摘要：尾礦庫是堆存選礦后尾礦的場所，尾礦砂主要為細砂、粉砂等無黏性土，往往處于飽和狀態(tài)，因此在地震作用下易發(fā)生液化并造成尾礦壩的失穩(wěn)破壞。以某尾礦庫為研究對象，通過現(xiàn)場勘察取樣，對4種類型尾礦砂即尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的特征進行了描述和物理參數(shù)測試。采用STX-200液壓伺服式動三軸試驗儀對尾礦砂試樣動彈性模量、動剪切模量和阻尼比等動力學參數(shù)進行了試驗測試。結(jié)果表明：試樣的初始動彈性模量和初始動剪切模量均隨動應變的增大先減小后趨于穩(wěn)定，且受試樣固結(jié)圍壓影響很大；隨著動應變的增大，試樣最大阻尼比呈明顯的非線性增大，即先迅速增大后緩慢增大并趨于平穩(wěn)，但其受圍壓的影響較小。試驗結(jié)果可為尾礦庫在地震作用下的動力液化分析提供數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：尾礦砂；液化；動三軸試驗；滯回曲線；動力學參數(shù)

中圖分類號：TD926 文章編號：1001-1277（2024）07-0094-08

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240716

引 言

目前，中國有近萬座尾礦庫，在用的約占1/3，環(huán)境風險相對高的約占1/3。總體來說，中國尾礦庫數(shù)量多、風險高，一旦失事，會造成較大的生命財產(chǎn)損失和生態(tài)環(huán)境破壞［1］。RICO等［2］研究表明，尾礦庫失事一般由自然和人為因素共同造成，其中地震影響十分顯著，占第2位，而中國很多尾礦庫也位于地震區(qū)［3］。同時，由于尾礦庫內(nèi)通常存儲有大量選礦廢水，因此由滲流及地震作用引起砂土液化而導致的潰壩事故屢見不鮮。LYU等［4］基于對全球近100年尾礦庫事故的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，造成尾礦庫潰壩的主要原因可歸為5種，即壩體滲透破壞、壩體地基失穩(wěn)、洪水溢流、強震及其他原因。郭廷亭等［5］通過對近20年典型尾礦庫事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)尾礦庫事故的原因主要為壩體滲透破壞、洪水溢流、壩體滑動和地震破壞等4種，占比分別為50.72 %、34.78 %、8.70 %和5.80 %，可以看出50 %以上的尾礦庫事故均源自壩體滲透破壞［6］。這是由于尾礦砂主要為細砂、粉砂等無黏性土，同時尾礦庫中通常儲存大量選礦廢水（循環(huán)利用），因此尾礦砂常處于飽和狀態(tài)，在地震等動力作用下很容易產(chǎn)生液化，進而發(fā)生潰壩事故。因此，開展地震作用下飽和尾礦砂的動力特性及液化機理研究具有非常重要的意義。

地震作用下尾礦砂液化研究主要采用動力時程法［7-8］，而尾礦砂的動力學參數(shù)如動剪切模量、阻尼比等對計算結(jié)果影響至關重要。因此，對尾礦砂動力特性參數(shù)的試驗測試成為進行地震作用下尾礦砂液化研究的前提和基礎。很多學者采用動三軸試驗對尾礦砂動力特性進行了深入研究。陳敬松等［9］基于動三軸試驗研究了循環(huán)加載條件下飽和尾礦砂的液化性能及動強度特性，結(jié)果表明，試件軸向動應變受動應力幅值影響十分顯著，認為尾礦砂密度對其抗液化性能影響很大，可通過提高其密實度來降低尾礦砂發(fā)生液化的幾率。張超等［10］采用動三軸和共振柱試驗研究了某銅礦尾礦砂的動力變形特性，提出了便于工程應用的孔隙水壓力計算模型及公式。同時，發(fā)現(xiàn)在液化振次相同的條件下，隨著圍壓的升高，其動應力比隨之降低。尾礦砂阻尼比和動剪切模量隨動應變幅值的增大分別增大和減小。張向東等［11］采用動三軸試驗對尾礦砂在動載下的動強度及液化性能進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)動強度隨著固結(jié)比與圍壓的增加而增加，抗剪強度也隨埋深的增加而增加。孫從露等［12］通過動三軸試驗研究了動載振動頻率和砂土固結(jié)狀態(tài)對尾礦砂動強度及孔壓上升的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)尾礦砂的液化強度隨振動頻率的降低而提高。劉瀟等［13］通過動三軸試驗研究了圍壓和飽和度對尾粉砂動強度的影響規(guī)律，提出了一種更加符合實際的孔壓應力模型。杜艷強等［14］采用GDS動三軸循環(huán)試驗，研究了尾粉土的相對密度及固結(jié)圍壓對其孔隙水壓力分布特征的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，循環(huán)動荷載下尾粉土的孔隙水壓力與砂土顯著不同，其孔隙水壓力增長規(guī)律可用雙S型模型進行描述。楊東旭等［15］基于動三軸試驗對尾礦砂的動力特性進行了深入研究，分析了圍壓及動載振次對土樣破壞特征的影響，獲得了相應的應力、應變與動載振次的關系曲線。結(jié)果表明，尾礦砂的動強度隨動載振次的增加而降低，但隨著圍壓的增加而大幅增加。陳志斌等［16］采用動三軸試驗研究了不同固結(jié)壓力和層狀結(jié)構條件下尾礦砂動彈性模量、阻尼比及動應力隨動孔壓的變化規(guī)律。

由上述研究可以看出，尾礦砂動力特性參數(shù)對尾礦壩液化穩(wěn)定性計算至關重要。然而，由于礦物組成、選礦工藝等不同，導致不同尾礦砂的物理力學性質(zhì)不同，需針對具體尾礦砂的性質(zhì)及沉積條件等開展動三軸試驗以測試其動力參數(shù)，進而為地震作用下尾礦砂液化穩(wěn)定性分析提供可靠的基礎參數(shù)。本研究以某山谷型尾礦庫為例，通過現(xiàn)場取樣對尾礦砂的動力學參數(shù)進行測試，研究結(jié)果為該尾礦庫地震液化穩(wěn)定性分析提供計算參數(shù)。

1 尾礦庫土層分布

本研究所用尾礦砂取自于某山谷型尾礦庫，為評價該尾礦砂在地震等動力作用下的液化性能，需要對其動力學特性進行分析。首先，對該尾礦庫進行工程勘察，通過鉆探取樣獲取尾礦砂試樣，而后進行動三軸試驗以測試其動力學參數(shù)，供動力液化分析使用。本次現(xiàn)場勘察中對尾礦砂及地基土的分類參照GB/T 50123—2019 《土工試驗方法標準》和GB 50547—2010" 《尾礦堆積壩巖土工程技術規(guī)范》。根據(jù)GB 50021—2001 《巖土工程勘察規(guī)范》，并基于現(xiàn)場原位試驗、室內(nèi)土工試驗等測試結(jié)果，該尾礦庫土層自天然地表向下主要有尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土，覆蓋層下面為全風化—中等風化片麻巖，各土層主要特征如下：①尾中砂。顏色呈灰色，密實度為稍密—中密，含水狀態(tài)為稍濕，顆粒級配程度良好，土體結(jié)構分選性差，外表多呈近圓形，礦物組成主要為長石、石英、云母等，偶見粗顆粒。②尾細砂。顏色呈灰色，密實度為中密—密實，含水狀態(tài)為稍濕，顆粒級配程度良好，土體結(jié)構分選性差，外表都呈近圓形，礦物組成主要為長石、石英、云母等。③尾粉砂。顏色為灰色，密實度為中密—密實，含水率較高；均勻性差，具有微層理結(jié)構；對振動較為敏感，無光澤，強度及韌性均較低；可壓縮性為中等。④尾粉質(zhì)黏土。顏色呈灰色，密實度為中密—密實，含水狀態(tài)為濕；土質(zhì)相對均勻，基本無層理，主要分布于尾粉砂層底部，厚度不均，層底標高不穩(wěn)定。太古代片麻巖根據(jù)風化程度不同分為3層：①全風化片麻巖。顏色呈棕紅色，密實度為密實，已風化成土狀、砂粒狀，強度硬，含砂礫、角礫等。②強風化片麻巖。顏色呈黃色，強度較高，變晶結(jié)構，片麻狀構造，碎粒狀—碎塊狀，手易捏碎；巖芯采取率約60 %，RQD=0。③中等風化片麻巖。顏色呈灰色，強度較高，變晶結(jié)構，塊狀構造，呈塊狀；巖芯為短柱狀，長度6～20 cm，采取率85 %，RQD=20 %～35 %。 各土層的基本物理參數(shù)（平均值）如表1所示。

2 試驗部分

2.1 試驗儀器

試驗儀器采用美國GCTS公司生產(chǎn)的STX-200液壓伺服式動三軸試驗儀（如圖1所示），包括液壓站及空壓機、數(shù)字信號調(diào)控器、壓力/體積控制器、壓力室及荷載支架、CATS電腦操控軟件。主要技術指標為：振動頻率0～20 Hz，位移速率100 mm/s，軸向最大位移50 mm，軸向最大荷載22 kN，最大孔壓1 MPa。該儀器試驗過程中具有一定的自我保護功能，并且配備強制停止按鈕。當試驗過程中有操作不當或者操作錯誤時，系統(tǒng)有警告提示，甚至直接終止工作。當遇見突發(fā)情況時，也可以直接按下強制停止按鈕，保證試驗儀器及人員安全。

2.2 試驗原理及試驗方案

動三軸試驗是在壓力室內(nèi)通過軸向加載桿和水壓對圓柱形試樣同時施加垂直壓力σ1和徑向壓力σ3，先對試樣施加一定圍壓（通常固結(jié)比Kc=1），然后對試樣施加垂直動荷載±σd；或者對于非飽和狀態(tài)試樣不進行固結(jié)，試樣在一定應力狀態(tài)下穩(wěn)定后直接施加動荷載±σd進行振動。在對試樣施加徑向壓力σ3穩(wěn)定后，施加動荷載前，試樣π/2斜面上的法向應力亦為σ3，相應的剪應力τ則為0。當對試樣軸向施加動荷載±σd后，試樣π/2斜面上的應力狀態(tài)發(fā)生了改變，產(chǎn)生相應的動應力τd=±σd/2，法向壓力相應地變?yōu)棣?±σd/2。試樣在振動過程中的應力狀態(tài)如圖2所示。

動剪切模量及阻尼比是評價土體動力學特征的重要參數(shù)，對地震安全評價和地震反應計算分析起著關鍵作用。動彈性模量Ed是指滯回圈的平均斜率，即：

式中：μ為泊松比。

在動三軸試驗過程中，通常把承受動荷載作用的土樣視為黏彈性體，振動過程中試樣變形存在一定阻尼。因此，循環(huán)振動過程中試樣的動應變將稍滯后于所施加的動應力。土體在動荷載下的動應力-動應變關系往往具有滯后性、非線性和累積性等特性。當在土體上施加循環(huán)周期動荷載，施加的動應力較小時，試樣沒有明顯的變形破壞，此時可得到如圖3所示的曲線，即一個加載—卸載—再加載循環(huán)內(nèi)的動應力-動應變關系曲線，形成一個滯回圈，亦稱為滯回曲線，其特點是以坐標原點為中心、呈封閉狀態(tài)且上下基本對稱。A、A′兩點連線的斜率即為試樣在該循環(huán)動應力狀態(tài)下的動彈性模量Ed0=σd0/εd0。對于理想黏彈性體，當動應力幅值相同時，滯回圈的形狀和大小不會隨振次的增加而變化。在土體動三軸試驗中，逐級增加動荷載的振幅，此時動應力幅值增大，可繪制出動應力增大后的滯回曲線。與小幅值狀態(tài)下動應力滯回曲線相比，大幅值狀態(tài)下動應力滯回曲線上下兩個峰值點連線的斜率會逐漸減小，即土體的動彈性模量降低，且強度也隨之逐漸降低。

得到滯回曲線后，可利用式（4）計算尾礦砂的阻尼比（D）：

式中：WD為滯回圈面積（m2）；Ws為△AOB面積（m2）。

本次動三軸試驗尾礦取自某尾礦庫現(xiàn)場，將其重塑制備成高100 mm、直徑50 mm的圓柱形，如圖4所示，包括尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土4種。試樣根據(jù)室內(nèi)土工試驗結(jié)果中的干密度和含水率梯度設計，其制備要求及試驗工況如表2所示，試驗加載波形為正弦波。

3 試驗結(jié)果與分析

尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土動三軸試驗結(jié)果如圖5～8和表3所示，并對試驗結(jié)果從不同角度進行分析。

1）滯回曲線。隨著動荷載的增加，滯回曲線的形狀及面積均隨之逐漸增大［17］，相應地曲線上最大動應變與原點連線的斜率也隨之增大。滯回曲線面積代表一個動荷載循環(huán)周期內(nèi)所消耗的能量，可以看出隨著動荷載的增加，尾礦砂所消耗的能量是逐漸增加的，而土體內(nèi)部吸收的能量則是逐漸減小的。這是由于隨著動荷載的增加，尾礦砂將由最初的彈性變形逐漸過渡到彈塑性變形，甚至完全塑性變形。因而動荷載作用產(chǎn)生的能量越來越多地用于尾礦砂的塑性變形。①從滯回曲線的形狀及面積來看，以圖5-a）為例，當動荷載由40 kPa逐漸增加到280 kPa時，滯回曲線面積分別為40 kPa時的7.32倍、24.74倍、47.23倍、101.59倍、202.08倍和283.99倍，即隨動荷載的增加，滯回曲線面積顯著增加;當動荷載增加到一定程度時，尾礦砂將發(fā)生顯著的塑性變形。②從滯回曲線的位置來看，隨著動荷載的增加，滯回曲線將逐漸向x軸負方向偏移，滯回曲線的中心位置逐漸向動應變絕對值增大的方向移動，即負的動應變越來越大。隨振次的增加，尾礦砂的負動應變將逐漸大于正動應變，即逐漸出現(xiàn)明顯的剪脹現(xiàn)象。分析認為，這是由于隨著動荷載的持續(xù)加載，尾礦砂的液化效應逐漸顯著，且其變形狀態(tài)也將由彈性變形逐漸過渡到彈塑性變形，直至完全塑性變形，從而導致在一個循環(huán)加載周期內(nèi)，尾礦砂的剪脹變形大于其剪縮變形，出現(xiàn)顯著的體積膨脹現(xiàn)象。③從不同類型的尾礦砂滯回曲線來看，當尾礦砂類型不同時，滯回曲線也有所不同。尾中砂、尾細砂和尾粉砂等3種尾礦砂的滯回曲線總體上類似，即均呈類橢圓狀且隨著動荷載的增加，其逐漸向x軸負向移動，呈現(xiàn)明顯的剪脹現(xiàn)象。尾粉質(zhì)黏土的滯回曲線明顯與上述3種尾礦砂的滯回曲線不同，其形狀更偏向于“口”字形，且隨動荷載的增加，長度越長，高度越低。同時，滯回曲線整體逐漸向x軸正方向偏移。這說明隨著動荷載的增加，尾粉質(zhì)黏土逐漸出現(xiàn)明顯的剪縮現(xiàn)象，這也是黏性土區(qū)別于砂性土的一個重要特征。

2）動彈性模量。動彈性模量是指使物體產(chǎn)生彈性應變所需要的應力，是衡量物體剛度的重要指標。在土體的骨干曲線上，每點割線模量的大小被稱為土體的動彈性模量。將試驗得到的數(shù)據(jù)點進行擬合，數(shù)據(jù)點基本落在擬合直線上，擬合效果較好。因此，100 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的初始動彈性模量分別為126.58 MPa、81.96 MPa、92.59 MPa和84.75 MPa；200 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的初始動彈性模量分別為175.44 MPa、178.57 MPa、169.49 MPa和125.00 MPa；300 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的初始動彈性模量分別達到226.33 MPa、232.56 MPa、222.22 MPa和217.39 MPa。對同一種尾礦砂，圍壓越大，初始動彈性模量越大；隨著動應變的增大，4種尾礦砂的動彈性模量均減小，但減小速度不同，在動應變小于0.1 %時，動彈性模量減小最快；同一種尾礦砂在動應變大于0.1 %時，圍壓越大，動彈性模量減小越快；而同一尾礦砂、同一動應變條件下，圍壓越大，動彈性模量越大。

3）動剪切模量。根據(jù)動三軸試驗結(jié)果繪制的動應力-動應變滯回曲線，計算得到動剪切模量與動應變的關系曲線。發(fā)現(xiàn)隨著動應變的增大，動剪切模量逐漸降低。100 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的初始動剪切模量分別為41.91 MPa、39.79 MPa、30.77 MPa和28.49 MPa；200 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的初始動剪切模量分別為63.74 MPa、59.88 MPa、56.50 MPa 和42.55 MPa；300 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的初始動剪切模量分別為84.06 MPa、78.13 MPa、80.00 MPa和72.46 MPa。由于圍壓增加，土體顆粒之間結(jié)合更加密實，使得尾礦砂動強度增加，且初始動剪切模量與所施加的圍壓呈顯著的正向關系。隨著圍壓的逐漸增加，尾礦砂也逐漸由彈性變形過渡到彈塑性變形甚至塑性變形，相應地動剪切模量也逐漸增大。在開始階段，土體處于彈性階段，其變形屬于小變形；而后隨著圍壓的持續(xù)增加，尾礦砂動剪切模量逐漸增大，當變形達到一定程度時，尾礦砂開始出現(xiàn)破壞，進而出現(xiàn)不可恢復的變形。

4）阻尼比。尾礦砂阻尼比反映其在變形過程中由于摩擦等能量耗散的特性，即尾礦砂在動荷載下的能量損失特性。尾礦砂的能量損失特性與其所處變形狀態(tài)密切相關，當動應變較小時，尾礦砂處于彈性狀態(tài)，動應力較小，阻尼比很小，甚至可以忽略不計。隨著動應變的不斷增加，尾礦砂將逐漸發(fā)生彈塑性變形，此時由于摩擦等原因，其消耗的能量也隨之增加，進而阻尼比明顯增大。由H-D模型［18］和試驗得到的動應力-動應變滯回曲線，可以計算出尾礦砂的阻尼比與動應變曲線。100 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的最大阻尼比分別為21.32 %、18.12 %、17.75 %和37.15 %；200 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的最大阻尼比為20.41 %、16.32 %、16.25 %和34.56 %；300 kPa圍壓下尾中砂、尾細砂、尾粉砂和尾粉質(zhì)黏土的最大阻尼比分別為19.01 %、15.11 %、14.93 %和28.69 %。這表明，尾礦砂阻尼比與圍壓、尾礦砂類型等均有很大關系。此外，雖然尾礦砂阻尼比隨動應變的增加呈現(xiàn)先迅速增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢，但尾礦砂種類不同，趨勢有所不同。對于尾中砂，在動應變低于0.3 %時，阻尼比隨動應變的增加而迅速增加，而后逐漸趨于穩(wěn)定；對于尾粉質(zhì)黏土，在動應變低于1 %時，阻尼比隨動應變的增加而迅速增加，而后則逐漸趨于穩(wěn)定。由此可以看出，不同類型尾礦砂其動應變幅值明顯不同，且阻尼比臨界值也與尾礦砂類型有很大關系。同時，隨著阻尼比增加，尾礦砂逐漸由彈性變形向塑性變形發(fā)展，而當阻尼比接近最大值時，尾礦砂基本處于塑性變形階段，因此這部分塑性變形已經(jīng)無法恢復，導致尾礦砂出現(xiàn)殘余塑性變形，尾礦砂的初始結(jié)構也逐漸被破壞，相應地其剪切剛度也快速降低。

4 結(jié) 論

1）通過現(xiàn)場勘察取樣，對某尾礦庫4種不同類型的尾礦砂特征進行了描述和物理參數(shù)測試。

2）采用STX-200液壓伺服式動三軸試驗儀對4種尾礦砂試樣的動彈性模量、動剪切模量及阻尼比等參數(shù)進行了試驗測試。結(jié)果表明：①試樣初始彈性模量隨動應變的增大而減小，且動彈性模量與試樣固結(jié)時的圍壓有很大關系；②試樣初始動剪切模量從大到小依次為尾中砂、尾細砂、尾粉砂、尾粉質(zhì)黏土；動剪切模量隨動應變的增大先減小后趨于穩(wěn)定，其與試樣固結(jié)時的圍壓也有很大關系；③試樣最大阻尼比從大到小依次為尾粉質(zhì)黏土、尾中砂、尾細砂、尾粉砂；阻尼比隨動應變的增大而先增大后趨于穩(wěn)定，且在不同動應變階段的變化趨勢基本一致；圍壓對試樣阻尼比的影響較小。

3）研究結(jié)果為尾礦庫在地震等動力作用下的液化分析提供了基礎參數(shù)。

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Study on the dynamic characteristics of tailings sand by dynamic triaxial test

Chang Li＇an1，Zhang Jihong1，2，Peng Xianglin2

Abstract：A tailings reservoir is a site for storing tailings after mineral processing.The tailings sand mainly consists of fine sand，silt，and other non-cohesive soils，which are often saturated and thus prone to liquefaction under seismic action，leading to the instability and failure of tailings dams.Taking a specific tailings reservoir as the research object，the study conducted field surveys and sampling，and described and tested the physical parameters of 4 types of tailings sand：medium tailings sand，fine tailings sand，silt tailings sand，and silty clay tailings.Using the STX-200 hydraulic servo dynamic triaxial testing apparatus，the study performed dynamic tests on the tailings sand samples to determine their dynamic elastic modulus，dynamic shear modulus，and damping ratio.The results show that the initial dynamic elastic modulus and initial dynamic shear modulus of the samples first" decrease and then stablizes with the increase of dynamic strain and are significantly affected by the confining pressure of the samples;as the dynamic shear strain increases，the damping ratio of the samples shows a clear nonlinear increase，initially rising rapidly and then increasing slowly and tending to stabilize，with little influence from confining pressure.The test results provide data support for the dynamic liquefaction analysis of tailings reservoirs under seismic action.

Keywords：tailings sand;liquefaction;dynamic triaxial test;hysteresis curve;dynamic parameters

收稿日期：2024-03-10; 修回日期：2024-04-29

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFC1509701）

作者簡介：常禮安（1967—），男，高級工程師，從事巖土工程方面的勘察與設計工作；E-mail：cla18991855028@sina.com