢；而一般無黏性砂土在振動(dòng)過程中開始階段孔壓平緩上升，臨近破壞時(shí)才突然升高，兩者破壞形式明顯區(qū)別。蜂窩結(jié)構(gòu)主要由粉粒組成；土顆粒間的相互吸引力大于重力，容易形成土粒鏈，土顆粒通過結(jié)合水膜或膠結(jié)連接而聚在一起，形成土粒鏈，土粒鏈組成弓架結(jié)構(gòu)，形成蜂窩狀的結(jié)構(gòu)；蜂窩結(jié)構(gòu)的土孔隙比較大，但由于弓架作用和一定程度的粒間鏈接，使其可以承擔(dān)一定的水平靜載；但當(dāng)其受到較高的水平荷載或動(dòng)荷載時(shí)，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。

隨著幅值的增加，改變土顆粒間的距離，破壞了土顆粒間的穩(wěn)態(tài)，土顆粒間的引力減小，導(dǎo)致黏聚力的減小，抗剪強(qiáng)度的降低。礦樣為尾粉砂在循環(huán)荷載作用下，強(qiáng)度很弱，這與他人研究成果相一致，認(rèn)為均勻級(jí)配的極細(xì)沙和粉砂在循環(huán)荷載作用下強(qiáng)度很弱[17-18]。

3 結(jié) 論

本文對(duì)福建某欠固結(jié)尾粉砂進(jìn)行了振動(dòng)三軸試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制，研究了幅值對(duì)尾粉砂液化特性和強(qiáng)度的影響，得出了如下結(jié)論：

(1) 尾粉砂的偏應(yīng)力隨著振次的增加而降低，其降幅隨幅值的增大而增大。幅值在0.05～0.2 mm，孔壓均達(dá)不到有效圍壓；最大幅值0.4 mm下，孔壓比0.6～0.7，且偏應(yīng)力曲線趨于0，故判斷試樣出現(xiàn)初始液化。后期工作將通過保持振次不變，繼續(xù)增加幅值，或保持幅值不變，繼續(xù)增加振次，研究尾粉砂發(fā)生液化時(shí)的振次、幅值等相關(guān)具體數(shù)值，來指導(dǎo)工程實(shí)踐。

(2) 通過對(duì)振動(dòng)后尾粉砂進(jìn)行剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)尾粉砂仍然具有一定抗剪強(qiáng)度，且發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度隨著幅值的增加而降低；幅值為0.4 mm時(shí)，雖然出現(xiàn)了初始液化，但仍然具有一定的強(qiáng)度，沒有完全破壞。

(3) 尾粉砂的不排水抗剪強(qiáng)度隨著幅值的增加逐漸降低，隨著圍壓的增大而增大，建立了不排水抗剪強(qiáng)度與幅值經(jīng)驗(yàn)公式；振后強(qiáng)度均比未經(jīng)歷振動(dòng)不排水強(qiáng)度值低。

(4) 隨著幅值的增大，尾粉砂黏聚力逐漸降低，建立了黏聚力與幅值的經(jīng)驗(yàn)公式。剪切過程試樣的破壞形式由剪切破壞發(fā)展為鼓脹破壞，幅值越大出現(xiàn)裂紋越早。

(5) 尾粉砂表現(xiàn)出的動(dòng)力特性和抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)成分和振動(dòng)過程孔壓特性密切相關(guān)，振動(dòng)作用下改變土骨架間的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙改變，孔壓的上升，有效應(yīng)力降低，強(qiáng)度下降。