含水率和干密度對某鈾尾砂基質吸力的影響研究*

劉 永，潘宇翔，張志軍，桂 榮，戴 兵，章求才，伍玲玲

(1.南華大學 資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；2. 湖南省鈾尾礦庫退役治理工程技術研究中心，湖南 衡陽 421001；3. 鈾礦冶放射性控制技術湖南省工程研究中心，湖南 衡陽 421001)

0 引言

在鈾礦資源開采加工和利用的過程中，產生的鈾尾礦大多采用尾礦庫的形式進行儲存[1]。鈾尾礦壩作為核設施的一種，其穩定性是核工業健康、穩定和可持續發展的前提。但鈾尾礦壩長期暴露在自然環境中，壩體浸潤線和毛細水高度易受到降雨、外界溫度和濕度等因素的影響[2]，引起鈾尾砂飽和度增加，使鈾尾礦壩原有基質吸力降低或消失，造成壩體抗剪強度大幅度降低。因此，研究鈾尾砂在不同水土特性狀態下基質吸力變化規律對鈾尾礦壩安全穩定和快速退役治理具有一定的指導意義。位于浸潤線以上的鈾尾砂屬于非飽和土，與完全干燥或完全飽和的土體相比，非飽和土具有較為不同的性狀，若在對非飽和土特性進行全面認識和描述的過程中仍采用飽和土力學理論進行分析，則會存在忽略非飽和土特殊的固-液-氣三相多孔介質微細觀結構、各相介質之間相互作用以及吸力作用對非飽和土體強度和變形特性的影響等問題[3-5]。

自20世紀30年代將水-土特征曲線(SWCC)納入到土力學理論中來，Bishop等[6]、Fredlund等[7]、Khalili等[8]開展了一系列有關基質吸力與土體有效應力或剪切強度之間關系的理論研究；Chaney等[9]通過實驗驗證了水-土特征曲線與土體非飽和抗剪強度存在密切相關性；Thu等[10]測定和分析了基質吸力對壓實淤泥試樣壓縮性和剛度的影響度；Young-Sulk Song等[11]通過軸平移技術發現砂土和淤泥的SWCC行為存在不同；Tan等[12]基于滲析法和濾紙法測定分析了合肥市某建筑工地膨脹土的水-土特征規律及其影響因素；Tahasildar等[13]通過室內土體膨脹實驗和吸力測定實驗，發現膨脹土的膨脹特性與SWCC曲線密切相關；Kim等[14]通過對Umyeonsan山體滑坡的研究，提出該事故主要由于降雨造成基質吸力降低所引發；Li等[15]研究了基質吸力對網紋紅土蠕變行為的影響。

由此可見，土水特性曲線對于研究非飽和土基質吸力對其水力特性、抗剪強度、變形和固結等的影響具有重要意義，但目前關于基質吸力的分析多是針對簡單常規單一土料條件下的實驗和研究，而鈾尾砂作為一類具有特殊礦物成分、化學成分和粒度組分的土料，使得在實際實驗中探究和分析基質吸力對物理力學性質的影響機制變得更為復雜、難度更大，需綜合分析基質吸力在一般土體變形和強度分析時的研究內容和分析方法，并充分考慮鈾尾礦砂這一特殊的復雜多孔介質，以土水特征曲線和吸力應力曲線為切入點進行分析。

因此，本文通過對中國西南某鈾尾礦壩干灘區3種典型鈾尾砂樣運用濾紙法展開室內基質吸力測試實驗，以探究含水率和干密度對非飽和鈾尾砂基質吸力的影響，以及鈾尾砂基質吸力變化規律與常規土料的差異。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用的鈾尾砂取自中國西南某鈾尾礦庫，樣品如圖1所示。依據《土工實驗規程》(SL237-99)，測得3種原位鈾尾砂各項基本物理性質指標(見表1)，由于鈾尾砂原樣顆粒粒徑均小于2 mm，選取孔徑為1，0.5，0.25，0.1，0.075 mm的標準篩，按孔徑自下而上、由小到大的順序疊置，進行顆粒分析實驗，繪制出3種鈾尾砂樣品顆粒級配累計曲線，如圖2所示，并分別計算出顆粒級配參數(見表2)。3種鈾尾砂中，1#和2#尾砂的不均勻系數CU<5，曲率系數CC<1；3#尾砂的CU<5，CC<1，根據《土的工程分類標準》(GB/T50145-2007)，說明3種尾砂均屬于顆粒比較均勻，級配不良砂土。其中1#和2#尾砂主要顆粒粒徑集中在0.1～0.5 mm，屬于尾中砂，且1#尾砂的主要顆粒半徑所占百分比大于2#尾砂(72.119%>67.794%)，3#尾砂主要顆粒半徑集中在0.075～0.25 mm，占顆?？偭康?1.48%，屬于尾細砂。

1.2 濾紙法測定鈾尾砂基質吸力實驗原理

濾紙法測定鈾尾砂基質吸力是將濾紙視作標準多孔介質的傳感體，并基于濾紙這種傳感介質能夠在待測鈾尾砂樣中的液相遷移下與其吸力相平衡的基礎上，通過量測平衡時濾紙的含水率以計算得到鈾尾砂的基質吸力[16]。該方法具有價格低廉、精度較高、量程廣、操作簡單等特點[17-18]。

濾紙法按照其測定方法的不同，可分為接觸式和非接觸式2種。由于接觸法中溶解在鈾尾礦砂中的溶解鹽會隨著水分一起遷移，不體現滲透吸力的影響，因此，接觸法更能夠反映出鈾尾礦砂基質吸力的作用效果，故本文采用接觸式方法測定3種鈾尾礦砂基質吸力。

實驗所采用的杭州新華紙業“雙圈”牌濾紙主要技術參數為：灰分含量0.01%；直徑70 mm；過濾速度為慢速。依據相關文獻[19]，其率定方程如公式(1)所示：

圖1 風干后的鈾尾砂樣Fig.1 Air dried samples of uranium tailings

圖2 鈾尾礦砂樣品顆粒級配累計曲線Fig. 2 The particles cumulative curves of uranium tailings sample

表1 鈾尾礦砂主要物理性質參數Table 1 Main physical property parameters of uranium tailings

(1)

式中：S表示吸力，kPa；Wf為濾紙含水率。

表2 鈾尾礦砂顆粒組Table 2 Particle size composition of uranium tailings

1.3 實驗方法

取適量鈾尾礦砂樣品放置于恒溫干燥箱中(105～110℃)進行烘干，時間不少于48 h，直至鈾尾砂質量保持恒定不變。取出后，用保鮮膜覆蓋，待其冷卻至室溫后，稱量分裝至密封罐中。采用無氣水均勻噴灑的方式，將設計摻水量分別加入相應的尾砂密封罐中，充分拌勻并壓實至相應的干密度后立即密封，置于恒溫恒濕條件下靜置，靜置時間不少于2 d，使水分與鈾尾礦砂充分混合均勻，以配置成不同飽和度的鈾尾砂樣。

實驗時，不同飽和度梯度的鈾尾砂樣各取2個環刀土樣，放入3張裁剪好并充分干燥(105℃烘烤24 h)的濾紙(上下2張濾紙用于保護中間濾紙不被污染，中間濾紙用于基質吸力測定)。在濾紙置于砂樣前，將中間層濾紙置于稱量盒中，用分析天平測量濾紙的質量。用2層保鮮膜和1層膠帶將制備好的鈾尾砂試樣纏緊密封后，分裝進密封盒，并放入恒溫恒濕實驗箱中不少于10 d，以達到濾紙和鈾尾礦砂水分充分平衡目的。水分平衡后，剪開密封層，分離環刀試樣，用鑷子夾取出中間層濾紙，并快速(30 s之內完成)測定其質量。

2 結果分析

2.1 土水特征曲線(SWCC)擬合

在已提出的土-水特征曲線模型中，VG模型的擬合程度好，特別是對于砂土比較適用[20]。本文基于VG模型(如公式(2)所示)和實驗所得實驗數據，采用徑向基函數(RBF)神經網絡進行參數擬合。通過擬合得到3種鈾尾礦砂VG模型對應參數(見表3)，并依據所構建的模型，繪制出3種鈾尾礦砂的土水特征曲線(SWCC)，結果如圖3所示。

(2)

式中：θ為體積含水率；α，n，m為擬合參數，其中m=1-1/n；(ua-uw)表示基質吸力；θs和θr分別表示飽和含水率和殘余含水率。

表3 鈾尾礦砂的VG模型參數Table 3 Parameters of VG model used in uranium tailings

圖3 鈾尾礦砂土水特性擬合曲線Fig.3 Water characteristics curves of uranium tailings

由表3可知，3種鈾尾礦砂的擬合中R2值分別為0.98，0.95和0.98，這表明VG模型用于描述該類鈾尾礦砂土-水特征曲線適用性較好，且鈾尾礦砂基質吸力與體積含水率之間存在較強的相關性。與進氣值(AEV)相關的α參數，其大小為：α1#尾砂>α3#尾砂>α2#尾砂，說明1#尾砂結構孔隙最優，3#次之，2#最差。

由圖3可以看出，3種鈾尾礦砂在基質吸力隨體積含水率的變化趨勢上表現出相似的規律，即：當含水率大于某一特定值時，基質吸力變化較為平緩，而當含水率小于該值時，基質吸力則會急劇增大。但因顆粒組分的不同，在上述2個階段中3種尾砂基質吸力增長速率存在一定的差異性。2#尾砂處于飽和或近飽和時，基質吸力有1個較為短暫的快速增長趨勢；相比于1#和2#尾砂，3#尾砂緩慢增長期與快速增長期的斜率變化并不顯著。3種尾砂在基質吸力緩慢增長期的增長速率為3#>1#>2#，這與其曲率系數存在一定的非線性相關性(CC3#(0.83)>CC1#(0.716)>CC2#(0.615))。對于飽和含水率，3#尾砂最高，1#和2#尾砂大小相近；殘余含水率為2#尾砂略高于1#尾砂，3#尾砂最低，但總體來看，由于土水特征曲線的斜率2#>1#>3#，所以在同等條件下2#尾砂排水能力最強，1#次之，3#最差，這與其粗顆粒含量高低呈正相關性。

非飽和鈾尾礦砂抗剪強度受到基質吸力的影響，吸力大小又和尾砂孔隙中含水量關系密切，經量測該座鈾尾礦庫水位為24.447 m(壩高29.590 m)，且3處干灘取樣點在鉆孔取樣時至多鉆至2 m處時自然含水率基本大于12%，而從圖3中可以看出，當1#和2#鈾尾礦砂體積含水率大于10%時，其基質吸力都較小(<10 kPa)，由此可知，當選用1#和2#尾砂作為筑壩材料時，基質吸力對鈾尾礦壩抗剪強度及安全性系數的提高非常有限。

2.2 基質吸力與干密度的關系

根據原位鉆孔土樣含量情況，本文選取1#尾砂(主料)作為典型試樣進行實驗。實驗結果如圖4所示，在同等含水率下，隨著干密度的增大，3組鈾尾砂基質吸力均發生了改變，且這種改變因尾砂中含水率的高低而有所差異。當含水率較低時，基質吸力會隨著干密度的增大而增大，并且含水率越低，其增量尤為明顯(量級變化約為102)，這是因為尾砂孔隙中含水量較低時，顆粒間結構對基質吸力的影響較為顯著，在尾砂體變密的過程中，顆粒排列更為緊密，使得各顆粒之間的接觸點增多，且接觸點夾腳處水量減小，故吸力增大。但尾砂體已經具有一定的密實度，使得接觸點增加量十分有限，當尾砂中含水率逐步提高，特別是含水率大于14%時，水對基質吸力的影響度不容忽視，因壓密過程會使得土骨架中孔隙體積縮小，飽和度增大，造成吸力減小，因此干密度增加對基質吸力的影響度逐漸趨弱。在含水率大于34%時，隨著干密度的增加，基質吸力基本保持不變。

圖4 不同含水率條件下基質吸力與干密度之間的關系Fig.4 The relationship between matrix suction and dry density in uranium tailings under different moisture contents

上述現象與張鵬程等[21]的研究結果一致，即低水量階段，基質吸力對干密度改變敏感；高水量階段，基質吸力基本保持不變。因此，實驗結果表明鈾尾礦砂在基質吸力與含水率及干密度的關系上與一般性非飽和土相似。

2.3 吸力應力特性曲線(SSCC)關系

由于實驗或理論上確定有效應力參數χ和附加摩擦角φb的困難，有效應力理論(1959年Bishop提出)和雙獨立應力狀態變量理論(1978年Fredlund提出)的有效性和實用性在研究和實踐運用過程中存在很大程度的不確定性。為此，Lu等[11,22]在前人的理論基礎上，提出并建立了有效應力與吸力應力的關系式(見式(3))，而吸力應力與有效飽和度、基質吸力等關系密切，如式(4)[23]。其中，有效飽和度可以采用水土特性擬合曲線的VG模型參數進行表示(見式(5))，因吸力應力與土水特性曲線密切相關，這種關系被定義為SSCC[23]。

σ′=(σ-ua)-σs

(3)

σs=-(ua-uw)Se

(4)

(5)

式中：σ′為有效應力；(σ-ua)為凈正應力；σs為吸力應力；Se為有效飽和度；(ua-uw)為基質吸力；n,m,α為VG模型參數，其中m=1-1/n。

由式4反推可得基質吸力與有效飽和度的關系表達式(見式(6))，并將式(6)代入式(4)，建立吸力應力與有效飽和度的關系式，如式(7)所示。利用實驗數據和表3中的VG模型參數，代入式(7)計算得到σs，并繪出SSCC曲線圖，如圖5所示。

(6)

(7)

圖5 鈾尾礦砂SSCC曲線Fig.5 Curves of suction stress characteristic in uranium tailings

由圖5可知，1#和2#鈾尾砂在吸力應力隨有效飽和度變化呈現出基本相同的規律：先隨著有效飽和度增加而減小，但減小速率逐漸趨緩；當有效飽和度大于0.2時，吸力應力變化趨于平穩(1#尾砂更為明顯)；接近完全飽和時，吸力應力迅速上升至0。3#尾砂在有效飽和度從零開始增大時，吸力應力急劇降低至低谷值，隨后不斷增大，增速不斷趨緩后又逐漸增大。由式(2)，(3)和(6)分析可知：當不考慮外加正應力作用時，3種鈾尾砂有效應力最大值均在有效飽和度為0～0.15之間。同時，1#和2#尾砂在接近完全飽和度等時的吸應力變化幅度均大于接近完全干燥時的變化幅度，而3#尾砂則相反。

此外，1#和2#尾砂隨飽和度變化的整個過程中，吸力應力基本處于低應力水平，考慮到鈾尾礦庫高水位和豐富的毛細水帶作用，當選用這2組尾砂作為鈾尾礦壩主要堆壩材料時，基質吸力對鈾尾礦壩抗剪強度及安全性系數的影響將非常有限。

3 討論

3.1 鈾尾礦砂殘余含水率影響因素的討論

3種鈾尾砂在顆粒含量對殘余含水率含量影響規律上表現出殘余含水率隨細粒含量增加而降低的變化趨勢，這與文寶萍等[24]的研究結論存在不一致的情況。通過對表2中數據進行分析，發現雖然3#鈾尾砂細粒含量大于1#和2#尾砂，但其不均勻系數接近于1，特別是粒徑在0.1～0.5 mm范圍內的顆粒占土樣總質量的48.934%，這說明3#尾砂顆粒大小過于均勻，使得其堆積體中存在較多孔隙，水分易從孔隙中逃逸，造成持水能力降低，以及殘余含水率減小。

此外，利用圖3中數據作出3種鈾尾砂殘余含水率—飽和體積含水率的對應數據點，并對數據點進行了線性擬合，擬合結果如圖6所示。飽和體積含水率與殘余含水率之間存在極強的負相關性(R2>0.99)，而飽和體積含水率大小與鈾尾砂孔隙體積密切相關。

圖6 鈾尾礦砂殘余含水率與飽和體積含水率擬合關系曲線Fig.6 Fitting curve between residual moisture content and saturated volume water content in uranium tailings

由此可知，鈾尾砂殘余含水率不僅與細粒含量有關，還與其顆粒均勻程度和孔隙體積關系密切。尾砂顆粒越均勻，孔隙體積越大，其殘余含水率越低。

但需指出的是，土體的殘余含水率還受到微觀結構和礦物成分等因素的影響，因此，還需就土體結構特征、礦物成分與含量對鈾尾砂的微觀水分分布規律的影響展開進一步深入研究。此外，通過土水特征曲線來體現含水率與吸力之間的關系時，并未將土體變形以及由骨架變形引起孔隙中氣、液相流動對土水特征曲線的影響考慮在內。

3.2 鈾尾礦砂吸力應力影響因素的討論

根據Young[23]研究表明：當n>2時，隨著飽和度的增加，吸力應力先減小后增大；當n≤2時，隨著飽和度的增加，吸力應力單調遞減。結合表3和圖5可知，在低有效飽和度(Se<0.1)狀態下，3#尾砂吸力應力急劇變化特征與一般土料(砂土、淤泥和黏土)表現不同。查閱相關研究發現，VG模型擬合參數n的大小與顆粒級配有關，土體吸力應力大小與吸濕和脫濕條件有關[20,25]。因此，本實驗中3#尾砂吸力應力隨飽和度變化規律存在不一致的現象，可能由其特殊的礦物成分、顆粒粒度與級配等內部因素，以及所受外界應力歷史和干濕循環條件等外部因素等差異作用引起，需對其展開進一步探究。

4 結論

1)3種鈾尾礦砂基質吸力隨含水率減小呈現出高含水量階段緩慢增加，低含水量階段急劇增大的相似變化趨勢，但基質吸力各階段變化速率會因尾砂種類不同而有所差異。

2)在同等含水率且具有一定壓實度下，隨著干密度的增大，鈾尾礦砂基質吸力有所提高，但吸力增量應會因尾砂中含水率的增加而逐漸減小。

3)1#和2#鈾尾礦砂在吸力應力隨飽和度變化呈現出先減小后增大的規律，與已有非飽和土的研究結論一致； 3#尾砂在低飽和度時吸力應力變化規律與砂土和黏性土等常規土質表現不同。

4)將1#和2#尾砂作為主要筑壩材料時，基質吸力對鈾尾礦壩抗剪強度及安全性系數的影響非常有限。