刘美辰 赵怡晴 金爱兵 田欣然 刘先苇

(1.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083)

尾矿坝是我国安全生产的9个重大危险源之一,是高势能“人造泥石流”源体。地震是诱发尾矿库事故的第二大因素[1-3],且在水入侵作用下尾砂堆积体强度会显著弱化,极易引发表面开裂、坝体滑坡、崩塌等突发性地质灾害,严重威胁着人民生命财产安全和生态环境[1]。因此开展含水尾砂堆积坝的振动破坏特性分析,尤其是表面变形破裂的研究愈发重要。

目前学术界对含水尾砂力学性质、堆积坝振动变形及坝体稳定性等开展了广泛研究。在含水尾砂力学试验方面,李志平等[4]通过现场试验得出含水(0～20%)尾砂内摩擦角的变化趋势与尾砂沉积特性有关。海龙等[5]、梁冰等[6]通过直剪试验研究了含水率(3%～20%)和压实度影响下的尾砂抗剪强度,认为黏聚力随含水率升高先增大后减小,而内摩擦角变化较小,其他学者[6-9]也得到了类似的结论。林海等[9]利用直剪试验、X射线衍射分析和扫描电镜等手段开展了尾砂抗剪强度研究,发现随着含水率(10%～20%)增大,抗剪强度由于存在黏土矿物而减小。金佳旭等[10]通过常规三轴试验研究了含水(11%～19%)尾细砂的力学性质,发现当含水率由15%增至17%时,黏聚力下降较明显。

在含水尾砂堆积坝振动变形及稳定性研究方面,陈宜楷[11]、秦华礼等[12]通过数值模拟研究了尾矿坝稳定性中的水作用机理,认为水使得危险滑弧范围与跨度变大,坝体抗剪强度下降。崔冠哲等[13]结合振动台试验与数值模拟研究了尾矿坝的地震响应特征,发现含水率对滩面及外坡下部的动力响应有放大作用。HUNG等[14]采用离心机试验研究了地震与降水影响下的砂质堆积体稳定性,发现地震、降水对坝体稳定性影响显著。杨兵等[15]通过振动台试验认为含水率对砂土、黏土边坡的破坏模式均有较大影响。孙志亮等[16]基于振动台试验研究了含水堆积体边坡动力响应规律,发现含水率较大(6.6%)的堆积体永久位移、阻尼比、地面峰值加速度放大系数大于低含水(0.7%)堆积体。杨忠平等[17]通过大型振动台试验研究了频发微震作用下土石混合堆积体的动力响应特征,认为随着含水率(4%～10%)增加,堆积体裂缝发育越早,对应的趋高趋表效应有增强趋势。

现阶段对于尾砂堆积坝动力特性的研究大多侧重在堆积体宏观稳定性方面,针对含水尾砂堆积体的动力破坏研究涉及较少,尤其基于数字图像相关技术(Digital Image Correlation Technology,DIC)研究堆积体表面破裂过程及变形损伤特性的成果鲜有报道。本研究在含水率0～16.0%范围内进行尾砂直剪试验与堆积坝模型振动台试验,利用DIC技术分析含水堆积坝的振动破坏规律,并探究其变形破裂特性、局部变形化及损伤特征等,为尾矿坝抗震设计、排渗技术及稳定性研究提供参考。

1 直剪试验

1.1 试验材料及过程

试验所用材料选用北京首云矿业全尾砂,根据《土工试验方法标准》(GBT 50123—2019)[18],尾砂颗粒分析试验结果及物理特性指标值见表1、表2,颗粒级配曲线如图1所示。

表1 粒径测试试验结果Table 1 Test results of partical size μm

表2 尾砂物理特性指标Table 2 Main physical property parameters of tailings

图1 尾砂颗粒级配曲线Fig.1 Distribution curve of particle size of tailings

试验过程为:①控制干密度(1.68 g/cm3)一定,预先制备11组不同含水率(0～16.0%)的非饱和尾砂试样,用塑料袋密封在密闭保湿容器中静置24 h后取出,取样烘干测定含水率;②11组尾砂试样每组分别用环刀制备4个试样,按照相同的击实功,各试样击实次数均为5次来保证具有相同的压实度;③将制备的试样装入ZJ型应变控制式直剪仪的剪切盒(图2)中按标准固结稳定后,分别在法向应力100、200、300、400 kPa下,以0.8 mm/min剪切速率进行不排水固结快剪,确保试样在3～5 min内剪破,记录每一级荷载作用下的剪切变形位移,最终通过计算获得相应的最大剪切力。

1.2 试验结果及分析

根据直剪试验得到的不同竖向应力对应的抗剪强度,通过拟合得出不同含水率尾砂的抗剪强度参数,黏聚力c、内摩擦角φ与含水率ω的关系如图3所示。

由图3可知:随着含水率增加,尾砂黏聚力总体上呈先增大后减小的趋势,对黏聚力随含水率变化曲线进行非线性拟合,得到c-ω关系式:

式中,ω为尾砂样品含水率,%;c为尾矿黏聚力,kPa;拟合度R2=0.980 47。

图3表明存在特征含水率9%,在含水率达到9%左右时,尾砂黏聚力最大,尾砂颗粒间的水膜联结和胶结作用是影响尾砂黏聚力的重要因素[19];当含水量为0时,尾砂颗粒间没有水膜,此时黏聚力接近0;当含水率较低时,颗粒间形成水膜,在水的吸附作用下,尾砂黏聚力增大;但随着含水率增大至9%左右后,尾砂颗粒间水膜增厚,一部分转化为自由水,使得水膜与颗粒间黏滞性削弱,从而大大降低了黏聚力;另一方面随着含水增多,水将某些胶结物溶解或软化,颗粒间胶结作用丧失,导致黏聚力减小。

图3 尾砂抗剪强度参数与含水率的关系Fig.3 Relationship between the shear strength parameters and moisture content of tailings

内摩擦角随着含水率增加波动不大,变化范围为30.03°～33.44°,尾矿的内摩擦角主要与尾矿的颗粒大小、结构、密实度等紧密相关。试验所选的尾砂属于砂类,其颗粒粒径较粗,含水率变化对其颗粒结构、大小、密实度等的影响不显著,因此含水率变化对尾砂内摩擦角影响不大。

本研究通过开展固结直剪试验,得到尾砂含水率与抗剪强度指标c、φ的关系,为后期振动台试验分析含水率对尾矿堆积坝表面破裂及变形规律的影响提供了重要依据。

2 尾砂堆积坝振动试验

2.1 实验装置及方案

本研究实验装置由自制振动台、模型箱、图像采集设备及照明设备组成,如图4所示。试验采用500 mm×300 mm×200 mm(长×宽×高)的刚性模型箱,两侧为透明玻璃以便观察破坏过程,模型箱内部四周贴塑料薄膜以最大限度减小边界效应的影响。共设置 4组含水堆积坝(5.6%、9.0%、13.0%、16.0%)振动试验,试验方案如表3所示。

图4 试验装置示意Fig.4 Schematic of the test device

表3 模型试验方案Table 3 Schemes for model tests

试验过程为:①堆积坝模型制作:含水试样制备方法与直剪试验中相同,采用分层堆填法筑坝,每次堆筑5 cm高,在填筑过程中,每层施加固定碾压应力,以保证堆积坝孔隙及力学特性均一,坝坡比设置为1∶2,堆积坝尺寸如图5所示;②制作坝体表面散斑;③设定振动台参数:基于正弦波幅值一致、不易受干扰、可以模拟复杂随机振动环境(如旋转、脉动、振荡等)的优点,选取正弦循环扫频振动来模拟地震荷载输入,具体参数为:频率为5～10 Hz循环扫频振动,扫频时间为600 s,手动触发;④为确保采集的图像具有可靠的灰度值,模型上方设置若干LED灯以改善光照条件,将Canon EOS 80D单反相机固定在坝体模型正上方,全程记录坝体表面图像,分辨率为1 920×1 080。

图5 堆积坝模型示意(单位:mm)Fig.5 Schematic of accumulation dam model

2.2 模型破坏特征分析

2.2.1 破坏形态

在相同循环扫频振动条件下,不同含水尾砂堆积坝模型的破裂形态不同。4组试验的模型表面最终破裂形态如图6所示。由图6可知:含水9.0%堆积坝表面未出现任何裂隙,其余3组模型表面均在坝顶与坝肩处出现破裂,形态可分为两种类型:①“交错溃散”型(含水5.6%与13.0%),在坝顶与坝肩处起裂,产生多条交错贯通弯折裂隙,且出现较多分叉,其裂纹主要沿垂直于振动方向延伸;②“局部单一”型(含水16.0%),单条裂隙在坝顶处起裂,裂隙方向为平行于振动方向延伸。

图6 不同含水堆积坝表面破坏形态Fig.6 Damage patterns on the surface of accumulation dams with different water contents

含水9.0%堆积坝表面宏观上未开裂,稳定性最好,主要有两方面原因:

(1)前期直剪试验表明,含水率为9.0%左右时,尾砂黏聚力最大,增加了尾砂堆积坝的稳定性,同时说明黏聚力对于尾砂堆积坝稳定性具有重要影响。

(2)随着含水率增加,坝体强度减弱,变形能力增强,同时尾砂内部产生的剪应变增加,阻尼比增大,增加了坝体耗散能。阻尼比增大造成的能量衰减可能超过土体强度减弱对边坡稳定性的影响,因此在相同外荷载作用下含水率较大(9.0%)的堆积坝比含水率较小(5.6%)的堆积坝更稳定,这一现象与杨兵等[15]研究结果相似。但继续增大含水率,尾砂黏聚力急剧减小高达80%,堆积体强度减弱效应超出了阻尼比影响下的耗散能增加对堆积坝稳定性的影响,从而出现试验中的含水堆积坝(13.0%,16.0%)破裂现象。

2.2.2 破坏模式

为探究含水模型表面的破裂演化特征,对含水5.6%、13.0%、16.0%堆积坝模型表面的全局应变场进行了分析,其应变场演化云图如图7所示。

图7 不同含水尾砂堆积坝主应变分布Fig.7 Principal strain distribution of tailings dam with different moisture content

由图7可知:含水堆积坝破坏过程可以总结为4个阶段:①振动密实阶段(0 s):试验初期,由于受到堆积体表面微小不平整的影响,无论含水率如何,在各自的主应变场中都会分布着一些应变局部化带。此时坝体的破裂尚未开始,损伤尚未发展,坝体表面无裂隙生成,堆积体因振动变得密实。②裂隙发育阶段(0～300 s):该阶段堆积体模型损伤开始逐渐发展。此阶段初期,表面非均匀分布的局部化带逐渐消失,含水堆积坝在坝肩(ω=13.0%)或坝顶(ω=5.6%、16.0%)最先起裂,出现应变集中区域,这是由于堆积体动力响应存在趋高趋表效应,坝肩及坝顶位置响应最为强烈的缘故,地震作用下坡肩、坝顶位置应作为重点防护位置。③坝顶裂隙扩展阶段(300～450 s):该阶段堆积体模型表面逐渐达到新的应力平衡,新的有一定规律的高应变带出现,局部化带宽度明显增加,并扩展至整个试样上下,能够清晰地表示裂隙的扩展过程。④坝面裂隙贯通阶段(450～600 s):拉剪裂隙相互贯通并向坝脚延伸。堆积体存在大量裂隙,成为后续坝体变形演化的潜在影响因素。

采用VIC软件的“Inspector Tools”点数据提取功能,进一步判断含水堆积体表面裂隙的类型及破裂模式。在每一组(ω=5.6%、13.0%、16.0%)堆积体表面分别设置裂隙关键点(起裂点、裂隙端点和裂隙中心),通过软件提取关键点的拉伸应变及剪切应变—时间序列数据,绘制各点的拉伸应变—时间、剪切应变—时间图(图8),比较每点两种应变数值大小,判断裂隙起裂模式[20],总结不同含水堆积体的振动破坏模式。

图8 裂隙关键点的拉伸和剪切应变曲线Fig.8 Curves of tensile and shear strain at critical points of the fracture

图8(a)为含水5.6%堆积体裂隙关键点的拉伸与剪切应变—时间曲线,P0为起裂点,同样也是裂隙中心,P1、P2为裂隙端点。对于起裂点P0,随着试验进行,P0点处剪切应变始终大于相应的拉伸应变,可以认为5.6%含水堆积体在起裂时受剪应力控制,于坝顶处产生垂直于振动方向的剪切裂纹;对于裂隙端点P1、P2,试验过程中其拉伸应变大于各点对应的剪切应变,裂隙两端表现为张拉破坏,与试验中观察到的现象(裂纹面较光滑、无错动、呈现张开状)相符合。可以认为,当含水率为5.6%时,裂隙从坝顶处起裂到扩展至两端时逐渐由剪切型裂隙发展为张拉型裂隙,说明在裂隙扩展过程中由开始的剪应力控制逐步变为拉伸应力控制,最终以拉剪混合模式破裂。

图8(b)为含水率13.0%时裂隙关键点的拉伸与剪切应变—时间曲线,裂纹从堆积体坝肩位置P0处开始起裂,并逐步向垂直于振动方向扩展至P1、P2位置,裂隙呈张开状贯通延伸,对于起裂点P0、裂隙中心点P1以及裂隙端点P2,每一点的拉伸应变大于相应的剪切应变。可见,含水13.0%堆积体表面的裂隙由坝肩处起裂沿垂直于振动方向形成张拉裂隙,最终坝体整体由张拉破坏主导。

当堆积坝含水率为16.0%时(图8(c)),裂隙由堆积坝坝顶中心点P0处起裂,沿平行于振动方向发育至P1点,最终向坝坡底面扩展至P2位置,对于起裂点P0、裂隙中心点P1、裂隙端点P2,每一关键点处的拉伸应变均大于相应的剪切应变,破裂模式与含水率为13.0%时相似,整体呈张拉破坏模式。

试验结果表明:随着含水率增加,尾砂堆积坝振动破坏模式由拉剪破坏向张拉破坏主导过渡。这是由于随着含水率增大,坝体孔隙或者裂隙中将产生越来越高的动孔隙压力,孔隙压力减少了尾砂颗粒之间的压应力,降低了坝体的抗剪强度,使得堆积坝表面的裂隙端部处于受拉状态,从而使得破坏模式逐渐向张拉破坏转变。

2.2.3 开裂时刻

堆积坝表面开裂时刻对尾矿坝溃坝预测有重要的指导意义。为进一步分析含水率对坝体裂隙开裂时刻的影响,使用VIC软件的“Inspector Tools”点数据提取功能,提取每一组(ω=5.6%,13.0%,16.0%)堆积体表面裂隙起裂点处的全局应变时间序列数据,绘制了0～30 s内不同含水率下起裂点处全局主应变的发展规律曲线,如图9所示。由图9可知:表面应变突增会伴随表面裂纹产生[21],可以直观看出13.0%与16.0%含水堆积坝的裂隙起裂点随时间存在“突增”变化,含水16.0%堆积体约在0～10 s内发生开裂,含水13.0%堆积体开裂时刻约为10～20 s,但对其具体开裂“突增”时刻值无法准确判断。为了准确判断其具体起裂时刻,绘制了坝体起裂点对应的主应变变化率曲线,如图10所示。

图9 含水坝体表面起裂点处应变变化曲线Fig.9 Variation curves of the principal strain at the cracking point on the surface of water-bearing dam

图10 含水坝体表面起裂点处主应变率变化曲线Fig.10 Variation curves of the principal strain rate at the cracking point on the surface of water-bearing dam

由图10可知:在0～15 s内,含水率为16.0%的坝体起裂点处主应变率曲线存在波动,t1=4.5 s时,应变率由0急剧增大,代表此时表面应变突增,坝体表面开始出现破裂;含水13.0%的坝体起裂点处主应变率曲线也存在波动;t2=11.5 s时,应变率由0急剧增大,则认为试验开始后11.5 s时为开裂时刻;含水率为5.6%的坝体表面起裂点处的主应变率平缓并且数值接近0,说明此时间段0～15 s内表面应变没有突增现象,未产生破裂。因此,含水率16.0%坝体在t1=4.5 s时刻最早产生裂隙,含水率为13.0%的坝体次之,含水率为5.6%的坝体出现裂隙最晚。

开裂时刻存在差异的主要原因是:一方面,黏聚力对尾砂堆积坝起裂时刻具有关键作用。3组含水尾砂黏聚力大小排列为5.6%＞13.0%＞16.0%,含水16.0%的尾砂黏聚力最小,尾砂颗粒间液桥的表面张力较小,在相同振动条件下,高含水尾砂堆积坝将较快达到堆积坝开裂的临界基质吸力,使得尾砂颗粒间液桥破裂,裂缝最早发育;另一方面,随着含水率增加,模型表面变形非均匀程度增加,变形局部化现象提前产生,裂隙也随之较早产生。

2.3 应变局部化现象

应变局部化现象是坝体细观尺度的典型破坏特征,主要表现为堆积体在破坏时其应变(或变形)集中于某局部窄小区域的一种现象。含水16.0%坝体的表面破裂形态为平行于振动方向的单一裂隙(图6(d)),即应变集中于坝顶局部窄小区域,且由2.2.2节中得出其表面破裂带属于拉裂带,符合应变局部化现象。因此本研究以高含水率16.0%的堆积体为例,基于DIC技术进一步在细观尺度下分析应变局部化启动全过程。

为揭示含水率为16.0%坝体的应变局部化产生过程,使用VIC软件的“Inspector Tools”线片段数据功能提取0～30 s的1#～4#点局部径向应变,并绘制了应变—时间演变曲线图(图11)。由图11可知:在试验开始的0～3.7 s内,含水率16.0%的坝体1#～4#点径向应变之间的差值基本保持恒定且其值近乎为0,曲线基本重合,表明在此阶段坝体表面应变发展趋势相同,属于均匀变形;在试验时间t=3.7 s之后,各部分局部径向应变曲线不再重合,出现较大分叉,表明应变逐渐沿着不同的趋势开始发展,表现为非均匀变形,即在试验时间t=3.7 s时,高含水16.0%坝体由均匀变形到非均匀变形,标志着应变局部化现象出现。

图11 含水16.0%坝体不同位置局部应变演变Fig.11 Local strain evolution at different locations of the dam with 16.0%moisture content

基于本文2.2.3节所得结论,含水率为16.0%的尾砂堆积坝表面开裂时刻为t1=4.5 s,起裂模式以张拉破坏为主,总结其开裂过程(图12)为:均匀变形(0～3.7 s)→应变局部化现象出现(t=3.7 s)→开始产生非均匀变形并出现应变局部化张拉带(3.7～4.5 s)→张拉破坏主导的宏观开裂(t1=4.5 s)→裂隙扩展延伸贯通(4.5 s之后)。

图12 含水16.0%堆积坝表面开裂过程Fig.12 Surface rupture process of the 16.0% water-bearing accumulation dam

分析图12可知:含水率为16.0%的堆积坝出现宏观破裂之前,在未来破裂位置会迅速出现应变局部化带,这是因为在高含水(16.0%)状态时,由于水分子渗入到尾砂黏土矿物颗粒之间,矿物大幅度膨胀,且变形往往不均匀,出现明显的应变局部化带,宏观上表现为堆积体表面变形快速集中,最终产生宏观裂纹。因此应变局部化是尾砂堆积坝局部破坏的一种前兆,基于DIC技术可以有效地获得局部应变,跟踪记录渐进破坏的全过程,为尾矿坝防震减灾提供参考。

2.4 基于局部应变的损伤演化

如上文所述,利用DIC技术能够直观地观察到应变场演化和变形局部化的产生过程,为了进一步分析含水率对堆积体破坏的影响,通过DIC技术获得的局部应变数值结合Matlab数据处理,定义损伤因子表征不同含水堆积坝的非均匀损伤情况,定量分析含水率对堆积体破裂的影响。

在描述破裂损伤方面,目前大部分学者主要通过声发射、CT探测、电磁辐射等技术手段研究岩土体损伤,也有学者将应变与岩石损伤特征建立关系,鲜有研究将应变与尾砂堆积体表面损伤特征联系起来[22-25]。损伤演化过程实质上是表面变形由均匀到非均匀分布的渐进演化过程,若要用主应变值定量表征坝面损伤,则应变数值最大的一批测点对尾砂堆积坝表面损伤及表面宏观裂纹的形成影响较大。本研究统计了不同含水尾砂堆积体裂隙发育(A时刻)、扩展(B时刻)、贯通阶段(C时刻)3个特征时刻所有测点的主应变值分布频率信息,如图13所示。

图13 特征时刻处不同含水坝体主应变场分布Fig.13 Distribution of the main strain field of different water-bearing dams at characteristic moments

图13分析表明:所有测点中最大的前10%测点在损伤演化过程中变化最为突出,推测10%测点与堆积体表面破裂有关。为了验证此观点,以16.0%含水尾砂堆积坝为例,基于VIC软件提取了测点的空间位置坐标。16.0%含水坝面在裂隙发育A时刻、裂隙扩展B时刻与裂隙贯通C时刻的主应变云图以及对应时刻的散点分布图如图14所示。由图14可知:前10%测点散点图与应变云图分布规律高度一致,进一步表明前10%测点与表面破裂关系密切,能够有效用于表征坝体表面损伤演化特征。

图14 含水率16.0%特征时刻云图与散点图演化对比Fig.14 Comparison of nephogram and scatter chart at characteristic moments with 16.0%water content

本研究采用前10%测点的主应变均值与所有测点均值之差反映尾砂堆积坝表面的损伤程度,即

定义损伤因子为

不同含水状态下尾砂堆积坝损伤因子Df随时间的演化特征如图15所示。3组堆积体表面初始损伤约5%,随着累计损伤逐渐发展直至发生破裂。当含水率为5.6%时,振动开始后,堆积坝表面损伤累积缓慢增加,Df整体增长速率较稳定。这是因为低含水状态下尾砂黏聚力较大,由于存在颗粒间液桥张力而不易发生破坏,当试验进行至200 s左右时,堆积体由松散变得密实,内部结构发生改变,整体堆积体脆性增强,Df急剧增加,裂纹突然产生扩展,在短时间内应变突增,损伤程度急剧增加直至其表面多条裂隙贯通破坏,呈“突发式增长”趋势,表现出一定的整体“脆性”破坏特征。

图15 不同含水尾砂堆积坝损伤因子Df演化曲线Fig.15 Evolution curves of damage factor Df for tailings accumulation dams with different water content

当含水率为13.0%时,尾砂堆积坝在初期0～200 s左右其表面损伤累积迅速增加,表面裂隙不断产生发育,Df呈线性增长趋势;200～500 s内,损伤因子Df增长速度逐渐变缓,呈现出延性破坏特征,由于延性变形的积累,坝体损伤程度逐渐增大。高含水率(16.0%)堆积坝的Df演化规律与13.0%大致相似,由于含水率16.0%尾砂黏聚力最小,其内部结构容易被破坏,在初期损伤因子突增,裂隙开始产生与延伸,与试验现象吻合,在0～100 s左右,Df呈线性增长且曲线斜率比13.0%含水率堆积坝更高,说明高含水(16.0%)堆积坝损伤程度更高。随后Df增长逐渐变缓,损伤累积效应减弱。其原因在于:在高含水尾砂坝体中,随着振动的进行,孔隙或者裂隙中将产生越来越高的动孔隙压力,孔隙压力减少了尾砂颗粒之间的压应力,尾砂颗粒间在振动后期易发生相互错动咬合,使坝体内部的部分裂隙开始闭合,从而使得损伤累积效应有所减缓。

综上所述:水对坝体振动破坏形态、开裂时刻、破裂模式及损伤演化影响较大。在地震作用下,一些尾砂堆积坝发生的表面滑坡、坝体崩塌等事故本质上是坝体缺陷损伤演化直至发生宏观破坏的过程,在实际筑坝工程中堆积体含水率是值得引起重视的因素之一。该分析可为研究坝体表面变形破裂机制及相关堆积体的地质灾害防治提供依据。

3 结 论

针对含水率0～16%的尾砂进行了一系列直剪试验,在此基础上开展了基于DIC技术的尾砂堆积坝振动试验,实现了对尾砂堆积坝表面破裂的全场实时测量,对含水尾砂堆积坝振动破坏规律及局部变形化启动过程进行了分析,并定量表征了含水坝面的损伤演化,主要结论如下:

(1)在含水率0～16.0%范围内,尾砂黏聚力随含水率的增大呈现先增大后减小趋势,在特征含水率9%时达到最大,采用非线性曲线拟合方法得出了c-ω拟合公式;尾砂含水率的改变对内摩擦角影响较小,在30.03°～33.44°范围内波动。

(2)尾砂黏聚力大小与尾砂堆积坝开裂及宏观稳定性密切相关。含水率较大(9.0%)的堆积坝比含水率较小(5.6%)的堆积坝更稳定,但继续增大含水率,堆积坝(13.0%、16.0%)仍会发生破裂现象且开裂时刻提前,主要与黏聚力和阻尼比影响的耗散能变化有关。

(3)含水率对尾砂堆积坝振动破裂形态和破裂模式影响显著。高含水率16.0%坝体在坝顶处沿平行于振动方向开裂,裂隙形态呈“局部单一”特征;其余含水坝体(ω=13.0%、5.6%)分别在坝顶、坝肩处主要沿垂直于振动方向开裂,裂隙形态呈“交错溃散”特征。随着含水率增加,尾砂堆积体破坏模式由拉剪破坏向张拉破坏主导过渡。

(4)应变局部化现象是尾砂堆积坝局部发生变形破坏的前兆;基于应变场数据统计分析建立了前10%较大应变值与损伤的关系,引入了损伤因子Df定量表征含水坝体损伤程度。含水5.6%堆积坝在初期损伤累积缓慢增加,随后Df突发增长,表现出脆性破坏特征,含水13.0%与16.0%的尾砂堆积坝初期Df呈线性快速增长随后Df增长变缓,逐渐向延性破坏转变,且高含水(16.0%)堆积坝前期Df线性增长斜率更高,损伤累计更大。后续可从细观尺度建立含水尾砂颗粒结构与宏观堆积坝损伤演化特性的关联,进一步解释其振动损伤机制。

由于该问题的复杂性,以上结论仅适用于0～16%含水率范围内,其余含水范围尚需进一步深入分析和验证。