某矿尾粉砂土动剪模量和阻尼比试验分析

宋永正 高贵全 代启亮 董红艳

(云南农业大学，云南 昆明 650201)



某矿尾粉砂土动剪模量和阻尼比试验分析

董红艳(1990- )，女，在读硕士

宋永正 高贵全 代启亮 董红艳

(云南农业大学，云南 昆明 650201)

通过动三轴仪与自振柱仪组合仪器，研究了动剪模量和阻尼比与其剪切应变之间的曲线变化特性，并利用实验数据描述了其曲线特征，同时对尾粉砂土体动力特性实验结果进行了分析，得到了一些有意义的结论。

尾粉砂土，动剪模量,阻尼比

0 引言

随着我国大量尾矿坝的出现，导致出现问题日益增多，在地震荷载等不可抗力因素作用下，土体密实度不够，地下土质松动，随着地震波源传递，不仅容易形成土方坍塌，还给人们生存环境造成了一定不可逆的破坏。然而造成这一现象的主要原因是对土体稳定性动力特性把握程度比较薄弱，所以土体稳定性问题研究是岩土工程的经典课题。场地内的地震效应分析是评估地震安全性指标的关键性工作，土体的动剪模量比与阻尼比是工程场地地震效应分析的基础性内容[1,2]。尾粉砂土的动剪切模量和阻尼特性试验是研究本尾矿在地震动荷载情况下土工坝体建筑物设计、计算分析的重要数据支撑[3,5]。因此要建立模型实验室获取其重要的参数，常规型动三轴仪测量范围局限于ε=10-4～10-2级[7,8]，再更进一步的微小变形数据难以测出，导致其曲线变化特征不明显，各种差异所得的准确性与协调性也参差不齐。因此本实验采用动三轴仪与自振柱仪联合测定的试验方法测出了动剪切模量和阻尼比随剪应变变化的曲线特征理论值。本实验只是测出定量数据对其定性进行分析，以基础性和初步性践行与当地条件密切结合为准绳，现场实测与理论试验为统一的标准客观研究。根据构成坝体的土体成分来分析，土体尾粉砂土成分含量最为普遍，所以，研究其力学稳定特性对于尾矿预防矿难事故的发生有着深远的前瞻性意义。

1 试验仪器及操作方法

动剪切模量阻尼试验主要影响因素大约13个～15个[9](排除仪器等其他外在干扰条件)。在室内合理允许范围内对尾粉砂土等压和偏压固结条件下进行了一系列试验测定，主机为DZ78-1型电磁动三轴仪和GZZ-1型自振轴仪组合使用[10]，监测系统为DDS-30动三轴仪系统。

2 试验步骤

试验采用云南省兰坪县某尾矿库坝体尾粉饱和砂样，砂样采用水下装样法制样取6份，平均修正干密度为1.68 g/cm3，饱和试样平均直径60.0 mm，高度110.0 mm。试样抽气饱和3 h后备用，采用双面排水固结，固结用时为1 h，待固结完毕后立即开机振动，振动频率为1 Hz。等压固结条件(kc=σ1c/σ3c=1.0；σ3c=100 kPa,200 kPa,400 kPa)各3组，偏压固结条件下(kc=1.0，σ3c=100 kPa,200 kPa,400 kPa)各3组。实验前测得尾粉砂基本物理参数指标见表1。

3 重要参数的计算公式

3.1 最大剪切模量经验公式(Dmevich)[11]

(1)

其中，Gd0为最大剪切模量；σa为有效围压力。

表1 试验砂样基本物理参数指标

3.2 动剪模量经验公式

(2)

RG=Gd/Gd0

(3)

其中，假设材料符合线弹性关系时，Ed为动模量；RG为动剪模量比；μ为泊松比，取0.45。

3.3 砂土阻尼比经验公式(Ishibashi-Zhang)[12]

(4)

上述最大动剪模量Gd0是在微小动应变εd0取10-6级时由对应的Ed0由式(2)转化再经过式(1)修正而来的。

4 结果与分析

4.1 固结条件下剪应变γd对动剪模量Gd的影响

由图1和图2可知，第一阶段剪应变γd=10-5～10-6区间内减小时，Gd变化微乎其微，并且趋近于一条直线；第二阶段剪应变γd=10-3～10-5区间减小时，Gd呈对数曲线加速下降；第三阶段剪应变γd=10-2～10-3区间减小时，Gd缓慢下降。由此可见，在第二阶段中剪应变对动剪模量的影响最为关键。

4.2 固结条件下剪应变γd对动剪模量比Re的影响

由图3，图4可以看出，γd<10-5级发生小变形时，动剪模量可近似看做常数Re=1，当10-5<γd<10-3级增加时，Re比例值波动范围大约在0.16～0.98之间且落差值浮动较大，γd>10-3级变形增大时，Re比例值呈缓步下降接近于0.4。所以，在超出小变形10-6～10-5范围内，剪应变γd对动剪切模量都会产生较大影响。

4.3 固结压力σ3c和固结比kc对剪应变γd的影响

以图1为例，当固结压力σ3c不同(取100 kPa，200 kPa，400 kPa)固结比相同(kc=1.0)，剪应变γd发生相同变形时(截取γd=10-5～10-4为例)，固结压力越大，产生的动剪模量越大且该区段内动剪模量差值也越大；当固结压力相同(σ3c=100 kPa)，但固结比kc不同(取1.0，1.5，20)，剪应变发生相同变形时(截取γd=10-5～10-4为例)，固结比越大，动剪模量及其落差值随固结比的增大而相应升高；当固结压力σ3c=100 kPa，固结比kc=1.0时，动剪切模量Gd0越大，Gd—γd曲线相对平稳，下滑梯度值区间相对较小。

4.4 固结条件下对阻尼比D的影响

由图5，图6可以看出，无论是偏压固结还是等压固结，小变形范围内γd=10-6～10-5级内，阻尼比值近似看做常数，剪应变在γd=10-5～10-4级逐渐递增时，阻尼比剪应变曲线开始升高，但升高幅度缓慢，阻尼比值在0～0.1波动；剪应变γd=10-4～10-3级逐渐递增时，阻尼比剪应变曲线骤然增加，且阻尼比值在0.1～0.28内波动；γd=10-3～10-2逐渐递增时，阻尼比值在0.29～0.31波动。

5 结语

1)在微小变形(10-6<γd<10-5级)以内时，剪应变对动剪模量Gd和动剪模量Re比几乎没有明显影响，趋近值可以近似看做常数1，且偏压条件下影响程度较等压条件下小。在变形(10-5<γd<10-2级)时，随着剪应变增加，动剪模量Gd及动剪模量比Re急剧减小，且偏压条件下影响程度较等压条件下小。

2)发生相同变形时，动剪模量及动剪模量比都随着固结压力σ3c和固结比kc的增加而增大，且kc影响程度较明显。随着剪应变γd的增大阻尼比加剧增大，在γd>10-5级之后，对数曲线幅度增加更加显著，其值波动值很大，约在0.007 92～0.332范围内。

3)在大应变(10-5<γd<10-2级)内，地震级别一般属于大震，动剪模量比曲线不断减小，反而阻尼比曲线却不断增大。然而这个区间恰好是土体地震计算反应的敏感区间，土体稳定性更加不明确。因此，两者的折中考虑对于实际具体工程土体稳定性分析有着至关重要的作用。

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Experimental analysis on dynamic shear modulus and damping ratio of a mine tailings

Song Yongzheng Gao Guiquan Dai Qiliang Dong Hongyan

(YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China)

Through three triaxial instrument and free vibration column combination instrument used to study the dynamic shear modulus and damping ratio with shear strain curve characteristics, further experimental data to describe the curve and the tail silty sand soil dynamic characteristic experiment results analysis, some meaningful conclusions are obtained.

silt sand, dynamic shear modulus, damping ratio

1009-6825(2016)28-0074-03

2016-07-20

宋永正(1990- )，男，在读硕士； 高贵全(1968- )，男，教授； 代启亮(1983- )，男，硕士，讲师；

TU432

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