基于模型試驗的鎳礦流態化特性與判別

李 琳，趙 程,2*，白彪天，于仕才，周 健,2

(1.同濟大學 土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；3.四川長園工程勘察設計有限公司，四川 成都 610063；4.上海中建東孚投資發展有限公司，上海 200120)

鎳礦作為一種重要的戰略礦產資源，需求不斷上升。我國散裝精鎳礦的進口量逐年增長，其主要運輸方式是海上運輸。鎳礦在儲存和運輸過程中，往往存在中心層溫度過高、粉塵飛揚等問題，需要人為噴水來解決。精粉礦散貨自身含水量、露天存放時遭受雨淋及噴水措施等因素導致在其運輸過程中發生流態化的可能性增加[1-2]。我國曾發生過多起因運載精粉礦導致的沉船事故，帶來船毀人亡的重大損失[3]。鎳礦由于顆粒粒徑很細，且黏粒含量較高，其流態化機理與其他礦粉等存在顯著差異[4-7]，很多學者對其流態化風險及特點進行了單獨研究[8-10]。這些研究為鎳礦流態化的振動臺模型試驗提供了參考。而對于鎳礦發生流態化的機理，目前研究尚屬于初步探討階段。當前國際上關于礦粉流態化判別的方法主要是將礦粉含水率值與流動水分點進行比較，認為只有其含水率大于流動水分點時，礦粉才有可能發生液化[11]。諸多學者就流動水分點的測定方法進行了研究[12-13]。但考慮細粒含量對鎳礦流態化的影響，目前對鎳礦流態化的判別并不十分完善。

本文基于室內可視化小型振動臺模型試驗，利用數字圖像采集和分析系統，分析了在縮尺條件下鎳礦流態化演化歷程及形成機理，確定了鎳礦試樣在較不利加速度下的流態化臨界含水率，探討了影響鎳礦流態化的關鍵因素，最后提出了新的鎳礦流態化判別方法，并分析了流盤試驗所得流動水分點(Flow Moisture Point，FMP)的可靠性。本研究擬從源頭上對散裝鎳礦流態化風險進行有效判定，具有重要的工程意義。

1 振動臺模型試驗

1.1 試驗材料

鎳礦顆粒粒徑很細，且其中黏粒含量較高，難以制備多種級配的鎳礦，因此鎳礦流態化模型試驗只采用一種級配的鎳礦，研究其在較不利工況下發生流態化的臨界含水率。試驗所用鎳礦由上海出入境檢驗檢疫局提供，取自上海羅涇碼頭自由堆場。基本物理力學性質見表1，其中FMP為流動水分點，TML(Transportable Moisture Limit)為適運水分限量。

表1 鎳礦基本性質

1.2 試驗裝置

由于海浪運動的隨機性，船舶在其作用下的運動通常也是隨機的。為了使分析計算更為方便，可以假定海浪的運動是規則及穩定的，那么在其作用下，船舶運動則可以認為是由簡諧運動組成的，該計算結果同樣具有參考價值[14]。試驗通過教研室自主研發的室內小型振動臺[15]對模型箱施加水平往復簡諧荷載，以此來模擬在波浪作用下船舶的水平橫搖[16]。

試驗模擬5.7×104t級散貨船在5艙均勻裝載時精粉礦散貨的堆載情況。由模型相似設計的基本原則，首先確定模型幾何尺寸的相似比為1/25；其次，考慮重力加速度g的近似模擬，質量密度的相似關系為1；最后，根據量綱分析的π定理確定相似規律推導出的室內振動臺模型試驗的相似系數如表2所示。

表2 室內模型試驗的模型相似比

根據模型相似比，設計模型箱長66 cm，寬32 cm，高40 cm。為了便于觀測，在模型高度方向設置橫向標志砂，每層間隔10 cm，在長度方向中間位置設置豎向標志砂。試驗在模型箱一側設置高清數碼相機實時記錄精粉礦流態化宏觀演化過程，觀測流態化發生發展全過程中的礦體變形。試驗中采用孔隙水壓力傳感器采集全過程孔隙水壓力的變化，采樣方式和采樣頻率等都通過計算機進行控制，采樣頻率設定為50 Hz。鎳礦模型及水壓傳感器在礦體內的布置如圖1所示。

圖1 鎳礦模型及孔壓測點布置圖Tab. 1 The physical parameters of nickel ore

1.3 試驗設計

(1) 試驗方案

根據課題組前期的研究成果[8]，影響鎳礦流態化特性的關鍵因素為含水率和加速度，因此在試驗中將其作為主要控制變量。根據上海出入境檢驗檢疫局提供的資料[17]顯示，波浪譜的特征頻率一般為0.1～1 Hz，本試驗按較不利情況，設計頻率為1 Hz。實測資料表明，散裝鎳礦貨船在載運時，艙內鎳礦的橫向加速度幅值范圍為0.16～0.42 g。為了獲得偏安全的臨界含水率，取較不利的加速度工況進行試驗，不考慮鎳礦在加速度為0.1～0.3 g的情況。試驗設計施加在試樣上的加速度值分別為0.4和0.5 g，對應振幅分別為82和99 mm。具體方案如表3所示。

表3 模型試驗方案

(2) 試驗過程

為了精確控制試樣含水率并保證合適的相對密實度，本試驗采用分層濕搗法均勻配置鎳礦試樣，將鎳礦在110 ℃的烘箱里烘置24 h，待充分烘干后，根據設計含水率配置所需試樣，將配置好的試樣分10層裝樣，控制每層試樣的密實度相同。為使鎳礦內部含水率保持充分均勻，裝樣后于鎳礦表面鋪設濕毛巾，并靜置1 h。準備工作完成后，啟動振動臺施加振動荷載，最大振動周數為600次，當試驗中發生明顯流態化破壞現象后即停止振動臺振動。

2 試驗結果分析

本次試驗所用的鎳礦，按照土力學分類，屬于粉質粘土，其黏性很高，其流態化機理主要從宏觀現象、分層含水率、孔隙水壓力三個方面進行探討。

2.1 鎳礦流態化現象

試驗以是否出現破壞變形與滑動面為依據來判定是否出現流態化。表4為五組鎳礦模型試驗的試驗結果。當含水率較小，鎳礦不發生流態化，鎳礦礦體在試驗過程中基本不發生變形；當含水率較大，鎳礦發生流態化時，鎳礦礦體喪失強度，在振動荷載作用下產生大變形。鎳礦由于污染玻璃面的原因，側面宏觀現象并不能很直觀地反應鎳礦的流態化發展過程，這需要在后續研究中繼續優化試驗方案。但在試驗過程中，可以實際觀測到其流態化發展規律。

表4 模型試驗結果

圖2和圖3為第5#組試驗鎳礦在振動前后宏觀現象的對比圖?？梢钥吹?，試驗前在礦體內設置的三道橫向標志砂在試驗結束后基本不可見，由于礦體發生了大變形，導致標志砂與礦粉混合在了一起，而在表面可以看到在部分地方出現較大的張拉裂縫，并且左邊出現了隆起，右邊出現了塌陷。在試驗過程中可以觀測到流態化發展過程仍是頂部先破壞，出現圓弧滑動面，并逐漸向下發展。在整個試驗過程中沒有表現出明顯的水分遷移現象。

圖2 5#試驗鎳礦流態化現象正視圖Fig.2 The front view of nickel concentrate ore’s fluidization

圖3 5#試驗鎳礦流態化現象俯視圖Fig.3 The top view of nickel concentrate ore’s fluidization

2.2 分層含水率規律

在試驗結束后，測定了鎳礦的分層含水率分布，來探究鎳礦在振動荷載作用下的水分遷移規律。圖4為各組試驗中鎳礦分層含水率沿模型高度方向分布的變化情況，橫坐標表示含水率值，縱坐標表示模型的高度。其中，第1#、2#、3#、4#四組試驗中鎳礦未發生流態化，第5#組試驗中鎳礦發生了流態化。

圖4 鎳礦試驗后分層含水率Fig.4 Moisture contents at different layers after tests

比較各組試驗中分層含水率的分布情況可以發現，對于鎳礦來說，無論是否發生流態化，其含水率分布均表現為從上往下均勻分布，含水率的離散型較大。其主要原因為鎳礦細粒中黏粒含量較多，因此導致其滲透性非常低，在振動荷載作用下礦體內水分基本不發生遷移。

2.3 孔隙水壓力規律

在鎳礦模型試驗中，測定了兩個測點的孔隙水壓力隨振動荷載的變化情況，關于孔隙水壓力測點布置情況見圖1。圖5為第1#、2#、4#、5#組試驗中鎳礦在振動荷載作用下孔隙水壓力的時程曲線。比較各組試驗可以發現，當鎳礦未發生流態化時，孔隙水壓力未發展；當含水率較大，鎳礦發生流態化時，孔隙水壓力有小幅發展，但其值很小，頂部孔壓甚至出現了負值，說明在鎳礦中由于黏粒含量較大，同時試驗又處于非飽和狀態，因此在鎳礦中存在負孔壓，但由于其飽和度較高，所以負孔壓很小。而由分層含水率規律可知在試驗過程中水分基本不發生遷移，因此在試驗過程中孔壓基本不發展。

圖5 鎳礦孔隙水壓力時程曲線Fig.5 The pore pressure curves of nickel concentrate ore

通過以上分析可以發現，鎳礦是否發生流態化和孔壓發展無明顯關系。鎳礦在動力荷載作用下會發生流態化的主要原因是其顆粒粒徑非常細小，比表面積很大，導致顆粒之間產生界面活性等膠體特性，從而在顆粒表面形成吸著水層，進而導致鎳礦形成非常復雜的絮狀構造。在振動荷載作用下，絮狀構造被破壞，鎳礦強度逐漸降低，產生振動軟化，進而導致流態化。因此，鎳礦發生流態化的主要原因是在高含水率下發生了振動軟化。

3 鎳礦流態化判別

當前礦粉流態化判別的主要方法是比較其含水率值與流動水分點(FMP)的大小，只有當含水率大于FMP時，才認為其可能發生流態化。目前流動水分點的測定方法主要包括流盤試驗法、針入度試驗及盧梭飽和度試驗法。本文借鑒土力學相關知識，基于細粒含量對鎳礦流態化的影響，提出一種新的確定鎳礦流動水分點的方法，將其與流盤試驗法進行比較，進一步完善鎳礦流態化判別方法。

Bray J D[18]于2006年提出的細粒土液化初判標準，通過考慮不同的塑性指數(PI)，建立了確定細粒土是否流態化的三條準則：(1)當PI<12時，只有當ωc/LL>0.85時，細粒土才可能發生液化；(2)當120.8時，細粒土才可能發生液化；(3)當180.8時，才認為鎳礦可能發生流態化，將以此標準確定的含水率作為鎳礦流態化的臨界含水率。

計算臨界含水率時還需考慮，土力學中含水率指的是水的質量和固體質量的比值，而海運中含水率指的是水的質量和固體與水總質量的比值，因此在研究過程中需區分這兩種含水率，以ωc指代土力學中含水率，以ωs指代海運含水率。公式(1)和公式(2)給出了兩種含水率的計算方法，聯合公式(1)和(2)，可以得出ωc與ωs之間關系如式(3)所示，將其代入上述標準，即ωs/((1-ωs)LL)>0.8時，鎳礦可能發生流態化。因此，鎳礦發生流態化的臨界含水率公式如式(4)所示。

ωc=mw/ms

(1)

ωs=mw/(ms+mw)

(2)

ωc=ωs/(1-ωs)

(3)

(4)

結合以上分析，通過試驗測出鎳礦流態化的液限，即可計算出其流態化臨界含水率。表5為室內模型試驗、計算、流盤試驗三種方法所得臨界含水率。比較結果可以看出，對于高細粒含量的鎳礦，通過計算所得臨界含水率為38.1%，傳統流盤試驗所得的FMP為36.6%，而試驗所得的臨界含水率區間為38%～39%。計算所得含水率位于試驗臨界區間內，因此，該方法適用于高細粒含量的鎳礦的流態化臨界含水率確定，而傳統的流盤試驗結果相對偏保守。

表5 臨界含水率比較

4 結論

本文通過室內模型試驗，研究了鎳礦在振動荷載作用下的流態化規律，分析了其流態化演化過程，確定了鎳礦試樣流態化臨界含水率，借鑒含細粒土液化的判別方法，提出了鎳礦流態化的判別方法。主要得到以下結論：

1) 散裝鎳礦流態化演化歷程：其發生流態化時滑動面首先出現在礦粉頂部，并逐漸向下遷移，最終形成礦體整體左右滑移狀。

2) 含水率是影響鎳礦礦粉流態化形成的關鍵因素，鎳礦存在含水率臨界值，高于該含水率時，鎳礦會發生流態化，低于該含水率時，鎳礦不會發生流態化。

3) 鎳礦由于黏粒含量很高，其在振動過程中水分基本不發生遷移，孔隙水壓力也基本不發展，其發生流態化的主要原因是高含水率條件下發生了振動軟化。

4) 通過測定鎳礦的液塑性指標，提出了其流態化的判別方法。計算得到的流態化臨界含水率與模型試驗結果基本一致。對于鎳礦這種高細粒含量的試樣，通過流盤試驗測定的FMP值在實際中偏保守。