尾砂庫地震砂土液化判別與分析
——以銅陵市水木沖尾砂庫為例

謝瑞杰，管 斌，丁 丹，汪丹丹，洪 陽

(1.銅陵市地震局，安徽 銅陵244000；2.安徽省地礦局321地質(zhì)隊(duì)，安徽 銅陵 244000， 3.安徽省地震局，合肥 230031)

尾砂是選礦分選作業(yè)的產(chǎn)物之一，通過堆積處理形成的尾砂庫是重大危險(xiǎn)源[1]。隨著城市擴(kuò)張，尾砂庫對(duì)周邊環(huán)境及居民的影響越來越突出。地震砂土液化是指飽和土體在地震力的作用下，受到強(qiáng)烈震動(dòng)而喪失抗剪強(qiáng)度，由固態(tài)變成液態(tài)的力學(xué)過程[2]。尾砂庫在地震作用下極易出現(xiàn)液化現(xiàn)象，導(dǎo)致庫體失穩(wěn)，出現(xiàn)潰庫風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，銅陵市地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)值為0.10 g，對(duì)應(yīng)基本地震烈度為Ⅶ度，應(yīng)對(duì)飽和砂土和粉土進(jìn)行液化判別。本文以銅陵市水木沖尾砂庫為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法、靜力觸探法和剪切波速判斷法分析尾砂庫地震砂土液化。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

水木沖尾礦庫位于銅陵市烏木山與小峰山形成的沖溝內(nèi)，屬山谷形尾礦庫，庫容約550萬m3，現(xiàn)壩頂標(biāo)高約+75 m，庫底地面標(biāo)高30 m，屬于Ⅲ級(jí)庫。水木沖尾礦庫由初級(jí)壩、尾礦堆積壩、副壩組成，其中初級(jí)壩為透水性堆石壩，壩高21.4 m；尾礦堆積壩采用上游式尾礦筑壩法，堆積壩為三級(jí)堆積，平臺(tái)寬6 m，標(biāo)高分別為+57 m，+70 m、+81.5 m；副壩為混凝土壩，壩頂標(biāo)高+82 m。庫內(nèi)尾砂是由硫化型礦石經(jīng)選礦后的產(chǎn)物，按尾砂粗細(xì)依次分為尾粗砂、尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂。

1.2 地震構(gòu)造背景

水木沖尾礦庫地處安徽省沿江丘陵平原區(qū)，周邊微地貌類型主要有坳谷、坡崗地、低丘(圖1)。本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育，以北北東—北東向和北西向?yàn)橹?，次為近南北向，區(qū)內(nèi)斷裂活動(dòng)時(shí)代主要為印支—燕山期，除洪家巷斷裂和方山—小丹陽斷裂在第四紀(jì)早、中更新世有所活動(dòng)，其余斷裂未見新生代以來活動(dòng)跡象。從地震活動(dòng)的時(shí)間特征和未來活動(dòng)趨勢(shì)來看，該尾礦庫位于華北地震區(qū)的長江下游—南黃海地震帶內(nèi)[3]，以中強(qiáng)地震活動(dòng)為主，地震主要發(fā)生在北西與北東向構(gòu)造交匯部位，該帶自1485年以來有兩個(gè)地震活躍期，目前正處于第二活躍期的第三個(gè)活躍幕(圖2)。長江下游—南黃海地震帶目前所處活躍期可能還將持續(xù)一段時(shí)間，宜以活躍期地震活動(dòng)水平估計(jì)地震帶未來百年地震活動(dòng)趨勢(shì)。

圖1 區(qū)域第四紀(jì)地質(zhì)地貌圖Fig.1 Regional quaternary geology and geomorphology map

圖2 長江下游—南黃海地震帶地震分布圖Fig.2 Seismic distribution map of the lower Yangtze River-South Yellow Sea seismic belt

2 研究方法

砂土液化影響因素主要有土性條件、動(dòng)荷條件及埋藏條件三類，水木沖尾礦庫內(nèi)尾砂由尾細(xì)砂、尾粗砂及尾粉砂組成，各尾砂d50粒徑尾砂一般在0.2～0.25 mm，其中d<0.005 mm的尾砂占比均不足1%，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010對(duì)砂土液化可能性進(jìn)行判別，判別存在液化的可能。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)判別法

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法屬于經(jīng)驗(yàn)分析法[4-5]，是在分析、統(tǒng)計(jì)世界各地廣泛的地震液化震害調(diào)查基礎(chǔ)之上建立的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則和公式[6]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010(2016年版)，當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)小于或等于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時(shí)，應(yīng)判斷為液化土，反之不液化。當(dāng)飽和土在地面下20 m 深度范圍內(nèi)液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，當(dāng)設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g時(shí)，取7；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.8，第二組取0.95，第三組取1.05。

本次對(duì)烏木山尾礦庫的6個(gè)孔20 m范圍內(nèi)的16個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析(表1)，結(jié)果表明庫內(nèi)地下水水位線以下的尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂在地震作用下易產(chǎn)生液化。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)砂土液化判別表Table 1 Standard penetration test sand liquefaction discrimination table

2.2 靜力觸探數(shù)據(jù)判別法[7]

根據(jù)工程地質(zhì)手冊(cè)，利用靜力觸探判別砂土液化，可按式(2)計(jì)算。當(dāng)實(shí)測(cè)值小于臨界值時(shí)，可判為液化土，反之則為不發(fā)生液化，計(jì)算公式如下：

qccr=qc0αw·αu·αp

(2)

αw=1-0.065(dw-2)

(3)

αu=1-0.05(du-2)

(4)

式中：qccr為飽和土液化錐尖阻力臨界值，MPa；qc0為du=2 m時(shí)，飽和土液化判別錐尖阻力基準(zhǔn)值，MPa，可按表2取值；αw為地下水位埋深修正系數(shù)，αu為上覆非液化土層厚度修正系數(shù)，dw為地下水位深度，m；du為上覆非液化土層厚度，m；αp為與靜力觸探摩阻比有關(guān)的土性修正系數(shù)，可按表3進(jìn)行取值[8]。

表2 錐尖阻力基準(zhǔn)值 Table 2 Reference value of cone tip resistance /MPa

表3 土性綜合影響系數(shù)αp值

本次對(duì)烏木山尾礦庫的6個(gè)孔實(shí)施了12個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析(表4)，7個(gè)判別為不液化，5個(gè)判別為液化。

表4 靜力觸探試驗(yàn)砂土液化判別表

2.3 剪切波速法

剪切波速逐漸發(fā)展成為液化判別的一種基本指標(biāo)，并形成了不同形式的液化判別式[9]。土體剪切波速在地震工程和巖土工程方面應(yīng)用較為廣泛，在土體液化勢(shì)的判別方面，剪切波速具有測(cè)定穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還存在著相對(duì)密度、結(jié)構(gòu)性以及早期應(yīng)變歷史等使抗液化強(qiáng)度減小的因素。SEED等認(rèn)為地震動(dòng)荷載為循環(huán)剪切荷載[10]，飽和砂土在動(dòng)荷載力的作用下，有效應(yīng)力為零，砂土抗剪輕度迅速減小，達(dá)到液化初始狀態(tài)，加載會(huì)使砂土產(chǎn)生剪漲破壞，卸載則產(chǎn)生剪縮破壞，在循環(huán)加卸載過程中，破壞加劇，巖土體失穩(wěn)[11]。

(5)

式中：Vscr為飽和砂土液化剪切波速臨界值，m/s；Vs0與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；ds剪切波速測(cè)點(diǎn)深度，m；dW地下水深度，m。該公式適用于15 m以內(nèi)的飽和砂土和粉土的液化判別。

根據(jù)上式對(duì)各孔(孔深15 m以內(nèi)，地下水水位線以下)剪切波速臨界值進(jìn)行液化判別(表5)，鉆孔位置見圖3。計(jì)算結(jié)果表明，剪切波速法的判別結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)判別法大體相同，液化主要發(fā)生在地下水位線以下的尾中砂、尾細(xì)砂和尾粉砂中。

圖3 鉆孔位置分布圖 Fig.3 Borehole location distribution

表5 剪切波速判別砂土液化結(jié)果表

由于基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)和基于靜力觸探數(shù)據(jù)判別方法都是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式，從而進(jìn)行液化判別，兩種方法在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上具有不同程度的數(shù)據(jù)偏差，判別結(jié)果可能存在不一致性。通過統(tǒng)計(jì)兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)之間存在的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而統(tǒng)一到一種方法上進(jìn)行判別，判別結(jié)果更具有說服力。

3 結(jié)論

1)基于標(biāo)準(zhǔn)貫入法、靜力觸探法和剪切波速法等三種方法，烏木山尾砂庫均不同程度出現(xiàn)液化現(xiàn)象，因三種方法鉆孔位置和實(shí)驗(yàn)方法不同，得出的液化結(jié)果有所不同。

2)本文研究對(duì)象為硫化型礦石經(jīng)選礦后的尾砂采用上游式尾礦筑壩法構(gòu)建的尾砂庫，不同尾砂和筑壩方法的尾砂庫，砂土液化特性有所不同。政府應(yīng)按照風(fēng)險(xiǎn)防范等級(jí)，對(duì)尾砂庫開展安全隱患研究，加強(qiáng)對(duì)尾砂庫的安全管理，特別是地震易發(fā)區(qū)域，要做好尾砂庫潰庫次生地震災(zāi)害應(yīng)急準(zhǔn)備工作。