玄武巖纖維加筋尾砂抗震液化試驗(yàn)研究

董致成,王光進(jìn),2,李耀基,蔡彬亭,王孟來(lái),李樹(shù)建

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,昆明 650031;2.云南省礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與固廢資源利用國(guó)際技術(shù)轉(zhuǎn)移中心,昆明 650093;3.云南磷化集團(tuán)有限公司,昆明 650600)

0 引 言

尾礦庫(kù)是用于堆存礦石選別后剩余尾礦渣的特殊工業(yè)建筑物[1-2]。尾礦庫(kù)給礦山企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來(lái)了巨大安全隱患[3]。在地震荷載作用下,尾礦庫(kù)中尾粉砂的孔隙水壓力迅速上升,其有效應(yīng)力迅速減小,進(jìn)而發(fā)生液化現(xiàn)象導(dǎo)致尾礦庫(kù)發(fā)生潰壩[4-7]。因此,深入研究尾砂的液化特性并改善尾砂在地震條件下的液化特性對(duì)尾礦庫(kù)的安全開(kāi)發(fā)和長(zhǎng)期服役極其重要。

眾所周知,纖維作為一種巖土工程加固材料,對(duì)提高土的性能(強(qiáng)度和穩(wěn)定性等)起著重要的作用,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖土工程中,特別是斜坡、路堤和水壩[8-9]。Consoli等[10]對(duì)不同初始體積比的均勻細(xì)砂樣品進(jìn)行壓縮試驗(yàn),研究纖維對(duì)細(xì)砂抗壓縮性能的影響,又從微觀分析纖維加筋機(jī)理。Krishnaswamy等[11-12]對(duì)不同尺寸的土工織物加筋土進(jìn)行大量不排水動(dòng)三軸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)纖維加筋顯著提高土體的抗液化性能。Vercueil等[13]通過(guò)對(duì)土工織物加筋土體進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn),得出土工織物加筋土體可以起到增強(qiáng)排水的效果,可以加快土體中的孔隙水壓力的消散從而延緩?fù)馏w的液化。Noorzad等[14]在固結(jié)-不排水(CU)條件下進(jìn)行一系列應(yīng)力控制循環(huán)三軸試驗(yàn),研究了隨機(jī)分布纖維增強(qiáng)的砂土的抗液化性和剪切模量,考察了纖維含量、纖維長(zhǎng)度、相對(duì)密度和圍壓等參數(shù)的影響。Festugato等[15]對(duì)纖維加筋土進(jìn)行不排水的循環(huán)三軸試驗(yàn),得出纖維加筋土改變了其內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力的大小。Zhao等[16]通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn),研究了纖維對(duì)砂土性能的影響(動(dòng)剪切模量和阻尼比),得出了最大動(dòng)態(tài)剪切模量和阻尼比的經(jīng)驗(yàn)公式。Jiang等[17]基于耗能原理,計(jì)算了聚丙烯纖維加筋鐵尾砂的直接剪切能耗散,并結(jié)合纖維分布模型,基于直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到聚丙烯纖維的界面強(qiáng)度參數(shù)和纖維界面耗能數(shù)學(xué)模型。Bao等[18]采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),研究了纖維增強(qiáng)尾砂膠結(jié)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和韌性,得出纖維增強(qiáng)尾砂膠結(jié)復(fù)合材料具有多重裂紋、高延性和彎曲韌性等特點(diǎn)。Chen等[19]利用無(wú)限壓縮試驗(yàn)探討了聚丙烯纖維對(duì)尾砂膠結(jié)漿料充填料的壓縮性能和微觀結(jié)構(gòu)性能的影響,結(jié)果表明纖維可以增強(qiáng)尾砂膠結(jié)漿料充填料的剛度和延展性。Zheng等[20]研究了玄武巖纖維加筋對(duì)尾砂力學(xué)性能的影響,并分析了玄武巖纖維與尾礦顆粒之間的微觀結(jié)構(gòu)和界面行為。

一些學(xué)者通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡等探究纖維對(duì)土壤或混凝土的強(qiáng)度影響,但對(duì)動(dòng)荷載作用下纖維加筋土的強(qiáng)度變化考慮較少;另一些學(xué)者雖考慮到動(dòng)荷載下纖維加筋土的強(qiáng)度變化,但對(duì)纖維加筋尾砂的研究較少,且沒(méi)有考慮到纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)尾砂動(dòng)力特性的影響。基于此,本文在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上,運(yùn)用動(dòng)三軸試驗(yàn)探究纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)尾砂抗液化特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為尾礦庫(kù)抗震設(shè)計(jì)及加固措施提供理論基礎(chǔ),也可為纖維加筋尾砂的相關(guān)研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 尾砂試樣

試驗(yàn)所用的尾砂樣品取自中國(guó)四川省某鐵尾礦庫(kù),尾砂相關(guān)物理指標(biāo)如表1所示。尾砂粒徑分布情況如圖1所示,其中小于0.25粒徑占比為89.52%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同);小于0.1粒徑占比為40.82%;小于0.075粒徑占比為27.87%,其中粒徑在0.075～0.25 mm的顆粒為該尾礦的主要部分。依據(jù)《尾礦庫(kù)設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)[21]中對(duì)原尾砂的劃分,因尾礦中尾砂粒徑大于0.074 mm的顆粒質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量的50%,故界定該尾礦屬于尾粉砂。

圖1 試樣粒徑級(jí)配累計(jì)曲線Fig.1 Cumulative curve of particle size gradation of samples

1.2 纖維材料特性及樣品制備

通常情況下在金屬或非金屬礦選別后排出的尾礦會(huì)以“泥漿”的形態(tài)運(yùn)輸,其主要成分是尾礦顆粒和水。依礦產(chǎn)種類(lèi)的不同,“泥漿”通常呈酸性或堿性,并最終堆存到尾礦庫(kù)。因此纖維的選取既要考慮其耐酸堿腐蝕性,又要考慮在“泥漿”運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中防止纖維與尾砂脫離,因此纖維的密度是重要因素之一[22]。

玄武巖纖維有著和尾砂較為相近的密度(玄武巖纖維的物理屬性見(jiàn)表2),這避免了在運(yùn)輸過(guò)程中造成的纖維與尾砂脫離現(xiàn)象。其次玄武巖纖維是玄武巖在高溫情況下拉制而成,有著玄武巖本身具有的耐腐蝕的特性,這很好地應(yīng)對(duì)了尾砂的酸堿性腐蝕。此外玄武巖纖維的成本低且生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境污染小,可在環(huán)境中降解,無(wú)危害,是綠色環(huán)保材料。基于此本文選用玄武巖纖維進(jìn)行試驗(yàn)[23]。

表2 玄武巖纖維的物理屬性Table 2 Physical properties of basalt fibers

目前混合玄武巖纖維與尾砂的方式有兩種分別為干式混合法與濕式混合法[24]。干式混合法是將纖維與試樣直接混合攪拌。濕式混合法是加入水再進(jìn)行攪拌。本文選用的為濕式混合法與干式混合的方式相比,避免了纖維之間的相互糾纏從而引起試樣中纖維分布集中的問(wèn)題。制備過(guò)程如圖2所示,先將玄武巖纖維分散在去離子水中,進(jìn)行攪動(dòng)讓纖維隨著水流的帶動(dòng)分散開(kāi),再緩慢加入尾砂一起攪動(dòng)直到纖維與尾砂充分混合。最后將纖維與尾砂的混合液放入烘箱中溫度調(diào)節(jié)到110 ℃干燥5 h。

圖2 樣品制備流程Fig.2 Sample preparation process

1.3 動(dòng)三軸試驗(yàn)

本文運(yùn)用KTL-DYN10型電磁式動(dòng)態(tài)三軸儀進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn),試驗(yàn)方法遵循《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[25]。試驗(yàn)樣品依次進(jìn)行CO2飽和、水頭飽和、反壓飽和,當(dāng)飽和度達(dá)到97%(B>0.97)后再進(jìn)行相應(yīng)條件下的等壓固結(jié);待固結(jié)完成后,在不排水條件下,施加頻率為1 Hz的循環(huán)荷載進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn),從而使試樣達(dá)到液化。

1.4 試驗(yàn)方案

為探究動(dòng)荷載作用下同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同長(zhǎng)度和同長(zhǎng)度不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的玄武巖纖維加筋尾砂抗液化特性的影響規(guī)律,分三組開(kāi)展動(dòng)力試驗(yàn),試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Experimental scheme

1)未加入纖維的尾砂試樣。

2)相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同長(zhǎng)度L(3、6、9、12、15、18 mm,見(jiàn)圖3)的玄武巖纖維加筋尾砂試樣(探究纖維長(zhǎng)度對(duì)加筋尾砂液化特性的影響規(guī)律)。

圖3 不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維Fig.3 Basalt fibers of different length

3)相同長(zhǎng)度不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)的玄武巖纖維加筋尾砂試樣(探究纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)加筋尾砂液化特性的影響規(guī)律)。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維加筋尾砂的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果

玄武巖纖維加筋尾砂與未加筋尾砂的動(dòng)三軸對(duì)比試驗(yàn)如圖4所示,纖維加筋尾砂后達(dá)到液化所需的振次明顯增多,動(dòng)孔隙水壓力達(dá)到初始有效圍壓的時(shí)間增長(zhǎng),即說(shuō)明尾砂達(dá)到液化所需時(shí)間增長(zhǎng),可以得出纖維加筋尾砂的抗液化影響顯著。由此表明纖維加筋尾砂可以提高其抗液化強(qiáng)度,但玄武巖纖維本身的性質(zhì)(長(zhǎng)度和摻量)對(duì)尾砂抗液化效果的影響還需進(jìn)一步試驗(yàn)與討論[26-27]。

圖4 未加筋尾砂與加筋尾砂孔壓增長(zhǎng)對(duì)比Fig.4 Comparison of pore pressure growth between unreinforced and reinforced tailings

2.1.1 不同長(zhǎng)度纖維加筋尾砂振動(dòng)液化規(guī)律

從不同長(zhǎng)度纖維加筋尾砂的動(dòng)孔隙水壓力增長(zhǎng)規(guī)律曲線(見(jiàn)圖5(a))中可以得出纖維加筋尾砂孔壓最終都會(huì)達(dá)到圍壓值,即發(fā)生振動(dòng)液化。未加筋尾砂與纖維加筋尾砂的區(qū)別在于振動(dòng)液化次數(shù),動(dòng)孔壓發(fā)展所需要的時(shí)間不同,即纖維加筋尾砂在動(dòng)荷載作用下達(dá)到液化所需時(shí)間增長(zhǎng)。但纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)與振動(dòng)液化的次數(shù)增加之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,且存在臨界值。在臨界值之前,纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)與加筋尾砂達(dá)到振動(dòng)液化的振次呈正相關(guān)。在臨界值之后,纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)與加筋尾砂達(dá)到振動(dòng)液化的振次呈負(fù)相關(guān)。

圖5 不同長(zhǎng)度纖維加筋尾砂試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of reinforced tailings with different fiber length

在不同長(zhǎng)度的纖維加筋尾砂之間的振動(dòng)液化次數(shù)對(duì)比(見(jiàn)圖5(b))中可以看出,纖維長(zhǎng)度達(dá)到9 mm前后,加筋尾砂達(dá)到振動(dòng)液化的振次呈現(xiàn)為先增加再減少的現(xiàn)象。由此看出9 mm為臨界點(diǎn),即最優(yōu)長(zhǎng)度。值得注意的是,無(wú)論是否超過(guò)臨界值時(shí)纖維加筋尾砂的抗液化性能始終強(qiáng)于未加筋的尾砂抗液化性能。纖維加筋尾砂對(duì)其動(dòng)孔壓增長(zhǎng)時(shí)間的影響因素可從動(dòng)孔壓的三個(gè)增長(zhǎng)階段進(jìn)一步分析與討論。

從孔壓增長(zhǎng)階段(見(jiàn)圖5(c))可看出,每個(gè)階段的振動(dòng)液化次數(shù)都有所增加,即每個(gè)孔壓增長(zhǎng)階段的所需時(shí)間增長(zhǎng)。但穩(wěn)定增長(zhǎng)階段的增加在三個(gè)孔壓增長(zhǎng)階段中最為顯著,這說(shuō)明纖維加筋尾砂達(dá)到液化所需動(dòng)應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng),延長(zhǎng)了顆粒之間的有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移為孔隙水壓力的時(shí)間。

2.1.2 不同摻量纖維加筋尾砂的振動(dòng)液化

纖維摻量與長(zhǎng)度的變化對(duì)增強(qiáng)尾砂抗液化性能有著類(lèi)似的趨勢(shì)。隨著纖維摻量的不斷增加,纖維加筋尾砂達(dá)到液化的振次次數(shù)呈先增后減。在臨界值之前,纖維摻量的增加與加筋尾砂達(dá)到振動(dòng)液化的振次也隨之增加。在臨界值之后,纖維摻量的增加與加筋尾砂達(dá)到振動(dòng)液化的振次隨之減少(見(jiàn)圖6(a))。在纖維摻量達(dá)到0.3%時(shí),纖維加筋尾砂的振動(dòng)液化次數(shù)呈先增加再減少的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)當(dāng)纖維摻量占總質(zhì)量的0.3%時(shí),提高尾砂抗液化性能的效果較好,即該摻量為最優(yōu)摻量(見(jiàn)圖6(b))。纖維摻量對(duì)孔壓增長(zhǎng)階段的影響與纖維長(zhǎng)度對(duì)其影響效果相似,與未加筋尾砂的三個(gè)孔壓增長(zhǎng)階段相比,每個(gè)階段的振動(dòng)液化次數(shù)都有所增加,即每個(gè)孔壓增長(zhǎng)階段的所需時(shí)間增長(zhǎng)(見(jiàn)圖6(c))。

圖6 不同摻量纖維加筋尾砂試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of fiber reinforced tailings with different content

2.2 玄武巖纖維加筋尾砂機(jī)理分析

2.2.1 纖維表面與尾砂顆粒之間的相互作用

尾砂是一種多孔材料,其內(nèi)部含有大量的微裂隙、孔洞和空隙,未加筋尾砂裂隙與孔隙的微觀形態(tài)如圖7所示。纖維加筋尾礦的微觀形態(tài)與錨索區(qū)域示意圖如圖8所示。玄武巖纖維摻入尾砂以空間三維隨機(jī)無(wú)序地分布于尾砂顆粒孔隙中,相較于未摻入纖維的尾砂,存在尾砂顆粒之間相互接觸以外,還增加了纖維與土骨架顆粒接觸,如圖8(a)所示,從而降低孔隙率,增加尾砂的致密性。纖維與尾砂顆粒形成整體,可以提高尾砂顆粒之間的內(nèi)聚力,如圖8(b)所示。當(dāng)受外荷載作用時(shí),纖維能有效抑制裂紋擴(kuò)展的形成和發(fā)展。纖維填充尾砂孔隙或裂隙時(shí)可以形成“錨索區(qū)域”如圖8(a)中虛線框部分。圖8(c)為錨索區(qū)域受力示意圖。在錨固作用下纖維能有效地抑制孔隙或裂隙的發(fā)展。此外在受外力條件下,尾砂可以通過(guò)纖維進(jìn)行傳遞應(yīng)力,從而避免應(yīng)力集中問(wèn)題,提高其骨架的穩(wěn)定性[28-29]。

圖7 未加筋尾砂裂隙與孔隙的微觀形態(tài)Fig.7 Microscopic morphology of cracks and pores in unreinforced tail silt

圖8 纖維加筋尾礦的微觀形態(tài)與錨索區(qū)域示意圖Fig.8 Microstructure of fiber reinforced tailings and schematic diagram of anchor cable area

2.2.2 不同長(zhǎng)度和摻量的纖維加筋尾砂液化特性的影響機(jī)理分析

玄武巖纖維加筋尾砂可以抑制微裂隙、孔洞擴(kuò)展的形成和發(fā)展。纖維本身性質(zhì)(長(zhǎng)度和摻量)的變化會(huì)影響纖維加筋尾砂的抗液化特性。

當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度為定值而摻量較小時(shí),纖維加筋尾砂內(nèi)部的摩擦力主要來(lái)源于骨架顆粒與骨架顆粒之間,僅有少部分來(lái)源于纖維與骨架顆粒之間。因此,纖維加筋尾砂的抗液化效果不明顯。隨著玄武巖纖維摻量增加,更多纖維填充于尾砂顆粒的孔隙中,增大了纖維與尾砂顆粒接觸面積,纖維與尾砂顆粒開(kāi)始相互包裹。總體上纖維與尾砂顆粒之間的接觸產(chǎn)生了較大的摩擦力,也促使了纖維呈三維網(wǎng)狀分布(見(jiàn)圖9)。受外動(dòng)荷載作用發(fā)生形變時(shí),拉筋拉網(wǎng)現(xiàn)象也抑制了加筋尾砂變形,纖維加筋尾砂抗液化效果顯著提高,加筋作用明顯。隨著玄武巖纖維摻量繼續(xù)增加并超出最優(yōu)摻量以后,尾砂中摻入的部分纖維可能處在漂浮狀態(tài)(見(jiàn)圖10),纖維與尾砂顆粒未能有效接觸,纖維自身可能密集交織,與尾砂顆粒也未能接觸,致使纖維網(wǎng)狀的作用未能發(fā)揮,破壞了加筋尾砂結(jié)構(gòu),纖維加筋尾砂抗液化特性效果降低。

圖10 纖維的漂浮狀態(tài)Fig.10 Floating state of fibers

玄武巖纖維長(zhǎng)度與摻量的變化對(duì)加筋尾砂抗液化效果的影響情況較為相似。當(dāng)玄武巖纖維摻量為定值而長(zhǎng)度較短時(shí),總體上纖維所提供的比表面積較小,不利于纖維與尾砂之間的相互包裹,不利于形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),故受外荷載作用時(shí)纖維易于脫落。隨著纖維長(zhǎng)度增加,總體上纖維所提供的比表面積增大,與尾砂顆粒的有效接觸面積也增加,這使得纖維不僅可以纏繞、包裹于尾砂顆粒之間,而且一定程度上纖維相互穿插交織,可以構(gòu)筑尾砂顆粒之間的“橋梁”紐帶。同時(shí),形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也增加了纖維的錨固作用,相互穿插也能更有利于機(jī)械互鎖的實(shí)現(xiàn),共同作用下大大提高了玄武巖纖維加筋尾砂抗液化強(qiáng)度。當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度繼續(xù)增長(zhǎng)超出最優(yōu)值時(shí),雖總體上纖維所提供的比表面積也增大,但部分纖維蜷縮彎曲,反而使有效接觸面積減小,使纖維加筋尾砂的抗液化效果降低。

3 結(jié) 論

1)玄武巖纖維加筋尾砂可以顯著提高尾砂的抗液化強(qiáng)度。纖維長(zhǎng)度和摻量的變化會(huì)影響纖維加筋尾砂抗液化的效果,而且增強(qiáng)尾砂抗液化強(qiáng)度并不是纖維的摻量和長(zhǎng)度增加與減少的簡(jiǎn)單線性關(guān)系。纖維的長(zhǎng)度和摻量都存在著最優(yōu)值,分別為9 mm和0.3%。

2)在動(dòng)荷載作用下玄武巖纖維加筋尾砂的孔壓增長(zhǎng)階段發(fā)生改變。初始增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段和破壞階段,三個(gè)孔隙水壓力增長(zhǎng)階段的振動(dòng)液化次數(shù)都有所增加,其中穩(wěn)定增長(zhǎng)階段的增加在三個(gè)孔壓增長(zhǎng)階段中最為顯著,從而延長(zhǎng)了顆粒之間的有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移為孔隙水壓力的時(shí)間。

3)在研究玄武巖纖維加筋尾砂機(jī)理方面,纖維加筋尾砂提高抗液化機(jī)理為纖維填充尾砂孔隙與裂隙。纖維與尾砂顆粒之間的相互包裹與纏繞,促使纖維與尾砂之間呈三維網(wǎng)狀分布。