孙建林 李立志 余健
中建二局第三建筑工程有限公司华东分公司 江苏南京 210019
【摘 要】我国西南地区修建了许多尾矿库，但是这些尾矿库处于地震活动比较频繁的地区，因此尾矿坝抗震是关系到尾矿库安全的一个重要问题，需要在设计阶段研究解决。本文采用STK-200电液伺服控制双向动三轴仪，进行了尾矿砂的残余变形试验，通过沈珠江残余应变模型对相关参数进行了拟合，为后期尾矿库动力作用模拟分析提供了计算依据。
【关键词】尾矿砂;动三轴试验;沈珠江残余变形模型
引言
据统计，迄今为止我国有超过一万座尾矿库，其中许多是小型矿坝，安全技术难以得到保证。因矿坝所含重金属矿渣，溃坝所导致的事故将会严重影响周边的生态环境，更为关键的是溃坝往往会造成泥石流，给下游居民带来人身安全和财产损失。
残余变形，称为不可恢复变形，即永久变形，指受到荷载的材料发生变形后，处于塑性阶段，即使卸载荷载后也无法回到初始状态，始终存在一些无法恢复的变形。研究表明，尾矿砂的许多震害现象大多与尾矿砂的残余变形有关。这种残余变形对尾矿砂的整体结构与安全生产和使用会产生较大的危害。
本文针对不同固结比下的尾矿砂动三轴残余变形试验，然后对实验数据分析处理，得到沈珠江残余变形模型的5个模型参数。试验成果可以为我国尾矿库筑坝提供基础的试验数据和模型参数，对于尾矿库筑坝的安全性有着重要的理论基础。同时有助于进一步探索我国尾矿砂筑坝推广和发展过程中的主要问题，为尾矿库筑坝工艺提供一个较为可靠的试验案例并规范筑坝要求。
1 尾矿砂物理力学特性
本文采用某尾矿库的底流尾矿砂（尾细砂）和溢流尾矿砂（尾粉土）为试验主要原材料（重塑试样）。
1.1级配试验
尾矿砂的筛分试验（粒径小于0.075mm的土样用密度计法），获得数据，绘制级配曲线。
1.2最大、最小干密度
可以根据《土工试验规范》中的公式，通过求得最大最小干密度：
求出试验时试样所需控制的干密度，从而达到控制密实度的目的。
式中 Dr ——相对密度；ρd——天然干密度或填土的相应干密度,g/cm3。
最大最小干密度公式为
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式中 ρdmin——最小干密度，g/m3；ρdmax——最大干密度，g/m3；md ——试样干质量，g; Vmax——试样之最大体积，cm3; Vmin——试样之最小体积，cm3。
试验结果（取三次试验平均）：
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2 动三轴试验设备
STK-200电液服控制双向动三轴仪采用微机电液伺服控制技术，可进行岩石、砂土、岩浆和细粒土的轴向和侧向压力的强度试验、阻尼比等土力学试验，实现如地震波、海浪波等随机荷载的双向振动的动力特性试验研究。
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图1 STK-200动三轴仪
3 试验数据处理及分析
3.1 动三轴残余变形试验原理
N次循环荷载作用下产生的应变势可以用式(1)来表示。
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（1）
3.2沈珠江残余变形三轴试验
3.2.1 沈珠江残余变形模型简介
以振次N、动剪应变γd及应力水平Ds的函数表示试验的残余体应变εv和残余剪应变γ：
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式中：Ds为应力水平，γd为动应变幅值， Ne、△N为振动次数和振次增量，△εv、△γ为残余体应变增量和残余剪应变增量，c1、c2、c3、c4、c5为残余变形试验参数。
3.2.2 试样及试验内容
本试验的试样为底流和溢流尾矿砂，饱和试样高76mm，直径为38mm，将干密度控制为底流尾矿砂1.55g/cm3和溢流尾矿砂1.45g/cm3，用分层击实法制样。试验固结应力比设计为Kc =1、Kc=1.5和Kc=2，固结围压设计为σ’3c=100kPa、200kPa、400kPa。每个试样振动30次，振动频率为0.1Hz，动荷载波形采用正弦波，详细试验工况见表2。
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3.3 试验结果与分析
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（3）拟合模型参数c1、c2、c3、c4、c5
假定应力水平Ds对Cvr没有影响，即c3=0为定值，式（4）则变为
C
vr=C
1(γd)
C2 公式（10）
由Cvr和γd的关系曲线拟合c1、c2；当Kc=1.5和Kc=2时（偏压情况下），由Cdr/Ds2和γd的关系曲线拟合c4、c5，拟合结果见表5。
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试验结果讨论：
沈珠江残余变形模型反映了材料的塑性性质，由于不同静应力水平和不同动应力条件下的残余剪切应变和残余应变之间的关系随振动而变化，因此沈珠江残余变形模型经常运用于土工试验和数值计算中，有许多可靠的试验数据，但在尾矿工程中却极为少见。
4 总结
（1）进行基本的物理力学性质试验，得到了底流和溢流尾矿砂的物理力学性质，结果表明获得的参数值比较合理，两种尾矿砂的基本物理力学参数可以为后续尾矿砂的试验提供参考。
（2）通过对底流和溢流尾矿砂的动三轴试验，拟合沈珠江模型参数，为以后的尾矿库模拟地震反应分析，提供了动力参数。
（3）通过试验得到了底流和溢流尾矿砂在不同静应力水平及不同动应力条件下残余剪应变与残余体应变随振次变化的关系，以及两种应变与振次+1对数的关系。
（4）通过对沈珠江残余变形模型参数的拟合，发现两种尾矿砂低围压拟合效果好，高围压差，说明围压对尾矿砂的动力力学性质有较大影响。
参考文献
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