劉 永，潘宇翔，張志軍，桂 榮，戴 兵，章求才，伍玲玲

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2. 湖南省鈾尾礦庫(kù)退役治理工程技術(shù)研究中心，湖南 衡陽(yáng) 421001；3. 鈾礦冶放射性控制技術(shù)湖南省工程研究中心，湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引言

在鈾礦資源開(kāi)采加工和利用的過(guò)程中，產(chǎn)生的鈾尾礦大多采用尾礦庫(kù)的形式進(jìn)行儲(chǔ)存[1]。鈾尾礦壩作為核設(shè)施的一種，其穩(wěn)定性是核工業(yè)健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的前提。但鈾尾礦壩長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，壩體浸潤(rùn)線和毛細(xì)水高度易受到降雨、外界溫度和濕度等因素的影響[2]，引起鈾尾砂飽和度增加，使鈾尾礦壩原有基質(zhì)吸力降低或消失，造成壩體抗剪強(qiáng)度大幅度降低。因此，研究鈾尾砂在不同水土特性狀態(tài)下基質(zhì)吸力變化規(guī)律對(duì)鈾尾礦壩安全穩(wěn)定和快速退役治理具有一定的指導(dǎo)意義。位于浸潤(rùn)線以上的鈾尾砂屬于非飽和土，與完全干燥或完全飽和的土體相比，非飽和土具有較為不同的性狀，若在對(duì)非飽和土特性進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)和描述的過(guò)程中仍采用飽和土力學(xué)理論進(jìn)行分析，則會(huì)存在忽略非飽和土特殊的固-液-氣三相多孔介質(zhì)微細(xì)觀結(jié)構(gòu)、各相介質(zhì)之間相互作用以及吸力作用對(duì)非飽和土體強(qiáng)度和變形特性的影響等問(wèn)題[3-5]。

自20世紀(jì)30年代將水-土特征曲線(SWCC)納入到土力學(xué)理論中來(lái)，Bishop等[6]、Fredlund等[7]、Khalili等[8]開(kāi)展了一系列有關(guān)基質(zhì)吸力與土體有效應(yīng)力或剪切強(qiáng)度之間關(guān)系的理論研究；Chaney等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水-土特征曲線與土體非飽和抗剪強(qiáng)度存在密切相關(guān)性；Thu等[10]測(cè)定和分析了基質(zhì)吸力對(duì)壓實(shí)淤泥試樣壓縮性和剛度的影響度；Young-Sulk Song等[11]通過(guò)軸平移技術(shù)發(fā)現(xiàn)砂土和淤泥的SWCC行為存在不同；Tan等[12]基于滲析法和濾紙法測(cè)定分析了合肥市某建筑工地膨脹土的水-土特征規(guī)律及其影響因素；Tahasildar等[13]通過(guò)室內(nèi)土體膨脹實(shí)驗(yàn)和吸力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨脹土的膨脹特性與SWCC曲線密切相關(guān)；Kim等[14]通過(guò)對(duì)Umyeonsan山體滑坡的研究，提出該事故主要由于降雨造成基質(zhì)吸力降低所引發(fā)；Li等[15]研究了基質(zhì)吸力對(duì)網(wǎng)紋紅土蠕變行為的影響。

由此可見(jiàn)，土水特性曲線對(duì)于研究非飽和土基質(zhì)吸力對(duì)其水力特性、抗剪強(qiáng)度、變形和固結(jié)等的影響具有重要意義，但目前關(guān)于基質(zhì)吸力的分析多是針對(duì)簡(jiǎn)單常規(guī)單一土料條件下的實(shí)驗(yàn)和研究，而鈾尾砂作為一類具有特殊礦物成分、化學(xué)成分和粒度組分的土料，使得在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中探究和分析基質(zhì)吸力對(duì)物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制變得更為復(fù)雜、難度更大，需綜合分析基質(zhì)吸力在一般土體變形和強(qiáng)度分析時(shí)的研究?jī)?nèi)容和分析方法，并充分考慮鈾尾礦砂這一特殊的復(fù)雜多孔介質(zhì)，以土水特征曲線和吸力應(yīng)力曲線為切入點(diǎn)進(jìn)行分析。

因此，本文通過(guò)對(duì)中國(guó)西南某鈾尾礦壩干灘區(qū)3種典型鈾尾砂樣運(yùn)用濾紙法展開(kāi)室內(nèi)基質(zhì)吸力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以探究含水率和干密度對(duì)非飽和鈾尾砂基質(zhì)吸力的影響，以及鈾尾砂基質(zhì)吸力變化規(guī)律與常規(guī)土料的差異。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的鈾尾砂取自中國(guó)西南某鈾尾礦庫(kù)，樣品如圖1所示。依據(jù)《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》(SL237-99)，測(cè)得3種原位鈾尾砂各項(xiàng)基本物理性質(zhì)指標(biāo)(見(jiàn)表1)，由于鈾尾砂原樣顆粒粒徑均小于2 mm，選取孔徑為1，0.5，0.25，0.1，0.075 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，按孔徑自下而上、由小到大的順序疊置，進(jìn)行顆粒分析實(shí)驗(yàn)，繪制出3種鈾尾砂樣品顆粒級(jí)配累計(jì)曲線，如圖2所示，并分別計(jì)算出顆粒級(jí)配參數(shù)(見(jiàn)表2)。3種鈾尾砂中，1#和2#尾砂的不均勻系數(shù)CU<5，曲率系數(shù)CC<1；3#尾砂的CU<5，CC<1，根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50145-2007)，說(shuō)明3種尾砂均屬于顆粒比較均勻，級(jí)配不良砂土。其中1#和2#尾砂主要顆粒粒徑集中在0.1～0.5 mm，屬于尾中砂，且1#尾砂的主要顆粒半徑所占百分比大于2#尾砂(72.119%>67.794%)，3#尾砂主要顆粒半徑集中在0.075～0.25 mm，占顆?？偭康?1.48%，屬于尾細(xì)砂。

1.2 濾紙法測(cè)定鈾尾砂基質(zhì)吸力實(shí)驗(yàn)原理

濾紙法測(cè)定鈾尾砂基質(zhì)吸力是將濾紙視作標(biāo)準(zhǔn)多孔介質(zhì)的傳感體，并基于濾紙這種傳感介質(zhì)能夠在待測(cè)鈾尾砂樣中的液相遷移下與其吸力相平衡的基礎(chǔ)上，通過(guò)量測(cè)平衡時(shí)濾紙的含水率以計(jì)算得到鈾尾砂的基質(zhì)吸力[16]。該方法具有價(jià)格低廉、精度較高、量程廣、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[17-18]。

濾紙法按照其測(cè)定方法的不同，可分為接觸式和非接觸式2種。由于接觸法中溶解在鈾尾礦砂中的溶解鹽會(huì)隨著水分一起遷移，不體現(xiàn)滲透吸力的影響，因此，接觸法更能夠反映出鈾尾礦砂基質(zhì)吸力的作用效果，故本文采用接觸式方法測(cè)定3種鈾尾礦砂基質(zhì)吸力。

實(shí)驗(yàn)所采用的杭州新華紙業(yè)“雙圈”牌濾紙主要技術(shù)參數(shù)為：灰分含量0.01%；直徑70 mm；過(guò)濾速度為慢速。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19]，其率定方程如公式(1)所示：

圖1 風(fēng)干后的鈾尾砂樣Fig.1 Air dried samples of uranium tailings

圖2 鈾尾礦砂樣品顆粒級(jí)配累計(jì)曲線Fig. 2 The particles cumulative curves of uranium tailings sample

表1 鈾尾礦砂主要物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Main physical property parameters of uranium tailings

(1)

式中：S表示吸力，kPa；Wf為濾紙含水率。

表2 鈾尾礦砂顆粒組Table 2 Particle size composition of uranium tailings

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取適量鈾尾礦砂樣品放置于恒溫干燥箱中(105～110℃)進(jìn)行烘干，時(shí)間不少于48 h，直至鈾尾砂質(zhì)量保持恒定不變。取出后，用保鮮膜覆蓋，待其冷卻至室溫后，稱量分裝至密封罐中。采用無(wú)氣水均勻噴灑的方式，將設(shè)計(jì)摻水量分別加入相應(yīng)的尾砂密封罐中，充分拌勻并壓實(shí)至相應(yīng)的干密度后立即密封，置于恒溫恒濕條件下靜置，靜置時(shí)間不少于2 d，使水分與鈾尾礦砂充分混合均勻，以配置成不同飽和度的鈾尾砂樣。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，不同飽和度梯度的鈾尾砂樣各取2個(gè)環(huán)刀土樣，放入3張裁剪好并充分干燥(105℃烘烤24 h)的濾紙(上下2張濾紙用于保護(hù)中間濾紙不被污染，中間濾紙用于基質(zhì)吸力測(cè)定)。在濾紙置于砂樣前，將中間層濾紙置于稱量盒中，用分析天平測(cè)量濾紙的質(zhì)量。用2層保鮮膜和1層膠帶將制備好的鈾尾砂試樣纏緊密封后，分裝進(jìn)密封盒，并放入恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱中不少于10 d，以達(dá)到濾紙和鈾尾礦砂水分充分平衡目的。水分平衡后，剪開(kāi)密封層，分離環(huán)刀試樣，用鑷子夾取出中間層濾紙，并快速(30 s之內(nèi)完成)測(cè)定其質(zhì)量。

2 結(jié)果分析

2.1 土水特征曲線(SWCC)擬合

在已提出的土-水特征曲線模型中，VG模型的擬合程度好，特別是對(duì)于砂土比較適用[20]。本文基于VG模型(如公式(2)所示)和實(shí)驗(yàn)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)擬合。通過(guò)擬合得到3種鈾尾礦砂VG模型對(duì)應(yīng)參數(shù)(見(jiàn)表3)，并依據(jù)所構(gòu)建的模型，繪制出3種鈾尾礦砂的土水特征曲線(SWCC)，結(jié)果如圖3所示。

(2)

式中：θ為體積含水率；α，n，m為擬合參數(shù)，其中m=1-1/n；(ua-uw)表示基質(zhì)吸力；θs和θr分別表示飽和含水率和殘余含水率。

表3 鈾尾礦砂的VG模型參數(shù)Table 3 Parameters of VG model used in uranium tailings

圖3 鈾尾礦砂土水特性擬合曲線Fig.3 Water characteristics curves of uranium tailings

由表3可知，3種鈾尾礦砂的擬合中R2值分別為0.98，0.95和0.98，這表明VG模型用于描述該類鈾尾礦砂土-水特征曲線適用性較好，且鈾尾礦砂基質(zhì)吸力與體積含水率之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。與進(jìn)氣值(AEV)相關(guān)的α參數(shù)，其大小為：α1#尾砂>α3#尾砂>α2#尾砂，說(shuō)明1#尾砂結(jié)構(gòu)孔隙最優(yōu)，3#次之，2#最差。

由圖3可以看出，3種鈾尾礦砂在基質(zhì)吸力隨體積含水率的變化趨勢(shì)上表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即：當(dāng)含水率大于某一特定值時(shí)，基質(zhì)吸力變化較為平緩，而當(dāng)含水率小于該值時(shí)，基質(zhì)吸力則會(huì)急劇增大。但因顆粒組分的不同，在上述2個(gè)階段中3種尾砂基質(zhì)吸力增長(zhǎng)速率存在一定的差異性。2#尾砂處于飽和或近飽和時(shí)，基質(zhì)吸力有1個(gè)較為短暫的快速增長(zhǎng)趨勢(shì)；相比于1#和2#尾砂，3#尾砂緩慢增長(zhǎng)期與快速增長(zhǎng)期的斜率變化并不顯著。3種尾砂在基質(zhì)吸力緩慢增長(zhǎng)期的增長(zhǎng)速率為3#>1#>2#，這與其曲率系數(shù)存在一定的非線性相關(guān)性(CC3#(0.83)>CC1#(0.716)>CC2#(0.615))。對(duì)于飽和含水率，3#尾砂最高，1#和2#尾砂大小相近；殘余含水率為2#尾砂略高于1#尾砂，3#尾砂最低，但總體來(lái)看，由于土水特征曲線的斜率2#>1#>3#，所以在同等條件下2#尾砂排水能力最強(qiáng)，1#次之，3#最差，這與其粗顆粒含量高低呈正相關(guān)性。

非飽和鈾尾礦砂抗剪強(qiáng)度受到基質(zhì)吸力的影響，吸力大小又和尾砂孔隙中含水量關(guān)系密切，經(jīng)量測(cè)該座鈾尾礦庫(kù)水位為24.447 m(壩高29.590 m)，且3處干灘取樣點(diǎn)在鉆孔取樣時(shí)至多鉆至2 m處時(shí)自然含水率基本大于12%，而從圖3中可以看出，當(dāng)1#和2#鈾尾礦砂體積含水率大于10%時(shí)，其基質(zhì)吸力都較小(<10 kPa)，由此可知，當(dāng)選用1#和2#尾砂作為筑壩材料時(shí)，基質(zhì)吸力對(duì)鈾尾礦壩抗剪強(qiáng)度及安全性系數(shù)的提高非常有限。

2.2 基質(zhì)吸力與干密度的關(guān)系

根據(jù)原位鉆孔土樣含量情況，本文選取1#尾砂(主料)作為典型試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，在同等含水率下，隨著干密度的增大，3組鈾尾砂基質(zhì)吸力均發(fā)生了改變，且這種改變因尾砂中含水率的高低而有所差異。當(dāng)含水率較低時(shí)，基質(zhì)吸力會(huì)隨著干密度的增大而增大，并且含水率越低，其增量尤為明顯(量級(jí)變化約為102)，這是因?yàn)槲采翱紫吨泻枯^低時(shí)，顆粒間結(jié)構(gòu)對(duì)基質(zhì)吸力的影響較為顯著，在尾砂體變密的過(guò)程中，顆粒排列更為緊密，使得各顆粒之間的接觸點(diǎn)增多，且接觸點(diǎn)夾腳處水量減小，故吸力增大。但尾砂體已經(jīng)具有一定的密實(shí)度，使得接觸點(diǎn)增加量十分有限，當(dāng)尾砂中含水率逐步提高，特別是含水率大于14%時(shí)，水對(duì)基質(zhì)吸力的影響度不容忽視，因壓密過(guò)程會(huì)使得土骨架中孔隙體積縮小，飽和度增大，造成吸力減小，因此干密度增加對(duì)基質(zhì)吸力的影響度逐漸趨弱。在含水率大于34%時(shí)，隨著干密度的增加，基質(zhì)吸力基本保持不變。

圖4 不同含水率條件下基質(zhì)吸力與干密度之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between matrix suction and dry density in uranium tailings under different moisture contents

上述現(xiàn)象與張鵬程等[21]的研究結(jié)果一致，即低水量階段，基質(zhì)吸力對(duì)干密度改變敏感；高水量階段，基質(zhì)吸力基本保持不變。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鈾尾礦砂在基質(zhì)吸力與含水率及干密度的關(guān)系上與一般性非飽和土相似。

2.3 吸力應(yīng)力特性曲線(SSCC)關(guān)系

由于實(shí)驗(yàn)或理論上確定有效應(yīng)力參數(shù)χ和附加摩擦角φb的困難，有效應(yīng)力理論(1959年Bishop提出)和雙獨(dú)立應(yīng)力狀態(tài)變量理論(1978年Fredlund提出)的有效性和實(shí)用性在研究和實(shí)踐運(yùn)用過(guò)程中存在很大程度的不確定性。為此，Lu等[11,22]在前人的理論基礎(chǔ)上，提出并建立了有效應(yīng)力與吸力應(yīng)力的關(guān)系式(見(jiàn)式(3))，而吸力應(yīng)力與有效飽和度、基質(zhì)吸力等關(guān)系密切，如式(4)[23]。其中，有效飽和度可以采用水土特性擬合曲線的VG模型參數(shù)進(jìn)行表示(見(jiàn)式(5))，因吸力應(yīng)力與土水特性曲線密切相關(guān)，這種關(guān)系被定義為SSCC[23]。

σ′=(σ-ua)-σs

(3)

σs=-(ua-uw)Se

(4)

(5)

式中：σ′為有效應(yīng)力；(σ-ua)為凈正應(yīng)力；σs為吸力應(yīng)力；Se為有效飽和度；(ua-uw)為基質(zhì)吸力；n,m,α為VG模型參數(shù)，其中m=1-1/n。

由式4反推可得基質(zhì)吸力與有效飽和度的關(guān)系表達(dá)式(見(jiàn)式(6))，并將式(6)代入式(4)，建立吸力應(yīng)力與有效飽和度的關(guān)系式，如式(7)所示。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和表3中的VG模型參數(shù)，代入式(7)計(jì)算得到σs，并繪出SSCC曲線圖，如圖5所示。

(6)

(7)

圖5 鈾尾礦砂SSCC曲線Fig.5 Curves of suction stress characteristic in uranium tailings

由圖5可知，1#和2#鈾尾砂在吸力應(yīng)力隨有效飽和度變化呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律：先隨著有效飽和度增加而減小，但減小速率逐漸趨緩；當(dāng)有效飽和度大于0.2時(shí)，吸力應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)(1#尾砂更為明顯)；接近完全飽和時(shí)，吸力應(yīng)力迅速上升至0。3#尾砂在有效飽和度從零開(kāi)始增大時(shí)，吸力應(yīng)力急劇降低至低谷值，隨后不斷增大，增速不斷趨緩后又逐漸增大。由式(2)，(3)和(6)分析可知：當(dāng)不考慮外加正應(yīng)力作用時(shí)，3種鈾尾砂有效應(yīng)力最大值均在有效飽和度為0～0.15之間。同時(shí)，1#和2#尾砂在接近完全飽和度等時(shí)的吸應(yīng)力變化幅度均大于接近完全干燥時(shí)的變化幅度，而3#尾砂則相反。

此外，1#和2#尾砂隨飽和度變化的整個(gè)過(guò)程中，吸力應(yīng)力基本處于低應(yīng)力水平，考慮到鈾尾礦庫(kù)高水位和豐富的毛細(xì)水帶作用，當(dāng)選用這2組尾砂作為鈾尾礦壩主要堆壩材料時(shí)，基質(zhì)吸力對(duì)鈾尾礦壩抗剪強(qiáng)度及安全性系數(shù)的影響將非常有限。

3 討論

3.1 鈾尾礦砂殘余含水率影響因素的討論

3種鈾尾砂在顆粒含量對(duì)殘余含水率含量影響規(guī)律上表現(xiàn)出殘余含水率隨細(xì)粒含量增加而降低的變化趨勢(shì)，這與文寶萍等[24]的研究結(jié)論存在不一致的情況。通過(guò)對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然3#鈾尾砂細(xì)粒含量大于1#和2#尾砂，但其不均勻系數(shù)接近于1，特別是粒徑在0.1～0.5 mm范圍內(nèi)的顆粒占土樣總質(zhì)量的48.934%，這說(shuō)明3#尾砂顆粒大小過(guò)于均勻，使得其堆積體中存在較多孔隙，水分易從孔隙中逃逸，造成持水能力降低，以及殘余含水率減小。

此外，利用圖3中數(shù)據(jù)作出3種鈾尾砂殘余含水率—飽和體積含水率的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了線性擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。飽和體積含水率與殘余含水率之間存在極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性(R2>0.99)，而飽和體積含水率大小與鈾尾砂孔隙體積密切相關(guān)。

圖6 鈾尾礦砂殘余含水率與飽和體積含水率擬合關(guān)系曲線Fig.6 Fitting curve between residual moisture content and saturated volume water content in uranium tailings

由此可知，鈾尾砂殘余含水率不僅與細(xì)粒含量有關(guān)，還與其顆粒均勻程度和孔隙體積關(guān)系密切。尾砂顆粒越均勻，孔隙體積越大，其殘余含水率越低。

但需指出的是，土體的殘余含水率還受到微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分等因素的影響，因此，還需就土體結(jié)構(gòu)特征、礦物成分與含量對(duì)鈾尾砂的微觀水分分布規(guī)律的影響展開(kāi)進(jìn)一步深入研究。此外，通過(guò)土水特征曲線來(lái)體現(xiàn)含水率與吸力之間的關(guān)系時(shí)，并未將土體變形以及由骨架變形引起孔隙中氣、液相流動(dòng)對(duì)土水特征曲線的影響考慮在內(nèi)。

3.2 鈾尾礦砂吸力應(yīng)力影響因素的討論

根據(jù)Young[23]研究表明：當(dāng)n>2時(shí)，隨著飽和度的增加，吸力應(yīng)力先減小后增大；當(dāng)n≤2時(shí)，隨著飽和度的增加，吸力應(yīng)力單調(diào)遞減。結(jié)合表3和圖5可知，在低有效飽和度(Se<0.1)狀態(tài)下，3#尾砂吸力應(yīng)力急劇變化特征與一般土料(砂土、淤泥和黏土)表現(xiàn)不同。查閱相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，VG模型擬合參數(shù)n的大小與顆粒級(jí)配有關(guān)，土體吸力應(yīng)力大小與吸濕和脫濕條件有關(guān)[20,25]。因此，本實(shí)驗(yàn)中3#尾砂吸力應(yīng)力隨飽和度變化規(guī)律存在不一致的現(xiàn)象，可能由其特殊的礦物成分、顆粒粒度與級(jí)配等內(nèi)部因素，以及所受外界應(yīng)力歷史和干濕循環(huán)條件等外部因素等差異作用引起，需對(duì)其展開(kāi)進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

1)3種鈾尾礦砂基質(zhì)吸力隨含水率減小呈現(xiàn)出高含水量階段緩慢增加，低含水量階段急劇增大的相似變化趨勢(shì)，但基質(zhì)吸力各階段變化速率會(huì)因尾砂種類不同而有所差異。

2)在同等含水率且具有一定壓實(shí)度下，隨著干密度的增大，鈾尾礦砂基質(zhì)吸力有所提高，但吸力增量應(yīng)會(huì)因尾砂中含水率的增加而逐漸減小。

3)1#和2#鈾尾礦砂在吸力應(yīng)力隨飽和度變化呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，與已有非飽和土的研究結(jié)論一致； 3#尾砂在低飽和度時(shí)吸力應(yīng)力變化規(guī)律與砂土和黏性土等常規(guī)土質(zhì)表現(xiàn)不同。

4)將1#和2#尾砂作為主要筑壩材料時(shí)，基質(zhì)吸力對(duì)鈾尾礦壩抗剪強(qiáng)度及安全性系數(shù)的影響非常有限。