飽和尾礦料動力變形特性的試驗研究

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• 簡介：介紹對兩種飽和尾礦料(尾礦砂和尾礦泥)的動力變形特性進行的一系列試驗研究。試驗結(jié)果表明，飽和疏松的尾礦料具有敏感的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在往返加荷條件下，同一種尾礦料對于不同的固結(jié)比，其壓力效應的試驗結(jié)果可以近似地用同一條直線來表示。在固結(jié)應力條件和振動次數(shù)一定時，飽和尾礦料的殘余軸應變隨動剪應力比的增大而增大，其變化規(guī)律不僅在雙對數(shù)坐標中呈線形關(guān)系，而且，在較小的動剪應力比變化范圍內(nèi)試樣就會因殘余軸應變的迅速增大而進入破壞狀態(tài)。
• 關(guān)鍵字：尾礦料,動力變形特性,礦物成分

1試驗土樣、儀器與方法

　　試驗所用尾礦料取自一個鐵礦的尾礦庫。該尾礦庫中的尾礦料大致可分為兩種，尾礦砂和尾礦泥，大部分位于水下，處于較為疏松的飽和狀態(tài)。尾礦砂的比重為2.88，平均相對密度約為0.49，中間粒徑約為0.058mm，屬顆粒較細的尾粉砂，其中還含有少量的尾細砂，主要成分是石英，不均勻系數(shù)為4.1，屬于不良級配；尾礦泥的比重為2.84，飽和含水量為34.9%，孔隙比為0.99，中間粒徑約為0.006mm，根據(jù)液限和塑限試驗結(jié)果，其液限為29.2%，塑限為23.0%，塑性指數(shù)只有6.2，按塑性圖分類，屬于尾粉土，由顆分曲線可知，顆粒中小于0.005mm的粒徑含量為39%，在顯微鏡下觀察，其顆粒中石英含量較多，粘土礦物顆粒較少，礦物成分具有尾礦砂的特點，試驗中發(fā)現(xiàn)，它的親水性很弱。由現(xiàn)場地質(zhì)勘測資料分析，試驗中所用的尾礦砂和尾礦泥，試樣制備干密度分別取為1.55g/cm3和1.43g/cm3，顆分曲線見圖1。

　　尾礦料的動力殘余軸應變試驗采用DSZ-100型電磁式動三軸儀和S-3-D型液壓式動三軸儀。電磁式動三軸儀，試樣尺寸為50mm×100mm，最大側(cè)向應力為0.5MPa，最大軸向應力為1.0MPa；液壓式動三軸儀，試樣尺寸為100mm×210mm(Kc=1)和100mm×230mm(Kc=2)，該儀器的最大側(cè)向應力為1.5MPa，最大軸向應力為7.6MPa，以上兩種動三軸儀的循環(huán)荷載激振頻率均選用1Hz，試驗的激振波形采用正弦波。尾礦料的動剪模量和阻尼比試驗是在DTC-158-1型共振柱儀上進行的。該儀器為底端固定、上端附有質(zhì)量塊的彈簧阻尼系統(tǒng)。儀器的最大側(cè)向應力為1MPa，最大軸向應力為2?5MPa，可測試的剪應變幅范圍為10-6～2×10-3，試樣尺寸為50mm×100mm，有關(guān)參數(shù)和波形可通過儀器系統(tǒng)顯示、記錄并進行處理。

　　尾礦料動三軸試驗的原理和方法以及共振柱試驗的方法和資料整理按《土工試驗規(guī)程、SL237-1999》進行[2]。試驗全部采用飽和試樣。除尾礦砂在DSZ-100型電磁式動三軸儀上進行動力殘余軸應變試驗時采用煮沸飽和水下裝樣外，其余試驗均采用干裝法，控制干密度裝好干樣后進行真空抽氣，然后由底部通入脫氣水進行飽和，使孔隙水壓力系數(shù)B值達到0.97以上。飽和后在一定的固結(jié)應力條件下排水固結(jié)，而后，施加不同的動應力進行試驗。

2動剪模量和阻尼比

　　動剪模量與阻尼比特性試驗是動力反應分析的基本依據(jù)之一，這些關(guān)系反映了在動荷載作用下土的應力應變關(guān)系的非線性與粘滯性特征。本項研究采用共振柱儀微小應變測試系統(tǒng)進行動力變形特性試驗，分別測定了尾礦砂和尾礦泥的動剪模量與阻尼比，試驗中動剪應變幅的測試范圍為10-6～2×10-3。

　　式中：Pa為大氣壓力，Gmax、σ′0、Pa采用同一量綱，動剪模量系數(shù)C與指數(shù)n由試驗確定，尾礦砂和尾礦泥的試驗結(jié)果列于表1。

　　從圖2中可以看出，無論是尾礦砂或者是尾砂泥，對于同一種尾礦料，在等壓固結(jié)(Kc=1)和偏壓固結(jié)(Ｋc=2)時壓力效應的試驗結(jié)果非常接近。在固結(jié)比相同的情況下，尾礦砂和尾礦泥的動剪模量指數(shù)n也是較為接近的，但是，這兩種料的動剪模量系數(shù)C值還是有差別的，尾礦砂大約是尾礦泥的1.5倍左右，這種差別主要是由它們的顆粒組成和礦物成分等因素的不同造成的。

　　2.1應變效應通過共振柱的應變效應試驗，分別給出了尾礦砂和尾礦泥在偏壓固結(jié)Kc=2、側(cè)壓力σ′3分別為100kPa、200kPa、500kPa、900kPa時的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ、阻尼比D與動剪應變幅γ的關(guān)系曲線，為了進行比較，同時還給出了尾礦砂和尾礦泥在等壓固結(jié)Kc=1、側(cè)壓力σ′3為900kPa時的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ、阻尼比D與動剪應變幅γ的關(guān)系曲線[4]，如圖3～圖6所示?？梢钥闯?，對于尾礦砂來說，當動剪應變幅γ<10-5時，由于試樣基本上處于彈性狀態(tài)，不同初始應力條件下試樣的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ的關(guān)系曲線差別不大，當γ≥10-5之后，試樣的動剪模量比G/Gmax與動剪應變幅γ的關(guān)系曲線出現(xiàn)一個帶形區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，對于同一個動剪應變幅γ，動剪模量比G/Gmax隨側(cè)壓力σ′3的增大而增大，也就是說，γ=10-5是不同初始應力條件下試樣的動剪模量比G／Gmax與動剪應變幅γ關(guān)系曲線是否出現(xiàn)差別的分界點；而對于尾礦泥，由于顆粒組成和礦物成分的差別，更容易產(chǎn)生殘余變形，所以，該分界點大約是在3×10-6左右。從圖中還可以看出，無論是尾礦砂或者是尾礦泥，當動剪應變幅γ<10-4時，對于同一種尾礦料，不同初始應力條件下試樣的阻尼比D與動剪應變幅γ關(guān)系曲線差別不大，當動剪應變幅γ≥10-4之后，試樣的阻尼比Ｄ與動剪應變幅γ的關(guān)系曲線也出現(xiàn)了一個帶形區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，對于同一個動剪應變幅γ，阻尼比D隨σ′3的增大而減小，也就是說，γ=10-4基本上是不同初始應力條件下試樣的阻尼比D與動剪應變幅γ關(guān)系曲線是否出現(xiàn)差別的分界點。以上的試驗結(jié)果說明，動剪應變幅γ對于動剪模量的影響比對于阻尼的影響更為敏感一些。通過比較可以得出，由于尾礦砂和尾礦泥的顆粒組成和礦物成分等因素的不同，在相同的初始應力條件下，對于同一個動剪應變幅γ值，這兩種料的動剪模量比G/Gmax和阻尼比D?都有所不同，一般來說，當側(cè)壓力σ′3<500kPa，動剪應變幅γ>10-4時，尾礦砂的動剪模量比G/Gmax高于尾礦泥，而阻尼比D比尾礦泥低。