含水率和干密度对某铀尾砂基质吸力的影响研究*

刘 永，潘宇翔，张志军，桂 荣，戴 兵，章求才，伍玲玲

(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；3. 铀矿冶放射性控制技术湖南省工程研究中心，湖南 衡阳 421001)

0 引言

在铀矿资源开采加工和利用的过程中，产生的铀尾矿大多采用尾矿库的形式进行储存[1]。铀尾矿坝作为核设施的一种，其稳定性是核工业健康、稳定和可持续发展的前提。但铀尾矿坝长期暴露在自然环境中，坝体浸润线和毛细水高度易受到降雨、外界温度和湿度等因素的影响[2]，引起铀尾砂饱和度增加，使铀尾矿坝原有基质吸力降低或消失，造成坝体抗剪强度大幅度降低。因此，研究铀尾砂在不同水土特性状态下基质吸力变化规律对铀尾矿坝安全稳定和快速退役治理具有一定的指导意义。位于浸润线以上的铀尾砂属于非饱和土，与完全干燥或完全饱和的土体相比，非饱和土具有较为不同的性状，若在对非饱和土特性进行全面认识和描述的过程中仍采用饱和土力学理论进行分析，则会存在忽略非饱和土特殊的固-液-气三相多孔介质微细观结构、各相介质之间相互作用以及吸力作用对非饱和土体强度和变形特性的影响等问题[3-5]。

自20世纪30年代将水-土特征曲线(SWCC)纳入到土力学理论中来，Bishop等[6]、Fredlund等[7]、Khalili等[8]开展了一系列有关基质吸力与土体有效应力或剪切强度之间关系的理论研究；Chaney等[9]通过实验验证了水-土特征曲线与土体非饱和抗剪强度存在密切相关性；Thu等[10]测定和分析了基质吸力对压实淤泥试样压缩性和刚度的影响度；Young-Sulk Song等[11]通过轴平移技术发现砂土和淤泥的SWCC行为存在不同；Tan等[12]基于渗析法和滤纸法测定分析了合肥市某建筑工地膨胀土的水-土特征规律及其影响因素；Tahasildar等[13]通过室内土体膨胀实验和吸力测定实验，发现膨胀土的膨胀特性与SWCC曲线密切相关；Kim等[14]通过对Umyeonsan山体滑坡的研究，提出该事故主要由于降雨造成基质吸力降低所引发；Li等[15]研究了基质吸力对网纹红土蠕变行为的影响。

由此可见，土水特性曲线对于研究非饱和土基质吸力对其水力特性、抗剪强度、变形和固结等的影响具有重要意义，但目前关于基质吸力的分析多是针对简单常规单一土料条件下的实验和研究，而铀尾砂作为一类具有特殊矿物成分、化学成分和粒度组分的土料，使得在实际实验中探究和分析基质吸力对物理力学性质的影响机制变得更为复杂、难度更大，需综合分析基质吸力在一般土体变形和强度分析时的研究内容和分析方法，并充分考虑铀尾矿砂这一特殊的复杂多孔介质，以土水特征曲线和吸力应力曲线为切入点进行分析。

因此，本文通过对中国西南某铀尾矿坝干滩区3种典型铀尾砂样运用滤纸法展开室内基质吸力测试实验，以探究含水率和干密度对非饱和铀尾砂基质吸力的影响，以及铀尾砂基质吸力变化规律与常规土料的差异。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用的铀尾砂取自中国西南某铀尾矿库，样品如图1所示。依据《土工实验规程》(SL237-99)，测得3种原位铀尾砂各项基本物理性质指标(见表1)，由于铀尾砂原样颗粒粒径均小于2 mm，选取孔径为1，0.5，0.25，0.1，0.075 mm的标准筛，按孔径自下而上、由小到大的顺序叠置，进行颗粒分析实验，绘制出3种铀尾砂样品颗粒级配累计曲线，如图2所示，并分别计算出颗粒级配参数(见表2)。3种铀尾砂中，1#和2#尾砂的不均匀系数CU<5，曲率系数CC<1；3#尾砂的CU<5，CC<1，根据《土的工程分类标准》(GB/T50145-2007)，说明3种尾砂均属于颗粒比较均匀，级配不良砂土。其中1#和2#尾砂主要颗粒粒径集中在0.1～0.5 mm，属于尾中砂，且1#尾砂的主要颗粒半径所占百分比大于2#尾砂(72.119%>67.794%)，3#尾砂主要颗粒半径集中在0.075～0.25 mm，占颗粒总量的71.48%，属于尾细砂。

1.2 滤纸法测定铀尾砂基质吸力实验原理

滤纸法测定铀尾砂基质吸力是将滤纸视作标准多孔介质的传感体，并基于滤纸这种传感介质能够在待测铀尾砂样中的液相迁移下与其吸力相平衡的基础上，通过量测平衡时滤纸的含水率以计算得到铀尾砂的基质吸力[16]。该方法具有价格低廉、精度较高、量程广、操作简单等特点[17-18]。

滤纸法按照其测定方法的不同，可分为接触式和非接触式2种。由于接触法中溶解在铀尾矿砂中的溶解盐会随着水分一起迁移，不体现渗透吸力的影响，因此，接触法更能够反映出铀尾矿砂基质吸力的作用效果，故本文采用接触式方法测定3种铀尾矿砂基质吸力。

实验所采用的杭州新华纸业“双圈”牌滤纸主要技术参数为：灰分含量0.01%；直径70 mm；过滤速度为慢速。依据相关文献[19]，其率定方程如公式(1)所示：

图1 风干后的铀尾砂样Fig.1 Air dried samples of uranium tailings

图2 铀尾矿砂样品颗粒级配累计曲线Fig. 2 The particles cumulative curves of uranium tailings sample

表1 铀尾矿砂主要物理性质参数Table 1 Main physical property parameters of uranium tailings

(1)

式中：S表示吸力，kPa；Wf为滤纸含水率。

表2 铀尾矿砂颗粒组Table 2 Particle size composition of uranium tailings

1.3 实验方法

取适量铀尾矿砂样品放置于恒温干燥箱中(105～110℃)进行烘干，时间不少于48 h，直至铀尾砂质量保持恒定不变。取出后，用保鲜膜覆盖，待其冷却至室温后，称量分装至密封罐中。采用无气水均匀喷洒的方式，将设计掺水量分别加入相应的尾砂密封罐中，充分拌匀并压实至相应的干密度后立即密封，置于恒温恒湿条件下静置，静置时间不少于2 d，使水分与铀尾矿砂充分混合均匀，以配置成不同饱和度的铀尾砂样。

实验时，不同饱和度梯度的铀尾砂样各取2个环刀土样，放入3张裁剪好并充分干燥(105℃烘烤24 h)的滤纸(上下2张滤纸用于保护中间滤纸不被污染，中间滤纸用于基质吸力测定)。在滤纸置于砂样前，将中间层滤纸置于称量盒中，用分析天平测量滤纸的质量。用2层保鲜膜和1层胶带将制备好的铀尾砂试样缠紧密封后，分装进密封盒，并放入恒温恒湿实验箱中不少于10 d，以达到滤纸和铀尾矿砂水分充分平衡目的。水分平衡后，剪开密封层，分离环刀试样，用镊子夹取出中间层滤纸，并快速(30 s之内完成)测定其质量。

2 结果分析

2.1 土水特征曲线(SWCC)拟合

在已提出的土-水特征曲线模型中，VG模型的拟合程度好，特别是对于砂土比较适用[20]。本文基于VG模型(如公式(2)所示)和实验所得实验数据，采用径向基函数(RBF)神经网络进行参数拟合。通过拟合得到3种铀尾矿砂VG模型对应参数(见表3)，并依据所构建的模型，绘制出3种铀尾矿砂的土水特征曲线(SWCC)，结果如图3所示。

(2)

式中：θ为体积含水率；α，n，m为拟合参数，其中m=1-1/n；(ua-uw)表示基质吸力；θs和θr分别表示饱和含水率和残余含水率。

表3 铀尾矿砂的VG模型参数Table 3 Parameters of VG model used in uranium tailings

图3 铀尾矿砂土水特性拟合曲线Fig.3 Water characteristics curves of uranium tailings

由表3可知，3种铀尾矿砂的拟合中R2值分别为0.98，0.95和0.98，这表明VG模型用于描述该类铀尾矿砂土-水特征曲线适用性较好，且铀尾矿砂基质吸力与体积含水率之间存在较强的相关性。与进气值(AEV)相关的α参数，其大小为：α1#尾砂>α3#尾砂>α2#尾砂，说明1#尾砂结构孔隙最优，3#次之，2#最差。

由图3可以看出，3种铀尾矿砂在基质吸力随体积含水率的变化趋势上表现出相似的规律，即：当含水率大于某一特定值时，基质吸力变化较为平缓，而当含水率小于该值时，基质吸力则会急剧增大。但因颗粒组分的不同，在上述2个阶段中3种尾砂基质吸力增长速率存在一定的差异性。2#尾砂处于饱和或近饱和时，基质吸力有1个较为短暂的快速增长趋势；相比于1#和2#尾砂，3#尾砂缓慢增长期与快速增长期的斜率变化并不显著。3种尾砂在基质吸力缓慢增长期的增长速率为3#>1#>2#，这与其曲率系数存在一定的非线性相关性(CC3#(0.83)>CC1#(0.716)>CC2#(0.615))。对于饱和含水率，3#尾砂最高，1#和2#尾砂大小相近；残余含水率为2#尾砂略高于1#尾砂，3#尾砂最低，但总体来看，由于土水特征曲线的斜率2#>1#>3#，所以在同等条件下2#尾砂排水能力最强，1#次之，3#最差，这与其粗颗粒含量高低呈正相关性。

非饱和铀尾矿砂抗剪强度受到基质吸力的影响，吸力大小又和尾砂孔隙中含水量关系密切，经量测该座铀尾矿库水位为24.447 m(坝高29.590 m)，且3处干滩取样点在钻孔取样时至多钻至2 m处时自然含水率基本大于12%，而从图3中可以看出，当1#和2#铀尾矿砂体积含水率大于10%时，其基质吸力都较小(<10 kPa)，由此可知，当选用1#和2#尾砂作为筑坝材料时，基质吸力对铀尾矿坝抗剪强度及安全性系数的提高非常有限。

2.2 基质吸力与干密度的关系

根据原位钻孔土样含量情况，本文选取1#尾砂(主料)作为典型试样进行实验。实验结果如图4所示，在同等含水率下，随着干密度的增大，3组铀尾砂基质吸力均发生了改变，且这种改变因尾砂中含水率的高低而有所差异。当含水率较低时，基质吸力会随着干密度的增大而增大，并且含水率越低，其增量尤为明显(量级变化约为102)，这是因为尾砂孔隙中含水量较低时，颗粒间结构对基质吸力的影响较为显著，在尾砂体变密的过程中，颗粒排列更为紧密，使得各颗粒之间的接触点增多，且接触点夹脚处水量减小，故吸力增大。但尾砂体已经具有一定的密实度，使得接触点增加量十分有限，当尾砂中含水率逐步提高，特别是含水率大于14%时，水对基质吸力的影响度不容忽视，因压密过程会使得土骨架中孔隙体积缩小，饱和度增大，造成吸力减小，因此干密度增加对基质吸力的影响度逐渐趋弱。在含水率大于34%时，随着干密度的增加，基质吸力基本保持不变。

图4 不同含水率条件下基质吸力与干密度之间的关系Fig.4 The relationship between matrix suction and dry density in uranium tailings under different moisture contents

上述现象与张鹏程等[21]的研究结果一致，即低水量阶段，基质吸力对干密度改变敏感；高水量阶段，基质吸力基本保持不变。因此，实验结果表明铀尾矿砂在基质吸力与含水率及干密度的关系上与一般性非饱和土相似。

2.3 吸力应力特性曲线(SSCC)关系

由于实验或理论上确定有效应力参数χ和附加摩擦角φb的困难，有效应力理论(1959年Bishop提出)和双独立应力状态变量理论(1978年Fredlund提出)的有效性和实用性在研究和实践运用过程中存在很大程度的不确定性。为此，Lu等[11,22]在前人的理论基础上，提出并建立了有效应力与吸力应力的关系式(见式(3))，而吸力应力与有效饱和度、基质吸力等关系密切，如式(4)[23]。其中，有效饱和度可以采用水土特性拟合曲线的VG模型参数进行表示(见式(5))，因吸力应力与土水特性曲线密切相关，这种关系被定义为SSCC[23]。

σ′=(σ-ua)-σs

(3)

σs=-(ua-uw)Se

(4)

(5)

式中：σ′为有效应力；(σ-ua)为净正应力；σs为吸力应力；Se为有效饱和度；(ua-uw)为基质吸力；n,m,α为VG模型参数，其中m=1-1/n。

由式4反推可得基质吸力与有效饱和度的关系表达式(见式(6))，并将式(6)代入式(4)，建立吸力应力与有效饱和度的关系式，如式(7)所示。利用实验数据和表3中的VG模型参数，代入式(7)计算得到σs，并绘出SSCC曲线图，如图5所示。

(6)

(7)

图5 铀尾矿砂SSCC曲线Fig.5 Curves of suction stress characteristic in uranium tailings

由图5可知，1#和2#铀尾砂在吸力应力随有效饱和度变化呈现出基本相同的规律：先随着有效饱和度增加而减小，但减小速率逐渐趋缓；当有效饱和度大于0.2时，吸力应力变化趋于平稳(1#尾砂更为明显)；接近完全饱和时，吸力应力迅速上升至0。3#尾砂在有效饱和度从零开始增大时，吸力应力急剧降低至低谷值，随后不断增大，增速不断趋缓后又逐渐增大。由式(2)，(3)和(6)分析可知：当不考虑外加正应力作用时，3种铀尾砂有效应力最大值均在有效饱和度为0～0.15之间。同时，1#和2#尾砂在接近完全饱和度等时的吸应力变化幅度均大于接近完全干燥时的变化幅度，而3#尾砂则相反。

此外，1#和2#尾砂随饱和度变化的整个过程中，吸力应力基本处于低应力水平，考虑到铀尾矿库高水位和丰富的毛细水带作用，当选用这2组尾砂作为铀尾矿坝主要堆坝材料时，基质吸力对铀尾矿坝抗剪强度及安全性系数的影响将非常有限。

3 讨论

3.1 铀尾矿砂残余含水率影响因素的讨论

3种铀尾砂在颗粒含量对残余含水率含量影响规律上表现出残余含水率随细粒含量增加而降低的变化趋势，这与文宝萍等[24]的研究结论存在不一致的情况。通过对表2中数据进行分析，发现虽然3#铀尾砂细粒含量大于1#和2#尾砂，但其不均匀系数接近于1，特别是粒径在0.1～0.5 mm范围内的颗粒占土样总质量的48.934%，这说明3#尾砂颗粒大小过于均匀，使得其堆积体中存在较多孔隙，水分易从孔隙中逃逸，造成持水能力降低，以及残余含水率减小。

此外，利用图3中数据作出3种铀尾砂残余含水率—饱和体积含水率的对应数据点，并对数据点进行了线性拟合，拟合结果如图6所示。饱和体积含水率与残余含水率之间存在极强的负相关性(R2>0.99)，而饱和体积含水率大小与铀尾砂孔隙体积密切相关。

图6 铀尾矿砂残余含水率与饱和体积含水率拟合关系曲线Fig.6 Fitting curve between residual moisture content and saturated volume water content in uranium tailings

由此可知，铀尾砂残余含水率不仅与细粒含量有关，还与其颗粒均匀程度和孔隙体积关系密切。尾砂颗粒越均匀，孔隙体积越大，其残余含水率越低。

但需指出的是，土体的残余含水率还受到微观结构和矿物成分等因素的影响，因此，还需就土体结构特征、矿物成分与含量对铀尾砂的微观水分分布规律的影响展开进一步深入研究。此外，通过土水特征曲线来体现含水率与吸力之间的关系时，并未将土体变形以及由骨架变形引起孔隙中气、液相流动对土水特征曲线的影响考虑在内。

3.2 铀尾矿砂吸力应力影响因素的讨论

根据Young[23]研究表明：当n>2时，随着饱和度的增加，吸力应力先减小后增大；当n≤2时，随着饱和度的增加，吸力应力单调递减。结合表3和图5可知，在低有效饱和度(Se<0.1)状态下，3#尾砂吸力应力急剧变化特征与一般土料(砂土、淤泥和黏土)表现不同。查阅相关研究发现，VG模型拟合参数n的大小与颗粒级配有关，土体吸力应力大小与吸湿和脱湿条件有关[20,25]。因此，本实验中3#尾砂吸力应力随饱和度变化规律存在不一致的现象，可能由其特殊的矿物成分、颗粒粒度与级配等内部因素，以及所受外界应力历史和干湿循环条件等外部因素等差异作用引起，需对其展开进一步探究。

4 结论

1)3种铀尾矿砂基质吸力随含水率减小呈现出高含水量阶段缓慢增加，低含水量阶段急剧增大的相似变化趋势，但基质吸力各阶段变化速率会因尾砂种类不同而有所差异。

2)在同等含水率且具有一定压实度下，随着干密度的增大，铀尾矿砂基质吸力有所提高，但吸力增量应会因尾砂中含水率的增加而逐渐减小。

3)1#和2#铀尾矿砂在吸力应力随饱和度变化呈现出先减小后增大的规律，与已有非饱和土的研究结论一致； 3#尾砂在低饱和度时吸力应力变化规律与砂土和黏性土等常规土质表现不同。

4)将1#和2#尾砂作为主要筑坝材料时，基质吸力对铀尾矿坝抗剪强度及安全性系数的影响非常有限。