铀尾矿砂基质吸力对铀尾矿坝力学性能影响试验探究

黄向荣,章求才*,郭睿杨,李苏哲,刘 永,徐正华

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001;2.湖南省铀尾矿库退役治理工程技术研究中心,湖南 衡阳 421001)

0 引 言

近年来，污染问题日益显著，二氧化碳等温室气体排放日益增多，清洁能源在各个国家的占比越来越大，对核燃料原料例如铀矿等的开采需求也不断加剧[1]。很多国家在处置铀矿开采所遗留下来的废料、废渣问题时，都是选择构建尾矿库的形式，将废料就地掩埋，上面覆层黄土，构筑成坝体[2]。但是，这种尾矿处理方式存在很多安全方面的问题，有很多尾矿库在安全方面存在比较大的隐患，占比接近40%[3]，迄今为止，我国有11 946座尾矿库[4-5]，尾矿库坝体的安全稳定对周边环境、居民安全以及经济发展有重大影响。在对尾矿坝体进行力学平衡探究时，分析影响尾矿砂力学特性的因素尤为重要。影响基坑稳定的因素有很多种，而铀尾矿砂产生的抗剪强度是其中很重要的一个影响因素，一旦由于降雨或管道漏水等因素使尾矿砂中含水率增加，造成吸力消减，就可能会发生尾矿坝垮坝事故[6]。

力学平衡是一切物体稳定的基础，土力学作为一门研究土体与应力作用关系的一门学科，非常适合用于研究铀尾矿库坝体的稳定性问题。现阶段，有限单元法是对铀尾矿库进行试验和探究的方法中最具有代表性方法之一，也是应用最广泛的一种方法[7]。所谓有限单元法，是一种高效解决数学问题的解题方法，将一种复杂的总体连续结构简化成简易的离散结构，达到化繁为简的效果，再对应力和应变进行分析，采用网格划分的方法，将繁杂的连续介质隔开成为一个个的小单元体，在节点处将各个单元体链接起来，形成一种离散形式的结构。颗粒流法[8]是近几年出现的一种离散单元法，是通过模拟圆形颗粒介质之间的运动和它们之间的相互作用，摸索探究颗粒介质之间特有的特殊性质。

1 材料与方法

1.1 尾矿砂取样及其级配情况

尾矿砂试样来自湖南省某铀尾矿库坝体，取样干滩深度为1.0 m。取质量为200 g的尾矿砂，根据土力学颗粒分析试验的标准要求，对试样进行筛分(颗粒粒径大于2 mm的尾矿砂颗粒，只占尾矿砂总量的0.45%，忽略不计)。试样分别经过标准筛的直径为1.0、0.5、0.25、0.105、0.075 mm，对过筛的尾矿砂试样进行多组平行试验，最终的试验结果如表1所示。

表1 尾矿砂颗粒组成表Table 1 Composition of tailings particles

由表1可用Matlab作出该铀尾矿砂在滩面深度为1.0 m的颗粒级配累计曲线，如图1所示。根据图1可以得出的几个量，通过限制直径d60、中值粒径d30、有效粒径d10来计算出此尾矿砂的级配参数不均匀系数cu和曲率系数cc，计算结果列入表1。计算出的不均匀系数大于1小于5且曲率系数处于1和3之间，说明样品铀尾矿砂的颗粒均匀程度达标，属级配良好的砂土。

图1 尾矿砂的颗粒级配累计曲线Fig.1 Curve of particle size distribution of tailings sand

依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)测量确定样本铀尾矿砂的主要物理性质方面的参数指标，如表2所示。样本有效粒径d10为0.086 mm，中值粒径d30为0.191 mm，限制粒径d60为0.393，不均匀系数Cu为4.543，曲率系数Cc为1.074。

1.2 铀尾矿砂基质吸力及直剪试验方案

按照试验标准，通过控制改变含水率ω等变量的方法进行试验。分别制取初始含水率为2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%、30%、32%、34%、36%、38%的试样，并采用滤纸法和直剪中的快剪法来测定试样的基质吸力和抗剪强度，将配好的试样一直处于恒温中，防止温度波动影响尾矿砂里面的水分。

表2 铀尾矿砂的主要物理性质指标Table 2 Major indexes of physical properties of tailings sand

本次试验采用了电动四联等应变直剪仪，分别施加了50、100、150 kPa这3种不同的垂直法向量应力，试验剪切的速度保持在0.6 mm/min。依据库仑定律计算出土的抗剪强度τ，对尾矿砂的试样进行分组试验，取4个相同的含水率样品作为一组(平行试验取多个值的平均值)，分别在差异化的荷载强度下，沿着一个已经确定的剪切面施加一个平行于水平地面方向的剪力进行剪切，当其被剪坏时单位面积上所承受的剪力，就是其抗剪强度τ。

2 结果与讨论

铀尾矿砂不同含水率下的基质吸力和抗剪强度试验结果如表3所示，表中所列数值为4组平行试验的平均值。

表3 滩面深度为1.0 m的铀尾矿砂土工试验结果表Table 3 Geotechnical testing results of tailings sand in the beach’s depth 1.0 m

根据表3绘制基质吸力、抗剪强度随着含水率变化如图2、图3所示。

图2 铀尾矿砂基质吸力随含水率的变化情况Fig.2 The variation of matric suction of uranium tailing ore with water content

图3 抗剪强度随含水率的变化情况Fig.3 The variation of shear strength with water content

图2为尾矿砂与基质吸力之间的特征曲线图。由图2可知，尾矿砂中的含水量在小于8%的时候，铀尾矿砂中含水率对基质吸力有着很大的影响。随着铀尾矿砂中含水率的增大，尾矿砂对水分的吸引作用力减小，试验样品最外层的孔隙中的水容易流失掉，且每个试样孔隙向外排出的水分与孔隙体积的比值都很相近。随着基质吸力的逐渐变大，试验样本内部尾矿砂颗粒与颗粒集合体之间空隙的水分开始向外流失，土样密度越大，水分越不容易流失，密度比较小的样本的内部结构具有更多的细小孔洞结构，因而结构比较疏松，水分更容易流散消失，这样就会使得尾矿砂中的δ(水占的空间与空隙占的空间之比)快速下降。使用f(x)=a×e-bx的函数进行拟合(如图4所示)时，在拟合精度达到99%时，a的值为1.6×105，b的值为0.8。由曲线的斜率很明显地看出在第6个点之后，曲线的斜率接近0，说明在第6个点之后，曲线变平缓了。

加入不同长度泡沫混凝土桩，充填体+桩结合形成增强体，与桩间土共同作用的复合地基。桩间土压力明显减低，中心20 cm处土压力仅60 kPa，但溶洞底部的土压力最大，这是由于泡沫混凝土充填体将桩体部分承担荷载传递至溶洞底部，较均匀地扩散，减少桩体底部集中力，泡沫混凝土桩形成端承桩。与此同时，相较于试验1-0、试验1-1，边缘土压力均更小，复合地基加固区承担了较多的荷载。

根据摩尔—库仑强度理论，即：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：τ为土体抗剪强度，kPa；σ为承受的垂直压力，kPa。

由式(1)可知τ是由两部分构成：σtanφ和c，其中σtanφ为摩擦强度，c为黏聚强度，由此可以得到，对尾矿砂抗剪强度起到实质性作用的量是内摩擦角φ和黏聚力c。根据表3描述影响抗剪强度的因素φ和c随含水率变化的规律并分析其原因，可反映抗剪强度值的变化规律。抗剪强度曲线呈现的趋势是一种平稳序列，说明无论含水率怎么变化，只要荷载强度一定，抗剪强度就始终围绕一个值上下波动。

随着含水率变化，内摩擦角的波动情况分布如图5所示。

图4 含水率与基质吸力拟合图Fig.4 Fitting diagram of water content and matric suction

图5 内摩擦角随含水率变化图Fig.5 Internal friction angle as change with moisture content

一般认为，随着尾矿砂含水率的增加，内摩擦角会呈现一种逐渐降低的规律。但是由图5可见，在前期铀尾矿砂含水率较低的时候，内摩擦角会伴随着铀尾矿砂含水量的增加呈现一种先快速上升然后减小的动态趋势，然后又慢慢变大。尾矿砂中的水的比例为26%时，内摩擦角到达一个最大值，之后会有一个明显的下降趋势，且整体的图形变化趋势不具有很明显的规律。

因为铀尾矿砂集聚体首先吸水膨胀，使土体空隙增大，造成内摩擦角有所增大；伴随着尾砂中水比例的不断变大，其表面将会覆盖比较薄的水膜，配位数略微增加，内摩擦角有所减少；但水含率再增大时，由于铀尾矿砂是铀尾矿库退役后堆砌起来的，其中很大一部分的尾矿砂掺杂着尚未完全回收的矿物，因而其颗粒和普通的沙土相比，表面的洁净程度更差，原本表面吸附膜会被溶解破坏，内摩擦角φ会变大;当ω超过26%时，这种溶解破坏吸附膜的影响减弱，但水膜的作用面积在不断增大，尾矿砂的配位数明显上升，即内摩擦角φ不断减少，与一般的规律相符。

当不把内摩擦角作为尾矿砂抗剪强度的影响因子时，即能分析出黏聚力与抗剪强度之间的关系，通常所说的黏聚力是指遭受损坏的那一面在不施加任何正应力作用下的抗剪强度，干砂和黏土的黏聚力一般取值为0。尾矿砂的含水率不同会导致不同的黏聚力，进而会改变尾矿坝在物理方面的一些特性。由试验数据绘制尾矿砂含水率ω与黏聚力c之间的关系，如图6所示。

图6 含水率与黏聚力关系图Fig.6 Water content and cohesion diagram

尾矿砂颗粒之间的作用力分为范德华力、双电层引起的引力或斥力、胶结力和由负孔压与液体表面张力引起的毛细应力，而影响铀尾矿砂黏聚力的主要因素为双电层引起的引力或斥力、表面黏聚力。因为尾矿砂的表层有不平衡的电子存在，尾矿砂颗粒的周围因此会存在一个电场，当尾矿砂的含水率较低时，尾矿砂颗粒四周的电场遭到部分破坏，但破坏相对较小，且依据同种电荷相互排斥，则尾矿砂颗粒在含水率较低时黏聚力逐渐减小；随着含水率的不断增大，尾矿砂颗粒四周被一层水膜所覆盖，水分子之间的范德华力较大，尾矿砂内部各分子之间的吸引力在增大；而含水率超过26%时，尾矿砂中的水以自由水为主，颗粒之间的水分子张力逐渐增大，则其黏聚力将急剧下降。

根据表3绘制基质吸力与抗剪强度的变化规律如图7所示。可以看出，在开始阶段，铀尾矿砂含水率高，呈饱和状态，而一般的土体处于饱和状态后，处于其中的少量气泡周围都是水，这些气体可以看作处于封闭状态，气体与水之间产生的表面张力不会直接作用在铀尾矿砂上，因此，不会产生明显的凝聚力，相对应的基质吸力较低。

图7 基质吸力随抗剪强度的变化规律Fig.7 The variation of matrix suction with shear strength

铀尾矿砂的基质吸力主要来自于铀尾矿砂自身所带水分中的毛细作用。毛细作用发生的最主要阶段是抗剪强度随基质吸力变化最显著的一段，此阶段的抗剪强度会到达一个峰值，此时土体中的水和空气是相互贯穿的，都是可以流动的，水和铀尾矿砂之间的表面张力会反作用在颗粒上，使得铀尾矿砂颗粒之间产生更容易凝聚在一起的力，称为假凝聚力，这种凝聚力会加强铀尾矿砂的基质吸力，宏观表现出颗粒之间易黏在一起，具有可塑形的现象。而随着铀尾矿砂中水分的流失，水和气体之间表面张力亦跟着变小，总体反作用在铀尾矿砂上的压力会减小，基质吸力因此也会变小。综合图2和图7的折线图，可以得出结论，在含水率处于14%之后，基质吸力趋于稳定，而此时基质吸力对应的抗剪强度也在荷载强度一定的情况下趋于平稳

3 结 论

1)铀尾矿砂在一定的含水率范围内，相同饱和度下的铀尾矿砂的基质吸力会随着干密度的增大而增大，但当铀尾矿砂含水率低于8%时，其对基质吸力的影响越来越显著。

2)在铀尾矿砂所含水分比较少的情况下，内摩擦角的变化趋势伴随着含水率的增加先呈现一个快速上升趋势然后减小，然后又慢慢变大，且当含水率为26%时，内摩擦角达到最高点的数值，当超过26%时，内摩擦角角度趋于减小。

3)尾矿砂颗粒在水分比较少的时候，黏聚力是伴随则水分的增多反而呈下降的趋势，随着含水率的不断增大，尾矿砂颗粒四周被一层水膜所覆盖，水分子之间的范德华力较大，尾矿砂内部各个相邻各部分之间的吸引力变大，而含水率超过26%时，尾矿砂中的水以自由水为主，颗粒之间的水分子张力逐渐增大，则其黏聚力将陡然下跌。

4)当基质吸力逐步增大，非饱和铀尾矿砂的抗剪强度不会始终处于一个线性上涨的趋势，而是在达到一定的值之后，会减小。究其原因为，当基质吸力较低时，铀尾矿砂干密度较低，主要靠水分子间的作用力，因此铀尾矿砂此时的抗剪强度较大，伴随基质吸力变大，含水率逐步减小，不但破坏铀尾矿砂自身的薄膜黏聚力，而且水分子间的作用力较小，因此其抗剪强度较低。