尾矿粉砂动孔隙水压力特性试验研究*

严智慧,潘建平

(江西理工大学 建筑与测绘工程学院， 江西 赣州市 341000)

0 引 言

尾矿库为堆存尾矿的土工建筑物，具有高势能、易流滑特征[1]。随着矿物加工技术的提高，矿物颗粒粒径逐渐向更精细的方向发展，尾矿粉砂成为坝体的主要组成材料。由于坝体的堆高起浸润线不断提升及尾矿粉砂特殊的物理力学性质，在循环荷载作用下，饱和尾矿粉砂容易发生液化破坏，引起溃坝的危险，因此有必要对尾矿坝在循环荷载作用下的稳定性进行研究。

目前对于砂土、粉土液化孔隙水压力研究已经取得很大的进展，Seed等[2]提出适合砂土的孔压模型并以孔压值作为砂土液化的标准；Finn等[3]提出内时理论将孔压曲线表示为单一的破损函数；谢定义等[4]提出了孔压的瞬态模型，将孔压按其原因分为应力孔压、结构孔压和传递孔压3种类型，由瞬态确定的孔压为三者之和；孟上九等[5]通过对砂土进行动三轴试验，提出了一个在不规则荷载下的孔压模型；王艳丽等[6]对饱和砂进行动三轴液化试验，提出了适合饱和砂的动孔压应变模型；刘叔灼等[7]基于能量法利用动三轴不排水循环剪切试验，通过非线性回归分析建立了尾矿土的孔隙水压力能量模型；陈国兴等[8]对南京粉土进行研究得到：在均压固结条件下，其孔压可以运用双曲线进行拟合；周海林等[9]利用动三轴试验分析得到砂土的应力状态与孔隙水压力增长由密切关系，剪胀与体缩是影响孔隙水压力的重要因素；杜艳强等[10]通过对饱和尾粉土孔隙水压力进行研究，提出适合尾粉土的双S型孔压模型；曾长女等[11]对饱和粉质土孔隙水压力进行研究发现其孔压可以用一个改进的指数形式描述。

由于尾矿粉砂与粉土和普通砂土的不同物理力学特性，有关粉土与普通砂土的孔压模型不一定适合尾矿粉砂孔压增长规律，因此有必要对其孔隙水压力的增长特性进行讨论。本文主要从不同固结比、不同围压，不同相对密实度条件下针对赣南地区某尾矿库尾矿粉砂进行室内动三轴固结不排水试验，探讨适合尾矿粉砂在循环荷载作用下的孔压增长模型，为尾矿坝的动力稳定性分析提供理论依据。

1 试验土样与方法

本文采用试验设备为英国欧美大地公司生产的GDS动三轴仪，试验的尾矿粉砂土样取自赣南地区某尾矿库，其颗粒粒径分析如表1所示，尾矿试样的基本物理性质最大干密度ρdmax=1.72 g/cm3，最小干密度ρdmin=1.31 g/cm3，不均匀系数Cc=0.62，曲率系数Cu=4.25，该试验试样颗粒级配不良且颗粒粒径较细。

为研究不同相对密实度、围压、固结比对尾矿粉砂孔隙水压力特性的影响，试验方案设计如表2。

试验采用尺寸为50 mm×100 mm的圆柱体重塑土样，试样制备按照《土工试验规程》[14]和土样的干密度及预先设计的含水率确定每层土的质量，分3层均匀装入击实筒内，并击实到相应的高度，在分层处刮毛以保证试样接触良好。试验采用二氧化碳CO2饱和、水头饱和和反压饱和联合进行饱和，饱和完成后进行B值检测，确保试样饱和度均能达到98%以上。待试样按照预定的围压固结完成后施加频率为1 Hz轴向正弦等幅应力循环荷载。

由于试验中采用不等向固结的试验方案，试样液化破坏时孔隙水压力不一定达到有效围压，因此采用双幅轴向应变达到5%作为试样液化破坏的标准，待试样达到初始液化后再施加几周的循环荷载。

表1 试样颗粒分析结果

表2 试验方案

2 试验数据分析

2.1 围压对尾粉砂孔隙水压力特性的影响

图1为固结比Kc=1.0，相对密实度Dr=50%，围压σ3=100， 150， 200 kPa孔压比与震动周次之间的关系曲线。由图1可知：当围压σ3=100 kPa时，饱和尾矿粉砂液化的震次为20次，孔压增长曲线较快；当围压σ3=150 kPa时，其液化的震次为60次左右；当有效围压σ3=200 kPa时，其液化的震次为170次，孔压增长曲线前期增长较快，后期增长较为缓慢；表明尾矿粉砂随围压的增大其抗液化的能力增强，孔压增长曲线越缓慢。

2.2 相对密实度对尾粉砂孔隙水压力特性的影响

图2为围压σ3=100 kPa，固结比Kc=1.0，相对密实度Dr=30%，50%，70%孔压比与震动周次之间的关系曲线。由图2可知：尾矿粉砂越松散，孔隙水压力增长越快，较少的震次即达到液化的标准，在相同的孔压比时，液化震次随相对密实度增大而增加。相对密实度由30%增加到70%，其孔压增长曲线形状由较为陡峭转变为平缓。主要原因为随着相对密实度的增加，颗粒之间由松散转化为密实的状态，导致其孔压增长缓慢。

图1 尾矿粉砂不同围压下的μd/σ3与N增长曲线

图2 尾矿粉砂不同相对密实度下的μd/σ3与N增长曲线

2.3 固结比对尾粉砂孔隙水压力特性的影响

图3为围压σ3=100 kPa，相对密实度Dr=50%，固结比Kc=1.0， 1.5， 2.0孔压比与震动周次之间的关系曲线。由图3可知：当Kc=2.0时其孔压增长曲线与Kc=1.0，1.5时相比较为缓慢，且孔压值μd=0.4σ3时孔压增长趋于稳定，不再随着震动周次的增加而上升。随固结比增大，其液化破坏的震次越多，且达到液化破坏的孔压比由0.9降到0.4。这主要是由于随着固结比的增大土体颗粒与颗粒间的间隙变小，使得颗粒的接触更加紧密，在循环荷载时需要克服颗粒间的阻力就越大，导致试样液化破坏时的孔压比降低。

图3 尾矿粉砂不同固结比下的μd/σ3与N增长曲线

3 尾矿粉砂动孔隙水压力模型的建立

对于饱和土体的孔隙水压力模型的建立，许多学者进行了研究并取得了一定的进展，如Seed模型、张建民模型、双曲线模型。为了找到适合本试验的孔压增长模型，本文对不同相对密实度、围压、固结比条件下的孔压比与震次比进行了归一化拟合，并参照相关的孔压增长模型进行分析对比，认为双曲线模型与本文孔压增长曲线的拟合度较高，其公式如下：

(1)

式中，σ3为有效围压；μd为动孔隙水压力；N为震动周次；Nf为液化破坏震动周次；a、b分别为双曲线的拟合参数。

图4、表3为固结比Kc=1.0，相对密实度Dr=50%，围压σ3分别为100， 150， 200 kPa孔压比与震次比之间的拟合曲线与双曲线孔压模型的拟合参数。

由表3、图4可知：当围压σ3=100 kPa时，多数数据点在拟合曲线上，拟合效果较好；当围压σ3=150， 200 kPa时较前者拟合效果较差，数据点分布在拟合曲线上下两侧不远的距离。因此双曲线模型较好拟合围压不同时饱和尾矿粉砂的孔隙水压力增长特性。

图5、表4为围压σ3=100 kPa，固结比Kc=1.0，相对密实度Dr分别为30%，50%，70%孔压比与震次比之间的拟合曲线与双曲线孔压模型的拟合参数。

表3 模型参数及相关系数

表4 模型参数及相关系数

图4 不同围压μd/σ3-N/Nf拟合曲线

图5 不同相对密实度μd/σ3-N/Nf拟合曲线

由表4、图5及试验数据分析可知：当Dr=30%时，在震次比N/Nf<0.4时试验点基本上在拟合曲线上，震次比N/Nf>0.4时数据点在拟合曲线的上下侧且靠近拟合曲线，拟合效果较好；当Dr=50%时，震次比N/Nf<0.1时试验数据点在拟合曲线的上侧，震次比0.10.4时试验数据点基本上在拟合曲线上；当相对密实度Dr=70%时，试验数据点距离拟合曲线较远，较前两者拟合效果较差。这主要是由于饱和尾矿粉砂孔压水压力前期增长随着相对密实度的增加增长较快，而后期随着相对密实度的增加增长较慢，影响了双曲线模型的拟合效果，但总体来说，双曲线模型能较好反映不同相对密实度条件下孔隙水压力的增长特性。

图6、表5为围压σ3=100 kPa，相对密实度Dr=50%，固结比Kc分别为1.0， 1.5， 2.0孔压比与震次比之间的拟合曲线与双曲线孔压模型的拟合参数。

由图6、表5及试验数据分析可知：双曲线模型能较好反映饱和尾矿粉砂的孔隙水压力增长特性。当Kc=1.0时，试验数据点大多在拟合曲线上，拟合效果较好；当Kc=1.5时，数据点靠近拟合曲线，拟合效果与Kc=1.0时稍差一些；Kc=2.0时，只有很少一部分数据点在拟合曲线上。这主要是由于随着固结比的增大，试样液化时的孔压比越低，导致试验数据点与拟合曲线的拟合效果越差。但其拟合相关性系数较高，总体上双曲线模型能较好地反映饱和尾矿粉砂的孔压增长规律。

表5 模型参数及相关系数

图6不同固结比μd/σ3-N/Nf拟合曲线

4 结 论

通过对赣南地区某尾矿库饱和尾矿粉砂进行室内固结不排水动三轴试验分析得到以下结论：

(1) 尾矿粉砂随围压、相对密实度的增加，振动液化所需振次增加，其抗液化能力增强，孔压增长曲线由陡峭变为缓慢。

(2) 固结比对尾矿粉砂孔压增长有显著的影响，固结比越大饱和尾矿粉砂液化时孔压比越小。

(3) 通过对试验点与孔压模型归一化拟合分析，认为双曲线模型能较好反映饱和尾矿粉砂孔压增长特性。

参考文献：

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