基于模型試驗(yàn)的鎳礦流態(tài)化特性與判別

李 琳，趙 程,2*，白彪天，于仕才，周 健,2

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.四川長園工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610063；4.上海中建東孚投資發(fā)展有限公司，上海 200120)

鎳礦作為一種重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，需求不斷上升。我國散裝精鎳礦的進(jìn)口量逐年增長，其主要運(yùn)輸方式是海上運(yùn)輸。鎳礦在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中，往往存在中心層溫度過高、粉塵飛揚(yáng)等問題，需要人為噴水來解決。精粉礦散貨自身含水量、露天存放時(shí)遭受雨淋及噴水措施等因素導(dǎo)致在其運(yùn)輸過程中發(fā)生流態(tài)化的可能性增加[1-2]。我國曾發(fā)生過多起因運(yùn)載精粉礦導(dǎo)致的沉船事故，帶來船毀人亡的重大損失[3]。鎳礦由于顆粒粒徑很細(xì)，且黏粒含量較高，其流態(tài)化機(jī)理與其他礦粉等存在顯著差異[4-7]，很多學(xué)者對其流態(tài)化風(fēng)險(xiǎn)及特點(diǎn)進(jìn)行了單獨(dú)研究[8-10]。這些研究為鎳礦流態(tài)化的振動(dòng)臺模型試驗(yàn)提供了參考。而對于鎳礦發(fā)生流態(tài)化的機(jī)理，目前研究尚屬于初步探討階段。當(dāng)前國際上關(guān)于礦粉流態(tài)化判別的方法主要是將礦粉含水率值與流動(dòng)水分點(diǎn)進(jìn)行比較，認(rèn)為只有其含水率大于流動(dòng)水分點(diǎn)時(shí)，礦粉才有可能發(fā)生液化[11]。諸多學(xué)者就流動(dòng)水分點(diǎn)的測定方法進(jìn)行了研究[12-13]。但考慮細(xì)粒含量對鎳礦流態(tài)化的影響，目前對鎳礦流態(tài)化的判別并不十分完善。

本文基于室內(nèi)可視化小型振動(dòng)臺模型試驗(yàn)，利用數(shù)字圖像采集和分析系統(tǒng)，分析了在縮尺條件下鎳礦流態(tài)化演化歷程及形成機(jī)理，確定了鎳礦試樣在較不利加速度下的流態(tài)化臨界含水率，探討了影響鎳礦流態(tài)化的關(guān)鍵因素，最后提出了新的鎳礦流態(tài)化判別方法，并分析了流盤試驗(yàn)所得流動(dòng)水分點(diǎn)(Flow Moisture Point，F(xiàn)MP)的可靠性。本研究擬從源頭上對散裝鎳礦流態(tài)化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效判定，具有重要的工程意義。

1 振動(dòng)臺模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

鎳礦顆粒粒徑很細(xì)，且其中黏粒含量較高，難以制備多種級配的鎳礦，因此鎳礦流態(tài)化模型試驗(yàn)只采用一種級配的鎳礦，研究其在較不利工況下發(fā)生流態(tài)化的臨界含水率。試驗(yàn)所用鎳礦由上海出入境檢驗(yàn)檢疫局提供，取自上海羅涇碼頭自由堆場?；疚锢砹W(xué)性質(zhì)見表1，其中FMP為流動(dòng)水分點(diǎn)，TML(Transportable Moisture Limit)為適運(yùn)水分限量。

表1 鎳礦基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

由于海浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，船舶在其作用下的運(yùn)動(dòng)通常也是隨機(jī)的。為了使分析計(jì)算更為方便，可以假定海浪的運(yùn)動(dòng)是規(guī)則及穩(wěn)定的，那么在其作用下，船舶運(yùn)動(dòng)則可以認(rèn)為是由簡諧運(yùn)動(dòng)組成的，該計(jì)算結(jié)果同樣具有參考價(jià)值[14]。試驗(yàn)通過教研室自主研發(fā)的室內(nèi)小型振動(dòng)臺[15]對模型箱施加水平往復(fù)簡諧荷載，以此來模擬在波浪作用下船舶的水平橫搖[16]。

試驗(yàn)?zāi)M5.7×104t級散貨船在5艙均勻裝載時(shí)精粉礦散貨的堆載情況。由模型相似設(shè)計(jì)的基本原則，首先確定模型幾何尺寸的相似比為1/25；其次，考慮重力加速度g的近似模擬，質(zhì)量密度的相似關(guān)系為1；最后，根據(jù)量綱分析的π定理確定相似規(guī)律推導(dǎo)出的室內(nèi)振動(dòng)臺模型試驗(yàn)的相似系數(shù)如表2所示。

表2 室內(nèi)模型試驗(yàn)的模型相似比

根據(jù)模型相似比，設(shè)計(jì)模型箱長66 cm，寬32 cm，高40 cm。為了便于觀測，在模型高度方向設(shè)置橫向標(biāo)志砂，每層間隔10 cm，在長度方向中間位置設(shè)置豎向標(biāo)志砂。試驗(yàn)在模型箱一側(cè)設(shè)置高清數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)記錄精粉礦流態(tài)化宏觀演化過程，觀測流態(tài)化發(fā)生發(fā)展全過程中的礦體變形。試驗(yàn)中采用孔隙水壓力傳感器采集全過程孔隙水壓力的變化，采樣方式和采樣頻率等都通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，采樣頻率設(shè)定為50 Hz。鎳礦模型及水壓傳感器在礦體內(nèi)的布置如圖1所示。

圖1 鎳礦模型及孔壓測點(diǎn)布置圖Tab. 1 The physical parameters of nickel ore

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 試驗(yàn)方案

根據(jù)課題組前期的研究成果[8]，影響鎳礦流態(tài)化特性的關(guān)鍵因素為含水率和加速度，因此在試驗(yàn)中將其作為主要控制變量。根據(jù)上海出入境檢驗(yàn)檢疫局提供的資料[17]顯示，波浪譜的特征頻率一般為0.1～1 Hz，本試驗(yàn)按較不利情況，設(shè)計(jì)頻率為1 Hz。實(shí)測資料表明，散裝鎳礦貨船在載運(yùn)時(shí)，艙內(nèi)鎳礦的橫向加速度幅值范圍為0.16～0.42 g。為了獲得偏安全的臨界含水率，取較不利的加速度工況進(jìn)行試驗(yàn)，不考慮鎳礦在加速度為0.1～0.3 g的情況。試驗(yàn)設(shè)計(jì)施加在試樣上的加速度值分別為0.4和0.5 g，對應(yīng)振幅分別為82和99 mm。具體方案如表3所示。

表3 模型試驗(yàn)方案

(2) 試驗(yàn)過程

為了精確控制試樣含水率并保證合適的相對密實(shí)度，本試驗(yàn)采用分層濕搗法均勻配置鎳礦試樣，將鎳礦在110 ℃的烘箱里烘置24 h，待充分烘干后，根據(jù)設(shè)計(jì)含水率配置所需試樣，將配置好的試樣分10層裝樣，控制每層試樣的密實(shí)度相同。為使鎳礦內(nèi)部含水率保持充分均勻，裝樣后于鎳礦表面鋪設(shè)濕毛巾，并靜置1 h。準(zhǔn)備工作完成后，啟動(dòng)振動(dòng)臺施加振動(dòng)荷載，最大振動(dòng)周數(shù)為600次，當(dāng)試驗(yàn)中發(fā)生明顯流態(tài)化破壞現(xiàn)象后即停止振動(dòng)臺振動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)所用的鎳礦，按照土力學(xué)分類，屬于粉質(zhì)粘土，其黏性很高，其流態(tài)化機(jī)理主要從宏觀現(xiàn)象、分層含水率、孔隙水壓力三個(gè)方面進(jìn)行探討。

2.1 鎳礦流態(tài)化現(xiàn)象

試驗(yàn)以是否出現(xiàn)破壞變形與滑動(dòng)面為依據(jù)來判定是否出現(xiàn)流態(tài)化。表4為五組鎳礦模型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)含水率較小，鎳礦不發(fā)生流態(tài)化，鎳礦礦體在試驗(yàn)過程中基本不發(fā)生變形；當(dāng)含水率較大，鎳礦發(fā)生流態(tài)化時(shí)，鎳礦礦體喪失強(qiáng)度，在振動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生大變形。鎳礦由于污染玻璃面的原因，側(cè)面宏觀現(xiàn)象并不能很直觀地反應(yīng)鎳礦的流態(tài)化發(fā)展過程，這需要在后續(xù)研究中繼續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)方案。但在試驗(yàn)過程中，可以實(shí)際觀測到其流態(tài)化發(fā)展規(guī)律。

表4 模型試驗(yàn)結(jié)果

圖2和圖3為第5#組試驗(yàn)鎳礦在振動(dòng)前后宏觀現(xiàn)象的對比圖?？梢钥吹剑囼?yàn)前在礦體內(nèi)設(shè)置的三道橫向標(biāo)志砂在試驗(yàn)結(jié)束后基本不可見，由于礦體發(fā)生了大變形，導(dǎo)致標(biāo)志砂與礦粉混合在了一起，而在表面可以看到在部分地方出現(xiàn)較大的張拉裂縫，并且左邊出現(xiàn)了隆起，右邊出現(xiàn)了塌陷。在試驗(yàn)過程中可以觀測到流態(tài)化發(fā)展過程仍是頂部先破壞，出現(xiàn)圓弧滑動(dòng)面，并逐漸向下發(fā)展。在整個(gè)試驗(yàn)過程中沒有表現(xiàn)出明顯的水分遷移現(xiàn)象。

圖2 5#試驗(yàn)鎳礦流態(tài)化現(xiàn)象正視圖Fig.2 The front view of nickel concentrate ore’s fluidization

圖3 5#試驗(yàn)鎳礦流態(tài)化現(xiàn)象俯視圖Fig.3 The top view of nickel concentrate ore’s fluidization

2.2 分層含水率規(guī)律

在試驗(yàn)結(jié)束后，測定了鎳礦的分層含水率分布，來探究鎳礦在振動(dòng)荷載作用下的水分遷移規(guī)律。圖4為各組試驗(yàn)中鎳礦分層含水率沿模型高度方向分布的變化情況，橫坐標(biāo)表示含水率值，縱坐標(biāo)表示模型的高度。其中，第1#、2#、3#、4#四組試驗(yàn)中鎳礦未發(fā)生流態(tài)化，第5#組試驗(yàn)中鎳礦發(fā)生了流態(tài)化。

圖4 鎳礦試驗(yàn)后分層含水率Fig.4 Moisture contents at different layers after tests

比較各組試驗(yàn)中分層含水率的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，對于鎳礦來說，無論是否發(fā)生流態(tài)化，其含水率分布均表現(xiàn)為從上往下均勻分布，含水率的離散型較大。其主要原因?yàn)殒嚨V細(xì)粒中黏粒含量較多，因此導(dǎo)致其滲透性非常低，在振動(dòng)荷載作用下礦體內(nèi)水分基本不發(fā)生遷移。

2.3 孔隙水壓力規(guī)律

在鎳礦模型試驗(yàn)中，測定了兩個(gè)測點(diǎn)的孔隙水壓力隨振動(dòng)荷載的變化情況，關(guān)于孔隙水壓力測點(diǎn)布置情況見圖1。圖5為第1#、2#、4#、5#組試驗(yàn)中鎳礦在振動(dòng)荷載作用下孔隙水壓力的時(shí)程曲線。比較各組試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎳礦未發(fā)生流態(tài)化時(shí)，孔隙水壓力未發(fā)展；當(dāng)含水率較大，鎳礦發(fā)生流態(tài)化時(shí)，孔隙水壓力有小幅發(fā)展，但其值很小，頂部孔壓甚至出現(xiàn)了負(fù)值，說明在鎳礦中由于黏粒含量較大，同時(shí)試驗(yàn)又處于非飽和狀態(tài)，因此在鎳礦中存在負(fù)孔壓，但由于其飽和度較高，所以負(fù)孔壓很小。而由分層含水率規(guī)律可知在試驗(yàn)過程中水分基本不發(fā)生遷移，因此在試驗(yàn)過程中孔壓基本不發(fā)展。

圖5 鎳礦孔隙水壓力時(shí)程曲線Fig.5 The pore pressure curves of nickel concentrate ore

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，鎳礦是否發(fā)生流態(tài)化和孔壓發(fā)展無明顯關(guān)系。鎳礦在動(dòng)力荷載作用下會(huì)發(fā)生流態(tài)化的主要原因是其顆粒粒徑非常細(xì)小，比表面積很大，導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生界面活性等膠體特性，從而在顆粒表面形成吸著水層，進(jìn)而導(dǎo)致鎳礦形成非常復(fù)雜的絮狀構(gòu)造。在振動(dòng)荷載作用下，絮狀構(gòu)造被破壞，鎳礦強(qiáng)度逐漸降低，產(chǎn)生振動(dòng)軟化，進(jìn)而導(dǎo)致流態(tài)化。因此，鎳礦發(fā)生流態(tài)化的主要原因是在高含水率下發(fā)生了振動(dòng)軟化。

3 鎳礦流態(tài)化判別

當(dāng)前礦粉流態(tài)化判別的主要方法是比較其含水率值與流動(dòng)水分點(diǎn)(FMP)的大小，只有當(dāng)含水率大于FMP時(shí)，才認(rèn)為其可能發(fā)生流態(tài)化。目前流動(dòng)水分點(diǎn)的測定方法主要包括流盤試驗(yàn)法、針入度試驗(yàn)及盧梭飽和度試驗(yàn)法。本文借鑒土力學(xué)相關(guān)知識，基于細(xì)粒含量對鎳礦流態(tài)化的影響，提出一種新的確定鎳礦流動(dòng)水分點(diǎn)的方法，將其與流盤試驗(yàn)法進(jìn)行比較，進(jìn)一步完善鎳礦流態(tài)化判別方法。

Bray J D[18]于2006年提出的細(xì)粒土液化初判標(biāo)準(zhǔn)，通過考慮不同的塑性指數(shù)(PI)，建立了確定細(xì)粒土是否流態(tài)化的三條準(zhǔn)則：(1)當(dāng)PI<12時(shí)，只有當(dāng)ωc/LL>0.85時(shí)，細(xì)粒土才可能發(fā)生液化；(2)當(dāng)120.8時(shí)，細(xì)粒土才可能發(fā)生液化；(3)當(dāng)180.8時(shí)，才認(rèn)為鎳礦可能發(fā)生流態(tài)化，將以此標(biāo)準(zhǔn)確定的含水率作為鎳礦流態(tài)化的臨界含水率。

計(jì)算臨界含水率時(shí)還需考慮，土力學(xué)中含水率指的是水的質(zhì)量和固體質(zhì)量的比值，而海運(yùn)中含水率指的是水的質(zhì)量和固體與水總質(zhì)量的比值，因此在研究過程中需區(qū)分這兩種含水率，以ωc指代土力學(xué)中含水率，以ωs指代海運(yùn)含水率。公式(1)和公式(2)給出了兩種含水率的計(jì)算方法，聯(lián)合公式(1)和(2)，可以得出ωc與ωs之間關(guān)系如式(3)所示，將其代入上述標(biāo)準(zhǔn)，即ωs/((1-ωs)LL)>0.8時(shí)，鎳礦可能發(fā)生流態(tài)化。因此，鎳礦發(fā)生流態(tài)化的臨界含水率公式如式(4)所示。

ωc=mw/ms

(1)

ωs=mw/(ms+mw)

(2)

ωc=ωs/(1-ωs)

(3)

(4)

結(jié)合以上分析，通過試驗(yàn)測出鎳礦流態(tài)化的液限，即可計(jì)算出其流態(tài)化臨界含水率。表5為室內(nèi)模型試驗(yàn)、計(jì)算、流盤試驗(yàn)三種方法所得臨界含水率。比較結(jié)果可以看出，對于高細(xì)粒含量的鎳礦，通過計(jì)算所得臨界含水率為38.1%，傳統(tǒng)流盤試驗(yàn)所得的FMP為36.6%，而試驗(yàn)所得的臨界含水率區(qū)間為38%～39%。計(jì)算所得含水率位于試驗(yàn)臨界區(qū)間內(nèi)，因此，該方法適用于高細(xì)粒含量的鎳礦的流態(tài)化臨界含水率確定，而傳統(tǒng)的流盤試驗(yàn)結(jié)果相對偏保守。

表5 臨界含水率比較

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了鎳礦在振動(dòng)荷載作用下的流態(tài)化規(guī)律，分析了其流態(tài)化演化過程，確定了鎳礦試樣流態(tài)化臨界含水率，借鑒含細(xì)粒土液化的判別方法，提出了鎳礦流態(tài)化的判別方法。主要得到以下結(jié)論：

1) 散裝鎳礦流態(tài)化演化歷程：其發(fā)生流態(tài)化時(shí)滑動(dòng)面首先出現(xiàn)在礦粉頂部，并逐漸向下遷移，最終形成礦體整體左右滑移狀。

2) 含水率是影響鎳礦礦粉流態(tài)化形成的關(guān)鍵因素，鎳礦存在含水率臨界值，高于該含水率時(shí)，鎳礦會(huì)發(fā)生流態(tài)化，低于該含水率時(shí)，鎳礦不會(huì)發(fā)生流態(tài)化。

3) 鎳礦由于黏粒含量很高，其在振動(dòng)過程中水分基本不發(fā)生遷移，孔隙水壓力也基本不發(fā)展，其發(fā)生流態(tài)化的主要原因是高含水率條件下發(fā)生了振動(dòng)軟化。

4) 通過測定鎳礦的液塑性指標(biāo)，提出了其流態(tài)化的判別方法。計(jì)算得到的流態(tài)化臨界含水率與模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對于鎳礦這種高細(xì)粒含量的試樣，通過流盤試驗(yàn)測定的FMP值在實(shí)際中偏保守。