细粒铁尾矿的沉积特性与基本物理力学性质试验研究

郭晓霞; 陈之祥; 邵龙潭; 田筱剑

doi:10.11779/CJGE202007005

细粒铁尾矿的沉积特性与基本物理力学性质试验研究 English Version

郭晓霞^{1, 2,},
陈之祥^{1, 2},
邵龙潭^{1, 2, ,},
田筱剑^{1, 2}

1.
大连理工大学工程力学系,辽宁　大连116085
2.
大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁　大连　116085

基金项目:

国家重点实验室自主研究课题项目 S18406

国家自然科学基金项目 51479023

国家自然科学基金项目 51309047

国家自然科学基金项目 41877251

详细信息

作者简介:
郭晓霞(1978—),女,博士,高级工程师,主要从事岩土与环境力学等方面的教学和科研工作。E-mail：hanyuer@dlut.edu.cn

通讯作者:
邵龙潭, E-mail：shaolt@hotmail.com

中图分类号: TU43
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2019-09-03
- 网络出版日期: 2022-12-05
- 刊出日期: 2020-06-30

Experimental study on sedimentary behavior and basic physical mechanical properties of fine iron tailings

GUO Xiao-xia^{1, 2,},
CHEN Zhi-xiang^{1, 2},
SHAO Long-tan^{1, 2, ,},
TIAN Xiao-jian^{1, 2}

1.
Department of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian 116085, China
2.
State Key Laboratory of Structural Analysis of Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116085, China

摘要

摘要: 尾矿的沉积与固结过程是形成强度和确定变形量的重要依据。为探求尾矿沉积过程中应力和孔隙水压力演变规律,揭示尾矿料的强度形成机理和变形特征,结合现场溜槽试验,对细粒铁尾矿的沉积坡度、以及沉积过程中的应力、孔隙水压力和有效应力的演变规律进行了监测。同时,采用十字板剪切仪确定了沉积完成后尾矿的剪切强度。在此基础上,对不同沉积断面尾矿料的颗粒级配和渗透特性进行了试验研究,分析尾矿沉积速率的演变机理。试验结果表明：颗粒研磨极其均匀的尾矿料的堆积形式和渗透特性与尾矿料的水力特性存在差别；受尾矿颗粒相对密实度较大、颗粒分布均匀等因素影响,增加尾矿料的可透水边界较施加外荷载,更能提升尾矿料中有效应力的形成速率；尾矿料表层硬化和封闭微孔隙引发了上层滞水入渗困难,应采用必要的引水导流措施降低高势能流体对筑坝稳定性的影响。
- 细粒铁尾矿 /
- 溜槽试验 /
- 沉积特性 /
- 孔隙水压力 /
- 剪切强度
Abstract: The process of deposition and consolidation of fragmented multiphase materials is the basis and prerequisite for studying their strength and deformation. To find out the evolution laws of stress and pore water pressure during the deposition of fine iron tailings and reveal the strength formation mechanism and deformation characteristics of tailings reservoir, the sedimentary slope of tailings, stress, pore water pressure and effective stress during the deposition process are monitored by field large-scale flume tests. Meanwhile, the shear strength of tailings after deposition is determined by the vane shear apparatus. On this basis, grain-size distribution and permeability characteristics of tailings from different sedimentary sections are tested to analyze the evolution mechanism of tailings sedimentation rate. The experimental results show that the accumulation form and permeability characteristics of tailings with extremely uniform particle grinding are different from those of soils. Due to the large proportion of tailings particles and uniform distribution of particles, increasing the permeable boundary of tailings can improve the formation rate of effective stress of tailings better than applying external loads. The surface hardening of tailings and the sealing of micro-pore trigger the formation of effective stress in tailings. It is difficult to infiltrate the stagnant water in the upper layer. Necessary diversion measures should be adopted to reduce the influences of high potential fluid on the stability of dam construction.
- fine iron tailings /
- flume test /
- deposition characteristic /
- pore water pressure /
- shear strength

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0. 引言

随着中国交通行业的不断发展,中国桥梁建设水平得到大幅提升,对桥梁跨越能力的要求也不断增长,悬索桥作为所有桥型中跨越能力最大的桥型,越来越成为跨越大江、大河的主要解决方案。但是随着悬索桥跨度的不断增加,锚碇规模急剧扩大,造成锚碇建设成本过高。因此研究锚碇沉井基础的受力变形特性对于悬索桥的锚碇优化设计显得尤为重要。

Alampalli^[1]在1994年研究了沉井在承受竖向和水平向荷载时的结构响应；李永盛^[2]和李家平等^[3]分别在1995年和2005年通过模型试验探讨了沉井基础的变形机制和破坏失稳形式；穆保岗等^[4]在2017年通过模型试验研究了水平荷载长期作用下沉井变位的特性；Liu等^[5]在2019年通过模型试验结合数值模拟分析研究了重力式锚碇的稳定性。

本文首先进行了在分级水平荷载下的沉井在砂箱中的模型试验,然后基于PLAXIS 3D软件建立了有限元模型,并分析了沉井的位移及沉井前侧和沉井底部的土压力,研究了水平荷载条件下沉井的受力变形规律。

1. 依托工程及模型试验

本文依托南京仙新路大桥北锚碇沉井工程,沉井长度为70 m,宽度为50 m,高度为49.5 m。该工程地基土以粉砂和中砂为主。

本试验采用的模型槽平面尺寸为4.0 m×2.0 m,高1.0 m。地基土采用中砂,其相对密度为2.68,最大孔隙比0.881,最小孔隙比0.463,不均匀系数3.89,曲率系数0.92。模型试验分层填筑地基土,控制每层填土的厚度为0.1 m,最终得到地基土的干密度为1.55 g/cm³,含水率0.63%,相对密实度为59.61%,内摩擦角为34.5°（快剪）。

沉井模型平面尺寸为0.7 m×0.5 m,高0.495 m,由厚度为22 mm的钢板焊接而成,试验过程将沉井看成刚体,不考虑沉井自身的变形,为模拟沉井与土体相互作用的界面,通过在沉井表面黏2～3 mm的砂粒实现^[6],如图1所示。

图 1 沉井界面的处理

Figure 1. Surface treatment for cassion

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模型试验中设计荷载为62kg,本文中水平荷载分级施加,每级荷载为设计荷载的～0.5倍,试验过程中每级荷载施加持续15 min直至土体破坏（土体破坏表现为沉井盖板处的位移急剧增大）,沉井加载示意图如图2所示。

图 2 沉井加载示意图

Figure 2. Schematic diagram of cassion under loading

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2. 有限元分析

本研究建立的有限元模型完全基于模型试验,土体及沉井的单元形状均为四面体十节点实体单元,数值模型的网格如图3所示。

图 3 有限元模型网格

Figure 3. Mesh of finite element model

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砂土的本构模型采用土体硬化（HS）模型,土层参数^[7]取值见表1。

表 1 土层参数

Table 1. Soil parameters

土层	$γ$ /(kN·m^-3)	e	$E_{s}$ /MPa	$E_{oed}^{ref}$ /MPa	$E_{50}^{ref}$ /MPa	$E_{ur}^{ref}$ /MPa	$c^{'}$	$φ^{'}$ /(°)	$ψ$ /(°)	m
砂土	15.6	0.723	10.2	10.2	10.2	30.6	0	34.5	0	0.5
注： $γ$ 为砂土的重度； $e$ 为砂土的孔隙比； $E_{s}$ 为砂土的压缩模量； $E_{oed}^{ref}$ 为砂土的主固结加载切线刚度； $E_{50}^{ref}$ 为砂土的标准三轴排水试验割线刚度； $E_{ur}^{ref}$ 为砂土的卸载重加载刚度； $c^{'}$ 为砂土的有效黏聚力； $φ^{'}$ 为砂土的有效摩擦角； $ψ$ 为砂土的膨胀角； $m$ 为砂土的刚度应力水平相关幂值。

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3. 试验结果与有限元结果对比

3.1 沉井顶部位移

在沉井盖板顶部设置3个位移测量点A、B、C。在位移测量点上放置位移靶标,采用TH-ISM-ST机器视觉测量仪对靶标位移进行测量,分辨率为0.01 mm,靶标布置如图4。

图 4 靶标布置图

Figure 4. Layout of targets

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模型试验和数值模拟的位移对比如图5所示,由图易知,模型试验和数值模拟的靶标位移较为一致,本文中取水平位移随设计荷载增加而不断增加的线弹性阶段为水平承载力极限值^[4],即安全系数取值为4。

图 5 模试验和数值模拟的位移对比

Figure 5. Comparison of displacements between model tests and numerical simulations

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3.2 沉井前侧壁土压力随施加荷载变化

在沉井前侧设置8个土压力盒,布置如图6所示,由于土压力盒对称分布,且沉井左右侧完全对称,因此取沉井左右两侧土压力盒平均值作为最终结果,结果如图7所示,其中模型试验中3号及3＇号土压力盒数据较差,本文中已舍弃,余下的沉井前侧土压力盒数据和数值模拟结果较吻合。

图 6 沉井前侧土压力盒布置图

Figure 6. Layout of earth pressure cells on front side of caisson

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图 7 模试验和数值模拟的沉井前侧土压力对比

Figure 7. Comparison of soil pressures on front side of caisson between model tests and numerical simulations

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3.3 沉井前侧壁土压力随施加荷载变化

在沉井底部设置12个土压力盒,布置如图8所示,同理,取沉井左右两侧土压力盒平均值作为最终结果,结果如图9所示,其中8号及8＇号土压力盒数据较差,本文中已舍弃,余下的沉井底部土压力盒数据和数值模拟结果对比,发现当施加荷载/设计荷载的值小于等于4时较一致,当其值大于4之后,二者的结果相差较大。

图 8 沉井底部土压力盒布置图

Figure 8. Layout of earth pressure cells on bottom of caisson

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图 9 模型试验和数值模拟的沉井前侧土压力对比

Figure 9. Comparison of soil pressures on bottom of the caisson between model tests and numerical simulations

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4. 结论

本文在已有的研究基础上,通过开展模型试验和数值模拟计算,得到水平荷载下沉井的受力变位特性,主要得出以下结论：

（1）对锚碇沉井基础在砂土中的受力变位特性进行了试验研究和有限元分析,结果显示,水平荷载下锚碇沉井基础在砂土中的破坏模式为倾覆破坏,且安全系数远大于2,说明现阶段规范^[8]中锚碇设计较为保守,有进一步的优化空间。

（2）通过PLAXIS 3D软件建立了锚碇沉井基础的有限元模型,采用应变硬化的本构模型,结果表明模型试验的结果和有限元模型计算的结果较为一致,说明数值建模过程中的土体本构模型及参数取值可靠,表明PLAXIS 3D软件能够较好的模拟锚碇沉井在砂土中的受力变形行为。

上述模型试验和有限元分析,只是针对水平荷载条件下锚碇沉井基础在砂土中的受力特性开展的研究,只考虑了单层干砂的地基土层,尚需更近一步探索。

图 1 试验布置

Figure 1. Test arrangement

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图 2 现场流槽试验结果

Figure 2. Results of flume tests on tailings

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图 3 尾矿流槽中的非均匀流态

Figure 3. Non-uniform flow patterns in tailings flume

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图 4 不同断面处尾矿料的颗粒级配

Figure 4. Grain-size distribution curves of different sections

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图 5 现场流槽十字板剪切试验结果

Figure 5. Results of vane shear tests of tailings flume

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图 6 基于十字板抗剪强度的内摩擦角

Figure 6. Friction angles based on vane shear strength tests

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表 1 试验过程中各阶段

Table 1 Schedule of flume tests on tailings

序号	时间	事项
1	2011年10月13日	开始排放尾矿
2	2011年10月13日	初始阶段放矿
3	2011年10月14日—15日	第二阶段放矿
4	2011年10月16日—17日	第三阶段放矿
5	2011年10月23日—24日	第四阶段放矿
6	2011年11月08日	降雨
7	2011年11月20日	监测到尾矿冻结
8	2011年12月10日	停止数据监测

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表 2 不同断面处尾矿料的颗粒组成

Table 2 Grain composition of different sections

断面/m	土粒相对密实度	颗粒组成/%					不均匀系数C_u	曲率系数C_c	液限含水率/%	塑限含水率/%	塑性指数I_p	土质类型
断面/m	土粒相对密实度	2~0.5 mm	0.5~0.25 mm	0.25~0.075 mm	0.075~0.005 mm	<0.005 mm	不均匀系数C_u	曲率系数C_c	液限含水率/%	塑限含水率/%	塑性指数I_p	土质类型
5	2.877	0.24	6.69	28.13	64.70	0.25	4.47	0.57	11.68	21.55	9.87	低液限尾粉土
10	2.851	0.36	9.36	35.86	53.92	0.50	4.56	1.07	13.26	23.17	9.91	低液限尾粉土
20	2.846	0.06	4.61	39.56	54.68	1.10	4.42	1.00	13.30	22.77	9.47	低液限尾粉土
40	2.838	0.02	2.54	25.34	71.90	0.21	3.53	1.07	14.49	25.80	11.31	低液限尾粉质黏土
50	2.861	0.02	0.45	23.28	75.86	0.40	3.94	1.08	15.76	27.80	12.04	低液限尾粉质黏土
60	2.839	0.01	0.24	14.60	84.40	0.75	2.87	0.89	14.57	25.73	11.16	低液限尾粉质黏土
70	2.806	0.02	0.25	15.74	82.50	1.50	3.57	1.29	12.32	25.99	13.67	低液限尾粉质黏土
80	2.868	0	0.37	12.27	86.66	0.70	3.50	1.59	14.54	25.85	11.31	低液限尾粉质黏土
90	2.864	0	0.22	13.89	84.19	1.70	3.15	0.95	15.36	26.23	10.87	低液限尾粉质黏土
100	2.877	0	0.16	11.31	86.04	2.50	4.11	0.97	15.57	27.42	11.85	低液限尾粉质黏土
120	2.884	0	0.42	5.72	91.66	2.20	3.08	0.90	17.09	27.23	10.14	低液限尾粉质黏土
140	2.878	0	0.10	5.84	91.57	2.50	3.61	0.79	16.61	29.05	12.44	低液限尾粉质黏土

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表 3 不同断面处尾矿料的渗透系数

Table 3 Permeability coefficient of different sections

断面位置/m	土粒相对密实度	干密度/(g·cm^-3)	最大干密度/(g·cm^-3)	最优含水率/%	渗透系数/(cm·s^-1)
5	2.88	1.513	1.878	14.5	8.85×10^-5
15	2.84	1.517	1.868	15.5	2.63×10^-4
25	2.84	1.553	1.915	13.7	6.02×10^-5
40	2.84	1.498	1.795	15.9	3.28×10^-4
80	2.87	1.475	1.828	15.8	1.27×10^-4
120	2.89	1.516	1.819	16.7	7.75×10^-5

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表 4 各测试点土样的基本物性参数

Table 4 Basic physical properties of soil samples at different test points

取土点/m	颗粒相对密实度	天然含水率/%	天然密度/(g·cm^-3)
10	2.83	27.4	2.032
20	2.84	27.8	2.027
40	2.84	27.0	1.985
60	2.84	27.7	1.965
70	2.85	23.1	1.939
80	2.87	32.9	1.960
90	2.86	26.6	1.984
100	2.87	27.8	1.922

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0. 引言
1. 依托工程及模型试验
2. 有限元分析
3. 试验结果与有限元结果对比
3.1 沉井顶部位移
3.2 沉井前侧壁土压力随施加荷载变化
3.3 沉井前侧壁土压力随施加荷载变化
4. 结论

细粒铁尾矿的沉积特性与基本物理力学性质试验研究 English Version

作者简介: 郭晓霞(1978—),女,博士,高级工程师,主要从事岩土与环境力学等方面的教学和科研工作。E-mail：hanyuer@dlut.edu.cn

通讯作者: 邵龙潭, E-mail：shaolt@hotmail.com

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