高埋深條件下尾砂土的動(dòng)強(qiáng)度特性

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

尾礦料是礦山開采過程中選出的有價(jià)值的精礦后排出的像細(xì)砂或者粉土一樣的細(xì)粒廢料，一般采用濕法將尾礦料輸送到尾礦庫內(nèi)沉淀堆存。我國的尾礦壩大多采用上游式筑壩法[1]。上游式筑壩由于筑壩工藝自身的原因，排水系統(tǒng)不通暢，壩體內(nèi)浸潤線較高，尾料固結(jié)程度較差，尾礦料常處于飽和的疏松狀態(tài)，顆粒密度較大；由于顆粒級配、礦物成分等因素的影響，尾礦壩看似穩(wěn)定，實(shí)際上對擾動(dòng)非常敏感，在地震中很容易發(fā)生液化和破壞變形[2]。根據(jù)國際大壩委員會(huì)(ICOLD)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)的統(tǒng)計(jì)資料，從1910年以來，尾礦壩失事事故已經(jīng)發(fā)生了數(shù)百起[3]。地震是引起尾礦壩事故的第二大原因[4]，表現(xiàn)在地震引起壩體液化和造成過大的永久變形[5]。我國的許多尾礦壩位于地震高烈度區(qū)，地震時(shí)更容易發(fā)生尾礦庫的液化、裂縫、沉降等問題，在尾礦庫的設(shè)計(jì)中對尾礦料進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)有非常重要的實(shí)際意義，為此，許多學(xué)者對尾礦料的動(dòng)力特性進(jìn)行了大量的研究，研究了動(dòng)載作用下尾礦砂土和尾礦粉土的動(dòng)彈模阻尼比[6-9]、殘余應(yīng)變[10]、動(dòng)強(qiáng)度[11-15]等演化特性，取得了較好的成果，但這些研究成果中采用的圍壓均較小，一般≤400 kPa。

我國目前許多新建尾礦壩和已有尾礦壩加高的尾礦壩的設(shè)計(jì)壩高已經(jīng)超過了百米級，如：德興銅礦44#尾礦庫208 m，金堆城栗西尾礦庫164.5 m，金堆城楊家灣尾礦庫123 m，金堆城木子溝尾礦壩122.5 m，會(huì)理縣小打鵝尾礦庫187.5 m等；隨尾礦壩壩高的增加，安全風(fēng)險(xiǎn)也在增加，如2008年山西襄汾新塔礦業(yè)公司“9·8”特別重大尾礦庫潰壩事故，造成281人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失近億元，社會(huì)影響極為惡劣。高尾礦壩的抗震安全性評價(jià)成為研究的焦點(diǎn)問題，在百米級尾礦壩抗震安全評價(jià)中，需要關(guān)注到2個(gè)問題：

(1)百米級高尾礦壩的動(dòng)強(qiáng)度特性試驗(yàn)中，按規(guī)范[16]要求試驗(yàn)采用的條件宜與實(shí)際受力狀態(tài)一致，高圍壓下尾礦料的動(dòng)應(yīng)力、液化應(yīng)力比等變化規(guī)律如何？是否仍服從小圍壓條件下得到的規(guī)律？需要進(jìn)行更深入的試驗(yàn)研究。

(2)以往的認(rèn)識認(rèn)為液化現(xiàn)象只會(huì)出現(xiàn)在20 m范圍內(nèi)的淺埋深粉細(xì)砂層，因此尾礦料動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)研究中的圍壓力均較小，但處于中低部的高埋深條件下的尾礦料在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性如何？是否會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象或較大永久變形，進(jìn)而影響尾礦壩的安全？我們目前的勘測技術(shù)手段無法進(jìn)行判斷，但是在2008年汶川地震后的地震液化現(xiàn)場調(diào)查和分析中發(fā)現(xiàn)，埋深超過20 m的深層液化是真實(shí)存在的[17]。

為了研究這2個(gè)問題，本文依托某百米級的尾礦壩，開展高埋深條件下的尾礦料動(dòng)強(qiáng)度(液化)試驗(yàn)，研究高圍壓下尾礦料的動(dòng)強(qiáng)度特性，并進(jìn)行尾砂土的液化深度分析。

2 材料基本特性

試驗(yàn)依托某尾礦庫，尾礦庫總壩高為117 m，總庫容3 711×104m3，工程規(guī)模為二等尾礦庫。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，尾礦料分尾粉土和尾砂土2種。本次選取尾砂土進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)，尾砂土的顆粒密度為2.85，其顆粒級配見表1，特征粒徑d60為0.18 mm，d30為0.10 mm，d10為0.03 mm，不均勻系數(shù)CU為6.0，曲率系數(shù)CC為1.85，級配良好。

表1 尾砂土的顆粒級配Table 1 Gradation of tailings sand

尾砂土的最大干密度為1.98 g/cm3，最小干密度為1.43 g/cm3，按相對密度0.43和0.52計(jì)算試驗(yàn)干密度分別為1.62 g/cm3和1.67 g/cm3。

3 研究方案

尾礦料動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)采用英國GDS全自動(dòng)多功能振動(dòng)三軸儀，試樣尺寸為Φ39.1 mm×H80 mm，試驗(yàn)激振波形采用正弦波，激振頻率1 Hz。

試樣采用重塑樣擊實(shí)法制備，樣品分3層填裝成型，在三軸壓力室內(nèi)聯(lián)合使用抽氣和反壓飽和的方法，當(dāng)試樣的孔隙水壓力系數(shù)達(dá)到0.95以上時(shí)，飽和度滿足規(guī)范要求，開始試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 動(dòng)應(yīng)力

圖1和圖2是尾砂土在不同固結(jié)應(yīng)力比Kc=1.0，1.5，2.0時(shí)的動(dòng)應(yīng)力σd與破壞振次Nf的關(guān)系曲線，2種密度的尾砂土的動(dòng)應(yīng)力與破壞振次間的關(guān)系曲線變化規(guī)律基本相同：隨著動(dòng)應(yīng)力的增加，試樣達(dá)到破壞需要的破壞振次逐漸減小，且兩者有較好的冪函數(shù)關(guān)系，本次試驗(yàn)采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，相關(guān)性系數(shù)R2均>0.96。在同一固結(jié)應(yīng)力比下，動(dòng)應(yīng)力隨圍壓的增加而增加；在圍壓相同時(shí)，動(dòng)應(yīng)力隨固結(jié)應(yīng)力比的增加而增加，與以往小圍壓條件下對尾砂土的研究成果規(guī)律相同。

圖1 ρd=1.62 g/cm3時(shí)動(dòng)應(yīng)力與破壞振次間的關(guān)系曲線Fig.1 Curves of dynamic stress versus vibration timesuntil failure of specimens with dry density ρd=1.62 g/cm3

圖2 ρd=1.67 g/cm3時(shí)動(dòng)應(yīng)力與破壞振次間的關(guān)系曲線Fig.2 Curves of dynamic stress versus vibration timesuntil failure of specimens with dry density ρd=1.67 g/cm3

4.2 液化應(yīng)力比

(1)

(2)

2種密度的尾砂土在固結(jié)應(yīng)力比Kc=1.0，1.5，2.0下的液化應(yīng)力比與破壞振次的關(guān)系曲線見圖3和圖4，固結(jié)應(yīng)力比相同時(shí)，液化應(yīng)力比均隨圍壓的增加而減小，但不同圍壓下的液化應(yīng)力比差別較大，不同圍壓下的液化應(yīng)力比不能歸一，與文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[15]在低圍壓條件下得到的歸一化規(guī)律有較大差別，說明圍壓對液化應(yīng)力比的影響較大。

圖3 ρd=1.62 g/cm3時(shí)液化應(yīng)力比與破壞振次間的關(guān)系曲線Fig.3 Curves of liquefaction stress ratio versus vibrationtimes until failure of specimens with dry densityρd=1.62 g/cm3

圖4 ρd=1.67 g/cm3時(shí)液化應(yīng)力比與破壞振次間的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of liquefaction stress ratio versus vibrationtimes until failure of specimens with dry densityρd=1.67 g/cm3

根據(jù)圖3和圖4的液化應(yīng)力比與破壞振次之間的關(guān)系曲線，可以得到等效振次12，20，30(相應(yīng)的地震震級分別為7.0，7.5，8.0級)的液化應(yīng)力比，見表2。相同固結(jié)應(yīng)力比和圍壓條件下，干密度1.67 g/cm3的液化應(yīng)力比與干密度1.62 g/cm3的液化應(yīng)力比相比較有較大幅度的提高，增幅在18%～52%，平均增幅34%，說明干密度的增加，可以有效提高尾砂土的抗震性能。

表2 不同固結(jié)應(yīng)力比和圍壓條件下的液化應(yīng)力比
Table 2 Values of liquefaction stress ratio under differentconsolidation stress ratios and confining pressures

固結(jié)應(yīng)力比Kc等效振次ρd=1.62 g/cm3時(shí)不同圍壓的液化應(yīng)力比ρd=1.67 g/cm3時(shí)不同圍壓的液化應(yīng)力比400kPa800kPa 1 200kPa400kPa800kPa 1 200kPa120.2610.2380.2200.3850.3030.2681.0200.2340.2130.1990.3300.2710.238300.2140.1950.1830.2920.2480.217120.3270.2340.1980.4440.3470.2601.5200.2950.2120.1800.4050.3200.239300.2720.1970.1670.3760.3000.223120.3910.2220.1720.4610.3060.2402.0200.3600.2030.1600.4330.2850.223300.3380.1900.1510.4130.2700.210

5 地震液化影響深度分析

按《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]的尾礦壩地震液化判別簡化計(jì)算公式，分析尾砂土的地震液化深度。壩體中飽和尾礦的液化率FL和地震作用應(yīng)力比L分別按式(3)和式(4)計(jì)算，當(dāng)FL≤1.0時(shí)，判斷為液化。

(3)

(4)

以依托項(xiàng)目的尾砂土為例，取干密度為1.62 g/cm3，固結(jié)應(yīng)力比Kc=1.0,1.5,2.0下的地震作用應(yīng)力比和液化應(yīng)力比隨深度的變化曲線見圖5。單元體所處的應(yīng)力狀態(tài)對抗震液化深度的影響比較明顯，隨著固結(jié)應(yīng)力比的增加，液化深度明顯減小，地震震級8.0級條件下，固結(jié)應(yīng)力比1.0,1.5,2.0時(shí)的液化深度分別為32,15,3 m；在相同固結(jié)應(yīng)力比條件下，液化深度隨地震震級的增加而逐漸增加，固結(jié)應(yīng)力比Kc=1.0時(shí)，地震震級7.0，7.5，8.0級的液化深度分別為19,24,32 m。

圖5 ρd=1.62 g/cm3時(shí)地震作用應(yīng)力比和液化應(yīng)力比隨埋深的變化曲線Fig.5 Curves of seismic stress ratio and liquefactionstress ratio versus depth with dry density ρd=1.62 g/cm3

圖6 ρd=1.67 g/cm3時(shí)地震作用應(yīng)力比和液化應(yīng)力比隨深度的變化曲線Fig.6 Curves of seismic stress ratio and liquefactionstress ratio versus depth with dry density ρd=1.67 g/cm3

尾砂土在干密度1.67 g/cm3(圖6)下的液化深度變化規(guī)律基本相同，但液化深度明顯減小。

本文研究背景中提出的尾礦料液化深度問題，經(jīng)試驗(yàn)成果分析，在較小的試驗(yàn)干密度和較小的固結(jié)應(yīng)力比條件下，液化深度會(huì)超過20 m，如本文的液化深度最大達(dá)到32 m，因此在尾砂土的液化深度分析中應(yīng)予注意。但進(jìn)行液化判斷時(shí)，本文開展的圍壓1 200 kPa的動(dòng)強(qiáng)度(液化)試驗(yàn)已無必要，盡管液化應(yīng)力比均隨圍壓的增加而減小，但根據(jù)圖5和圖6，地震作用應(yīng)力比隨深度逐漸折減，在埋深96 m時(shí)已經(jīng)折減為0，百米級尾礦壩的底部尾礦料不存在液化可能性。在進(jìn)行尾礦料的液化試驗(yàn)時(shí)，埋深60 m時(shí)的地震作用應(yīng)力比為0.12，而一般尾砂土的液化應(yīng)力比均>0.15，因此采用最大圍壓600 kPa已經(jīng)能滿足液化深度要求。

6 結(jié) 語

通過動(dòng)力試驗(yàn)研究了尾砂土在高埋深條件下不同圍壓400,800,1 200 kPa的動(dòng)強(qiáng)度特性，并分析了不同地震震級下的尾砂土液化影響深度，研究成果如下：

(1)隨著動(dòng)應(yīng)力的增大，試樣達(dá)到破壞需要的破壞振次逐漸減小，且兩者有較好的冪函數(shù)關(guān)系。在同一固結(jié)應(yīng)力比下，動(dòng)應(yīng)力隨圍壓的增大而增大；在圍壓相同時(shí)，動(dòng)應(yīng)力隨固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大，與以往小圍壓條件下的規(guī)律相同。

(2)高埋深條件下，固結(jié)應(yīng)力比相同時(shí)，液化應(yīng)力比均隨圍壓的增大而減小，圍壓對液化應(yīng)力比的影響較大，不同圍壓下的液化應(yīng)力比不能歸一化，與以往小圍壓條件下的規(guī)律不同。

(3)相同固結(jié)應(yīng)力比和圍壓條件下，高密度尾砂土的液化應(yīng)力比有較大幅度的提高。尾砂土密度的增大可以有效提高尾砂土的抗震性能。

(4)在較小的試驗(yàn)干密度和較小的固結(jié)應(yīng)力比條件下，尾砂土液化深度可達(dá)到32 m，在尾砂土的液化深度分析中應(yīng)予注意。

(5)在進(jìn)行尾礦料的液化試驗(yàn)時(shí)，采用最大圍壓600 kPa已經(jīng)能滿足液化深度要求，是較為合理的。