黃向榮,章求才*,郭睿楊,李蘇哲,劉 永,徐正華

(1.南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院,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，清潔能源在各個國家的占比越來越大，對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，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)定對周邊環(huán)境、居民安全以及經(jīng)濟發(fā)展有重大影響。在對尾礦壩體進行力學平衡探究時，分析影響尾礦砂力學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)生的抗剪強度是其中很重要的一個影響因素，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，就可能會發(fā)生尾礦壩垮壩事故[6]。

力學平衡是一切物體穩(wěn)定的基礎(chǔ)，土力學作為一門研究土體與應力作用關(guān)系的一門學科，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，有限單元法是對鈾尾礦庫進行試驗和探究的方法中最具有代表性方法之一，也是應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)學問題的解題方法，將一種復雜的總體連續(xù)結(jié)構(gòu)簡化成簡易的離散結(jié)構(gòu)，達到化繁為簡的效果，再對應力和應變進行分析，采用網(wǎng)格劃分的方法，將繁雜的連續(xù)介質(zhì)隔開成為一個個的小單元體，在節(jié)點處將各個單元體鏈接起來，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)之間的運動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)土力學顆粒分析試驗的標準要求，對試樣進行篩分(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)。試樣分別經(jīng)過標準篩的直徑為1.0、0.5、0.25、0.105、0.075 mm，對過篩的尾礦砂試樣進行多組平行試驗，最終的試驗結(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的顆粒級配累計曲線，如圖1所示。根據(jù)圖1可以得出的幾個量，通過限制直徑d60、中值粒徑d30、有效粒徑d10來計算出此尾礦砂的級配參數(shù)不均勻系數(shù)cu和曲率系數(shù)cc，計算結(jié)果列入表1。計算出的不均勻系數(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標，屬級配良好的砂土。

圖1 尾礦砂的顆粒級配累計曲線Fig.1 Curve of particle size distribution of tailings sand

依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)測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，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)吸力及直剪試驗方案

按照試驗標準，通過控制改變含水率ω等變量的方法進行試驗。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定試樣的基質(zhì)吸力和抗剪強度，將配好的試樣一直處于恒溫中，防止溫度波動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Table 2 Major indexes of physical properties of tailings sand

本次試驗采用了電動四聯(lián)等應變直剪儀，分別施加了50、100、150 kPa這3種不同的垂直法向量應力，試驗剪切的速度保持在0.6 mm/min。依據(jù)庫侖定律計算出土的抗剪強度τ，對尾礦砂的試樣進行分組試驗，取4個相同的含水率樣品作為一組(平行試驗取多個值的平均值)，分別在差異化的荷載強度下，沿著一個已經(jīng)確定的剪切面施加一個平行于水平地面方向的剪力進行剪切，當其被剪壞時單位面積上所承受的剪力，就是其抗剪強度τ。

2 結(jié)果與討論

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

表3 灘面深度為1.0 m的鈾尾礦砂土工試驗結(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%的時候，鈾尾礦砂中含水率對基質(zhì)吸力有著很大的影響。隨著鈾尾礦砂中含水率的增大，尾礦砂對水分的吸引作用力減小，試驗樣品最外層的孔隙中的水容易流失掉，且每個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)進行擬合(如圖4所示)時，在擬合精度達到99%時，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個點之后，曲線的斜率接近0，說明在第6個點之后，曲線變平緩了。

加入不同長度泡沫混凝土樁，充填體+樁結(jié)合形成增強體，與樁間土共同作用的復合地基。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荷載傳遞至溶洞底部，較均勻地擴散，減少樁體底部集中力，泡沫混凝土樁形成端承樁。與此同時，相較于試驗1-0、試驗1-1，邊緣土壓力均更小，復合地基加固區(qū)承擔了較多的荷載。

根據(jù)摩爾—庫侖強度理論，即：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：τ為土體抗剪強度，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為摩擦強度，c為黏聚強度，由此可以得到，對尾礦砂抗剪強度起到實質(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，可反映抗剪強度值的變化規(guī)律。抗剪強度曲線呈現(xiàn)的趨勢是一種平穩(wěn)序列，說明無論含水率怎么變化，只要荷載強度一定，抗剪強度就始終圍繞一個值上下波動。

隨著含水率變化，內(nèi)摩擦角的波動情況分布如圖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

一般認為，隨著尾礦砂含水率的增加，內(nèi)摩擦角會呈現(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候，內(nèi)摩擦角會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態(tài)趨勢，然后又慢慢變大。尾礦砂中的水的比例為26%時，內(nèi)摩擦角到達一個最大值，之后會有一個明顯的下降趨勢，且整體的圖形變化趨勢不具有很明顯的規(guī)律。

因為鈾尾礦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，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，原本表面吸附膜會被溶解破壞，內(nèi)摩擦角φ會變大;當ω超過26%時，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。

當不把內(nèi)摩擦角作為尾礦砂抗剪強度的影響因子時，即能分析出黏聚力與抗剪強度之間的關(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力作用下的抗剪強度，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導致不同的黏聚力，進而會改變尾礦壩在物理方面的一些特性。由試驗數(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)力和由負孔壓與液體表面張力引起的毛細應力，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。因為尾礦砂的表層有不平衡的電子存在，尾礦砂顆粒的周圍因此會存在一個電場，當尾礦砂的含水率較低時，尾礦砂顆粒四周的電場遭到部分破壞，但破壞相對較小，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黏聚力逐漸減小；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，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)吸力與抗剪強度的變化規(guī)律如圖7所示?？梢钥闯?，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)生的表面張力不會直接作用在鈾尾礦砂上，因此，不會產(chǎn)生明顯的凝聚力，相對應的基質(zhì)吸力較低。

圖7 基質(zhì)吸力隨抗剪強度的變化規(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作用。毛細作用發(fā)生的最主要階段是抗剪強度隨基質(zhì)吸力變化最顯著的一段，此階段的抗剪強度會到達一個峰值，此時土體中的水和空氣是相互貫穿的，都是可以流動的，水和鈾尾礦砂之間的表面張力會反作用在顆粒上，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，這種凝聚力會加強鈾尾礦砂的基質(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減小，基質(zhì)吸力因此也會變小。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，而此時基質(zhì)吸力對應的抗剪強度也在荷載強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)吸力會隨著干密度的增大而增大，但當鈾尾礦砂含水率低于8%時，其對基質(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)摩擦角的變化趨勢伴隨著含水率的增加先呈現(xiàn)一個快速上升趨勢然后減小，然后又慢慢變大，且當含水率為26%時，內(nèi)摩擦角達到最高點的數(shù)值，當超過26%時，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候，黏聚力是伴隨則水分的增多反而呈下降的趨勢，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)部各個相鄰各部分之間的吸引力變大，而含水率超過26%時，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)當基質(zhì)吸力逐步增大，非飽和鈾尾礦砂的抗剪強度不會始終處于一個線性上漲的趨勢，而是在達到一定的值之后，會減小。究其原因為，當基質(zhì)吸力較低時，鈾尾礦砂干密度較低，主要靠水分子間的作用力，因此鈾尾礦砂此時的抗剪強度較大，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，因此其抗剪強度較低。