簡介
礦山開採出的礦石經選礦廠選出有價值的精礦後遺留的細砂狀的“廢渣”，叫做尾礦。為尾礦堆存所建造的構築物系統稱尾礦庫, 包括尾礦壩、排洪構築物等。尾礦壩需要有良好的滲水性, 以排除庫內積水, 它由初期壩和堆積壩組成。初期壩一般由毛石堆砌;堆積壩則是隨尾礦的增加, 用沉積的粗粒尾礦堆積。因此壩體結構含有大面積的厚層細泥夾層, 具有不穩定性。在發生洪澇災害或受到人為破壞時, 壩坡會出現圓弧形滑動面而造成潰壩。壩體穩定性直接決定著壩身的安全, 因此施工中對穩定性的研究至關重要。工程中常用孔隙水壓力消散試驗來分析尾礦壩的穩定性等問題。試驗中總會有誤差存在, 利用數值分析能提高試驗精度, 同時還可以擬合相關函式, 用來控制填築高度與進度以及其他條件, 指導尾礦庫安全施工。以錫冶山尾礦為例, 探討數值法在尾礦庫壩體岩土孔隙水壓力消散試驗中的套用 。
孔隙水壓力消散試驗過程
錫冶山尾礦壩位於黃石大冶市金山店鎮東北的錫冶山南麓, 現堆積標高為57 m , 設計最終標高為75 m 。為對尾礦壩體各個時期的穩定性進行研究及尾礦堆積高度超過55 m 時壩體強度與穩定性驗算, 需要對壩體岩土進行檢測。壩體土層為沉積的粘土、淤泥質粉質粘土, 含水量高, 壓縮性大, 滲透性差, 抗剪強度低, 而堤壩填築較高, 強度及穩定性問題顯得尤為重要。
土體是由固結顆粒、孔隙水以及空氣組成的三相集合體, 外荷載在土體中產生的應力是通過顆粒間的接觸來傳遞的。如果土體中的孔隙是相互連通而充滿水, 則孔隙中的水服從靜水壓力分布。這種由孔隙水傳遞的壓力稱為孔隙水壓力, 實踐證明它隨時間而消散。
做孔隙水壓力消散試驗的目的是為測定原狀細粒粘土或擾動細粒土(包括充填土)在各向等壓或無側向變形的條件下孔隙水壓力產生和消散的過程, 得到孔隙水壓力係數B 及消散係數C′, 以用於有效應力原理研究土體的變形、強度和穩定性問題。
本試驗所用儀器為三軸壓縮儀, 共選取不同深度有代表性的16 組樣品進行試驗。試樣的含水量是採用原位測試與實驗室所測含水量的較小值。真空飽和試樣, 排除其所含空氣, 防止孔壓變化不穩。安裝時橡皮膜與試樣間的空氣排淨, 防止存在空氣導致的誤差。試驗中, 每個試樣均在四級圍壓(100kPa , 200 kPa , 400 kPa 與800 kPa)下進行 。
試驗結果分析與處理
1 試驗數據分析
同一試樣孔隙水壓力消散係數隨圍壓的增大而增大;性質相同或相近的試樣孔隙水消散係數隨含水量的增大有先減小後增大、再減小的趨勢。為了得到消散係數、圍壓和含水量之間的關係, 在試驗數據處理中採用了一些常用的數值方法, 以剔除試驗中的誤差較大的數據, 提高試驗的精度。同時還可以推導經驗公式, 用來指導工程安全施工, 減少試驗開支。
2 多元最小二乘法擬合
利用多元最小二乘法擬合可以將孔隙水壓力消散係數與圍壓及含水量的關係歸納為C′=f (σ,W)。最小二乘法擬合函式的效果如何, 關鍵是在於確定擬合函式的數學模型是否合理, 可採用以下策略來處理:
(1)根據所給數據, 在坐標紙上作散點圖, 觀察點的分布規律。推斷擬合函式的類型, 同時要代到實際問題中檢驗假設的正確性。
(2)用多元分析中的逐步回歸法, 逐步挑選出對函式貢獻最大的因子, 由此確定擬合函式的類型。或按照給定數據, 計算偏差平方和最小的模型作為擬合的數學模型。
如果上述操作有困難, 還可取多項式為擬合函式, 因為多項式能對任意函式至少在一個鄰域內無限逼近 。
總結
(1)性質相近的試樣, 孔隙水壓力消散係數隨圍壓 增大成對數關係增長;
(2)由多元最小二乘法擬合所得的函式求得的孔隙水壓力消散係數與試驗結果的最大誤差為5 %, 滿足工程精度的要求。因此可以把擬合結果作為消散係數的參考值, 對部分尾礦壩的安全施工具有指導作用 。
