铀矿山尾矿坝动力稳定性分析的颗粒离散元方法研究

研究基于颗粒动力学模型，从铀矿山尾矿坝组成颗粒的细观结构入手，运用细观材料应力传递以及变形破坏规律进一步探索铀矿山尾矿坝在地震作用下宏观结构的变形与破坏规律。内容包括3个部分，第一部分设计并开展铀矿山尾矿坝坝体颗粒材料的三维堆体受静、动荷载作用时的实验，统计和分析颗粒对静、动荷载的响应情况，获得颗粒体材料对力的传递、分布等规律；第二部分利用试验资料，确定颗粒材料的接触类型、颗粒形状等内容；在此基础上，利用颗粒离散元EDEMTM计算软件建立铀矿山尾矿坝动力稳定性计算的颗粒离散元模型。第三部分以koyna地震为动荷载，进行铀矿山尾矿的动力稳定性计算，分析由于细观结构的力学行为导致坝体宏观破坏的应力应变规律，初步建立由于细观结构的力学行为导致坝体宏观破坏的基本理论。

研究基于颗粒动力学模型，从铀矿山尾矿坝组成颗粒的细观结构入手，运用细观材料应力传递以及变形破坏规律进一步探索铀矿山尾矿坝在地震作用下宏观结构的变形与破坏规律。主要进行分了四部分内容的研究：第一部分以湖南省272矿的铀矿山尾矿坝为试验基地，进行了实地考察并钻取了尾矿坝试样，利用南华大学工程试验中心的力学设施，进行了力学实验，获得了尾矿坝颗粒的抗剪强度等指标；第二部分自主研制了点荷载作用光弹试验仪和颗粒物质双轴压缩光弹试验仪，其中颗粒物质双轴光弹试验仪申报了专利，已成功受理，目前正等待授权。第三部分以光弹试验仪和颗粒流软件（PFC）为工具，围绕干燥无粘结的颗粒体系，开展了一系列的研究与探讨，主要工作包括：（1）利用PFC3D计算软件，分别模拟了规则排列与无序排列两种颗粒体系的点荷载传力特性，阐明了弹塑性理论的适用范围。研究了摩擦系数对传力特性的影响。（2）通过双向等值压缩模拟，对颗粒物质内部的力与结构进行了统计分析，对力链进行了定义，将力链分为准直线型力链与Y型力链。（3）利用PFC2D计算软件，研究了双轴压缩下颗粒体系内剪切带的形成与发展，分析了体积分数、配位数、颗粒旋转角度等参数以及力链结构形态的演变，从Jamming 相图中J点附近的边壁压强和配位数随体积分数的标度规律出发，分析了剪切带内外体积分数和配位数的变化。并通过力-力关联函数与位置关联函数，对整个双轴压缩过程进行了经典弹塑性阶段的划分。（4）结合能量的演化对双轴压缩数值实验进行了研究。分别对应变能、动能、摩擦耗能进行了对比研究。并将能量与力链的演化建立了联系。（5）利用自主研制的光弹试验仪，进行了循环加载实验，发现颗粒物质存在明显的Ratcheting现象，指出stick-slip的发生与孔隙率的变化是Ratcheting产生的基本原因。第四部分以koyna 地震为输入条件，进行了一个均质土坡的动力响应分析，结果表明，边坡对地震加速度存在放大作用，坡顶水平向峰值加速度为1.0m/s2，约为输入地震峰值加速度的3倍；坡顶竖向峰值加速度为0.8m/s2，约为输入地震峰值加速度的3.2倍；坡体位移在当土体发生破损以后随地震持时的增加而增大，存在变形累积效应。