吸湿－脱湿循环作用下铀尾矿的细观力学特性研究

During the processes of precipitation infiltration and vaporizaton and increasing-decreasing of phreatic level, uranium tailings will be in a state of moisture desorption-absorption cycle and its mechanical properties will be affected by this variation state, which will impact on the stability of uranium tailings dam. The formation mechanism of local and whole shear-band in the uranium tailings dam depends on the microstructure characteristics and mechanical properties of the uranium tailings. Therefore, it is very necessary to quantitatively study and analyze and establish the relationship between the microstructure variation and macromechanical behaviours. Based on the previous reasons, the methods of in-situ test, laboratory test, physical simulation, theoretical analysis, and numerical simulation will be applied to research on the variation mechanism of tailings-water characteristics curve and the mechanical behaviours and formation features of the uranium tailings during the cyclic moisture desorption-absorption, and to build the process state model of the moisture desorption-absorption cycle, to determain the effection degree of the micro properties on the macromechanical behaviours, furthermore, to establish the relationship between the microstructure variation and macromechanical behaviours and a new stability analysis method on uranium tailings dam with the effect of moisture desorption-absorption cycle. This research will enrich and improve the theory of unsaturated soil mechanics and innovate on and develop stability analysis method of uranium tailings dam, and it is of great significance for preventing dam-break accidents.

由于降水入渗、水份蒸发、浸润线的升高和下降等原因，使铀尾矿长期处于一种循环吸湿和脱湿的状态，其力学特性的变化机制，关系到了整个坝体的稳定性。而铀尾矿坝内部的剪切带的形成机理则依赖于铀尾矿细观层面的力学行为和特性，因此，有必要针对铀尾矿坝细观组构演化与宏观力学行为之间的关系开展深入研究。基于此，本项目拟以铀矿山尾矿坝为研究对象，采用现场测试、室内试验、物理模拟、理论分析、数值模拟等研究方法，研究铀尾矿在多个吸湿和脱湿循环作用下的土-水特征曲线的变化规律以及力学行为和变形特性，建立循环吸湿和脱湿过程状态模型，确定铀尾矿的细观力学指标对宏观力学行为的影响度，进而建立铀尾矿坝细观组构演化与宏观力学行为之间的关系，并最终建立考虑吸湿-脱湿循环作用的铀尾矿坝稳定性评判新方法。这对于丰富和完善非饱和土力学理论、创新和发展尾矿坝稳定性分析方法，对于防范垮坝事故的发生都具有重要的理论意义和实际意义。

本项目根据项目计划书任务要求，以实验室三轴固结不排水试验结果为基础，利用颗粒流数值模拟软件(PFC3D)分别建立不同含水率尾砂和不同干湿循环次数尾砂的三轴固结不排水压缩试验数值模型。比较模拟结果和室内试验结果，以应力--应变曲线、峰值强度和初始弹性模量等力学特性的一致程度作为确定颗粒流数值模拟细观参数的依据，通过不断调整参数，最终得到颗粒流模拟的细观参数。从应力--应变、轴向应变--体积应变、配位数、颗粒速度矢量、试样破坏时颗粒的位置、颗粒间接触力链等角度对尾砂的宏细观力学特性进行探究。主要研究工作及成果如下：（1）以三轴固结不排水试验结果为基础建立数值模型，并通过大量的数值模拟试验，最终得到与室内试验力学特性一致程度较高的数值试验参数。（2）数值试验中，低孔隙率和低围压的试样更易出现剪胀现象，模型的径向扩张减小了颗粒间的接触数目。（3）与高孔隙率模型相比，当轴向应变相同时，低孔隙率模型的颗粒速度场无序程度较高且侧壁颗粒径向水平向外运动的现象更明显，从细观角度再一次证明较低孔隙率对试样的剪胀特性有一定的促进作用。（4）随着加载进程的继续，不同孔隙率模型粒间接触力大小的均匀程度呈现先降后增的趋势，当轴向应变较大时，颗粒间接触力大小又向着均匀化的方向发展。 项目研究成果对于丰富和完善非饱和土力学理论、创新和发展尾矿坝稳定性分析方法，对于防范垮坝事故的发生都具有重要的理论意义和实际意义。