饱和尾矿料动力变形特性的试验研究

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• 简介：介绍对两种饱和尾矿料(尾矿砂和尾矿泥)的动力变形特性进行的一系列试验研究。试验结果表明，饱和疏松的尾矿料具有敏感的不稳定结构，在往返加荷条件下，同一种尾矿料对于不同的固结比，其压力效应的试验结果可以近似地用同一条直线来表示。在固结应力条件和振动次数一定时，饱和尾矿料的残余轴应变随动剪应力比的增大而增大，其变化规律不仅在双对数坐标中呈线形关系，而且，在较小的动剪应力比变化范围内试样就会因残余轴应变的迅速增大而进入破坏状态。
• 关键字：尾矿料,动力变形特性,矿物成分

1试验土样、仪器与方法

　　试验所用尾矿料取自一个铁矿的尾矿库。该尾矿库中的尾矿料大致可分为两种，尾矿砂和尾矿泥，大部分位于水下，处于较为疏松的饱和状态。尾矿砂的比重为2.88，平均相对密度约为0.49，中间粒径约为0.058mm，属颗粒较细的尾粉砂，其中还含有少量的尾细砂，主要成分是石英，不均匀系数为4.1，属于不良级配；尾矿泥的比重为2.84，饱和含水量为34.9%，孔隙比为0.99，中间粒径约为0.006mm，根据液限和塑限试验结果，其液限为29.2%，塑限为23.0%，塑性指数只有6.2，按塑性图分类，属于尾粉土，由颗分曲线可知，颗粒中小于0.005mm的粒径含量为39%，在显微镜下观察，其颗粒中石英含量较多，粘土矿物颗粒较少，矿物成分具有尾矿砂的特点，试验中发现，它的亲水性很弱。由现场地质勘测资料分析，试验中所用的尾矿砂和尾矿泥，试样制备干密度分别取为1.55g/cm3和1.43g/cm3，颗分曲线见图1。

　　尾矿料的动力残余轴应变试验采用DSZ-100型电磁式动三轴仪和S-3-D型液压式动三轴仪。电磁式动三轴仪，试样尺寸为50mm×100mm，最大侧向应力为0.5MPa，最大轴向应力为1.0MPa；液压式动三轴仪，试样尺寸为100mm×210mm(Kc=1)和100mm×230mm(Kc=2)，该仪器的最大侧向应力为1.5MPa，最大轴向应力为7.6MPa，以上两种动三轴仪的循环荷载激振频率均选用1Hz，试验的激振波形采用正弦波。尾矿料的动剪模量和阻尼比试验是在DTC-158-1型共振柱仪上进行的。该仪器为底端固定、上端附有质量块的弹簧阻尼系统。仪器的最大侧向应力为1MPa，最大轴向应力为2?5MPa，可测试的剪应变幅范围为10-6～2×10-3，试样尺寸为50mm×100mm，有关参数和波形可通过仪器系统显示、记录并进行处理。

　　尾矿料动三轴试验的原理和方法以及共振柱试验的方法和资料整理按《土工试验规程、SL237-1999》进行[2]。试验全部采用饱和试样。除尾矿砂在DSZ-100型电磁式动三轴仪上进行动力残余轴应变试验时采用煮沸饱和水下装样外，其余试验均采用干装法，控制干密度装好干样后进行真空抽气，然后由底部通入脱气水进行饱和，使孔隙水压力系数B值达到0.97以上。饱和后在一定的固结应力条件下排水固结，而后，施加不同的动应力进行试验。

2动剪模量和阻尼比

　　动剪模量与阻尼比特性试验是动力反应分析的基本依据之一，这些关系反映了在动荷载作用下土的应力应变关系的非线性与粘滞性特征。本项研究采用共振柱仪微小应变测试系统进行动力变形特性试验，分别测定了尾矿砂和尾矿泥的动剪模量与阻尼比，试验中动剪应变幅的测试范围为10-6～2×10-3。

　　式中：Pa为大气压力，Gmax、σ′0、Pa采用同一量纲，动剪模量系数C与指数n由试验确定，尾矿砂和尾矿泥的试验结果列于表1。

　　从图2中可以看出，无论是尾矿砂或者是尾砂泥，对于同一种尾矿料，在等压固结(Kc=1)和偏压固结(Ｋc=2)时压力效应的试验结果非常接近。在固结比相同的情况下，尾矿砂和尾矿泥的动剪模量指数n也是较为接近的，但是，这两种料的动剪模量系数C值还是有差别的，尾矿砂大约是尾矿泥的1.5倍左右，这种差别主要是由它们的颗粒组成和矿物成分等因素的不同造成的。

　　2.1应变效应通过共振柱的应变效应试验，分别给出了尾矿砂和尾矿泥在偏压固结Kc=2、侧压力σ′3分别为100kPa、200kPa、500kPa、900kPa时的动剪模量比G/Gmax与动剪应变幅γ、阻尼比D与动剪应变幅γ的关系曲线，为了进行比较，同时还给出了尾矿砂和尾矿泥在等压固结Kc=1、侧压力σ′3为900kPa时的动剪模量比G/Gmax与动剪应变幅γ、阻尼比D与动剪应变幅γ的关系曲线[4]，如图3～图6所示。可以看出，对于尾矿砂来说，当动剪应变幅γ<10-5时，由于试样基本上处于弹性状态，不同初始应力条件下试样的动剪模量比G/Gmax与动剪应变幅γ的关系曲线差别不大，当γ≥10-5之后，试样的动剪模量比G/Gmax与动剪应变幅γ的关系曲线出现一个带形区域，在这个区域内，对于同一个动剪应变幅γ，动剪模量比G/Gmax随侧压力σ′3的增大而增大，也就是说，γ=10-5是不同初始应力条件下试样的动剪模量比G／Gmax与动剪应变幅γ关系曲线是否出现差别的分界点；而对于尾矿泥，由于颗粒组成和矿物成分的差别，更容易产生残余变形，所以，该分界点大约是在3×10-6左右。从图中还可以看出，无论是尾矿砂或者是尾矿泥，当动剪应变幅γ<10-4时，对于同一种尾矿料，不同初始应力条件下试样的阻尼比D与动剪应变幅γ关系曲线差别不大，当动剪应变幅γ≥10-4之后，试样的阻尼比Ｄ与动剪应变幅γ的关系曲线也出现了一个带形区域，在这个区域内，对于同一个动剪应变幅γ，阻尼比D随σ′3的增大而减小，也就是说，γ=10-4基本上是不同初始应力条件下试样的阻尼比D与动剪应变幅γ关系曲线是否出现差别的分界点。以上的试验结果说明，动剪应变幅γ对于动剪模量的影响比对于阻尼的影响更为敏感一些。通过比较可以得出，由于尾矿砂和尾矿泥的颗粒组成和矿物成分等因素的不同，在相同的初始应力条件下，对于同一个动剪应变幅γ值，这两种料的动剪模量比G/Gmax和阻尼比D?都有所不同，一般来说，当侧压力σ′3<500kPa，动剪应变幅γ>10-4时，尾矿砂的动剪模量比G/Gmax高于尾矿泥，而阻尼比D比尾矿泥低。