鐵礦尾礦料動力特性研究

林永洪，禹艷陽，劉恩龍

(1.寧夏中房實業集團有限公司，寧夏 銀川 710005；2.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；3.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065)

0 前 言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的用以貯存金屬非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所[1]。尾礦庫潰壩對庫區下游居民的生命財產和設施的安全構成嚴重威脅[2]。因此，研究尾礦料的動力特性具有重要的現實意義。

目前已有許多學者對尾礦料的靜、動力特性進行了較為深入的研究[3-6]。劉菀茹[7]利用動三軸儀對尾粉砂和尾粉土進行了動力試驗，探討了固結主應力比、土樣密度等因素對動力參數的影響。陳勁松等[8]通過對飽和尾礦砂的動三軸液化試驗，發現固結圍壓對動剪應力比的影響不大，而密度對其抗液化強度影響很大。尹光志等[9]探討了尾礦砂的壓縮性、滲透性與粒徑、孔隙比的關系，發現粗、細尾礦的滲透性都大于全尾礦的滲透性。阮元成等[10]研究了尾礦砂和尾礦泥的動力殘余變形等特性。余君等[11]通過試驗得出了尾粉砂內摩擦角和孔隙比的關系。

尾礦庫中的尾礦料大多是具有低塑性的細顆粒，在動力荷載作用下極易發生液化從而喪失強度[12]，另外由于所含礦物成分的不同，變形特征及力學特征呈現出較大差異。因此，本文對某鐵礦尾礦料進行固結不排水和排水動力試驗，獲得動強度、動模量、阻尼比。不同圍壓下軸向應變、體變與振次的關系等動力特性，為尾礦壩的抗震穩定性評價提供了必要參數。

1 試驗儀器與試驗方法

試驗所用尾礦料取自攀西地區某鐵礦尾礦庫，試驗對象尾粉細砂的干密度為2.1 g/cm3。試樣尺寸為φ50 mm×100 mm，采用控制干密度的方式在三瓣膜內制樣。試驗儀器采用GCTS靜、動力三軸試驗儀，循環荷載使用頻率為1 Hz的等幅正弦波。

將制好的試樣先進行二氧化碳飽和，然后進行水頭飽和，最后對試樣進行反壓飽和，直至孔壓系數B值達到0.97或以上視為飽和度達到要求。該尾礦砂的滲透系數很大，故將固結的時間控制為0.5 h。試驗分為固結不排水和固結排水兩種，分為50、200、400 kPa 3組圍壓，每個圍壓條件下施加4組不同的動應力。不排水試驗的破壞標準為孔壓達到相應的圍壓，即液化破壞。排水條件下由于試樣的干密度較大，軸向應變在振動次數較大的情況下仍未產生很大變化，所以本次試驗取一定的振次作為破壞標準。尾礦料靜、動三軸試驗的原理、方法和資料整理參照《土工試驗規程》[13](SL 237—1999)及《尾礦堆積壩巖土工程技術規范》[14](GB 50547—2010)進行。

2 不排水動力特性

2.1 動強度

不排水試驗中，尾礦砂試樣的破壞標準為孔隙水壓力達到相應的圍壓值。圖1為不同圍壓下試樣的動強度隨振次的變化關系曲線，試樣的動強度隨著圍壓的增大而增大。在相同的振次下，圍壓越高，動強度越大。動強度結果如表1所示。

圖1 ke=1.0τd-Nf關系曲線

表1 動強度結果

在低圍壓(50 kPa)下，孔壓與初始有效圍壓的比值不能達到絕對的相等，即u/σεc≈0.96，試樣不能達到完全液化條件。在200 kPa和400 kPa圍壓下，試樣能達到完全液化條件，即u/σεc=1。由圖2～4可知，對于較小動應力的試樣，孔壓隨著振次的增大呈現出先緩慢增加，然后迅速增加，最后達到平穩的狀態。對于較大動應力的試樣，孔壓隨著振次的增加，表現為先迅速增加，而后達到平穩狀態。動應力越大，相同振次下所對應的孔隙水壓力越大。

圖2 50 kPa圍壓下孔壓-振次關系曲線

圖3 200 kPa圍壓下孔壓-振次關系曲線

圖4 400 kPa圍壓下孔壓-振次關系曲線

2.2 動模量及阻尼比

本次試驗儀器可以自動采集滯回圈曲線，由圖5～6可知彈性模量Ed和剪切模量Gd都是隨著軸向應變εd的增加而減小。在相同軸向應變條件下，圍壓越高，相對應的模量值越大。由圖7可知，不同圍壓下的阻尼比隨著軸向應變的增加都是先增加然后趨于平穩的趨勢。在3組圍壓下，阻尼比最大值都趨于同一值。

圖5 Ed-εd關系曲線

圖6 Gd-εd關系曲線

圖7 λ-εd關系曲線

3 排水動力特性

針對動力三軸排水試驗，本次試驗的控制標準為一定的振動次數，探討一定振次下其動應變和體變的演化規律。

由圖8～9可知，在50 kPa圍壓、40 kPa激振力作用下，試樣在振次達到800次時軸向應變的最大值約為0.2%；43 kPa和45 kPa激振力下，振次達到600次時軸向應變為0.5%；49 kPa激振力下，振次為200次時軸向應變依然不到0.4%。不同激振力作用下的試樣的體變都較小，最大體變在0.9%左右。在43 kPa激振力下試樣的體變先增加后減小，出現了部分剪脹。其他3個試樣的體變隨著振次增加先增加后穩定。

圖8 50 kPa圍壓下軸向應變-振次關系曲線

圖9 50 kPa圍壓下體變-振次關系曲線

由圖10～11可知，在200 kPa圍壓、140 kPa和150 kPa激振力作用下，試樣的軸向應變主要為正向壓縮，當激振力為160 kPa和180 kPa時，試樣出現拉伸應變。在前3種激振力作用下，試樣的體變先迅速增加，平穩后稍有下降。在180 kPa激振力下，穩定后的體變較前3種明顯偏大。

圖10 200 kPa圍壓下軸向應變-振次關系曲線

圖11 200 kPa圍壓下體變-振次關系曲線

由圖12～13可知，在400 kPa圍壓、兩個較低的激振力作用下，試樣主要產生壓縮的軸向應變，在較高的激振力下，試樣產生拉伸的軸向應變。試樣在不同激振力下的軸向應變的最大值小于1%。體變總體呈現出先迅速增加后平穩的趨勢。在350 kPa激振力下，由于試樣的拉伸較大，所以試樣的振次很小。

圖12 400 kPa圍壓下軸向應變-振次關系曲線

圖13 400 kPa圍壓下體變-振次關系曲線

綜上所述，試樣在很大的振次下其軸向應變仍然很小，最大值也不會超過1%。原因是本次設計的尾礦砂的干密度較大(2.1 g/cm3)。當試樣在激振力作用下，振搗作用使其密度越來越大，更難壓縮，很難達到5%的軸向應變的控制標準。同理試樣主要發生體縮現象。但是當達到一定的密實狀態時，試樣在不同的激振力作用下可能會發生一定量的體脹，但是由于軸向應變很小，所以體脹的趨勢較弱。

4 結 論

文中對某鐵礦尾礦庫擴容工程的新建尾礦庫進行了尾礦料動力試驗，由試驗結果得到如下結論。

1)不排水條件下，圍壓越高，尾礦料的動強度越大，彈性模量Ed和剪切模量Gd值越大，相同振次下動應力越大，所對應的孔隙水壓力越大。

2)排水條件下，由于干密度較大，導致在較大振次下，試樣軸向應變仍然很小，同理試樣主要發生體縮，體變總體呈現出先迅速增加后平穩的趨勢。

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