孔隙水壓力消散試驗(yàn)簡介

礦山開采出的礦石經(jīng)選礦廠選出有價值的精礦后遺留的細(xì)砂狀的“廢渣”，叫做尾礦。為尾礦堆存所建造的構(gòu)筑物系統(tǒng)稱尾礦庫, 包括尾礦壩、排洪構(gòu)筑物等。尾礦壩需要有良好的滲水性, 以排除庫內(nèi)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(jié)構(gòu)含有大面積的厚層細(xì)泥夾層, 具有不穩(wěn)定性。在發(fā)生洪澇災(zāi)害或受到人為破壞時, 壩坡會出現(xiàn)圓弧形滑動面而造成潰壩。壩體穩(wěn)定性直接決定著壩身的安全, 因此施工中對穩(wěn)定性的研究至關(guān)重要。工程中常用孔隙水壓力消散試驗(yàn)來分析尾礦壩的穩(wěn)定性等問題。試驗(yàn)中總會有誤差存在, 利用數(shù)值分析能提高試驗(yàn)精度, 同時還可以擬合相關(guān)函數(shù), 用來控制填筑高度與進(jìn)度以及其他條件, 指導(dǎo)尾礦庫安全施工。以錫冶山尾礦為例, 探討數(shù)值法在尾礦庫壩體巖土孔隙水壓力消散試驗(yàn)中的應(yīng)用 。

錫冶山尾礦壩位于黃石大冶市金山店鎮(zhèn)東北的錫冶山南麓, 現(xiàn)堆積標(biāo)高為57 m , 設(shè)計最終標(biāo)高為75 m 。為對尾礦壩體各個時期的穩(wěn)定性進(jìn)行研究及尾礦堆積高度超過55 m 時壩體強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算, 需要對壩體巖土進(jìn)行檢測。壩體土層為沉積的粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土, 含水量高, 壓縮性大, 滲透性差, 抗剪強(qiáng)度低, 而堤壩填筑較高, 強(qiáng)度及穩(wěn)定性問題顯得尤為重要。

土體是由固結(jié)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(chǎn)生的應(yīng)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(shí)踐證明它隨時間而消散。

做孔隙水壓力消散試驗(yàn)的目的是為測定原狀細(xì)粒粘土或擾動細(xì)粒土(包括充填土)在各向等壓或無側(cè)向變形的條件下孔隙水壓力產(chǎn)生和消散的過程, 得到孔隙水壓力系數(shù)B 及消散系數(shù)C′, 以用于有效應(yīng)力原理研究土體的變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題。

本試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。試樣的含水量是采用原位測試與實(shí)驗(yàn)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(wěn)。安裝時橡皮膜與試樣間的空氣排凈, 防止存在空氣導(dǎo)致的誤差。試驗(yàn)中, 每個試樣均在四級圍壓(100kPa , 200 kPa , 400 kPa 與800 kPa)下進(jìn)行 。

1 　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

同一試樣孔隙水壓力消散系數(shù)隨圍壓的增大而增大;性質(zhì)相同或相近的試樣孔隙水消散系數(shù)隨含水量的增大有先減小后增大、再減小的趨勢。為了得到消散系數(shù)、圍壓和含水量之間的關(guān)系, 在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中采用了一些常用的數(shù)值方法, 以剔除試驗(yàn)中的誤差較大的數(shù)據(jù), 提高試驗(yàn)的精度。同時還可以推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式, 用來指導(dǎo)工程安全施工, 減少試驗(yàn)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系數(shù)與圍壓及含水量的關(guān)系歸納為C′=f (σ,W)。最小二乘法擬合函數(shù)的效果如何, 關(guān)鍵是在于確定擬合函數(shù)的數(shù)學(xué)模型是否合理, 可采用以下策略來處理:

(1)根據(jù)所給數(shù)據(jù), 在坐標(biāo)紙上作散點(diǎn)圖, 觀察點(diǎn)的分布規(guī)律。推斷擬合函數(shù)的類型, 同時要代到實(shí)際問題中檢驗(yàn)假設(shè)的正確性。

(2)用多元分析中的逐步回歸法, 逐步挑選出對函數(shù)貢獻(xiàn)最大的因子, 由此確定擬合函數(shù)的類型。或按照給定數(shù)據(jù), 計算偏差平方和最小的模型作為擬合的數(shù)學(xué)模型。

如果上述操作有困難, 還可取多項(xiàng)式為擬合函數(shù), 因?yàn)槎囗?xiàng)式能對任意函數(shù)至少在一個鄰域內(nèi)無限逼近 。

(1)性質(zhì)相近的試樣, 孔隙水壓力消散系數(shù)隨圍壓 增大成對數(shù)關(guān)系增長;

(2)由多元最小二乘法擬合所得的函數(shù)求得的孔隙水壓力消散系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)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(jié)果作為消散系數(shù)的參考值, 對部分尾礦壩的安全施工具有指導(dǎo)作用 。2100433B

孔隙水壓力監(jiān)測資料應(yīng)及時整理分析。一般包括：

①繪制孔隙水壓力及施工填土荷載、庫水位等的綜合過程線，分析它們之間的聯(lián)系，研究孔隙水壓力的形成、發(fā)展、消散和滯后情況，并與理論計算的消散系數(shù)進(jìn)行比較，指導(dǎo)土石壩的合理、安全運(yùn)行。

②繪制孔隙水壓力與填土荷載的關(guān)系曲線，分析填筑速度與孔隙水壓力增長之間的關(guān)系，必要時進(jìn)行壩體穩(wěn)定校核，以控制施工填筑速度。

③繪制孔隙水壓力斷面等值線圖，了解其分布情況。繪制高水位時的大壩浸潤線，用以驗(yàn)算壩坡穩(wěn)定。

④繪制固結(jié)量與孔隙水壓力的關(guān)系過程線或關(guān)系線，分析土體固結(jié)過程中孔隙水壓力的變化以及對土石壩安全的影響。

對于飽和土，孔隙中充滿水，這些水在穩(wěn)定狀態(tài)時有一個平衡的壓力，這是孔隙水壓力。當(dāng)土體受到外力擠壓，土中原有水壓力也會上升，上升的這部分壓力就是超孔隙水壓力了。一般來說，超孔隙水壓力都有消散的趨勢，隨著時間的推移會消散掉。 但上層土層是不透水時，可能長期存在。

超空隙水壓力：土力學(xué)指出，在加荷過程中，飽水體系所承受的附加壓力P是由于水和顆粒骨架兩相分別承擔(dān)。其中由水承受的壓力稱為中性壓力Pwe，由于顆粒骨架承受的那部分稱為有效壓力PS，這種由于附加應(yīng)力引起的中性壓力，不同于土體中靜水壓力造成的孔隙水壓力Pw0，稱為剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力。2100433B

①壓力條件形成的孔隙水壓力，如靜止地下水水體下土中的靜水壓力；又如滲流引起的孔隙壓力，其值可根據(jù)滲流理論，繪出流網(wǎng)，求出測壓管水頭而得。

②荷載作用在土體內(nèi)形成的孔隙水壓力。如在壓縮試驗(yàn)或剪切試驗(yàn)中，荷載加到土體試樣上，引起孔隙水壓力，它們常稱為超靜水壓力或超孔隙水壓力。