振动台对尾矿砂振动性能试验研究.pdf

第 31 卷 第 4 期 2014 年 12 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 4  Dec. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 04. 014 振动台对尾矿砂振动性能试验研究* 杨 凯， 吕淑然 （首都经济贸易大学， 北京 100070） 摘 要 经过室内基本物性试验确定尾矿库堆坝材料的物性指标。在此基础上使用机械式振动试验台对 尾矿砂振动性能进行研究。通过改变尾矿砂含水率和调整振动台振幅的方法， 观察不同含水率下尾矿砂密 度变化与振幅的关系， 探讨尾矿砂出现振动液化现象的临界含水率， 总结尾矿砂在出现涌水现象后发生的破 坏形式， 同时记录下引起尾矿砂密度变化和液化破坏的振动速度值。研究表明 尾矿砂中出现液化的含水率 临界值是 16. 65％， 该含水率下尾矿砂出现振动液化现象的振动速度值是 28. 68 cm/ s。含水率为 17. 56％的 尾矿砂出现振动液化现象的振动速度值是 27. 1 cm/ s。尾矿砂出现涌水现象后会伴随冒砂现象的发生， 并且 加剧砂土表层开裂， 甚至出现塌陷， 导致砂体的结构遭到破坏， 稳定性变差。 关键词 尾矿砂；机械式振动台；力学特性；液化破坏 中图分类号 X921 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 04 -0063 -05 Shaking Table Test on Vibration Properties of Tailings Sand YANG Kai， LV Shu-ran （Capital University of Economics and Business， Beijing 100070， China） Abstract The typical heap dam material properties indicators were confirmed by laboratory experiment. The me- chanical shaking table was used to study the vibration properties of the tailings sand. By changing the tailings sand moisture content and the amplitude of the shaking table， the relationship of tailings sand density variation and ampli- tude under the condition of different moisture content was observed； the critical moisture content of tailings sand was discussed；the phenomena of vibration liquefaction and the damage s of tailings sand after water gushing were al- so explored and summarized. Meanwhile， the vibration velocity influencing tailings sand density and liquefied destruc- tion changing was recorded. The studies show that the threshold of tailings sand liquefying was 16. 65％， where the liquefaction vibration velocity was 28. 68 cm/ s. On the condition of moisture content 17. 56％， the sand liquefaction vibration velocity was 27. 1 cm/ s. Water gushing phenomenon was accompanied with the tailings sand eruption， which exacerbated the sand surface crack and collapse， body structure destruction and disability. Key words tailings sand；shaking table；mechanical properties；liquefaction failure 收稿日期 2014 -09 -05 作者简介 杨 凯 （1986 - ） ， 男， 四川广安人， 博士研究生， 主要从事 矿山爆破振动控制、 安全生产技术、 灾害预防与控制方向 研究，（E-mail） ycyangk163. com。 通讯作者 吕淑然 （1964 - ） ， 男， 河北保定， 博士生导师、 教授， 主要 从事矿山安全技术、 防火防爆方面的教学与科研工作， （E-mail） lsr22088126. com。 基金项目 科研基地建设-科技创新平台-特大城市安全运行研究 （PXM2014 014205 000044） ； 首都经济贸易大学研究生 科技创新资助项目 爆破振动对尾矿坝稳定的影响十分值得研究，如何控制和降低这种影响显得相当重要 ［1-5］。 试验研究针对典型的尾矿坝， 经过室内基本物 性试验确定典型堆坝材料的物性指标。在此基础上 使用机械式振动试验机对尾矿砂振动性能进行研 究。通过改变尾矿砂含水率和调整振动机振幅的方 法， 观察不同含水率下尾矿砂密度变化与振幅的关 系， 探讨尾矿砂含水率出现液化现象的含水率临界 值， 总结尾矿砂在出现涌水现象后发生的破坏形式， 同时记录下引起尾矿砂密度变化和液化破坏的振动 速度值。 1 试验仪器 目前振动台试验主要应用于工程结构的破坏机 理、 抗震性能或验证地震反应的正确性等方面的研 究 ［6-13］。 主要采用机械振动台， 机械振动台的主要规格 以最大负载来表示， 频率范围一般在 5 80 Hz 之 间， 最大位移一般为 3 5 mm， 最大加速度一般可达 10g。本试验选用的是北京切克实验设备有限公司 生产的 CK-80BT 系列机械式振动实验机。整个实 验仪器有振动台和控制系统组成， 如图 1 所示。该 仪器具有多方向， 大负载， 大振幅， 操作简便等特点。 图 1 CK-80BT 型机械式振动台 Fig. 1 CK-80BT mechanical shaking table 2 振动台实验方案与步骤 2. 1 实验方案 本次试验我们在矿山实验室共测定了 4 组含水 率， 分别是 13. 22％、 14. 55％、 16. 65％、 17. 56％， 每 组含水率分别在 1、 3、 5 的振幅下测定数据并观察液 化情况和破坏形式， 同时记录发生以上现象的振动 速度值。 2. 2 实验步骤 （1） 用环刀提取振动台内的尾矿砂， 取沙时应 注意将环刀放在砂土平整处； 砂土与环刀面平整， 最 后将环刀外粘的尾矿砂清理干净。 （2） 将取好尾矿砂的环刀放到电子称上称量 m1 （环刀质量 g） ， 称量好的尾矿砂从环刀内取出后放 进烘干机中烘干， 待尾矿砂内水分彻底烘干后再放 到电子称上称取质量 m2。 （3） 由测量结果计算尾矿砂含水率m1 - g - m2 m1 。 （4） 设定振动台参数， 要求为扫频频率为 10 50 Hz 循环扫频振动。即 10 Hz 为下限频率； 50 Hz 为上限频率。扫频段数为 3 段， 上升时间 20 s， 下降 时间 20 s， 循环次数 10 次， 振幅设定为 1 （3 或 5） 。 （5） 振动开始之前对振动台内的尾矿砂高度做 好标记， 开启振动机， 记录砂体沉降高度， 观察砂体 的破坏形式如出现裂缝和冒砂的周期与砂体出现液 化的情况， 同时应用爆破振动记录仪全程记录振动 速度。 （6） 振动完毕后将振动台内的尾矿砂用铲子翻 松并铺平整。 （7） 紧接着不改变尾矿砂含水率， 将振幅调整 到 3， 同时对振动台内的尾矿砂高度做好标志。开 启振动机， 记录砂体沉降高度， 观察砂体的破坏形式 如出现裂缝和冒砂的周期与砂体出现液化的情况。 （8） 继续调整振幅， 将振幅调整到 5， 同时重复 上述 （6） 、（7） 步骤。 （9） 随后改变振动台内尾矿砂的含水率， 继续 重复上述 （1） （8） 步骤。 3 试验结果分析 3. 1 实验现象描述 （1） 当尾矿砂含水率为13.22％， 不论振幅调整到 1、 3 或5， 在1 10 个全周期内， 即6 分40 秒的时间里， 除沉降外无其他现象。同时用爆破测振仪记录的最 大垂直振动速度分别为 11. 88 cm/ s、 28. 12 cm/ s、 36. 6 cm/ s。 （2） 当尾矿砂含水率为14. 55％， 振幅为1 或3， 在 1 10 个全周期内， 除沉降外无其他现象。同时 用爆破测振仪记录的最大垂直振动速度分别为 12. 85 cm/ s、 30. 19 cm/ s； 当振幅为 5 时， 砂体除沉 降外， 在容器的四个角落上有不同程度的塌陷和裂缝 出现， 同时在靠近容器两侧的地方有明显的冒砂现 象； 但没有涌水现象发生。发生塌陷和冒砂的时间为 3 分30 秒左右， 最大垂直振动速度36.61 cm/ s。 （3） 尾矿砂含水率16. 65％， 振幅为1 时， 在1 10 个全周期内， 除沉降外无明显现象出现。最大垂 直振动速度 11. 54 cm/ s； 振幅为 3 时， 除沉降外， 有 明显塌陷和冒砂出现， 并且在第八个周期内由容器 边缘出现明显涌水现象。出现涌水的时间是 5 分 20 秒左右， 最大垂直振动速度 28. 68 cm/ s。振幅为 5 时， 如图 2 所示， 在前 3 个周期内有裂缝和塌陷出 现， 从第 5 个周期开始出现冒砂和涌水， 之后涌水面 积从容器四壁逐渐向中央蔓延。出现涌水的时间是 3 分 20 秒左右， 最大垂直振动速度 36. 6 cm/ s。 （4） 尾矿砂含水率17. 56％， 振幅为1 时， 在1 46爆 破 2014 年 12 月 10 个全周期内除沉降和少许裂缝出现外无其他变 化。最大垂直振动速度 12. 20 cm/ s。 图 2 尾矿砂含水率为 16. 65％的振动情况 Fig. 2 The vibration situation of tailings moisture content of 16. 65％ 尾矿砂含水率 17. 56％， 振幅为 3 时， 在第 3 个 周期内砂体就出现明显的涌水现象， 第 8 个周期时 整个容器表面已全部被覆盖。出现涌水的时间是 2 分钟左右， 最大垂直振动速度 27. 1 cm/ s。 振幅为 5 时， 在第 2 个周期内已出现全面涌水 现象。出现涌水的时间是 1 分 20 秒左右， 最大垂直 振动速度 36. 61 cm/ s。 3. 2 实验数据分析 通过对 4 组含水率的尾矿砂在振幅分别为 1、 3、 5 时的振动情况所得数据进行研究， 分析不同含 水率的尾矿砂密度与振幅之间的变化情况。实验数 据分析如下 （1） 尾矿砂含水率 13. 22％ 图 3 是含水率为 13. 22％的尾矿砂密度变化曲 线， 从图中可以看出不同的振幅下都是在第 1 个周 期 （40 s） 内出现最大密度变化。振幅为 1 时密度变 化最大， 变化值是 0. 31， 同时用爆破测振仪测得引 起密度变化的振动速度值是 11. 24 cm/ s； 振幅为 5 时变化最小， 变化值是 0. 17， 测得引起密度变化的 振动速度值是 34. 62 cm/ s。第 5 周期到第 10 周期 内砂体密度基本保持不变。 图 3 含水率为 13. 22％时尾矿砂密度在 不同振动周期下的变化图 Fig. 3 The tailings density variation under different vibration cycle at the time of moisture content of 13. 22％ （2） 尾矿砂含水率 14. 55％ 图 4 为含水率 14. 55％ 的尾矿砂密度变化曲 线， 从图中可以看出不同的振幅下都是在第一个周 期内出现最大密度变化。振幅为 3 时变化之最大， 变化值是 0. 17， 振动速度值是 28. 42 cm/ s； 振幅为1 时变化最小， 变化值是 0. 08， 同时用爆破测振仪测 得引起密度变化的振动速度值是7. 2 cm/ s。第5 周 期到第 10 周期密度基本保持不变。 图 4 含水率为 14. 55％时尾矿砂密度 在不同振动周期下的变化图 Fig. 4 The tailings density variation under different vibration cycle at the time of moisture content of 14. 55％ （3） 尾矿砂含水率 16. 65％ 图 5 为含水率 16. 65％ 的尾矿砂密度变化曲 线， 图上显示不同振幅下都在第 1 个周期内密度变 化最大。振幅为 5 时变化之最大， 变化值是 0. 35， 得引起密度变化的振动速度值是 36. 61 cm/ s； 振幅 为 1 时变化之最小， 变化值是 0. 08， 测得引起密度 变化的振动速度值是 8. 45 cm/ s。第 5 周期到第 10 周期密度基本保持不变。 图 5 含水率为 16. 65％时尾矿砂密度 在不同振动周期下的变化图 Fig. 5 The tailings density variation under different vibration cycle at the time of moisture content of 16. 65％ （4） 尾矿砂含水率 17. 56％ 图 6 为含水率 17. 56％ 的尾矿砂密度变化曲 线， 从图上可以看出从振幅 1 到振幅 5 都是在第 1、 56第 31 卷 第 4 期 杨 凯， 吕淑然 振动台对尾矿砂振动性能试验研究 2 个周期出现密度的最大变化。振幅为 5 时密度变 化值最大， 最大值为 0. 32， 测得引起密度变化的振 动速度值是 36. 61 cm/ s； 振幅为 1 时密度变化值最 小， 密度变化值是 0. 06， 引起密度变化的振动速度 值是 7. 12 cm/ s。第 3 周期到第 1 周期密度基本保 持不变。 图 6 含水率为 17. 56％时尾矿砂密度 在不同振动周期下的变化图 Fig. 6 The tailings density variation under different vibration cycle at the time of moisture content of 17. 56％ 4 结论 通过机械式振动试验机对尾矿砂振动性能进行 研究可以得出以下结论 （1） 在含水率为 13. 22％、 14. 55％、 16. 65％、 17.56％的尾矿砂中， 在不同的振幅和振动周期下尾 矿砂出现液化的含水率临界值为 16. 65％， 即尾矿 砂含水率低于 16.65％时， 无论何种振幅和周期， 其 都不会出现液化现象。 （2） 尾矿砂在出现涌水现象后， 往往伴随冒砂 现象的发生， 并且加剧砂土表层开裂， 甚至出现塌 陷， 导致砂体的结构遭到破坏， 稳定性变差。 （3） 同一含水率下的尾矿砂密度变化大小与振 幅大小有关， 振幅越大， 密度变化数值相对增大； 同 一含水率下的尾矿砂密度达到定值的时间与振幅大 小有关， 振幅越大， 密度达到定值的时间越短。 （4） 不同含水率的尾矿砂在超过某一临界振动 速度时会出现振动液化现象， 在振幅为 1 时引振动液 化的振动速度值在 7 13 cm/ s 之间， 振幅为 3 时引 振动液化的振动速度值在 27 29 cm/ s 之间， 振幅 为 5 时引起振动液化的振动速度值在 30 37 cm/ s 之间。 （5） 含水率 16. 65％的尾矿砂出现液化现象的 振动速度值是 28. 68 cm/ s。含水率 17. 56％的尾矿 砂出现液化现象的振动速度值是 27. 1 cm/ s， 即存 在含水率越高， 尾矿砂出现液化现象时振动速度的 越小的趋势。 参考文献 （References） ［1］ 王国华， 段希祥， 杨 溢， 等. 高烈度地震对龙都尾矿 坝稳定性影响的研究 ［J］ . 昆明理工大学学报， 2008， 8 （4） 1-6. ［1］ WANG Guo-hua， DUAN Xi-xiang， YANG Yi， et al. 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