飽和尾礦料動力變形特性的試驗(yàn)研究

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• 簡介：介紹對兩種飽和尾礦料(尾礦砂和尾礦泥)的動力變形特性進(jìn)行的一系列試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，飽和疏松的尾礦料具有敏感的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在往返加荷條件下，同一種尾礦料對于不同的固結(jié)比，其壓力效應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果可以近似地用同一條直線來表示。在固結(jié)應(yīng)力條件和振動次數(shù)一定時，飽和尾礦料的殘余軸應(yīng)變隨動剪應(yīng)力比的增大而增大，其變化規(guī)律不僅在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線形關(guān)系，而且，在較小的動剪應(yīng)力比變化范圍內(nèi)試樣就會因殘余軸應(yīng)變的迅速增大而進(jìn)入破壞狀態(tài)。
• 關(guān)鍵字：尾礦料,動力變形特性,礦物成分

1試驗(yàn)土樣、儀器與方法

　　試驗(yàn)所用尾礦料取自一個鐵礦的尾礦庫。該尾礦庫中的尾礦料大致可分為兩種，尾礦砂和尾礦泥，大部分位于水下，處于較為疏松的飽和狀態(tài)。尾礦砂的比重為2.88，平均相對密度約為0.49，中間粒徑約為0.058mm，屬顆粒較細(xì)的尾粉砂，其中還含有少量的尾細(xì)砂，主要成分是石英，不均勻系數(shù)為4.1，屬于不良級配；尾礦泥的比重為2.84，飽和含水量為34.9%，孔隙比為0.99，中間粒徑約為0.006mm，根據(jù)液限和塑限試驗(yàn)結(jié)果，其液限為29.2%，塑限為23.0%，塑性指數(shù)只有6.2，按塑性圖分類，屬于尾粉土，由顆分曲線可知，顆粒中小于0.005mm的粒徑含量為39%，在顯微鏡下觀察，其顆粒中石英含量較多，粘土礦物顆粒較少，礦物成分具有尾礦砂的特點(diǎn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，它的親水性很弱。由現(xiàn)場地質(zhì)勘測資料分析，試驗(yàn)中所用的尾礦砂和尾礦泥，試樣制備干密度分別取為1.55g/cm3和1.43g/cm3，顆分曲線見圖1。

　　尾礦料的動力殘余軸應(yīng)變試驗(yàn)采用DSZ-100型電磁式動三軸儀和S-3-D型液壓式動三軸儀。電磁式動三軸儀，試樣尺寸為50mm×100mm，最大側(cè)向應(yīng)力為0.5MPa，最大軸向應(yīng)力為1.0MPa；液壓式動三軸儀，試樣尺寸為100mm×210mm(Kc=1)和100mm×230mm(Kc=2)，該儀器的最大側(cè)向應(yīng)力為1.5MPa，最大軸向應(yīng)力為7.6MPa，以上兩種動三軸儀的循環(huán)荷載激振頻率均選用1Hz，試驗(yàn)的激振波形采用正弦波。尾礦料的動剪模量和阻尼比試驗(yàn)是在DTC-158-1型共振柱儀上進(jìn)行的。該儀器為底端固定、上端附有質(zhì)量塊的彈簧阻尼系統(tǒng)。儀器的最大側(cè)向應(yīng)力為1MPa，最大軸向應(yīng)力為2?5MPa，可測試的剪應(yīng)變幅范圍為10-6～2×10-3，試樣尺寸為50mm×100mm，有關(guān)參數(shù)和波形可通過儀器系統(tǒng)顯示、記錄并進(jìn)行處理。

　　尾礦料動三軸試驗(yàn)的原理和方法以及共振柱試驗(yàn)的方法和資料整理按《土工試驗(yàn)規(guī)程、SL237-1999》進(jìn)行[2]。試驗(yàn)全部采用飽和試樣。除尾礦砂在DSZ-100型電磁式動三軸儀上進(jìn)行動力殘余軸應(yīng)變試驗(yàn)時采用煮沸飽和水下裝樣外，其余試驗(yàn)均采用干裝法，控制干密度裝好干樣后進(jìn)行真空抽氣，然后由底部通入脫氣水進(jìn)行飽和，使孔隙水壓力系數(shù)B值達(dá)到0.97以上。飽和后在一定的固結(jié)應(yīng)力條件下排水固結(jié)，而后，施加不同的動應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)。

2動剪模量和阻尼比

　　動剪模量與阻尼比特性試驗(yàn)是動力反應(yīng)分析的基本依據(jù)之一，這些關(guān)系反映了在動荷載作用下土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性與粘滯性特征。本項(xiàng)研究采用共振柱儀微小應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行動力變形特性試驗(yàn)，分別測定了尾礦砂和尾礦泥的動剪模量與阻尼比，試驗(yàn)中動剪應(yīng)變幅的測試范圍為10-6～2×10-3。

　　式中：Pa為大氣壓力，Gmax、σ′0、Pa采用同一量綱，動剪模量系數(shù)C與指數(shù)n由試驗(yàn)確定，尾礦砂和尾礦泥的試驗(yàn)結(jié)果列于表1。

　　從圖2中可以看出，無論是尾礦砂或者是尾砂泥，對于同一種尾礦料，在等壓固結(jié)(Kc=1)和偏壓固結(jié)(Ｋc=2)時壓力效應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果非常接近。在固結(jié)比相同的情況下，尾礦砂和尾礦泥的動剪模量指數(shù)n也是較為接近的，但是，這兩種料的動剪模量系數(shù)C值還是有差別的，尾礦砂大約是尾礦泥的1.5倍左右，這種差別主要是由它們的顆粒組成和礦物成分等因素的不同造成的。

　　2.1應(yīng)變效應(yīng)通過共振柱的應(yīng)變效應(yīng)試驗(yàn)，分別給出了尾礦砂和尾礦泥在偏壓固結(jié)Kc=2、側(cè)壓力σ′3分別為100kPa、200kPa、500kPa、900kPa時的動剪模量比G/Gmax與動剪應(yīng)變幅γ、阻尼比D與動剪應(yīng)變幅γ的關(guān)系曲線，為了進(jìn)行比較，同時還給出了尾礦砂和尾礦泥在等壓固結(jié)Kc=1、側(cè)壓力σ′3為900kPa時的動剪模量比G/Gmax與動剪應(yīng)變幅γ、阻尼比D與動剪應(yīng)變幅γ的關(guān)系曲線[4]，如圖3～圖6所示?？梢钥闯觯瑢τ谖驳V砂來說，當(dāng)動剪應(yīng)變幅γ<10-5時，由于試樣基本上處于彈性狀態(tài)，不同初始應(yīng)力條件下試樣的動剪模量比G/Gmax與動剪應(yīng)變幅γ的關(guān)系曲線差別不大，當(dāng)γ≥10-5之后，試樣的動剪模量比G/Gmax與動剪應(yīng)變幅γ的關(guān)系曲線出現(xiàn)一個帶形區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，對于同一個動剪應(yīng)變幅γ，動剪模量比G/Gmax隨側(cè)壓力σ′3的增大而增大，也就是說，γ=10-5是不同初始應(yīng)力條件下試樣的動剪模量比G／Gmax與動剪應(yīng)變幅γ關(guān)系曲線是否出現(xiàn)差別的分界點(diǎn)；而對于尾礦泥，由于顆粒組成和礦物成分的差別，更容易產(chǎn)生殘余變形，所以，該分界點(diǎn)大約是在3×10-6左右。從圖中還可以看出，無論是尾礦砂或者是尾礦泥，當(dāng)動剪應(yīng)變幅γ<10-4時，對于同一種尾礦料，不同初始應(yīng)力條件下試樣的阻尼比D與動剪應(yīng)變幅γ關(guān)系曲線差別不大，當(dāng)動剪應(yīng)變幅γ≥10-4之后，試樣的阻尼比Ｄ與動剪應(yīng)變幅γ的關(guān)系曲線也出現(xiàn)了一個帶形區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，對于同一個動剪應(yīng)變幅γ，阻尼比D隨σ′3的增大而減小，也就是說，γ=10-4基本上是不同初始應(yīng)力條件下試樣的阻尼比D與動剪應(yīng)變幅γ關(guān)系曲線是否出現(xiàn)差別的分界點(diǎn)。以上的試驗(yàn)結(jié)果說明，動剪應(yīng)變幅γ對于動剪模量的影響比對于阻尼的影響更為敏感一些。通過比較可以得出，由于尾礦砂和尾礦泥的顆粒組成和礦物成分等因素的不同，在相同的初始應(yīng)力條件下，對于同一個動剪應(yīng)變幅γ值，這兩種料的動剪模量比G/Gmax和阻尼比D?都有所不同，一般來說，當(dāng)側(cè)壓力σ′3<500kPa，動剪應(yīng)變幅γ>10-4時，尾礦砂的動剪模量比G/Gmax高于尾礦泥，而阻尼比D比尾礦泥低。