尾粉砂动模量阻尼试验研究

万大红 高贵全 代启亮 赵福民

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650000)



尾粉砂动模量阻尼试验研究

万大红 高贵全 代启亮 赵福民

(云南农业大学水利学院，云南 昆明 650000)

通过动三轴液化试验，研究了尾粉砂在等压固结和偏压固结下的一些力学特性，分析了动应变εd，固结压力σ3c，固结应力比Ed对动模量Ed的影响，得到了阻尼比与动应变的关系,为该尾矿库二次扩容设计提供了相关的力学特性依据。

尾粉砂，动模量，阻尼比，固结压力

0 引言

尾粉砂是尾矿渣的主要成分之一，主要是通过筑填或冲填的形式排放在尾矿库内，主要形成了堆积子坝。一般而言尾矿坝中的粉砂是人工填筑或自然冲积形成尾矿，这样就有结构组合均匀，有着大空隙小密度的特点。由于未经风化和变质，虽然颗粒比较细，却塑性较低，在动荷载作用下易发生液化而失去强度，因而在地震荷载作用下极易会形成流体甚至发生溃坝。尾矿能否安全处理不仅与矿库整体的安全相关，还会给周边环境及住在下游居民带来严重的威胁。就目前来说，我国许多尾矿库都已经达到或即将达到使用极限，为了能够使尾矿库继续安全的使用就必须对尾矿库进行加固和扩容。在这个过程中就必须对尾粉砂一些特性有一定的了解，因此对尾粉砂的试验研究具有十分重要的实际意义。

1 试验仪器

主机是DZ78-1型电磁式动三轴仪，激振器在试件的上方，力传感器在活塞与激振器动圈之间。试件尺寸D×H=50.0 mm×110.0 mm。

拉力传感器型号BLR-1-型，最大荷载2 kN；孔压传感器型号AK-1，航天工业总公司701所产，量程0 MPa～1 MPa；大量程位移传感器型号(HP-DC-LVDT)DA-10型，小量程位移传感器型号DA-2，中国水利科学研究设计院研制。

测控系统为北京新技术研究所的DDS-30,动三轴试验系统。微机信号发生板发出给定信号，经功率放大器放大信号以后输入主机开始试验，试验信号由传感器→动态应变放大仪→再由数据采集板将数据反馈并储存于电脑中，然后进行整理分析。

2 试样

本次试验选取云南兰坪县某尾矿具有代表性的尾矿粉砂样，尾粉砂的动模量阻尼试验试样采用水下装样制取。试验测得，尾粉砂试样的平均干密度为1.67 g/cm3；试样直径50.0 mm,高度110.0 mm。所有试样均双面排水固结，尾粉砂历时1 h，动模量阻尼试样做6组，等压固结(Kc=σ1c/σ3c=1.0;σ3c=100 kPa,200 kPa,300 kPa)、偏压固结(Kc=1.0,1.5,2.0；σ3c=100 kPa,200 kPa,400 kPa)各3组。尾矿砂的颗粒分析成果统计见表1。

3 动模量试验阻尼试验结果分析

传感器将测得的实验数据要通过放大仪的放大，然后经过数据采集板的采集后储存在电脑中。动模量Ed为通过滞回圈顶点连线的斜率。

Ed=σd/εd。

其中，σ3c为轴向动应力;εd为轴向动应变。

表1 尾矿砂的颗粒分析成果统计表

阻尼比D：

。

其中，AL，AT分别为滞回圈面积和1/4滞回圈与X轴围成的三角形面积。

模量比：RE=Ed/Ed0。

依据上述公式绘制曲线εd—Ed,εd—Ed/Ed0,εd—D,见图1～图6。

3.1 试验结果分析

1)动模量Ed与动应变εd成倍呈正相关。如图1,图2所示，曲线初期比较平缓，而后变得十分陡峭，最后又回归平缓，说明εd对Ed的影响是非线性，其中在εd=10-5～10-3较大，而剩下的影响较小。以图2为例：当动应变εd从10-6增至10-5时，动模量Ed由390.5 MPa，减小到369.5 MPa,减小了5%左右；当εd=10-4时，动模量Ed为204.0 MPa，减小了50%左右；εd=10-3时，动模量Ed为54.0 MPa，减小了10倍左右；εd=10-2时动模量Ed为20 MPa，减小了约20倍。所以，尾粉砂的动模量受动应变水平的影响较大。由于我们常规的试验仪器能测到的范围仅仅为εd=10-3～10-4级，因此得出的动模量值比实际值要减小几倍。

2)动模量Ed与固结压力σ3c呈正相关。相同应变水平时Ed随σ3c增加而增加，其规律呈指数形式增长。

其中，Ed0为初始模量；Pa为大气压力；σ3c为固结压力；k在双对数坐标系统Ed0—σ3c中与σ3c=100 kPa时的Ed0数值相同，但无纲量；n为Ed0—σ3c直线的斜率，见图7。

3)尾粉砂的动模量Ed与固结应力比Kc呈正相关。粉砂的动模量受初始应力的影响较大，一则由于初始剪应力τf0让砂粒间相互滑动，增加了粉砂骨架的稳定性；再则粉砂的平均应力σm=1/3(σ1c+2σ3c)也对动模量造成影响，见图8。

动模量Ed与固结应力比Kc和动应力比R0随固结与Kc的相关性一样成正相关，但两者都不能无限增大。

4)阻尼比D与动应变εd、固结比Kc和围压σ3c。通过图5,图6可以发现阻尼比与动应变的关系曲线是一条增曲线，说明尾粉砂的阻尼比与动应变之间存在正相关性；但却不是单一的线性关系。曲线是由缓到急再变缓的过程，说明动应变对阻尼比的影响是由小到大再变小的过程，其中在动应变εd=10-4～10-2是曲线最陡，此段是动应变对阻尼比影响最大的取值段。在阻尼比与动强度的关系曲线中，不同的固结比与围压取值相对集中，差值均在0.1以内，说明阻尼比受到固结比和围压的影响并不大。

3.2 参数的求取

1)初始动模量Ed0。对于动静力模型的定义都是假定初始模量Ed0→0，例如经典的Duncan-Chang模型，此时的尾粉砂大多弹性较大，因此我们也称作弹性或最大模量。由于常规的动三轴试验能量测的范围有限(εd=10-3～10-4)，我们常规的方法是在εd/σd—εd相关性的关系曲线中获取，一般取εd=0处所对应的值即a=1/Edmax。然而就实际工程中的大多数粉砂来说，我们所求取的初始模量Ed0是在粉砂非弹性状态下取得的，因此这样就让初始模量失去了最初的物理意义。由于εd=10-6对应的模量比我们取应变的模量高出了数倍，有时还可能高出10倍之多。因此造成了我国数十年以来在该数据上所取得结果差别较大，计算结果出现明显的变形的重要原因之一。所以，为了能够符合我们试验的物理学意义，无论采取什么样的试验方法都必须满足Ed0都是在εd极小的情况下所取得。

在图1或在半对数坐标中绘制εd/σd—εd曲线都可以看出，在εd=10-5～10-6范围内的Ed变化很小。曲线趋于水平，Ed近于常数，表明土体处于弹性状态，因此取εd=10-6对应的Ed作为Ed0。

2)最大阻尼比Dmax。阻尼比D随变形增加而增加，见图3。此次试验采用Hardin的建议D=Dmax(1-RG)，其中模量比RE由图3，图4查得。Dmax的取值是，当εd>10-3时试验点变化较小，曲线趋于平缓，取其渐进线作为Dmax。

4 结语

1)试验研究中发现，尾粉砂的动模量与动应变、固结压力和固结应力比存在十分紧密的相关性。分析研究发现相关性均为正相关，只是其中动应变对模量的影响是非线性，而固结压力与固结应力比与模量间存在十分明显的线性关系。

2)尾粉砂的阻尼比与动应变之间有着明显的正相关性，这种关系是非线性的。

3)尾粉砂的阻尼比与固结围压和固结比相比而言没有明显

[1] 辛希孟.信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A集[C].北京：中国社会科学出版社，1994：121-150.

[2] 阎金安,王武林.尾矿砂的动力特性研究[J].岩土力学,1990(41)：69-74.

[3] 阮元成,郭 新.饱和尾矿料动力变形特性的试验研究[J].水利学报,2003(4)：24-29.

[4] 刘艳华,尹兴辩,席满惠.粘粒和粘土矿物对砂土液化影响的探讨[J].勘察科学技术,2004(3)：6-9.

[5] 张 超,杨春和,白世伟.尾矿料的动力特性试验研究[J].岩土力學,2006,27(1)：35-40.

[6] 王海龙,张 宁,张 伟.山西粉土的动力特性及液化趋势研究[J].工程勘察，2010，389(1)：19-22.

[7] 王江风.上游法高尾坝的抗震问题[J].冶金矿山设计与建设，2001，23(5)：10-13.

[8] 李永乐，陈 宁，李敏芝.粉煤灰的动力特性试验及地震动液化研究[J].华北水利水电学院，2002，23(4):64-67.

[9] 黄永林.南京砂的液化与判别[J].世界地震工程，2001(4)：24-29.

[10] 柯 瀚，陈云敏.改进的判别砂土液化势的剪切波速法[J].岩土工程学报,1993，15(1)：74-80.

[11] 陈兴国，张克绪.以剪切波速为指标的液化判别方法及其适用性[J].哈尔滨建筑大学学报，1996，29(1)：97-103.

Tail of silt damping dynamic modulus

Wan Dahong Gao Guiquan Dai Qiliang Zhao Fumin

(YunnanAgriculturalUniversity,CollegeofWaterConservancy,Kunming650000,China)

Through tri-axial liquefaction test, the paper studies some chemical properties of tail-silty sand under equal pressure and bias pressure consolidation, analyzes the impact of dynamic stressεd, consolidated pressureσ3cand consolidated stressEdupon dynamic modulusEd, and obtains the relationship between damping ratio and dynamic stress, which has provided relevant mechanical property basis for expanding and designing secondary tail-silty pond.

tail-silty sand, dynamic modulus, damping ratio, consolidation pressure

1009-6825(2017)11-0067-03

2017-02-09

万大红(1990- )，男，在读硕士； 高贵全(1968- )，男，教授； 代启亮(1983- )，男，硕士，讲师; 赵福民(1993- )，男，在读硕士

TU441.4

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