基于DIC的含水尾砂堆積壩振動(dòng)破壞研究

劉美辰 趙怡晴 金愛(ài)兵 田欣然 劉先葦

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

尾礦壩是我國(guó)安全生產(chǎn)的9個(gè)重大危險(xiǎn)源之一,是高勢(shì)能“人造泥石流”源體。地震是誘發(fā)尾礦庫(kù)事故的第二大因素[1-3],且在水入侵作用下尾砂堆積體強(qiáng)度會(huì)顯著弱化,極易引發(fā)表面開(kāi)裂、壩體滑坡、崩塌等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境[1]。因此開(kāi)展含水尾砂堆積壩的振動(dòng)破壞特性分析,尤其是表面變形破裂的研究愈發(fā)重要。

目前學(xué)術(shù)界對(duì)含水尾砂力學(xué)性質(zhì)、堆積壩振動(dòng)變形及壩體穩(wěn)定性等開(kāi)展了廣泛研究。在含水尾砂力學(xué)試驗(yàn)方面,李志平等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出含水(0～20%)尾砂內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)與尾砂沉積特性有關(guān)。海龍等[5]、梁冰等[6]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了含水率(3%～20%)和壓實(shí)度影響下的尾砂抗剪強(qiáng)度,認(rèn)為黏聚力隨含水率升高先增大后減小,而內(nèi)摩擦角變化較小,其他學(xué)者[6-9]也得到了類似的結(jié)論。林海等[9]利用直剪試驗(yàn)、X射線衍射分析和掃描電鏡等手段開(kāi)展了尾砂抗剪強(qiáng)度研究,發(fā)現(xiàn)隨著含水率(10%～20%)增大,抗剪強(qiáng)度由于存在黏土礦物而減小。金佳旭等[10]通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)研究了含水(11%～19%)尾細(xì)砂的力學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率由15%增至17%時(shí),黏聚力下降較明顯。

在含水尾砂堆積壩振動(dòng)變形及穩(wěn)定性研究方面,陳宜楷[11]、秦華禮等[12]通過(guò)數(shù)值模擬研究了尾礦壩穩(wěn)定性中的水作用機(jī)理,認(rèn)為水使得危險(xiǎn)滑弧范圍與跨度變大,壩體抗剪強(qiáng)度下降。崔冠哲等[13]結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了尾礦壩的地震響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)灘面及外坡下部的動(dòng)力響應(yīng)有放大作用。HUNG等[14]采用離心機(jī)試驗(yàn)研究了地震與降水影響下的砂質(zhì)堆積體穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)地震、降水對(duì)壩體穩(wěn)定性影響顯著。楊兵等[15]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)認(rèn)為含水率對(duì)砂土、黏土邊坡的破壞模式均有較大影響。孫志亮等[16]基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了含水堆積體邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)含水率較大(6.6%)的堆積體永久位移、阻尼比、地面峰值加速度放大系數(shù)大于低含水(0.7%)堆積體。楊忠平等[17]通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了頻發(fā)微震作用下土石混合堆積體的動(dòng)力響應(yīng)特征,認(rèn)為隨著含水率(4%～10%)增加,堆積體裂縫發(fā)育越早,對(duì)應(yīng)的趨高趨表效應(yīng)有增強(qiáng)趨勢(shì)。

現(xiàn)階段對(duì)于尾砂堆積壩動(dòng)力特性的研究大多側(cè)重在堆積體宏觀穩(wěn)定性方面,針對(duì)含水尾砂堆積體的動(dòng)力破壞研究涉及較少,尤其基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation Technology,DIC)研究堆積體表面破裂過(guò)程及變形損傷特性的成果鮮有報(bào)道。本研究在含水率0～16.0%范圍內(nèi)進(jìn)行尾砂直剪試驗(yàn)與堆積壩模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),利用DIC技術(shù)分析含水堆積壩的振動(dòng)破壞規(guī)律,并探究其變形破裂特性、局部變形化及損傷特征等,為尾礦壩抗震設(shè)計(jì)、排滲技術(shù)及穩(wěn)定性研究提供參考。

1 直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

試驗(yàn)所用材料選用北京首云礦業(yè)全尾砂,根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123—2019)[18],尾砂顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果及物理特性指標(biāo)值見(jiàn)表1、表2,顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 粒徑測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of partical size μm

表2 尾砂物理特性指標(biāo)Table 2 Main physical property parameters of tailings

圖1 尾砂顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Distribution curve of particle size of tailings

試驗(yàn)過(guò)程為:①控制干密度(1.68 g/cm3)一定,預(yù)先制備11組不同含水率(0～16.0%)的非飽和尾砂試樣,用塑料袋密封在密閉保濕容器中靜置24 h后取出,取樣烘干測(cè)定含水率;②11組尾砂試樣每組分別用環(huán)刀制備4個(gè)試樣,按照相同的擊實(shí)功,各試樣擊實(shí)次數(shù)均為5次來(lái)保證具有相同的壓實(shí)度;③將制備的試樣裝入ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀的剪切盒(圖2)中按標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)穩(wěn)定后,分別在法向應(yīng)力100、200、300、400 kPa下,以0.8 mm/min剪切速率進(jìn)行不排水固結(jié)快剪,確保試樣在3～5 min內(nèi)剪破,記錄每一級(jí)荷載作用下的剪切變形位移,最終通過(guò)計(jì)算獲得相應(yīng)的最大剪切力。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)直剪試驗(yàn)得到的不同豎向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度,通過(guò)擬合得出不同含水率尾砂的抗剪強(qiáng)度參數(shù),黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與含水率ω的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知:隨著含水率增加,尾砂黏聚力總體上呈先增大后減小的趨勢(shì),對(duì)黏聚力隨含水率變化曲線進(jìn)行非線性擬合,得到c-ω關(guān)系式:

式中,ω為尾砂樣品含水率,%;c為尾礦黏聚力,kPa;擬合度R2=0.980 47。

圖3表明存在特征含水率9%,在含水率達(dá)到9%左右時(shí),尾砂黏聚力最大,尾砂顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)和膠結(jié)作用是影響尾砂黏聚力的重要因素[19];當(dāng)含水量為0時(shí),尾砂顆粒間沒(méi)有水膜,此時(shí)黏聚力接近0;當(dāng)含水率較低時(shí),顆粒間形成水膜,在水的吸附作用下,尾砂黏聚力增大;但隨著含水率增大至9%左右后,尾砂顆粒間水膜增厚,一部分轉(zhuǎn)化為自由水,使得水膜與顆粒間黏滯性削弱,從而大大降低了黏聚力;另一方面隨著含水增多,水將某些膠結(jié)物溶解或軟化,顆粒間膠結(jié)作用喪失,導(dǎo)致黏聚力減小。

圖3 尾砂抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.3 Relationship between the shear strength parameters and moisture content of tailings

內(nèi)摩擦角隨著含水率增加波動(dòng)不大,變化范圍為30.03°～33.44°,尾礦的內(nèi)摩擦角主要與尾礦的顆粒大小、結(jié)構(gòu)、密實(shí)度等緊密相關(guān)。試驗(yàn)所選的尾砂屬于砂類,其顆粒粒徑較粗,含水率變化對(duì)其顆粒結(jié)構(gòu)、大小、密實(shí)度等的影響不顯著,因此含水率變化對(duì)尾砂內(nèi)摩擦角影響不大。

本研究通過(guò)開(kāi)展固結(jié)直剪試驗(yàn),得到尾砂含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ的關(guān)系,為后期振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析含水率對(duì)尾礦堆積壩表面破裂及變形規(guī)律的影響提供了重要依據(jù)。

2 尾砂堆積壩振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

本研究實(shí)驗(yàn)裝置由自制振動(dòng)臺(tái)、模型箱、圖像采集設(shè)備及照明設(shè)備組成,如圖4所示。試驗(yàn)采用500 mm×300 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)的剛性模型箱,兩側(cè)為透明玻璃以便觀察破壞過(guò)程,模型箱內(nèi)部四周貼塑料薄膜以最大限度減小邊界效應(yīng)的影響。共設(shè)置 4組含水堆積壩(5.6%、9.0%、13.0%、16.0%)振動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)方案如表3所示。

圖4 試驗(yàn)裝置示意Fig.4 Schematic of the test device

表3 模型試驗(yàn)方案Table 3 Schemes for model tests

試驗(yàn)過(guò)程為:①堆積壩模型制作:含水試樣制備方法與直剪試驗(yàn)中相同,采用分層堆填法筑壩,每次堆筑5 cm高,在填筑過(guò)程中,每層施加固定碾壓應(yīng)力,以保證堆積壩孔隙及力學(xué)特性均一,壩坡比設(shè)置為1∶2,堆積壩尺寸如圖5所示;②制作壩體表面散斑;③設(shè)定振動(dòng)臺(tái)參數(shù):基于正弦波幅值一致、不易受干擾、可以模擬復(fù)雜隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境(如旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、振蕩等)的優(yōu)點(diǎn),選取正弦循環(huán)掃頻振動(dòng)來(lái)模擬地震荷載輸入,具體參數(shù)為:頻率為5～10 Hz循環(huán)掃頻振動(dòng),掃頻時(shí)間為600 s,手動(dòng)觸發(fā);④為確保采集的圖像具有可靠的灰度值,模型上方設(shè)置若干LED燈以改善光照條件,將Canon EOS 80D單反相機(jī)固定在壩體模型正上方,全程記錄壩體表面圖像,分辨率為1 920×1 080。

圖5 堆積壩模型示意(單位:mm)Fig.5 Schematic of accumulation dam model

2.2 模型破壞特征分析

2.2.1 破壞形態(tài)

在相同循環(huán)掃頻振動(dòng)條件下,不同含水尾砂堆積壩模型的破裂形態(tài)不同。4組試驗(yàn)的模型表面最終破裂形態(tài)如圖6所示。由圖6可知:含水9.0%堆積壩表面未出現(xiàn)任何裂隙,其余3組模型表面均在壩頂與壩肩處出現(xiàn)破裂,形態(tài)可分為兩種類型:①“交錯(cuò)潰散”型(含水5.6%與13.0%),在壩頂與壩肩處起裂,產(chǎn)生多條交錯(cuò)貫通彎折裂隙,且出現(xiàn)較多分叉,其裂紋主要沿垂直于振動(dòng)方向延伸;②“局部單一”型(含水16.0%),單條裂隙在壩頂處起裂,裂隙方向?yàn)槠叫杏谡駝?dòng)方向延伸。

圖6 不同含水堆積壩表面破壞形態(tài)Fig.6 Damage patterns on the surface of accumulation dams with different water contents

含水9.0%堆積壩表面宏觀上未開(kāi)裂,穩(wěn)定性最好,主要有兩方面原因:

(1)前期直剪試驗(yàn)表明,含水率為9.0%左右時(shí),尾砂黏聚力最大,增加了尾砂堆積壩的穩(wěn)定性,同時(shí)說(shuō)明黏聚力對(duì)于尾砂堆積壩穩(wěn)定性具有重要影響。

(2)隨著含水率增加,壩體強(qiáng)度減弱,變形能力增強(qiáng),同時(shí)尾砂內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)變?cè)黾?阻尼比增大,增加了壩體耗散能。阻尼比增大造成的能量衰減可能超過(guò)土體強(qiáng)度減弱對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,因此在相同外荷載作用下含水率較大(9.0%)的堆積壩比含水率較小(5.6%)的堆積壩更穩(wěn)定,這一現(xiàn)象與楊兵等[15]研究結(jié)果相似。但繼續(xù)增大含水率,尾砂黏聚力急劇減小高達(dá)80%,堆積體強(qiáng)度減弱效應(yīng)超出了阻尼比影響下的耗散能增加對(duì)堆積壩穩(wěn)定性的影響,從而出現(xiàn)試驗(yàn)中的含水堆積壩(13.0%,16.0%)破裂現(xiàn)象。

2.2.2 破壞模式

為探究含水模型表面的破裂演化特征,對(duì)含水5.6%、13.0%、16.0%堆積壩模型表面的全局應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了分析,其應(yīng)變場(chǎng)演化云圖如圖7所示。

圖7 不同含水尾砂堆積壩主應(yīng)變分布Fig.7 Principal strain distribution of tailings dam with different moisture content

由圖7可知:含水堆積壩破壞過(guò)程可以總結(jié)為4個(gè)階段:①振動(dòng)密實(shí)階段(0 s):試驗(yàn)初期,由于受到堆積體表面微小不平整的影響,無(wú)論含水率如何,在各自的主應(yīng)變場(chǎng)中都會(huì)分布著一些應(yīng)變局部化帶。此時(shí)壩體的破裂尚未開(kāi)始,損傷尚未發(fā)展,壩體表面無(wú)裂隙生成,堆積體因振動(dòng)變得密實(shí)。②裂隙發(fā)育階段(0～300 s):該階段堆積體模型損傷開(kāi)始逐漸發(fā)展。此階段初期,表面非均勻分布的局部化帶逐漸消失,含水堆積壩在壩肩(ω=13.0%)或壩頂(ω=5.6%、16.0%)最先起裂,出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)域,這是由于堆積體動(dòng)力響應(yīng)存在趨高趨表效應(yīng),壩肩及壩頂位置響應(yīng)最為強(qiáng)烈的緣故,地震作用下坡肩、壩頂位置應(yīng)作為重點(diǎn)防護(hù)位置。③壩頂裂隙擴(kuò)展階段(300～450 s):該階段堆積體模型表面逐漸達(dá)到新的應(yīng)力平衡,新的有一定規(guī)律的高應(yīng)變帶出現(xiàn),局部化帶寬度明顯增加,并擴(kuò)展至整個(gè)試樣上下,能夠清晰地表示裂隙的擴(kuò)展過(guò)程。④壩面裂隙貫通階段(450～600 s):拉剪裂隙相互貫通并向壩腳延伸。堆積體存在大量裂隙,成為后續(xù)壩體變形演化的潛在影響因素。

采用VIC軟件的“Inspector Tools”點(diǎn)數(shù)據(jù)提取功能,進(jìn)一步判斷含水堆積體表面裂隙的類型及破裂模式。在每一組(ω=5.6%、13.0%、16.0%)堆積體表面分別設(shè)置裂隙關(guān)鍵點(diǎn)(起裂點(diǎn)、裂隙端點(diǎn)和裂隙中心),通過(guò)軟件提取關(guān)鍵點(diǎn)的拉伸應(yīng)變及剪切應(yīng)變—時(shí)間序列數(shù)據(jù),繪制各點(diǎn)的拉伸應(yīng)變—時(shí)間、剪切應(yīng)變—時(shí)間圖(圖8),比較每點(diǎn)兩種應(yīng)變數(shù)值大小,判斷裂隙起裂模式[20],總結(jié)不同含水堆積體的振動(dòng)破壞模式。

圖8 裂隙關(guān)鍵點(diǎn)的拉伸和剪切應(yīng)變曲線Fig.8 Curves of tensile and shear strain at critical points of the fracture

圖8(a)為含水5.6%堆積體裂隙關(guān)鍵點(diǎn)的拉伸與剪切應(yīng)變—時(shí)間曲線,P0為起裂點(diǎn),同樣也是裂隙中心,P1、P2為裂隙端點(diǎn)。對(duì)于起裂點(diǎn)P0,隨著試驗(yàn)進(jìn)行,P0點(diǎn)處剪切應(yīng)變始終大于相應(yīng)的拉伸應(yīng)變,可以認(rèn)為5.6%含水堆積體在起裂時(shí)受剪應(yīng)力控制,于壩頂處產(chǎn)生垂直于振動(dòng)方向的剪切裂紋;對(duì)于裂隙端點(diǎn)P1、P2,試驗(yàn)過(guò)程中其拉伸應(yīng)變大于各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)變,裂隙兩端表現(xiàn)為張拉破壞,與試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象(裂紋面較光滑、無(wú)錯(cuò)動(dòng)、呈現(xiàn)張開(kāi)狀)相符合?？梢哉J(rèn)為,當(dāng)含水率為5.6%時(shí),裂隙從壩頂處起裂到擴(kuò)展至兩端時(shí)逐漸由剪切型裂隙發(fā)展為張拉型裂隙,說(shuō)明在裂隙擴(kuò)展過(guò)程中由開(kāi)始的剪應(yīng)力控制逐步變?yōu)槔鞈?yīng)力控制,最終以拉剪混合模式破裂。

圖8(b)為含水率13.0%時(shí)裂隙關(guān)鍵點(diǎn)的拉伸與剪切應(yīng)變—時(shí)間曲線,裂紋從堆積體壩肩位置P0處開(kāi)始起裂,并逐步向垂直于振動(dòng)方向擴(kuò)展至P1、P2位置,裂隙呈張開(kāi)狀貫通延伸,對(duì)于起裂點(diǎn)P0、裂隙中心點(diǎn)P1以及裂隙端點(diǎn)P2,每一點(diǎn)的拉伸應(yīng)變大于相應(yīng)的剪切應(yīng)變?？梢?jiàn),含水13.0%堆積體表面的裂隙由壩肩處起裂沿垂直于振動(dòng)方向形成張拉裂隙,最終壩體整體由張拉破壞主導(dǎo)。

當(dāng)堆積壩含水率為16.0%時(shí)(圖8(c)),裂隙由堆積壩壩頂中心點(diǎn)P0處起裂,沿平行于振動(dòng)方向發(fā)育至P1點(diǎn),最終向壩坡底面擴(kuò)展至P2位置,對(duì)于起裂點(diǎn)P0、裂隙中心點(diǎn)P1、裂隙端點(diǎn)P2,每一關(guān)鍵點(diǎn)處的拉伸應(yīng)變均大于相應(yīng)的剪切應(yīng)變,破裂模式與含水率為13.0%時(shí)相似,整體呈張拉破壞模式。

試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著含水率增加,尾砂堆積壩振動(dòng)破壞模式由拉剪破壞向張拉破壞主導(dǎo)過(guò)渡。這是由于隨著含水率增大,壩體孔隙或者裂隙中將產(chǎn)生越來(lái)越高的動(dòng)孔隙壓力,孔隙壓力減少了尾砂顆粒之間的壓應(yīng)力,降低了壩體的抗剪強(qiáng)度,使得堆積壩表面的裂隙端部處于受拉狀態(tài),從而使得破壞模式逐漸向張拉破壞轉(zhuǎn)變。

2.2.3 開(kāi)裂時(shí)刻

堆積壩表面開(kāi)裂時(shí)刻對(duì)尾礦壩潰壩預(yù)測(cè)有重要的指導(dǎo)意義。為進(jìn)一步分析含水率對(duì)壩體裂隙開(kāi)裂時(shí)刻的影響,使用VIC軟件的“Inspector Tools”點(diǎn)數(shù)據(jù)提取功能,提取每一組(ω=5.6%,13.0%,16.0%)堆積體表面裂隙起裂點(diǎn)處的全局應(yīng)變時(shí)間序列數(shù)據(jù),繪制了0～30 s內(nèi)不同含水率下起裂點(diǎn)處全局主應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律曲線,如圖9所示。由圖9可知:表面應(yīng)變突增會(huì)伴隨表面裂紋產(chǎn)生[21],可以直觀看出13.0%與16.0%含水堆積壩的裂隙起裂點(diǎn)隨時(shí)間存在“突增”變化,含水16.0%堆積體約在0～10 s內(nèi)發(fā)生開(kāi)裂,含水13.0%堆積體開(kāi)裂時(shí)刻約為10～20 s,但對(duì)其具體開(kāi)裂“突增”時(shí)刻值無(wú)法準(zhǔn)確判斷。為了準(zhǔn)確判斷其具體起裂時(shí)刻,繪制了壩體起裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)變變化率曲線,如圖10所示。

圖9 含水壩體表面起裂點(diǎn)處應(yīng)變變化曲線Fig.9 Variation curves of the principal strain at the cracking point on the surface of water-bearing dam

圖10 含水壩體表面起裂點(diǎn)處主應(yīng)變率變化曲線Fig.10 Variation curves of the principal strain rate at the cracking point on the surface of water-bearing dam

由圖10可知:在0～15 s內(nèi),含水率為16.0%的壩體起裂點(diǎn)處主應(yīng)變率曲線存在波動(dòng),t1=4.5 s時(shí),應(yīng)變率由0急劇增大,代表此時(shí)表面應(yīng)變突增,壩體表面開(kāi)始出現(xiàn)破裂;含水13.0%的壩體起裂點(diǎn)處主應(yīng)變率曲線也存在波動(dòng);t2=11.5 s時(shí),應(yīng)變率由0急劇增大,則認(rèn)為試驗(yàn)開(kāi)始后11.5 s時(shí)為開(kāi)裂時(shí)刻;含水率為5.6%的壩體表面起裂點(diǎn)處的主應(yīng)變率平緩并且數(shù)值接近0,說(shuō)明此時(shí)間段0～15 s內(nèi)表面應(yīng)變沒(méi)有突增現(xiàn)象,未產(chǎn)生破裂。因此,含水率16.0%壩體在t1=4.5 s時(shí)刻最早產(chǎn)生裂隙,含水率為13.0%的壩體次之,含水率為5.6%的壩體出現(xiàn)裂隙最晚。

開(kāi)裂時(shí)刻存在差異的主要原因是:一方面,黏聚力對(duì)尾砂堆積壩起裂時(shí)刻具有關(guān)鍵作用。3組含水尾砂黏聚力大小排列為5.6%＞13.0%＞16.0%,含水16.0%的尾砂黏聚力最小,尾砂顆粒間液橋的表面張力較小,在相同振動(dòng)條件下,高含水尾砂堆積壩將較快達(dá)到堆積壩開(kāi)裂的臨界基質(zhì)吸力,使得尾砂顆粒間液橋破裂,裂縫最早發(fā)育;另一方面,隨著含水率增加,模型表面變形非均勻程度增加,變形局部化現(xiàn)象提前產(chǎn)生,裂隙也隨之較早產(chǎn)生。

2.3 應(yīng)變局部化現(xiàn)象

應(yīng)變局部化現(xiàn)象是壩體細(xì)觀尺度的典型破壞特征,主要表現(xiàn)為堆積體在破壞時(shí)其應(yīng)變(或變形)集中于某局部窄小區(qū)域的一種現(xiàn)象。含水16.0%壩體的表面破裂形態(tài)為平行于振動(dòng)方向的單一裂隙(圖6(d)),即應(yīng)變集中于壩頂局部窄小區(qū)域,且由2.2.2節(jié)中得出其表面破裂帶屬于拉裂帶,符合應(yīng)變局部化現(xiàn)象。因此本研究以高含水率16.0%的堆積體為例,基于DIC技術(shù)進(jìn)一步在細(xì)觀尺度下分析應(yīng)變局部化啟動(dòng)全過(guò)程。

為揭示含水率為16.0%壩體的應(yīng)變局部化產(chǎn)生過(guò)程,使用VIC軟件的“Inspector Tools”線片段數(shù)據(jù)功能提取0～30 s的1#～4#點(diǎn)局部徑向應(yīng)變,并繪制了應(yīng)變—時(shí)間演變曲線圖(圖11)。由圖11可知:在試驗(yàn)開(kāi)始的0～3.7 s內(nèi),含水率16.0%的壩體1#～4#點(diǎn)徑向應(yīng)變之間的差值基本保持恒定且其值近乎為0,曲線基本重合,表明在此階段壩體表面應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)相同,屬于均勻變形;在試驗(yàn)時(shí)間t=3.7 s之后,各部分局部徑向應(yīng)變曲線不再重合,出現(xiàn)較大分叉,表明應(yīng)變逐漸沿著不同的趨勢(shì)開(kāi)始發(fā)展,表現(xiàn)為非均勻變形,即在試驗(yàn)時(shí)間t=3.7 s時(shí),高含水16.0%壩體由均勻變形到非均勻變形,標(biāo)志著應(yīng)變局部化現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖11 含水16.0%壩體不同位置局部應(yīng)變演變Fig.11 Local strain evolution at different locations of the dam with 16.0%moisture content

基于本文2.2.3節(jié)所得結(jié)論,含水率為16.0%的尾砂堆積壩表面開(kāi)裂時(shí)刻為t1=4.5 s,起裂模式以張拉破壞為主,總結(jié)其開(kāi)裂過(guò)程(圖12)為:均勻變形(0～3.7 s)→應(yīng)變局部化現(xiàn)象出現(xiàn)(t=3.7 s)→開(kāi)始產(chǎn)生非均勻變形并出現(xiàn)應(yīng)變局部化張拉帶(3.7～4.5 s)→張拉破壞主導(dǎo)的宏觀開(kāi)裂(t1=4.5 s)→裂隙擴(kuò)展延伸貫通(4.5 s之后)。

圖12 含水16.0%堆積壩表面開(kāi)裂過(guò)程Fig.12 Surface rupture process of the 16.0% water-bearing accumulation dam

分析圖12可知:含水率為16.0%的堆積壩出現(xiàn)宏觀破裂之前,在未來(lái)破裂位置會(huì)迅速出現(xiàn)應(yīng)變局部化帶,這是因?yàn)樵诟吆?16.0%)狀態(tài)時(shí),由于水分子滲入到尾砂黏土礦物顆粒之間,礦物大幅度膨脹,且變形往往不均勻,出現(xiàn)明顯的應(yīng)變局部化帶,宏觀上表現(xiàn)為堆積體表面變形快速集中,最終產(chǎn)生宏觀裂紋。因此應(yīng)變局部化是尾砂堆積壩局部破壞的一種前兆,基于DIC技術(shù)可以有效地獲得局部應(yīng)變,跟蹤記錄漸進(jìn)破壞的全過(guò)程,為尾礦壩防震減災(zāi)提供參考。

2.4 基于局部應(yīng)變的損傷演化

如上文所述,利用DIC技術(shù)能夠直觀地觀察到應(yīng)變場(chǎng)演化和變形局部化的產(chǎn)生過(guò)程,為了進(jìn)一步分析含水率對(duì)堆積體破壞的影響,通過(guò)DIC技術(shù)獲得的局部應(yīng)變數(shù)值結(jié)合Matlab數(shù)據(jù)處理,定義損傷因子表征不同含水堆積壩的非均勻損傷情況,定量分析含水率對(duì)堆積體破裂的影響。

在描述破裂損傷方面,目前大部分學(xué)者主要通過(guò)聲發(fā)射、CT探測(cè)、電磁輻射等技術(shù)手段研究巖土體損傷,也有學(xué)者將應(yīng)變與巖石損傷特征建立關(guān)系,鮮有研究將應(yīng)變與尾砂堆積體表面損傷特征聯(lián)系起來(lái)[22-25]。損傷演化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是表面變形由均勻到非均勻分布的漸進(jìn)演化過(guò)程,若要用主應(yīng)變值定量表征壩面損傷,則應(yīng)變數(shù)值最大的一批測(cè)點(diǎn)對(duì)尾砂堆積壩表面損傷及表面宏觀裂紋的形成影響較大。本研究統(tǒng)計(jì)了不同含水尾砂堆積體裂隙發(fā)育(A時(shí)刻)、擴(kuò)展(B時(shí)刻)、貫通階段(C時(shí)刻)3個(gè)特征時(shí)刻所有測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變值分布頻率信息,如圖13所示。

圖13 特征時(shí)刻處不同含水壩體主應(yīng)變場(chǎng)分布Fig.13 Distribution of the main strain field of different water-bearing dams at characteristic moments

圖13分析表明:所有測(cè)點(diǎn)中最大的前10%測(cè)點(diǎn)在損傷演化過(guò)程中變化最為突出,推測(cè)10%測(cè)點(diǎn)與堆積體表面破裂有關(guān)。為了驗(yàn)證此觀點(diǎn),以16.0%含水尾砂堆積壩為例,基于VIC軟件提取了測(cè)點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)。16.0%含水壩面在裂隙發(fā)育A時(shí)刻、裂隙擴(kuò)展B時(shí)刻與裂隙貫通C時(shí)刻的主應(yīng)變?cè)茍D以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的散點(diǎn)分布圖如圖14所示。由圖14可知:前10%測(cè)點(diǎn)散點(diǎn)圖與應(yīng)變?cè)茍D分布規(guī)律高度一致,進(jìn)一步表明前10%測(cè)點(diǎn)與表面破裂關(guān)系密切,能夠有效用于表征壩體表面損傷演化特征。

圖14 含水率16.0%特征時(shí)刻云圖與散點(diǎn)圖演化對(duì)比Fig.14 Comparison of nephogram and scatter chart at characteristic moments with 16.0%water content

本研究采用前10%測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變均值與所有測(cè)點(diǎn)均值之差反映尾砂堆積壩表面的損傷程度,即

定義損傷因子為

不同含水狀態(tài)下尾砂堆積壩損傷因子Df隨時(shí)間的演化特征如圖15所示。3組堆積體表面初始損傷約5%,隨著累計(jì)損傷逐漸發(fā)展直至發(fā)生破裂。當(dāng)含水率為5.6%時(shí),振動(dòng)開(kāi)始后,堆積壩表面損傷累積緩慢增加,Df整體增長(zhǎng)速率較穩(wěn)定。這是因?yàn)榈秃疇顟B(tài)下尾砂黏聚力較大,由于存在顆粒間液橋張力而不易發(fā)生破壞,當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至200 s左右時(shí),堆積體由松散變得密實(shí),內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,整體堆積體脆性增強(qiáng),Df急劇增加,裂紋突然產(chǎn)生擴(kuò)展,在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)變突增,損傷程度急劇增加直至其表面多條裂隙貫通破壞,呈“突發(fā)式增長(zhǎng)”趨勢(shì),表現(xiàn)出一定的整體“脆性”破壞特征。

圖15 不同含水尾砂堆積壩損傷因子Df演化曲線Fig.15 Evolution curves of damage factor Df for tailings accumulation dams with different water content

當(dāng)含水率為13.0%時(shí),尾砂堆積壩在初期0～200 s左右其表面損傷累積迅速增加,表面裂隙不斷產(chǎn)生發(fā)育,Df呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì);200～500 s內(nèi),損傷因子Df增長(zhǎng)速度逐漸變緩,呈現(xiàn)出延性破壞特征,由于延性變形的積累,壩體損傷程度逐漸增大。高含水率(16.0%)堆積壩的Df演化規(guī)律與13.0%大致相似,由于含水率16.0%尾砂黏聚力最小,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易被破壞,在初期損傷因子突增,裂隙開(kāi)始產(chǎn)生與延伸,與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合,在0～100 s左右,Df呈線性增長(zhǎng)且曲線斜率比13.0%含水率堆積壩更高,說(shuō)明高含水(16.0%)堆積壩損傷程度更高。隨后Df增長(zhǎng)逐漸變緩,損傷累積效應(yīng)減弱。其原因在于:在高含水尾砂壩體中,隨著振動(dòng)的進(jìn)行,孔隙或者裂隙中將產(chǎn)生越來(lái)越高的動(dòng)孔隙壓力,孔隙壓力減少了尾砂顆粒之間的壓應(yīng)力,尾砂顆粒間在振動(dòng)后期易發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)咬合,使壩體內(nèi)部的部分裂隙開(kāi)始閉合,從而使得損傷累積效應(yīng)有所減緩。

綜上所述:水對(duì)壩體振動(dòng)破壞形態(tài)、開(kāi)裂時(shí)刻、破裂模式及損傷演化影響較大。在地震作用下,一些尾砂堆積壩發(fā)生的表面滑坡、壩體崩塌等事故本質(zhì)上是壩體缺陷損傷演化直至發(fā)生宏觀破壞的過(guò)程,在實(shí)際筑壩工程中堆積體含水率是值得引起重視的因素之一。該分析可為研究壩體表面變形破裂機(jī)制及相關(guān)堆積體的地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

針對(duì)含水率0～16%的尾砂進(jìn)行了一系列直剪試驗(yàn),在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了基于DIC技術(shù)的尾砂堆積壩振動(dòng)試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾砂堆積壩表面破裂的全場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量,對(duì)含水尾砂堆積壩振動(dòng)破壞規(guī)律及局部變形化啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析,并定量表征了含水壩面的損傷演化,主要結(jié)論如下:

(1)在含水率0～16.0%范圍內(nèi),尾砂黏聚力隨含水率的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),在特征含水率9%時(shí)達(dá)到最大,采用非線性曲線擬合方法得出了c-ω?cái)M合公式;尾砂含水率的改變對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小,在30.03°～33.44°范圍內(nèi)波動(dòng)。

(2)尾砂黏聚力大小與尾砂堆積壩開(kāi)裂及宏觀穩(wěn)定性密切相關(guān)。含水率較大(9.0%)的堆積壩比含水率較小(5.6%)的堆積壩更穩(wěn)定,但繼續(xù)增大含水率,堆積壩(13.0%、16.0%)仍會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象且開(kāi)裂時(shí)刻提前,主要與黏聚力和阻尼比影響的耗散能變化有關(guān)。

(3)含水率對(duì)尾砂堆積壩振動(dòng)破裂形態(tài)和破裂模式影響顯著。高含水率16.0%壩體在壩頂處沿平行于振動(dòng)方向開(kāi)裂,裂隙形態(tài)呈“局部單一”特征;其余含水壩體(ω=13.0%、5.6%)分別在壩頂、壩肩處主要沿垂直于振動(dòng)方向開(kāi)裂,裂隙形態(tài)呈“交錯(cuò)潰散”特征。隨著含水率增加,尾砂堆積體破壞模式由拉剪破壞向張拉破壞主導(dǎo)過(guò)渡。

(4)應(yīng)變局部化現(xiàn)象是尾砂堆積壩局部發(fā)生變形破壞的前兆;基于應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析建立了前10%較大應(yīng)變值與損傷的關(guān)系,引入了損傷因子Df定量表征含水壩體損傷程度。含水5.6%堆積壩在初期損傷累積緩慢增加,隨后Df突發(fā)增長(zhǎng),表現(xiàn)出脆性破壞特征,含水13.0%與16.0%的尾砂堆積壩初期Df呈線性快速增長(zhǎng)隨后Df增長(zhǎng)變緩,逐漸向延性破壞轉(zhuǎn)變,且高含水(16.0%)堆積壩前期Df線性增長(zhǎng)斜率更高,損傷累計(jì)更大。后續(xù)可從細(xì)觀尺度建立含水尾砂顆粒結(jié)構(gòu)與宏觀堆積壩損傷演化特性的關(guān)聯(lián),進(jìn)一步解釋其振動(dòng)損傷機(jī)制。

由于該問(wèn)題的復(fù)雜性,以上結(jié)論僅適用于0～16%含水率范圍內(nèi),其余含水范圍尚需進(jìn)一步深入分析和驗(yàn)證。