降雨入渗条件下基质吸力对尾矿坝稳定性影响研究

摘要

降雨入渗直接影响尾矿坝土体含水率，含水率的变化会改变土体基质吸力，而基质吸力与非饱和坝体抗剪强度及稳定性紧密相关。目前尾矿坝稳定性分析和研究中很少考虑降雨入渗问题，现有的边坡稳定性分析也多是根据传统的饱和土力学理论进行的，仅考虑了“固-液-气”三相，缺乏对非饱和土体中的第四相—液-气交界面上收缩膜产生的基质吸力的研究。尾矿坝是一类特殊的非饱和土边坡，基质吸力是非饱和土体有别于饱和土体的根本特性，在稳定性计算和分析时不可忽略。
　　基于此，本文以某尾矿坝为研究对象，首先，系统分析了基质吸力对边坡稳定性的影响机理，并以磷尾矿砂为主要试验材料，通过室内土工试验，测定了试样的含水率、密度和塑限等13项物理性质，以及黏聚力、内摩擦角和渗透系数等4项力学性质，以选定适用于后期试验的尾矿砂材料。其次，通过尾矿坝模型相似试验，研究不同雨强下，尾矿坝的入渗规律及其物理力学特性动态变化规律。然后，采用接触式滤纸法，研究了降雨入渗过程过程中基质吸力随含水率的变化规律。根据Fredlund-Xing模型绘制出尾矿砂的土-水特征曲线（SWCC），并从土体自身因素及外部环境条件两个方面分析了影响基质吸力及 SWCC的主要因素。最后，在传统Mohr-Coulomb强度破坏准则基础上，根据Fredlund双应力变量理论，将基质吸力单独作为一个应力变量考虑进抗剪强度计算中。为了避免基质吸力摩擦角φb与有效应力参数χ对抗剪强度计算带来的不便，同时也便于极限平衡分析软件Slide的计算，通过对Bishop和Fredlund非饱和土强度公式的组合、优化，基于含水率建立了适用于尾矿坝的“微观Mohr-Coulomb强度公式”。根据格子Boltzmann模型对基质吸力和抗剪强度参数的试验结果进行拟合分析，得到非饱和尾矿坝稳定性安全系数与基质吸力变化关系，并对比分析了考虑基质吸力前后坝体安全系数的变化规律。
　　研究结果表明，降雨过程中随着土体含水率的增加，坝坡安全系数总体上呈先降低后趋于稳定的趋势。自坝体干燥状态至饱和状态时，按传统饱和土力学方法计算得到的安全系数降低了43％，按考虑基质吸力后的新方法计算得到的安全系数降低了61%，变化程度较传统计算方法更为显著。当含水率在土体塑限（16.1%）之前的低饱和度阶段时，传统方法计算出的安全系数较新方法的计算结果偏小，减小了约14.7%；在含水率达到塑限之后的高饱和度阶段，传统方法计算出的安全系数偏大，增大了约26.2%。因此，基质吸力对尾矿坝稳定性安全系数的增强或削弱影响非常明显，在进行尾矿坝稳定性计算和分析时应予以充分考虑。

目录

声明

1 绪论

1. 1 学术背景及研究意义

1. 2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容和技术路线

1.4 本研究的主要创新点

2 基于非饱和土力学的尾矿坝稳定性相关理论

2.1 基质吸力主要理论

2.2 尾矿坝非饱和土体的应力状态

2.3 尾矿坝变形特性

2.4 非饱和土强度理论及坝坡稳定性影响因素

3 尾矿物理力学性质试验及降雨入渗规律研究

3.1 尾矿砂物理力学性质测定

3.2 尾矿坝渗流基本规律

3.3 降雨入渗机理研究

3.4 降雨入渗影响因素分析

4 尾矿坝降雨入渗模拟及基质吸力试验研究

4.1 降雨入渗模型相似试验

4.2 尾矿坝坡土体基质吸力的滤纸法测试

4.3 基质吸力试验结果及分析

4.4 基质吸力及土-水特征曲线影响因素分析

5 考虑基质吸力的尾矿坝稳定性分析

5.1 尾矿坝稳定性分析原理与方法

5.2 抗剪强度及其参数随基质吸力变化特征分析

5.3 尾矿坝稳定性数值分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果