鐵礦尾礦料動(dòng)力特性研究

林永洪，禹艷陽(yáng)，劉恩龍

(1.寧夏中房實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 710005；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；3.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

0 前 言

尾礦庫(kù)是指筑壩攔截谷口或圍地構(gòu)成的用以貯存金屬非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后排出尾礦的場(chǎng)所[1]。尾礦庫(kù)潰壩對(duì)庫(kù)區(qū)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)和設(shè)施的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。因此，研究尾礦料的動(dòng)力特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前已有許多學(xué)者對(duì)尾礦料的靜、動(dòng)力特性進(jìn)行了較為深入的研究[3-6]。劉菀茹[7]利用動(dòng)三軸儀對(duì)尾粉砂和尾粉土進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn)，探討了固結(jié)主應(yīng)力比、土樣密度等因素對(duì)動(dòng)力參數(shù)的影響。陳勁松等[8]通過(guò)對(duì)飽和尾礦砂的動(dòng)三軸液化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固結(jié)圍壓對(duì)動(dòng)剪應(yīng)力比的影響不大，而密度對(duì)其抗液化強(qiáng)度影響很大。尹光志等[9]探討了尾礦砂的壓縮性、滲透性與粒徑、孔隙比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)粗、細(xì)尾礦的滲透性都大于全尾礦的滲透性。阮元成等[10]研究了尾礦砂和尾礦泥的動(dòng)力殘余變形等特性。余君等[11]通過(guò)試驗(yàn)得出了尾粉砂內(nèi)摩擦角和孔隙比的關(guān)系。

尾礦庫(kù)中的尾礦料大多是具有低塑性的細(xì)顆粒，在動(dòng)力荷載作用下極易發(fā)生液化從而喪失強(qiáng)度[12]，另外由于所含礦物成分的不同，變形特征及力學(xué)特征呈現(xiàn)出較大差異。因此，本文對(duì)某鐵礦尾礦料進(jìn)行固結(jié)不排水和排水動(dòng)力試驗(yàn)，獲得動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)模量、阻尼比。不同圍壓下軸向應(yīng)變、體變與振次的關(guān)系等動(dòng)力特性，為尾礦壩的抗震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了必要參數(shù)。

1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用尾礦料取自攀西地區(qū)某鐵礦尾礦庫(kù)，試驗(yàn)對(duì)象尾粉細(xì)砂的干密度為2.1 g/cm3。試樣尺寸為φ50 mm×100 mm，采用控制干密度的方式在三瓣膜內(nèi)制樣。試驗(yàn)儀器采用GCTS靜、動(dòng)力三軸試驗(yàn)儀，循環(huán)荷載使用頻率為1 Hz的等幅正弦波。

將制好的試樣先進(jìn)行二氧化碳飽和，然后進(jìn)行水頭飽和，最后對(duì)試樣進(jìn)行反壓飽和，直至孔壓系數(shù)B值達(dá)到0.97或以上視為飽和度達(dá)到要求。該尾礦砂的滲透系數(shù)很大，故將固結(jié)的時(shí)間控制為0.5 h。試驗(yàn)分為固結(jié)不排水和固結(jié)排水兩種，分為50、200、400 kPa 3組圍壓，每個(gè)圍壓條件下施加4組不同的動(dòng)應(yīng)力。不排水試驗(yàn)的破壞標(biāo)準(zhǔn)為孔壓達(dá)到相應(yīng)的圍壓，即液化破壞。排水條件下由于試樣的干密度較大，軸向應(yīng)變?cè)谡駝?dòng)次數(shù)較大的情況下仍未產(chǎn)生很大變化，所以本次試驗(yàn)取一定的振次作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。尾礦料靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)的原理、方法和資料整理參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[13](SL 237—1999)及《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)范》[14](GB 50547—2010)進(jìn)行。

2 不排水動(dòng)力特性

2.1 動(dòng)強(qiáng)度

不排水試驗(yàn)中，尾礦砂試樣的破壞標(biāo)準(zhǔn)為孔隙水壓力達(dá)到相應(yīng)的圍壓值。圖1為不同圍壓下試樣的動(dòng)強(qiáng)度隨振次的變化關(guān)系曲線，試樣的動(dòng)強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。在相同的振次下，圍壓越高，動(dòng)強(qiáng)度越大。動(dòng)強(qiáng)度結(jié)果如表1所示。

圖1 ke=1.0τd-Nf關(guān)系曲線

表1 動(dòng)強(qiáng)度結(jié)果

在低圍壓(50 kPa)下，孔壓與初始有效圍壓的比值不能達(dá)到絕對(duì)的相等，即u/σεc≈0.96，試樣不能達(dá)到完全液化條件。在200 kPa和400 kPa圍壓下，試樣能達(dá)到完全液化條件，即u/σεc=1。由圖2～4可知，對(duì)于較小動(dòng)應(yīng)力的試樣，孔壓隨著振次的增大呈現(xiàn)出先緩慢增加，然后迅速增加，最后達(dá)到平穩(wěn)的狀態(tài)。對(duì)于較大動(dòng)應(yīng)力的試樣，孔壓隨著振次的增加，表現(xiàn)為先迅速增加，而后達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。動(dòng)應(yīng)力越大，相同振次下所對(duì)應(yīng)的孔隙水壓力越大。

圖2 50 kPa圍壓下孔壓-振次關(guān)系曲線

圖3 200 kPa圍壓下孔壓-振次關(guān)系曲線

圖4 400 kPa圍壓下孔壓-振次關(guān)系曲線

2.2 動(dòng)模量及阻尼比

本次試驗(yàn)儀器可以自動(dòng)采集滯回圈曲線，由圖5～6可知彈性模量Ed和剪切模量Gd都是隨著軸向應(yīng)變?chǔ)興的增加而減小。在相同軸向應(yīng)變條件下，圍壓越高，相對(duì)應(yīng)的模量值越大。由圖7可知，不同圍壓下的阻尼比隨著軸向應(yīng)變的增加都是先增加然后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。在3組圍壓下，阻尼比最大值都趨于同一值。

圖5 Ed-εd關(guān)系曲線

圖6 Gd-εd關(guān)系曲線

圖7 λ-εd關(guān)系曲線

3 排水動(dòng)力特性

針對(duì)動(dòng)力三軸排水試驗(yàn)，本次試驗(yàn)的控制標(biāo)準(zhǔn)為一定的振動(dòng)次數(shù)，探討一定振次下其動(dòng)應(yīng)變和體變的演化規(guī)律。

由圖8～9可知，在50 kPa圍壓、40 kPa激振力作用下，試樣在振次達(dá)到800次時(shí)軸向應(yīng)變的最大值約為0.2%；43 kPa和45 kPa激振力下，振次達(dá)到600次時(shí)軸向應(yīng)變?yōu)?.5%；49 kPa激振力下，振次為200次時(shí)軸向應(yīng)變依然不到0.4%。不同激振力作用下的試樣的體變都較小，最大體變?cè)?.9%左右。在43 kPa激振力下試樣的體變先增加后減小，出現(xiàn)了部分剪脹。其他3個(gè)試樣的體變隨著振次增加先增加后穩(wěn)定。

圖8 50 kPa圍壓下軸向應(yīng)變-振次關(guān)系曲線

圖9 50 kPa圍壓下體變-振次關(guān)系曲線

由圖10～11可知，在200 kPa圍壓、140 kPa和150 kPa激振力作用下，試樣的軸向應(yīng)變主要為正向壓縮，當(dāng)激振力為160 kPa和180 kPa時(shí)，試樣出現(xiàn)拉伸應(yīng)變。在前3種激振力作用下，試樣的體變先迅速增加，平穩(wěn)后稍有下降。在180 kPa激振力下，穩(wěn)定后的體變較前3種明顯偏大。

圖10 200 kPa圍壓下軸向應(yīng)變-振次關(guān)系曲線

圖11 200 kPa圍壓下體變-振次關(guān)系曲線

由圖12～13可知，在400 kPa圍壓、兩個(gè)較低的激振力作用下，試樣主要產(chǎn)生壓縮的軸向應(yīng)變，在較高的激振力下，試樣產(chǎn)生拉伸的軸向應(yīng)變。試樣在不同激振力下的軸向應(yīng)變的最大值小于1%。體變總體呈現(xiàn)出先迅速增加后平穩(wěn)的趨勢(shì)。在350 kPa激振力下，由于試樣的拉伸較大，所以試樣的振次很小。

圖12 400 kPa圍壓下軸向應(yīng)變-振次關(guān)系曲線

圖13 400 kPa圍壓下體變-振次關(guān)系曲線

綜上所述，試樣在很大的振次下其軸向應(yīng)變?nèi)匀缓苄?，最大值也不?huì)超過(guò)1%。原因是本次設(shè)計(jì)的尾礦砂的干密度較大(2.1 g/cm3)。當(dāng)試樣在激振力作用下，振搗作用使其密度越來(lái)越大，更難壓縮，很難達(dá)到5%的軸向應(yīng)變的控制標(biāo)準(zhǔn)。同理試樣主要發(fā)生體縮現(xiàn)象。但是當(dāng)達(dá)到一定的密實(shí)狀態(tài)時(shí)，試樣在不同的激振力作用下可能會(huì)發(fā)生一定量的體脹，但是由于軸向應(yīng)變很小，所以體脹的趨勢(shì)較弱。

4 結(jié) 論

文中對(duì)某鐵礦尾礦庫(kù)擴(kuò)容工程的新建尾礦庫(kù)進(jìn)行了尾礦料動(dòng)力試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論。

1)不排水條件下，圍壓越高，尾礦料的動(dòng)強(qiáng)度越大，彈性模量Ed和剪切模量Gd值越大，相同振次下動(dòng)應(yīng)力越大，所對(duì)應(yīng)的孔隙水壓力越大。

2)排水條件下，由于干密度較大，導(dǎo)致在較大振次下，試樣軸向應(yīng)變?nèi)匀缓苄?，同理試樣主要發(fā)生體縮，體變總體呈現(xiàn)出先迅速增加后平穩(wěn)的趨勢(shì)。

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