不同深度围压下尾矿砂动力特性研究_王林.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-06-15基金项目 国家自然科学基金面上项目(编号:51978426);河北省自然科学基金面上项目(编号:E2021210007)。作者简介 王 林(1998),男,硕士研究生。通信作者 王天亮(1981),男,教授,博士,博士研究生导师。不同深度围压下尾矿砂动力特性研究王 林1,3 王天亮1,2,3 刘松松1,3 张 飞1,2,3 张胜杰1,3(1.道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,河北 石家庄 050043;2.省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室,河北 石家庄 050043;3.石家庄铁道大学土木工程学院,河北 石家庄 050043)摘 要 尾矿砂的动力特性对尾矿坝的地震等动荷载反应分析有重要影响,通过室内动三轴试验对动荷载作用下不同深度围压下尾矿砂动力特性进行研究,得到尾矿砂动强度、动强度指标、动弹性模量、动剪切模量及阻尼比随着深度变化规律。试验结果表明:填埋深度对尾矿砂的动力特性均有一定的影响,随着深度的增加,尾矿砂动强度不断增大,动强度指标动黏聚力和动内摩擦角出现先增加后减少趋势,深度达到 10.4 m,尾矿砂的动剪切模量和弹性模量也较为稳定,且尾矿砂的阻尼比出现先减少后增大的变化规律。关键词 尾矿砂 动强度 阻尼比 动剪切模量 动弹性模量 中图分类号TU411.8 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-203-06DOI 10.19614/ki.jsks.202302028Study on the Dynamic Characteristics of Tailings Sand under Different Depths of Confining PressureWANG Lin1,3 WANG Tianliang1,2,3 LIU Songsong1,3 ZHANG Fei1,2,3 ZHANG Shengjie1,3(1.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control,Ministry of Education,Shijiazhuang 050043,China;2.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures,Shijiazhuang 050043,China;3.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)Abstract The dynamic characteristics of tailings sand have an important influence on the seismic and other dynamic load reaction analysis of tailings dams,and the dynamic characteristics of tailings sand at different depths under dynamic load are studied through indoor dynamic triaxial test,and the dynamic strength,dynamic strength index,dynamic elastic modulus,dynamic shear modulus and damping ratio of tailings sand change with depth are obtained.The experimental results show that the depth of landfill has a certain influence on the dynamic characteristics of tailings sand,with the increase of depth,the dy-namic strength of tailings sand continues to increase,the dynamic strength index dynamic cohesion and intrakineal friction an-gle appear to increase first and then decrease,the depth reaches 10.4 m,the dynamic shear modulus and elastic modulus of tailings sand are also relatively stable,and the damping ratio of tailings sand is reduced first and then increased.Keywords tailings sands,dynamic strength,damping ratio,dynamic shear modulus,kinetic elastic modulus 土壤动力特性是指土壤受外部动荷载作用,表现出瞬时结构动态变化的力学性质。与动态荷载相关的机械特性包括动剪切模量、阻尼比、动黏聚力、动内摩擦角等1,动剪切模量常常表示土壤刚度的动力参数,阻尼比表示了结构受激振后振动的能量衰减2,动剪切模量和阻尼比的正确评估对抗震结构设计起到重要支撑作用。对动黏聚力和动内摩擦角的变化规律分析显示了岩土工程更小的安全系数和更浅的临界滑动面3。对土壤动力特性的研究包含了岩土力学、抗震结构设计、路基工程等多个学科,是土壤强度响应分析和解决各种岩土工程的关键。尾矿砂作为一种具有高势能的金属矿物废料4,其主要成分为细沙、粉砂等无黏性土。由于堆积过程中排水不及时,粉细砂处于饱和状态,在地震等动荷载作用下土体内部有效应力降低,容易发生液化现象并造成围挡结构尾矿坝的破坏5-6。尾矿砂的处理是国内外研究的热点,尾矿的典型处理方法包括在蓄水过程中以泥浆的形式进行水力沉积,并在自身重力下进行固结7-8,然而其相对较低的导水率,处理时间相对较长,整治过程中尾矿库需永久保留,并且302尾矿砂沉积过程中,土壤颗粒含量等静态指标影响可能不显著9。在地震等动荷载作用下,尾矿库的稳定响应受尾矿砂的动力特性影响显著,高强度振动频率下,尾矿砂的剪切强度和刚度可能在孔隙水压力的变化下而降低,从而施加围挡结构尾矿坝更大的水平荷载10-11。所以了解尾矿砂动力特性,对评估多种偶然动荷载作用下的尾矿库稳定性能至关重要。本文介绍了河北某尾矿库尾矿砂动态特性试验研究的结果,分析了不同层次围压下尾矿砂的动态规律,为尾矿库动力安全稳定性技术研究提供基础指标,以评估尾矿库的地震等动荷载作用下的性能分析。1 试验方案1.1 试验材料及试样制备试验材料选用河北某尾矿库内现场不同深度的原状尾矿砂,砂样深度为 2.024.2 m,砂样基本指标如表 1。表 1 不同深度尾矿砂的物理性质Table 1 Physical properties of tailings sand at different depths试样编号试样深度/m天然含水率/%天然密度/(g/cm3)最大干密度/(g/cm3)2-1D2.02.417.81.701.444-1D4.04.417.91.861.536-1D6.06.418.01.851.568-1D8.08.419.81.681.5010-1D10.010.423.31.881.5912-1D12.012.423.51.831.4816-1D16.016.423.51.841.5120-1D20.020.423.71.951.6224-1D24.024.424.31.921.591.2 试样制备将同一深度处的砂样进行烘干、碾碎,按 16%含水率配砂,用保鲜膜封闭后静置 12 h 以上。三轴试样的尺寸大小选择 39.1 mm80 mm,通过控制干密度的方式分 4 层击实砂样。将制好的试样装入饱和器,先浸没在带有清水注入的真空饱和缸内,连续抽真空抽气 6 h,然后停止抽气,静置 10 h,最后将饱和后的试样放置于 60 的烘箱中烘干至天然含水率后,立即用保鲜膜密封保存。1.3 试验条件试验利用静动态三轴实验仪测定不同深度下尾矿砂的动力特性,见图 1。试验条件为不固结不排水,动三轴试验采用应力控制方式加载,破坏标准为应变破坏标准,试验结束条件为轴向应变达到 5%或循环加载次数达到 15 000 次,加载频率为 4 Hz,加载波形为正弦波。图 1 冻土静动态三轴实验仪Fig.1 Static dynamic triaxial experimenter of frozen soil1.4 动强度参数获取原理1.4.1 动强度曲线尾矿砂的动强度规律可用动应力 d与达到破坏标准时破坏振次 Nf间的关系表示,通过计算机数据采集系统和绘图模块,绘制 d-Nf曲线,利用动强度经验公式 d=a(Nf)-b(公式中 a、b 均为经验参数)对各工况下 d-lgNf关系进行线性拟合,以讨论同一深度下不同围压对尾矿砂动强度曲线发展特性的影响。1.4.2 动强度指标根据摩尔库伦抗剪强度理论:=cd+tand.(1)在 d-Nf曲线上分别截取 3 个不同围压作用下与某一破坏振次相对应的动应力 d1、d2、d3。对于同一深度的试样,以 c+d作为大主应力 1d,以3c作为小主应力 3d,绘制摩尔圆,做出动抗剪强度线,动抗剪强度线的倾角为动内摩擦角 d,动抗剪强度线在纵轴上的截距为动黏聚力 cd。1.4.3 动弹性模量Ed=dd 100,(2)式中,Ed为动弹性模量,kPa;d为轴向动应力,kPa;d为轴向动应变,%。取同一深度中心围压和小动应力幅值的实验结果作为本次试验在此深度处的动弹性模量。1.4.4 动剪切模量Gd=Ed2 1+(),(3)=-rv,(4)式中,Gd为动剪切模量,kPa;为泊松比;r为径向应变;v为体积应变。取同一深度中心围压和小动应力幅值的试验结果作为本次试验在此深度处的动剪切模量。1.4.5 阻尼比阻尼比为实际阻尼系数与临界阻尼系数之比,它402总第 560 期 金 属 矿 山 2023 年第 2 期与对数衰减率和能量损失有关。如图 2 所示,1 个周期内的能量损耗近似等于滞回圈 ABCD 曲线所围定的面积 Az(cm2),而 1 个周期内的加荷贮存的总能量等于由原点到最大幅值点连线下的三角形 OAE 的面积 As(cm2),故阻尼比 为=14AzAs.(5)图 2 应力应变滞回圈曲线Fig.2 Stress strain hysteresis loop curves2 试验结果与分析2.1 不同深度围压下尾矿砂轴向应变特性连续循环加载作用下,不同深度围压下尾矿砂试样轴向应变时程曲线,如图 3 所示。由图 3 可见,轴向应变随着循环振次的增加而逐渐累积,并且随着围压的增加,轴向应变积累达到稳定破坏的时间更长,尾矿砂破坏时所表现的轴向应变具有增加的趋势,另外,随着深度围压的增加,尾矿砂破坏时轴向应变的幅值波动较大,累计残余应变更大,土体变形也较为明显。图 3 不同深度围压下尾矿砂轴向应变时程曲线Fig.3 Axial strain time course curves of tailings sand under different depths of confining pressure2.2 围压对尾矿砂动应力的影响根据文献12,将应变标准作为破坏标准,绘制尾矿砂的动强度曲线(d-Nf曲线),图 4 为不同深度下不同围压尾矿砂的动强度曲线。由