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(yè)集團有限公司，寧夏 銀川 710005；2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)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(gòu)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(qū)下游居民的生命財產(chǎn)和設(shè)施的安全構(gòu)成嚴重威脅[2]。因此，研究尾礦料的動力特性具有重要的現(xiàn)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(jié)主應力比、土樣密度等因素對動力參數(shù)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(fā)現(xiàn)固結(jié)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)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(nèi)摩擦角和孔隙比的關(guān)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(fā)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(xiàn)出較大差異。因此，本文對某鐵礦尾礦料進行固結(jié)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(guān)系等動力特性，為尾礦壩的抗震穩(wěn)定性評價提供了必要參數(shù)。

1 試驗儀器與試驗方法

試驗所用尾礦料取自攀西地區(qū)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(nèi)制樣。試驗儀器采用GCTS靜、動力三軸試驗儀，循環(huán)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(shù)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(shù)很大，故將固結(jié)的時間控制為0.5 h。試驗分為固結(jié)不排水和固結(jié)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(shù)較大的情況下仍未產(chǎn)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(guī)程》[13](SL 237—1999)及《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)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(guān)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(jié)果如表1所示。

圖1 ke=1.0τd-Nf關(guān)系曲線

表1 動強度結(jié)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(xiàn)出先緩慢增加，然后迅速增加，最后達到平穩(wěn)的狀態(tài)。對于較大動應力的試樣，孔壓隨著振次的增加，表現(xiàn)為先迅速增加，而后達到平穩(wěn)狀態(tài)。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(guān)系曲線

圖3 200 kPa圍壓下孔壓-振次關(guān)系曲線

圖4 400 kPa圍壓下孔壓-振次關(guān)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(wěn)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(guān)系曲線

圖6 Gd-εd關(guān)系曲線

圖7 λ-εd關(guān)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(shù)，探討一定振次下其動應變和體變的演化規(guī)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?yōu)?.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(xiàn)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(wěn)定。

圖8 50 kPa圍壓下軸向應變-振次關(guān)系曲線

圖9 50 kPa圍壓下體變-振次關(guān)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(xiàn)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(wěn)后稍有下降。在180 kPa激振力下，穩(wěn)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(guān)系曲線

圖11 200 kPa圍壓下體變-振次關(guān)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(chǎn)生壓縮的軸向應變，在較高的激振力下，試樣產(chǎn)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(xiàn)出先迅速增加后平穩(wěn)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(guān)系曲線

圖13 400 kPa圍壓下體變-振次關(guān)系曲線

綜上所述，試樣在很大的振次下其軸向應變?nèi)匀缓苄。畲笾狄膊粫^1%。原因是本次設(shè)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(fā)生體縮現(xiàn)象。但是當達到一定的密實狀態(tài)時，試樣在不同的激振力作用下可能會發(fā)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(jié) 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(jié)果得到如下結(jié)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?nèi)匀缓苄。碓嚇又饕l(fā)生體縮，體變總體呈現(xiàn)出先迅速增加后平穩(wěn)的趨勢。

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