离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析_禹雪阳.pdf

书书书第 37 卷第 2 期2023 年 4 月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37 No.2Apr.2023收稿日期:20230108基金项目:国家自然科学基金资助项目(52274167);湖南省技术攻关“揭榜挂帅”项目(2021SK1050);湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ40374;2023JJ30516);湖南省教育厅科研资助项目(20B496;22B0410);衡阳市科技计划经费资助项目(202150063769)作者简介:禹雪阳(1996)，男，硕士研究生，主要从事矿山岩土工程灾害预测与控制方面的研究。E-mail:1337661895 qqcom。*通信作者:张志军(1978)，男，教授，博士，主要从事矿山岩土工程灾害预测与控制方面的研究。E-mail:zzj181 163comDOI:10.19431/ki.16730062.2023.02.001离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析禹雪阳1，刘邦瑶1，田亚坤1，2，伍玲玲1，2，张志军1，2*(1南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001;2湖南省矿山岩土工程灾害预测与控制工程技术研究中心，湖南 衡阳 421001)摘要:为探究加固尾砂在干湿循环作用影响下力学性能、力链和尾砂颗粒运动的变化，通过对加固尾砂进行三轴试验和离散元颗粒流(PFC2D)模拟试验，分析其力学性能变化趋势，并且探究尾砂颗粒间受力传力和颗粒运动的演变。试验结果表明:加固尾砂峰值应力随着干湿循环次数增加而逐渐递减，但是其峰值应力相较于原状尾砂至少提升 2.13 倍;在干湿循环作用下，加固尾砂内部力链逐渐加粗，网状粗力链区域增多，且网状粗力链区域发生位置变化;试样破坏碎片数量随循环次数增加而增加，碎片集中区随着循环进行，从试样下部向上部移动;干湿循环造成尾砂颗粒位移情况发生改变，颗粒不同位移区域增加，并在试样上端产生大量不同位移区域，造成试样上端更容易被破坏。关键词:干湿循环;力学性能;PFC;力链;颗粒位移中图分类号:TU45文献标志码:A文章编号:16730062(2023)02000107Micromechanical Analysis of einforced Tailings by DiscreteElement Under Dry CycleYU Xueyang1，LIU Bangyao1，TIAN Yakun1，2，WU Lingling1，2，ZHANG Zhijun1，2*(1School of esource Environment and Safety Engineering，University of South China，Hengyang，Hunan 421001，China;2Hunan Province Engineering Technology esearch Center for DisasterPrediction and Control on Mining Geotechnical Engineering，Hengyang，Hunan 421001，China)Abstract:In order to explore the changes of mechanical properties，force chain andparticle movement of reinforced tailings under the influence of dry-wet cycle，the triaxial1第 37 卷第 2 期南华大学学报(自然科学版)2023 年 4 月test and particle flow code(PFC2D)simulation test of reinforced tailings were carried out toanalyze the change trend of mechanical properties，and to explore the evolution of forcetransmission and particle movement between tailings particles The test results show thatthe peak stress of the reinforced tailings gradually decreases with the increase of thenumber of dry-wet cycles，but its peak stress is at least 2.13 times higher than that of theundisturbed tailings Under the action of dry-wet cycle，the internal force chain of rein-forced tailings gradually becomes thicker，the area of meshed coarse force chain increases，and the position of meshed coarse force chain changes The number of broken fragments ofthe sample increases with the increase of the number of cycles，and the fragment concen-tration area moves from the lower part of the sample to the upper part with the cycle Thedry-wet cycle causes the displacement of the tailings particles to change，and the differentdisplacement regionsoftheparticlesincrease，andalargenumberofdifferentdisplacement regions are generated at the upper end of the sample，which makes the upperend of the sample more easily destroyedkey words:dry-wet cycle;mechanical properties;PFC;force chain;particle displacement0引言因世界各国尾矿库安全问题频发，如 2019 年巴西布鲁马迪纽溃坝事件，造成了严重的安全事故，给经济带来了不可挽回的损失。为了解尾矿库坝体的特性和治理尾矿库安全问题，世界各国学者在不同种类的土体物理力学性能和微生物土体加固方面展开了大量研究。微生物加固是土体绿色治理方案，它能有效填充土体孔隙，增强土体力学性能1。微生物加固能显著提升土体物理性能和土体强度，并且在短时间内能数倍提升土体抗剪强度2。且微生物加固能有效降低土体导水率，从而降低土体累积侵蚀量和侵蚀速度3。通过微生物加固技术加固土体，还能有效降低土体开裂甚至修复土体裂缝4。但是在自然界中，土体不可避免地受到干湿循环的影响，使土体内部孔隙尺寸和孔隙分布产生很大差异5，造成土体密度下降、孔隙率增加，且土体内部微裂纹的密度和连通性随湿干循环的增加而增加6。最终使得土体内摩擦角、黏聚力等物理性能降低，使得土体力学性能劣化7-8。随着技术发展，人们开始采用数值模拟来对土体力学特性演化进行研究9，通过离散元颗粒流(particle flow code，PFC)来 进 行 剪 切 试验10、拉伸试验11，并且观测对裂缝发展阶段进行研究12。对此，本文以加固尾砂为研究对象，在三轴试验的基础上开展 PFC2D(particle flow code 2 dimen-sions，PFC2D)试验，通过 PFC2D来对加固尾砂各干湿循环阶段力学性能进行模拟，以揭示在各循环次数下，加固尾砂各阶段颗粒间受力变化和位移的演变，为后续模拟监测加固尾砂在干湿循环的劣化情况提供理论依据。1试验尾砂与微生物11尾砂在湖南省某铅锌矿尾矿坝取得实验所使用尾砂，将尾砂烘干处理，使用 2 mm 筛网对烘干的尾砂进行初筛，去除大体积杂物，并通过参考土工试验方法标准(GB/T 501232019)所记录的实验方法，对尾砂进行颗粒筛分分析试验和土工试验。除杂后取 200 g 尾砂，分别过 1、0.5、0.25、0.1、0.075 和 0.05 mm 孔径的标准筛网，得到尾砂颗粒级配。并由此得到其曲率系数、不均匀系数和其他物理参数(如表 1 所示)，由于 Cu小于 5且 Cc小于 1，可知该尾砂级配不良。12微生物和胶结溶液本试验使用的微生物为巴氏芽孢杆菌(编号ATCC11859)，来自于美国细菌菌种保藏中心。它以尿素为原材料，并通过其代谢活性产生大量的高活性脲酶。液体培养基由 15 g/L 酪蛋白胨、20g/L尿素、5 g/L 大豆蛋白胨、5 g/L 氯化钠组成。混合前液体培养基先经过高压灭菌釜 121 灭菌20 min。在 250 mL 锥形瓶中盛放 100 mL 液体培养基，在无菌操作台内的酒精灯旁进行巴氏芽孢杆菌接种，从种库中取出 1 mL 巴氏芽孢杆菌用移液枪注入液体培养基，将接种好的培养基放入转2第 37 卷第 2 期禹雪阳等:离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析2023 年 4 月速为 150 r/min、温度为 30 左右的摇床中振荡10 h，经过 35 次传代后，测量菌液 D600数值，数值范围为 0.8 1.2。胶结液为相同体积的 1mol/L氯化钙溶液与 1 mol/L 尿素溶液混合而成。表 1尾砂物理参数和级配参数Table 1Tailings physical parameters andgradation parameters参数数值有效粒径 d10/mm0061中值粒径 d30/mm0085限制粒径 d60/mm0168不均匀系数 Cu2823曲率系数 Cc0747自然干密度 d/(gcm3)1682自然含水率 op/%146相对密度 Gs265孔隙比 e058313试样制备及试验方法将取回的尾砂放置 100 烘箱内烘烤 36 h，待尾矿砂完全烘干后将砂样压碎，将尾砂过一遍2 mm 筛网以过滤尾矿砂中的杂质，并重新调配尾矿砂含水率为初始含水率，将调配好含水率的尾砂置入密封袋密封放置 24 h，使水分在尾砂中更均匀地扩散。在实验模具内加入有韧性的内套筒，以保证试样脱模后的完整性。单个试样为直径=39.1 mm、H=80 mm、重量 m=201 g 的圆柱形尾砂三轴试样。尾砂试样分三层击实，每层尾砂重量一致，每层之间需进行凿毛处理，并用吹气球对其进行吹扫，使得层与层之间连接更紧密，防止层与层之间出现断裂。并采用渗透法制作加固尾砂，用注射器对原状尾砂进行加固，依次向试样中注入 20 mL 菌液、40 mL 尿素溶液、40 mL 氯化钙溶液，每日对尾砂试样进行一次加固，加固周期为 14 d。试样分为 A、B 两组如图 1 所示，A 组为n(07)次循环的原状尾砂，B 组为 n(07)次循环的加固尾砂。图 1原状尾砂与加固尾砂Fig1Undisturbed tailings and reinforced tailings将制作好的 A、B 两个尾砂试样组进行吸湿-脱湿试验。将两个对比组尾砂含水率烘干至 1%以下，待试样冷却至室温后，将试样置于足量的水中浸泡 24 h，使得试样吸水至含水率饱和，待循环完成后将试样烘干至 1%以下。采用全自动三轴仪(TKA-TTS-1S)对完成循环的尾砂试样进行剪切试验，通过三轴试验数据得出建