尾礦壩壩體沉積尾礦的動強度特性

尾礦壩壩體沉積尾礦的動強度特性摘要：沉積尾礦是一種特殊性土。壩體沉積尾礦的動力力學(xué)性質(zhì)直接影響到尾礦壩壩體的安全與穩(wěn)定，動強度試驗是壩體動力穩(wěn)定性分析的前提，通過對尾礦壩壩體沉積尾礦的動三軸試驗，分析了壩體沉積尾礦的動強度特性，從而為壩體的動力穩(wěn)定性分析提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：尾礦壩；動三軸試驗；動強度；特性我國早期的尾礦壩始建于上世紀五十年代初期[1]。隨著礦山建設(shè)的不斷發(fā)展，尾礦壩的研究和發(fā)展也得到了不同程度的提高。特別是近幾年，由于我國國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速、健康發(fā)展以及在加入了WTO后世界經(jīng)濟環(huán)境對我國經(jīng)濟的影響，國內(nèi)的礦山建設(shè)和開發(fā)又到了一個新的發(fā)展高潮。眾多礦業(yè)公司在擴大生產(chǎn)的同時，也日益關(guān)注尾礦處理問題和可持續(xù)發(fā)展等問題，對尾礦壩的研究也迫在眉睫。1工程概況魯中冶金礦業(yè)集團公司御駕泉尾礦庫于1985年9月隨選廠投產(chǎn)啟用，1989年2月采用廢石土筑壩，初步設(shè)計采用上游法筑壩，設(shè)計壩高94m，壩頂標高350m，總庫容3590萬m3，匯水面積1.93Km2，主要由初期壩、尾礦堆積壩和排水系統(tǒng)組成，初期壩為濾水堆石壩，高29m，堆積壩高65m，壩內(nèi)設(shè)7個周邊多孔溢水塔。當年完成了第一期子壩。為了研究這一筑壩方法的可行性，先后進行了多種研究性試驗和多種壩高可行性分析，并于1992年到1993年初進行了該壩歷史上第一次巖土工程勘察工作和穩(wěn)定性分析與計算。目前，該壩已堆至316m標高，總壩高60m。由于壩體沉積尾礦成分的復(fù)雜性，現(xiàn)無法再使用上游法筑壩。為了不影響壩體的安全和公司的生產(chǎn)，通過研究決定在目前的316m標高水平改用中線法筑壩，為了分析目前壩體的穩(wěn)定性和繼續(xù)加高的可行性，2003年5月又進行了一次巖土工程勘察工作。根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，御駕泉尾礦壩場地的抗震設(shè)防烈度為7度，應(yīng)進行動強度試驗。2壩體沉積尾礦的工程分類[2]沉積尾礦是一種特殊性土。目前，沉積尾礦的分類國內(nèi)尚無統(tǒng)一標準，《上游法尾礦堆積壩工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（YBJ11-86）也已執(zhí)行多年。雖然各行業(yè)積累了豐富的經(jīng)驗，尾礦的工程分類也有不少研究成果，但多采用工民建標準和原水電部標準的較多，本文采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）的分類方法。經(jīng)過試驗結(jié)果的初步分析，該方法用于壩體尾礦的分類是適宜的。按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002），將壩體尾礦分為：尾粉細砂、尾粉土、尾粉質(zhì)粘土和尾粘土。3壩體沉積尾礦的動強度試驗[3][4]土的動力性質(zhì)是指土在各種動力作用下所直接或間接表現(xiàn)出來的某種反應(yīng)和效應(yīng)。動三軸試驗是從靜三軸試驗發(fā)展而來的，通過對試樣施加模擬的動主應(yīng)力，同時測求試樣在承受動荷載作用下表現(xiàn)的動態(tài)反應(yīng)。動三軸試驗的目的是測定尾礦砂、尾礦土的動力特性指標及其抗液化強度。3.1試樣的采取與制備通常情況下，壩體沉積尾礦的動強度試驗采用擾動土樣，即根據(jù)野外現(xiàn)場測定的土的密度在室內(nèi)配制。本次勘察我們采用了原狀土樣，主要是考慮到本次試樣采取時采用了快速靜力壓入法，取土器為上海金勘生產(chǎn)的TB80型敞口薄壁取土器，并在土樣的包裝、運輸過程中都采用了有效措施避免了土樣的擾動，且室內(nèi)試驗結(jié)果顯示土的密度與現(xiàn)場試驗結(jié)果一致。故采用原狀土做試驗代表性更強，更能滿足試驗要求。試樣制備采用φ50×100mm激振頻率選用1Hz。對于粉細砂、粉土在儀器上裝樣后抽真空，再由底部通脫氣水循環(huán)飽和，所有試樣保證孔隙水壓力系數(shù)值達到0.98以上。試樣飽和后，在規(guī)定固結(jié)壓力狀態(tài)下固結(jié)。固結(jié)穩(wěn)定后，進行預(yù)定的動力試驗。對于粉質(zhì)粘土和粘土將成樣放入飽和缸內(nèi)抽真空2小時后進水飽和，并浸泡12小時。試驗時將試樣從飽和器內(nèi)取出，安裝在儀器試樣底座上，在規(guī)定固結(jié)壓力狀態(tài)下固結(jié)。固結(jié)穩(wěn)定后進行預(yù)定的動力試驗。3.2試驗儀器動三軸試驗采用日本生產(chǎn)的S-3-D中型液壓振動三軸儀，該儀器的最大側(cè)向應(yīng)力為1.5MPa，最大軸向應(yīng)力為7.6MPa，激振波形采用正弦波。3.3試驗條件動強度是土相應(yīng)于某一破壞標準的動抗剪強度，破壞標準可以是不同的軸向應(yīng)變值，如2.5%、5.0%或10.0%軸向應(yīng)變值，也可以是液化，具體采用什么標準，根據(jù)工程需要而定。本次勘察對壩體沉積尾礦進行了飽和非等向固結(jié)情況的的動強度試驗，動強度試驗以5%軸向應(yīng)變作為破壞標準，采用了一種固結(jié)比：Kc=1.5，兩種固結(jié)壓力：100kPa和400kPa。3.4試驗結(jié)果動三軸試驗結(jié)果整理為動剪應(yīng)力比△τ/σ0′與破壞振次Nf的關(guān)系，各沉積尾礦的試驗結(jié)果如圖1～圖4。1—σ1＇=100Kpa；2—σ1＇=400Kpa圖1粉細砂△τ/σ0′與Nf關(guān)系曲線（Kc=1.5）1—σ1＇=100Kpa；2—σ1＇=400Kpa圖2粉土△τ/σ0′與Nf關(guān)系曲線（Kc=1.5）1—σ1＇=100Kpa；2—σ1＇=400Kpa圖3粉質(zhì)粘土△τ/σ0′與Nf關(guān)系曲線（Kc=1.5）1—σ1＇=100Kpa；2—σ1＇=400Kpa圖4粘土△τ/σ0′與Nf關(guān)系曲線（Kc=1.5）根據(jù)圖1～圖4可整理出破壞振次Nf時潛在破壞面上的地震總應(yīng)力抗剪強度τfs與初始有效法向應(yīng)力σf0′的關(guān)系。在實際使用時，由于實際地震動荷載為幅值和頻率都是不規(guī)則的波形，在使用試驗結(jié)果時，可采用等效的方法將地震不規(guī)則荷載換算為等效破壞的周期振動荷載，通常在等效的均勻剪應(yīng)力取0.65τmax時，等效振次N與震級M有如表1的大致關(guān)系。表1等效振動周次與地震震級的關(guān)系M(級)5.5～6.006.57.07.58.0N(次)58122030本次勘察按等效振動周次N=10次和N=20次整理試驗結(jié)果，對應(yīng)的地震震級為6.5～７.０和7.5級，各沉積尾礦的地震總應(yīng)力抗剪強度曲線如圖5～圖8，圖中虛線（紅線）為靜力試驗。沉積尾礦的動三軸試驗結(jié)果如表2。1—Nf=10；2—Nf=20圖5粉細砂τfs與σf0′關(guān)系曲線（Kc=1.5）1—Nf=10；2—Nf=20圖6粉土τfs與σf0′關(guān)系曲線（Kc=1.5）1—Nf=10；2—Nf=20圖7粉質(zhì)粘土τfs與σf0′關(guān)系曲線（Kc=1.5）1—Nf=10；2—Nf=20圖8粘土τfs與σf0′關(guān)系曲線（Kc=1.5）表2動三軸試驗結(jié)果土樣′kPakPakPakPakPakPakPakPa4壩體沉積尾礦的動強度特性從圖5～圖8可以看出，地震總應(yīng)力抗剪強度曲線呈現(xiàn)非線性特征，隨著σfo′的增大，τfs的增大速率變緩，即地震總應(yīng)力抗剪強度內(nèi)摩擦角Фd（tgФd=τfs/σfo′）變小。在沉積尾礦飽和情況下，其地震總應(yīng)力抗剪強度τfs值都低于靜力有效抗剪強度包線。在進行地震穩(wěn)定分析時，地震總應(yīng)力抗剪強度τfs的取值都不得超過靜力有效抗剪強度。5結(jié)論壩體沉積尾礦在飽和固結(jié)不排水狀態(tài)下，地震作用會導(dǎo)致它們的抗剪強度降低。在等效振次一定時，其地震總應(yīng)力抗剪強度與初始應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。參考文獻:[1]《巖土工程手冊》編寫委員會.《巖土工程手冊》[M].第三版.北京:中國建筑工業(yè)出版社.1994.[2]徐宏達.魯中礦山公司御駕泉尾礦庫尾礦筑壩試驗研究報告-尾礦的物理力學(xué)性質(zhì)[R].冶金建筑研究總院.1991.[3]航空航天部航空工業(yè)勘察設(shè)計研究院.魯中冶金礦山公司御駕泉尾礦庫工程地質(zhì)勘察報告書[R].1993.[4]謝孔金,高峰,張利生.魯中冶金礦業(yè)集團公司御駕泉尾礦壩巖土工程勘察報告[R].山東巖土工程勘察總公司.2003.DynamicStrengthCharacteristicofTailingsDam’sSedimentsAbstract:Ganguesedimentsisaspecialsoil.Thetailingsdam＇ssafetyandstabilitywillbeinfluencedbythedynamicmechanicalpropertiesofthetailingsdam’ssediments,dynamicstrengthtextisaprerequisiteforanalyzingthedynamicstabilityoftailingsdam.Bythedynamictriaxialtestoftailingsdam’ssediments,dynamicstrengthcharacteristicoftailingsd