某礦尾粉砂土動剪模量和阻尼比試驗分析

宋永正 高貴全 代啟亮 董紅艷

(云南農業(yè)大學，云南 昆明 650201)

?

某礦尾粉砂土動剪模量和阻尼比試驗分析

董紅艷(1990- )，女，在讀碩士

宋永正 高貴全 代啟亮 董紅艷

(云南農業(yè)大學，云南 昆明 650201)

通過動三軸儀與自振柱儀組合儀器，研究了動剪模量和阻尼比與其剪切應變之間的曲線變化特性，并利用實驗數據描述了其曲線特征，同時對尾粉砂土體動力特性實驗結果進行了分析，得到了一些有意義的結論。

尾粉砂土，動剪模量,阻尼比

0 引言

隨著我國大量尾礦壩的出現，導致出現問題日益增多，在地震荷載等不可抗力因素作用下，土體密實度不夠，地下土質松動，隨著地震波源傳遞，不僅容易形成土方坍塌，還給人們生存環(huán)境造成了一定不可逆的破壞。然而造成這一現象的主要原因是對土體穩(wěn)定性動力特性把握程度比較薄弱，所以土體穩(wěn)定性問題研究是巖土工程的經典課題。場地內的地震效應分析是評估地震安全性指標的關鍵性工作，土體的動剪模量比與阻尼比是工程場地地震效應分析的基礎性內容[1,2]。尾粉砂土的動剪切模量和阻尼特性試驗是研究本尾礦在地震動荷載情況下土工壩體建筑物設計、計算分析的重要數據支撐[3,5]。因此要建立模型實驗室獲取其重要的參數，常規(guī)型動三軸儀測量范圍局限于ε=10-4～10-2級[7,8]，再更進一步的微小變形數據難以測出，導致其曲線變化特征不明顯，各種差異所得的準確性與協(xié)調性也參差不齊。因此本實驗采用動三軸儀與自振柱儀聯(lián)合測定的試驗方法測出了動剪切模量和阻尼比隨剪應變變化的曲線特征理論值。本實驗只是測出定量數據對其定性進行分析，以基礎性和初步性踐行與當地條件密切結合為準繩，現場實測與理論試驗為統(tǒng)一的標準客觀研究。根據構成壩體的土體成分來分析，土體尾粉砂土成分含量最為普遍，所以，研究其力學穩(wěn)定特性對于尾礦預防礦難事故的發(fā)生有著深遠的前瞻性意義。

1 試驗儀器及操作方法

動剪切模量阻尼試驗主要影響因素大約13個～15個[9](排除儀器等其他外在干擾條件)。在室內合理允許范圍內對尾粉砂土等壓和偏壓固結條件下進行了一系列試驗測定，主機為DZ78-1型電磁動三軸儀和GZZ-1型自振軸儀組合使用[10]，監(jiān)測系統(tǒng)為DDS-30動三軸儀系統(tǒng)。

2 試驗步驟

試驗采用云南省蘭坪縣某尾礦庫壩體尾粉飽和砂樣，砂樣采用水下裝樣法制樣取6份，平均修正干密度為1.68 g/cm3，飽和試樣平均直徑60.0 mm，高度110.0 mm。試樣抽氣飽和3 h后備用，采用雙面排水固結，固結用時為1 h，待固結完畢后立即開機振動，振動頻率為1 Hz。等壓固結條件(kc=σ1c/σ3c=1.0；σ3c=100 kPa,200 kPa,400 kPa)各3組，偏壓固結條件下(kc=1.0，σ3c=100 kPa,200 kPa,400 kPa)各3組。實驗前測得尾粉砂基本物理參數指標見表1。

3 重要參數的計算公式

3.1 最大剪切模量經驗公式(Dmevich)[11]

(1)

其中，Gd0為最大剪切模量；σa為有效圍壓力。

表1 試驗砂樣基本物理參數指標

3.2 動剪模量經驗公式

(2)

RG=Gd/Gd0

(3)

其中，假設材料符合線彈性關系時，Ed為動模量；RG為動剪模量比；μ為泊松比，取0.45。

3.3 砂土阻尼比經驗公式(Ishibashi-Zhang)[12]

(4)

上述最大動剪模量Gd0是在微小動應變εd0取10-6級時由對應的Ed0由式(2)轉化再經過式(1)修正而來的。

4 結果與分析

4.1 固結條件下剪應變γd對動剪模量Gd的影響

由圖1和圖2可知，第一階段剪應變γd=10-5～10-6區(qū)間內減小時，Gd變化微乎其微，并且趨近于一條直線；第二階段剪應變γd=10-3～10-5區(qū)間減小時，Gd呈對數曲線加速下降；第三階段剪應變γd=10-2～10-3區(qū)間減小時，Gd緩慢下降。由此可見，在第二階段中剪應變對動剪模量的影響最為關鍵。

4.2 固結條件下剪應變γd對動剪模量比Re的影響

由圖3，圖4可以看出，γd<10-5級發(fā)生小變形時，動剪模量可近似看做常數Re=1，當10-5<γd<10-3級增加時，Re比例值波動范圍大約在0.16～0.98之間且落差值浮動較大，γd>10-3級變形增大時，Re比例值呈緩步下降接近于0.4。所以，在超出小變形10-6～10-5范圍內，剪應變γd對動剪切模量都會產生較大影響。

4.3 固結壓力σ3c和固結比kc對剪應變γd的影響

以圖1為例，當固結壓力σ3c不同(取100 kPa，200 kPa，400 kPa)固結比相同(kc=1.0)，剪應變γd發(fā)生相同變形時(截取γd=10-5～10-4為例)，固結壓力越大，產生的動剪模量越大且該區(qū)段內動剪模量差值也越大；當固結壓力相同(σ3c=100 kPa)，但固結比kc不同(取1.0，1.5，20)，剪應變發(fā)生相同變形時(截取γd=10-5～10-4為例)，固結比越大，動剪模量及其落差值隨固結比的增大而相應升高；當固結壓力σ3c=100 kPa，固結比kc=1.0時，動剪切模量Gd0越大，Gd—γd曲線相對平穩(wěn)，下滑梯度值區(qū)間相對較小。

4.4 固結條件下對阻尼比D的影響

由圖5，圖6可以看出，無論是偏壓固結還是等壓固結，小變形范圍內γd=10-6～10-5級內，阻尼比值近似看做常數，剪應變在γd=10-5～10-4級逐漸遞增時，阻尼比剪應變曲線開始升高，但升高幅度緩慢，阻尼比值在0～0.1波動；剪應變γd=10-4～10-3級逐漸遞增時，阻尼比剪應變曲線驟然增加，且阻尼比值在0.1～0.28內波動；γd=10-3～10-2逐漸遞增時，阻尼比值在0.29～0.31波動。

5 結語

1)在微小變形(10-6<γd<10-5級)以內時，剪應變對動剪模量Gd和動剪模量Re比幾乎沒有明顯影響，趨近值可以近似看做常數1，且偏壓條件下影響程度較等壓條件下小。在變形(10-5<γd<10-2級)時，隨著剪應變增加，動剪模量Gd及動剪模量比Re急劇減小，且偏壓條件下影響程度較等壓條件下小。

2)發(fā)生相同變形時，動剪模量及動剪模量比都隨著固結壓力σ3c和固結比kc的增加而增大，且kc影響程度較明顯。隨著剪應變γd的增大阻尼比加劇增大，在γd>10-5級之后，對數曲線幅度增加更加顯著，其值波動值很大，約在0.007 92～0.332范圍內。

3)在大應變(10-5<γd<10-2級)內，地震級別一般屬于大震，動剪模量比曲線不斷減小，反而阻尼比曲線卻不斷增大。然而這個區(qū)間恰好是土體地震計算反應的敏感區(qū)間，土體穩(wěn)定性更加不明確。因此，兩者的折中考慮對于實際具體工程土體穩(wěn)定性分析有著至關重要的作用。

[1] 馮志仁，郭德存,劉紅帥,等.最大剪切模量對土動力參數及地震反應的影響[J].自然災害學報,2007,16(3):91-95.

[2] 李小軍,彭 青.不同類別場地地震動參數的計算分析[J].地震工程與工程振動,2001,21(1):29-36.

[3] 孫 靜,袁曉銘.土的動模量和阻尼比研究述評[J].世界地震工程,2003,19(1):87-93.

[4] 陳國興,劉雪珠.南京及鄰近地區(qū)新近沉積土的動剪切模量和阻尼比的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(8):1403-1410.

[5] 呂悅軍,唐榮余，沙海軍.渤海海底土類動剪切模量比和阻尼比試驗研究[J].防災減災工程學報，2003,23(2):35-42.

[6] 齊劍鋒,欒茂田,楊 慶，等.飽和粘土動剪切模量與阻尼比的試驗研究[J].巖土工程學報,2008，30(4):518-523.

[7] 趙紅芬,何昌榮，王莉娜.動模量阻尼的動三軸試驗研究[J].路基工程，2009(4)：158-160.

[8] 陳國興,謝君斐,張克緒.土的動模量和阻尼比的經驗估計[J].地震工程與工程振動,1995，15(3):73-84.

[9] 何昌榮.動模量和阻尼的動三軸實驗研究[J].巖土工程學報,1997,19(2):34-46.

[10] 陳國興,朱定華,何啟智.GZZ-1型自振柱試驗機研制與性能試驗[J].地震工程與工程振動,2003,23(1):110-114.

[11] 王紹鵬,郭 瑩.土體動彈性模量與動剪切模量關系對比研究[D].大連：大連理工大學,2009.

[12] 張 明,廖蔚茗,王志佳,等.黏性土的動剪切模量比和阻尼比與剪應變關系的統(tǒng)計分析[J].地震工程與工程振動，2013，33(4):257-261.

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，在讀碩士； 高貴全(1968- )，男，教授； 代啟亮(1983- )，男，碩士，講師；

TU432

A