鈾尾礦砂基質(zhì)吸力對(duì)鈾尾礦壩力學(xué)性能影響試驗(yàn)探究

黃向榮,章求才*,郭睿楊,李蘇哲,劉 永,徐正華

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.湖南省鈾尾礦庫退役治理工程技術(shù)研究中心,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

近年來，污染問題日益顯著，二氧化碳等溫室氣體排放日益增多，清潔能源在各個(gè)國家的占比越來越大，對(duì)核燃料原料例如鈾礦等的開采需求也不斷加劇[1]。很多國家在處置鈾礦開采所遺留下來的廢料、廢渣問題時(shí)，都是選擇構(gòu)建尾礦庫的形式，將廢料就地掩埋，上面覆層黃土，構(gòu)筑成壩體[2]。但是，這種尾礦處理方式存在很多安全方面的問題，有很多尾礦庫在安全方面存在比較大的隱患，占比接近40%[3]，迄今為止，我國有11 946座尾礦庫[4-5]，尾礦庫壩體的安全穩(wěn)定對(duì)周邊環(huán)境、居民安全以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大影響。在對(duì)尾礦壩體進(jìn)行力學(xué)平衡探究時(shí)，分析影響尾礦砂力學(xué)特性的因素尤為重要。影響基坑穩(wěn)定的因素有很多種，而鈾尾礦砂產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度是其中很重要的一個(gè)影響因素，一旦由于降雨或管道漏水等因素使尾礦砂中含水率增加，造成吸力消減，就可能會(huì)發(fā)生尾礦壩垮壩事故[6]。

力學(xué)平衡是一切物體穩(wěn)定的基礎(chǔ)，土力學(xué)作為一門研究土體與應(yīng)力作用關(guān)系的一門學(xué)科，非常適合用于研究鈾尾礦庫壩體的穩(wěn)定性問題?，F(xiàn)階段，有限單元法是對(duì)鈾尾礦庫進(jìn)行試驗(yàn)和探究的方法中最具有代表性方法之一，也是應(yīng)用最廣泛的一種方法[7]。所謂有限單元法，是一種高效解決數(shù)學(xué)問題的解題方法，將一種復(fù)雜的總體連續(xù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)易的離散結(jié)構(gòu)，達(dá)到化繁為簡(jiǎn)的效果，再對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，采用網(wǎng)格劃分的方法，將繁雜的連續(xù)介質(zhì)隔開成為一個(gè)個(gè)的小單元體，在節(jié)點(diǎn)處將各個(gè)單元體鏈接起來，形成一種離散形式的結(jié)構(gòu)。顆粒流法[8]是近幾年出現(xiàn)的一種離散單元法，是通過模擬圓形顆粒介質(zhì)之間的運(yùn)動(dòng)和它們之間的相互作用，摸索探究顆粒介質(zhì)之間特有的特殊性質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 尾礦砂取樣及其級(jí)配情況

尾礦砂試樣來自湖南省某鈾尾礦庫壩體，取樣干灘深度為1.0 m。取質(zhì)量為200 g的尾礦砂，根據(jù)土力學(xué)顆粒分析試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)試樣進(jìn)行篩分(顆粒粒徑大于2 mm的尾礦砂顆粒，只占尾礦砂總量的0.45%，忽略不計(jì))。試樣分別經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)篩的直徑為1.0、0.5、0.25、0.105、0.075 mm，對(duì)過篩的尾礦砂試樣進(jìn)行多組平行試驗(yàn)，最終的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 尾礦砂顆粒組成表Table 1 Composition of tailings particles

由表1可用Matlab作出該鈾尾礦砂在灘面深度為1.0 m的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線，如圖1所示。根據(jù)圖1可以得出的幾個(gè)量，通過限制直徑d60、中值粒徑d30、有效粒徑d10來計(jì)算出此尾礦砂的級(jí)配參數(shù)不均勻系數(shù)cu和曲率系數(shù)cc，計(jì)算結(jié)果列入表1。計(jì)算出的不均勻系數(shù)大于1小于5且曲率系數(shù)處于1和3之間，說明樣品鈾尾礦砂的顆粒均勻程度達(dá)標(biāo)，屬級(jí)配良好的砂土。

圖1 尾礦砂的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線Fig.1 Curve of particle size distribution of tailings sand

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)測(cè)量確定樣本鈾尾礦砂的主要物理性質(zhì)方面的參數(shù)指標(biāo)，如表2所示。樣本有效粒徑d10為0.086 mm，中值粒徑d30為0.191 mm，限制粒徑d60為0.393，不均勻系數(shù)Cu為4.543，曲率系數(shù)Cc為1.074。

1.2 鈾尾礦砂基質(zhì)吸力及直剪試驗(yàn)方案

按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過控制改變含水率ω等變量的方法進(jìn)行試驗(yàn)。分別制取初始含水率為2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、30%、32%、34%、36%、38%的試樣，并采用濾紙法和直剪中的快剪法來測(cè)定試樣的基質(zhì)吸力和抗剪強(qiáng)度，將配好的試樣一直處于恒溫中，防止溫度波動(dòng)影響尾礦砂里面的水分。

表2 鈾尾礦砂的主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Major indexes of physical properties of tailings sand

本次試驗(yàn)采用了電動(dòng)四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀，分別施加了50、100、150 kPa這3種不同的垂直法向量應(yīng)力，試驗(yàn)剪切的速度保持在0.6 mm/min。依據(jù)庫侖定律計(jì)算出土的抗剪強(qiáng)度τ，對(duì)尾礦砂的試樣進(jìn)行分組試驗(yàn)，取4個(gè)相同的含水率樣品作為一組(平行試驗(yàn)取多個(gè)值的平均值)，分別在差異化的荷載強(qiáng)度下，沿著一個(gè)已經(jīng)確定的剪切面施加一個(gè)平行于水平地面方向的剪力進(jìn)行剪切，當(dāng)其被剪壞時(shí)單位面積上所承受的剪力，就是其抗剪強(qiáng)度τ。

2 結(jié)果與討論

鈾尾礦砂不同含水率下的基質(zhì)吸力和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表中所列數(shù)值為4組平行試驗(yàn)的平均值。

表3 灘面深度為1.0 m的鈾尾礦砂土工試驗(yàn)結(jié)果表Table 3 Geotechnical testing results of tailings sand in the beach’s depth 1.0 m

根據(jù)表3繪制基質(zhì)吸力、抗剪強(qiáng)度隨著含水率變化如圖2、圖3所示。

圖2 鈾尾礦砂基質(zhì)吸力隨含水率的變化情況Fig.2 The variation of matric suction of uranium tailing ore with water content

圖3 抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化情況Fig.3 The variation of shear strength with water content

圖2為尾礦砂與基質(zhì)吸力之間的特征曲線圖。由圖2可知，尾礦砂中的含水量在小于8%的時(shí)候，鈾尾礦砂中含水率對(duì)基質(zhì)吸力有著很大的影響。隨著鈾尾礦砂中含水率的增大，尾礦砂對(duì)水分的吸引作用力減小，試驗(yàn)樣品最外層的孔隙中的水容易流失掉，且每個(gè)試樣孔隙向外排出的水分與孔隙體積的比值都很相近。隨著基質(zhì)吸力的逐漸變大，試驗(yàn)樣本內(nèi)部尾礦砂顆粒與顆粒集合體之間空隙的水分開始向外流失，土樣密度越大，水分越不容易流失，密度比較小的樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有更多的細(xì)小孔洞結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)比較疏松，水分更容易流散消失，這樣就會(huì)使得尾礦砂中的δ(水占的空間與空隙占的空間之比)快速下降。使用f(x)=a×e-bx的函數(shù)進(jìn)行擬合(如圖4所示)時(shí)，在擬合精度達(dá)到99%時(shí)，a的值為1.6×105，b的值為0.8。由曲線的斜率很明顯地看出在第6個(gè)點(diǎn)之后，曲線的斜率接近0，說明在第6個(gè)點(diǎn)之后，曲線變平緩了。

加入不同長(zhǎng)度泡沫混凝土樁，充填體+樁結(jié)合形成增強(qiáng)體，與樁間土共同作用的復(fù)合地基。樁間土壓力明顯減低，中心20 cm處土壓力僅60 kPa，但溶洞底部的土壓力最大，這是由于泡沫混凝土充填體將樁體部分承擔(dān)荷載傳遞至溶洞底部，較均勻地?cái)U(kuò)散，減少樁體底部集中力，泡沫混凝土樁形成端承樁。與此同時(shí)，相較于試驗(yàn)1-0、試驗(yàn)1-1，邊緣土壓力均更小，復(fù)合地基加固區(qū)承擔(dān)了較多的荷載。

根據(jù)摩爾—庫侖強(qiáng)度理論，即：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：τ為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；σ為承受的垂直壓力，kPa。

由式(1)可知τ是由兩部分構(gòu)成：σtanφ和c，其中σtanφ為摩擦強(qiáng)度，c為黏聚強(qiáng)度，由此可以得到，對(duì)尾礦砂抗剪強(qiáng)度起到實(shí)質(zhì)性作用的量是內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。根據(jù)表3描述影響抗剪強(qiáng)度的因素φ和c隨含水率變化的規(guī)律并分析其原因，可反映抗剪強(qiáng)度值的變化規(guī)律?？辜魪?qiáng)度曲線呈現(xiàn)的趨勢(shì)是一種平穩(wěn)序列，說明無論含水率怎么變化，只要荷載強(qiáng)度一定，抗剪強(qiáng)度就始終圍繞一個(gè)值上下波動(dòng)。

隨著含水率變化，內(nèi)摩擦角的波動(dòng)情況分布如圖5所示。

圖4 含水率與基質(zhì)吸力擬合圖Fig.4 Fitting diagram of water content and matric suction

圖5 內(nèi)摩擦角隨含水率變化圖Fig.5 Internal friction angle as change with moisture content

一般認(rèn)為，隨著尾礦砂含水率的增加，內(nèi)摩擦角會(huì)呈現(xiàn)一種逐漸降低的規(guī)律。但是由圖5可見，在前期鈾尾礦砂含水率較低的時(shí)候，內(nèi)摩擦角會(huì)伴隨著鈾尾礦砂含水量的增加呈現(xiàn)一種先快速上升然后減小的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，然后又慢慢變大。尾礦砂中的水的比例為26%時(shí)，內(nèi)摩擦角到達(dá)一個(gè)最大值，之后會(huì)有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)，且整體的圖形變化趨勢(shì)不具有很明顯的規(guī)律。

因?yàn)殁櫸驳V砂集聚體首先吸水膨脹，使土體空隙增大，造成內(nèi)摩擦角有所增大；伴隨著尾砂中水比例的不斷變大，其表面將會(huì)覆蓋比較薄的水膜，配位數(shù)略微增加，內(nèi)摩擦角有所減少；但水含率再增大時(shí)，由于鈾尾礦砂是鈾尾礦庫退役后堆砌起來的，其中很大一部分的尾礦砂摻雜著尚未完全回收的礦物，因而其顆粒和普通的沙土相比，表面的潔凈程度更差，原本表面吸附膜會(huì)被溶解破壞，內(nèi)摩擦角φ會(huì)變大;當(dāng)ω超過26%時(shí)，這種溶解破壞吸附膜的影響減弱，但水膜的作用面積在不斷增大，尾礦砂的配位數(shù)明顯上升，即內(nèi)摩擦角φ不斷減少，與一般的規(guī)律相符。

當(dāng)不把內(nèi)摩擦角作為尾礦砂抗剪強(qiáng)度的影響因子時(shí)，即能分析出黏聚力與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，通常所說的黏聚力是指遭受損壞的那一面在不施加任何正應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度，干砂和黏土的黏聚力一般取值為0。尾礦砂的含水率不同會(huì)導(dǎo)致不同的黏聚力，進(jìn)而會(huì)改變尾礦壩在物理方面的一些特性。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制尾礦砂含水率ω與黏聚力c之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 含水率與黏聚力關(guān)系圖Fig.6 Water content and cohesion diagram

尾礦砂顆粒之間的作用力分為范德華力、雙電層引起的引力或斥力、膠結(jié)力和由負(fù)孔壓與液體表面張力引起的毛細(xì)應(yīng)力，而影響鈾尾礦砂黏聚力的主要因素為雙電層引起的引力或斥力、表面黏聚力。因?yàn)槲驳V砂的表層有不平衡的電子存在，尾礦砂顆粒的周圍因此會(huì)存在一個(gè)電場(chǎng)，當(dāng)尾礦砂的含水率較低時(shí)，尾礦砂顆粒四周的電場(chǎng)遭到部分破壞，但破壞相對(duì)較小，且依據(jù)同種電荷相互排斥，則尾礦砂顆粒在含水率較低時(shí)黏聚力逐漸減??；隨著含水率的不斷增大，尾礦砂顆粒四周被一層水膜所覆蓋，水分子之間的范德華力較大，尾礦砂內(nèi)部各分子之間的吸引力在增大；而含水率超過26%時(shí)，尾礦砂中的水以自由水為主，顆粒之間的水分子張力逐漸增大，則其黏聚力將急劇下降。

根據(jù)表3繪制基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖7所示。可以看出，在開始階段，鈾尾礦砂含水率高，呈飽和狀態(tài)，而一般的土體處于飽和狀態(tài)后，處于其中的少量氣泡周圍都是水，這些氣體可以看作處于封閉狀態(tài)，氣體與水之間產(chǎn)生的表面張力不會(huì)直接作用在鈾尾礦砂上，因此，不會(huì)產(chǎn)生明顯的凝聚力，相對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力較低。

圖7 基質(zhì)吸力隨抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律Fig.7 The variation of matrix suction with shear strength

鈾尾礦砂的基質(zhì)吸力主要來自于鈾尾礦砂自身所帶水分中的毛細(xì)作用。毛細(xì)作用發(fā)生的最主要階段是抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化最顯著的一段，此階段的抗剪強(qiáng)度會(huì)到達(dá)一個(gè)峰值，此時(shí)土體中的水和空氣是相互貫穿的，都是可以流動(dòng)的，水和鈾尾礦砂之間的表面張力會(huì)反作用在顆粒上，使得鈾尾礦砂顆粒之間產(chǎn)生更容易凝聚在一起的力，稱為假凝聚力，這種凝聚力會(huì)加強(qiáng)鈾尾礦砂的基質(zhì)吸力，宏觀表現(xiàn)出顆粒之間易黏在一起，具有可塑形的現(xiàn)象。而隨著鈾尾礦砂中水分的流失，水和氣體之間表面張力亦跟著變小，總體反作用在鈾尾礦砂上的壓力會(huì)減小，基質(zhì)吸力因此也會(huì)變小。綜合圖2和圖7的折線圖，可以得出結(jié)論，在含水率處于14%之后，基質(zhì)吸力趨于穩(wěn)定，而此時(shí)基質(zhì)吸力對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度也在荷載強(qiáng)度一定的情況下趨于平穩(wěn)

3 結(jié) 論

1)鈾尾礦砂在一定的含水率范圍內(nèi)，相同飽和度下的鈾尾礦砂的基質(zhì)吸力會(huì)隨著干密度的增大而增大，但當(dāng)鈾尾礦砂含水率低于8%時(shí)，其對(duì)基質(zhì)吸力的影響越來越顯著。

2)在鈾尾礦砂所含水分比較少的情況下，內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)伴隨著含水率的增加先呈現(xiàn)一個(gè)快速上升趨勢(shì)然后減小，然后又慢慢變大，且當(dāng)含水率為26%時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最高點(diǎn)的數(shù)值，當(dāng)超過26%時(shí)，內(nèi)摩擦角角度趨于減小。

3)尾礦砂顆粒在水分比較少的時(shí)候，黏聚力是伴隨則水分的增多反而呈下降的趨勢(shì)，隨著含水率的不斷增大，尾礦砂顆粒四周被一層水膜所覆蓋，水分子之間的范德華力較大，尾礦砂內(nèi)部各個(gè)相鄰各部分之間的吸引力變大，而含水率超過26%時(shí)，尾礦砂中的水以自由水為主，顆粒之間的水分子張力逐漸增大，則其黏聚力將陡然下跌。

4)當(dāng)基質(zhì)吸力逐步增大，非飽和鈾尾礦砂的抗剪強(qiáng)度不會(huì)始終處于一個(gè)線性上漲的趨勢(shì)，而是在達(dá)到一定的值之后，會(huì)減小。究其原因?yàn)椋?dāng)基質(zhì)吸力較低時(shí)，鈾尾礦砂干密度較低，主要靠水分子間的作用力，因此鈾尾礦砂此時(shí)的抗剪強(qiáng)度較大，伴隨基質(zhì)吸力變大，含水率逐步減小，不但破壞鈾尾礦砂自身的薄膜黏聚力，而且水分子間的作用力較小，因此其抗剪強(qiáng)度較低。