離散元對加固尾砂在干濕循環(huán)作用下的細觀力學(xué)分析

禹雪陽1,劉邦瑤1,田亞坤1,2,伍玲玲1,2,張志軍1,2*

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽 421001;2.湖南省礦山巖土工程災(zāi)害預(yù)測與控制工程技術(shù)研究中心,湖南 衡陽 421001)

摘 要：為探究加固尾砂在干濕循環(huán)作用影響下力學(xué)性能、力鏈和尾砂顆粒運動的變化,通過對加固尾砂進行三軸試驗和離散元顆粒流(PFC2D)模擬試驗,分析其力學(xué)性能變化趨勢,并且探究尾砂顆粒間受力傳力和顆粒運動的演變。試驗結(jié)果表明:加固尾砂峰值應(yīng)力隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸遞減,但是其峰值應(yīng)力相較于原狀尾砂至少提升2.13倍;在干濕循環(huán)作用下,加固尾砂內(nèi)部力鏈逐漸加粗,網(wǎng)狀粗力鏈區(qū)域增多,且網(wǎng)狀粗力鏈區(qū)域發(fā)生位置變化;試樣破壞碎片數(shù)量隨循環(huán)次數(shù)增加而增加,碎片集中區(qū)隨著循環(huán)進行,從試樣下部向上部移動;干濕循環(huán)造成尾砂顆粒位移情況發(fā)生改變,顆粒不同位移區(qū)域增加,并在試樣上端產(chǎn)生大量不同位移區(qū)域,造成試樣上端更容易被破壞。

關(guān)鍵詞：干濕循環(huán);力學(xué)性能;PFC;力鏈;顆粒位移

0 引 言

因世界各國尾礦庫安全問題頻發(fā),如2019年巴西布魯馬迪紐潰壩事件,造成了嚴重的安全事故,給經(jīng)濟帶來了不可挽回的損失。為了解尾礦庫壩體的特性和治理尾礦庫安全問題,世界各國學(xué)者在不同種類的土體物理力學(xué)性能和微生物土體加固方面展開了大量研究。

微生物加固是土體綠色治理方案,它能有效填充土體孔隙,增強土體力學(xué)性能[1]。微生物加固能顯著提升土體物理性能和土體強度,并且在短時間內(nèi)能數(shù)倍提升土體抗剪強度[2]。且微生物加固能有效降低土體導(dǎo)水率,從而降低土體累積侵蝕量和侵蝕速度[3]。通過微生物加固技術(shù)加固土體,還能有效降低土體開裂甚至修復(fù)土體裂縫[4]。但是在自然界中,土體不可避免地受到干濕循環(huán)的影響,使土體內(nèi)部孔隙尺寸和孔隙分布產(chǎn)生很大差異[5],造成土體密度下降、孔隙率增加,且土體內(nèi)部微裂紋的密度和連通性隨濕干循環(huán)的增加而增加[6]。最終使得土體內(nèi)摩擦角、黏聚力等物理性能降低,使得土體力學(xué)性能劣化[7-8]。隨著技術(shù)發(fā)展,人們開始采用數(shù)值模擬來對土體力學(xué)特性演化進行研究[9],通過離散元顆粒流(particle flow code,PFC)來進行剪切試驗[10]、拉伸試驗[11],并且觀測對裂縫發(fā)展階段進行研究[12]。

對此,本文以加固尾砂為研究對象,在三軸試驗的基礎(chǔ)上開展PFC2D(particle flow code 2 dimensions,PFC2D)試驗,通過PFC2D來對加固尾砂各干濕循環(huán)階段力學(xué)性能進行模擬,以揭示在各循環(huán)次數(shù)下,加固尾砂各階段顆粒間受力變化和位移的演變,為后續(xù)模擬監(jiān)測加固尾砂在干濕循環(huán)的劣化情況提供理論依據(jù)。

1 試驗尾砂與微生物

1.1 尾砂

在湖南省某鉛鋅礦尾礦壩取得實驗所使用尾砂,將尾砂烘干處理,使用2 mm篩網(wǎng)對烘干的尾砂進行初篩,去除大體積雜物,并通過參考《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)所記錄的實驗方法,對尾砂進行顆粒篩分分析試驗和土工試驗。除雜后取200 g尾砂,分別過1、0.5、0.25、0.1、0.075和0.05 mm孔徑的標準篩網(wǎng),得到尾砂顆粒級配。并由此得到其曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)和其他物理參數(shù)(如表1所示),由于Cu小于5且Cc小于1,可知該尾砂級配不良。

表1 尾砂物理參數(shù)和級配參數(shù)
Table 1 Tailings physical parameters and gradation parameters

1.2 微生物和膠結(jié)溶液

本試驗使用的微生物為巴氏芽孢桿菌(編號ATCC11859),來自于美國細菌菌種保藏中心。它以尿素為原材料,并通過其代謝活性產(chǎn)生大量的高活性脲酶。液體培養(yǎng)基由15 g/L酪蛋白胨、20 g/L尿素、5 g/L大豆蛋白胨、5 g/L氯化鈉組成。混合前液體培養(yǎng)基先經(jīng)過高壓滅菌釜121 ℃滅菌20 min。在250 mL錐形瓶中盛放100 mL液體培養(yǎng)基,在無菌操作臺內(nèi)的酒精燈旁進行巴氏芽孢桿菌接種,從種庫中取出1 mL巴氏芽孢桿菌用移液槍注入液體培養(yǎng)基,將接種好的培養(yǎng)基放入轉(zhuǎn)速為150 r/min、溫度為30 ℃左右的搖床中振蕩10 h,經(jīng)過3～5次傳代后,測量菌液D600數(shù)值,數(shù)值范圍為0.8～1.2。膠結(jié)液為相同體積的1 mol/L氯化鈣溶液與1 mol/L尿素溶液混合而成。

1.3 試樣制備及試驗方法

將取回的尾砂放置100 ℃烘箱內(nèi)烘烤36 h,待尾礦砂完全烘干后將砂樣壓碎,將尾砂過一遍2 mm篩網(wǎng)以過濾尾礦砂中的雜質(zhì),并重新調(diào)配尾礦砂含水率為初始含水率,將調(diào)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勻地擴散。在實驗?zāi)＞邇?nèi)加入有韌性的內(nèi)套筒,以保證試樣脫模后的完整性。單個試樣為直徑R=39.1 mm、H=80 mm、重量m=201 g的圓柱形尾砂三軸試樣。尾砂試樣分三層擊實,每層尾砂重量一致,每層之間需進行鑿毛處理,并用吹氣球?qū)ζ溥M行吹掃,使得層與層之間連接更緊密,防止層與層之間出現(xiàn)斷裂。并采用滲透法制作加固尾砂,用注射器對原狀尾砂進行加固,依次向試樣中注入20 mL菌液、40 mL尿素溶液、40 mL氯化鈣溶液,每日對尾砂試樣進行一次加固,加固周期為14 d。試樣分為A、B兩組如圖1所示,A組為n(0～7)次循環(huán)的原狀尾砂,B組為n(0～7)次循環(huán)的加固尾砂。

圖1 原狀尾砂與加固尾砂
Fig.1 Undisturbed tailings and reinforced tailings

將制作好的A、B兩個尾砂試樣組進行吸濕-脫濕試驗。將兩個對比組尾砂含水率烘干至1%以下,待試樣冷卻至室溫后,將試樣置于足量的水中浸泡24 h,使得試樣吸水至含水率飽和,待循環(huán)完成后將試樣烘干至1%以下。采用全自動三軸儀(TKA-TTS-1S)對完成循環(huán)的尾砂試樣進行剪切試驗,通過三軸試驗數(shù)據(jù)得出建模所需參數(shù),建立PFC2D模型。

2 模型建立與分析

2.1 尾砂應(yīng)力分析

通過三軸試驗,得到不同條件下原狀尾砂與加固尾砂的峰值應(yīng)力柱狀圖(如圖2所示)。在干濕循環(huán)作用下,加固尾砂峰值應(yīng)力呈逐漸遞減趨勢。加固尾砂峰值應(yīng)力雖然有所降低,但是其峰值應(yīng)力依舊高于原狀尾砂,在100 kPa條件下經(jīng)歷n(0～7)次循環(huán)的加固尾砂應(yīng)力峰值分別提升至原狀尾砂的2.80、2.85、2.88、2.87和2.96倍。在200 kPa條件下加固尾砂應(yīng)力峰值分別提升至2.96、2.89、2.95、3.30和2.80倍。在300 kPa條件下加固尾砂應(yīng)力峰值分別提升至2.65、2.50、2.45、2.39和2.13倍。加固尾砂峰值應(yīng)力得到了有效提升,且經(jīng)歷循環(huán)后依舊能保持較好的提升效果。

圖2 尾砂應(yīng)力柱狀圖
Fig.2 Tailings stress histogram

由圖2可知,在圍壓為100、200和300 kPa的條件下,7次循環(huán)后加固尾砂峰值應(yīng)力分別是原狀尾砂的1.76、1.56和1.46倍。

通過分析不同干濕循環(huán)次數(shù)下加固尾砂應(yīng)力變化,發(fā)現(xiàn)相同次數(shù)下的加固尾砂與原狀尾砂相比,力學(xué)性能得到大幅提升,抵抗干濕循環(huán)作用能力更強,雖然加固尾砂的應(yīng)力峰值在干濕循環(huán)作用下呈下降趨勢,但是在經(jīng)歷7次循環(huán)后,其應(yīng)力峰值依舊高于原狀未循環(huán)尾砂。

2.2 模擬分析

為了更好地了解干濕循環(huán)對加固尾砂微觀結(jié)構(gòu)變換影響規(guī)律,在簡單物理實驗基礎(chǔ)上,結(jié)合離散元軟件PFC2D進行分析。根據(jù)真實尾砂試樣尺寸進行建模,尾砂加固體模型邊界尺寸為高 H=80.0 mm、寬B=39.1 mm,軟件會根據(jù)輸入的建模數(shù)據(jù)建立好模型邊界,并根據(jù)試樣面積、顆粒直徑和顆粒級配分布概率,在模型邊界均勻的隨機生成若干顆粒。在模型顆粒生成之后,賦予模型參數(shù)(見表2),施加膠結(jié),生成模型和膠結(jié)如圖3所示。

圖3 尾砂模型
Fig.3 Tailings model

表2 模型建立參數(shù)
Table 2 Model establishment parameters

2.2.1 模型誤差分析

利用PFC2D調(diào)整不同參數(shù),以此對經(jīng)歷了不同循環(huán)次數(shù)加固尾砂進行三軸剪切試驗?zāi)M,并得出各狀態(tài)下的應(yīng)力峰值。并通過模擬得出的數(shù)據(jù)與實際三軸試驗數(shù)據(jù)相比較,以實際試驗數(shù)據(jù)為基準,得出數(shù)值模擬與實際試驗數(shù)據(jù)之間的誤差,如表3所示。模擬選用圍壓為100 kPa時的尾砂模型為主要研究對象。

表3 模型峰值應(yīng)力及誤差
Table 3 Model peak stress and error

由表3所得與實際物理實驗所比較,其最大誤差為-1.21%,而大多數(shù)據(jù)偏差低于0.50%,數(shù)值模擬的峰值應(yīng)力誤差較小。因此可以使用離散元PFC2D進行加固尾砂的三軸剪切模擬試驗。

2.2.2 加固尾砂力鏈分析

如圖4(a)所示,加固尾砂未經(jīng)歷循環(huán)時,加固尾砂內(nèi)部力鏈分布和力鏈粗細較均勻,僅在破壞面交點有少量粗力鏈。然而,在加固尾砂經(jīng)歷干濕循環(huán)后,加固尾砂顆粒間傳力和受力情況發(fā)生了改變,顆粒間傳力受力變得大,使得力鏈慢慢加粗,尤其在破壞面交點處,且粗力鏈產(chǎn)生區(qū)域也在增加。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加,加固尾砂內(nèi)部細力鏈也開始變粗,內(nèi)部顆粒受力傳力更大而發(fā)生劣化破壞,使得粗力鏈區(qū)域不斷擴大,并且在破壞面交點處產(chǎn)生網(wǎng)狀粗力鏈,由此說明在加固尾砂破壞面交點處,即網(wǎng)狀粗力鏈區(qū)域產(chǎn)生了不利應(yīng)力集中。如圖4所示,粗力鏈始終存在于加固尾砂破壞面,隨著循環(huán)進行粗力鏈不斷增多,逐漸遍布破壞面,且網(wǎng)狀粗力鏈隨著破壞面的改變而發(fā)生移動。

圖4 尾砂力鏈分布
Fig.4 Tailings force chain distribution

2.2.3 加固尾砂破壞分析

如圖5(a)可知,加固尾砂在未經(jīng)歷循環(huán)時,破壞后的碎片較少,碎片較為完整,碎片分布于右傾裂縫的兩側(cè)。當加固尾砂經(jīng)歷干濕循環(huán)后,左下角碎片不再完整,而是演化出更多小碎片,并且在右傾裂縫周圍也出現(xiàn)了更多的碎片,這時右傾裂縫兩側(cè)主要大碎片面積變小,且小碎片開始沿右傾裂縫向上發(fā)展。

圖5 尾砂破壞模式
Fig.5 Tailings failure mode

由圖5(d)和5(e)所示,當干濕循環(huán)進行到5～7次時,加固尾砂破壞形貌發(fā)生變化,加固尾砂試樣上部出現(xiàn)破碎片,而右下部破碎片較為完整,并且干濕循環(huán)次數(shù)越多,上部破碎片越小越多。加固尾砂試樣在干濕循環(huán)的影響作用下,顆粒間連接能力減弱,試樣上部受力變大,試樣上部更容易發(fā)生破壞,由于試樣整體性變差,最終使得破碎的部位發(fā)生了改變。

2.2.4 尾砂顆粒位移分析

加固尾砂在未經(jīng)歷循環(huán)時,破壞面兩側(cè)顆粒位移方向較為一致如圖6(a)所示。

圖6 尾砂顆粒位移
Fig.6 Tailings particle displacement

當加固尾砂試樣開始經(jīng)歷干濕循環(huán)時,尾砂顆粒位移開始出現(xiàn)變化,如圖6(b)所示,在試樣左下角出現(xiàn)三角形位移區(qū)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,三角形位移區(qū)逐漸向加固尾砂試樣右上角移動,最終在加固尾砂試樣上部出現(xiàn)了不同方向的三角形位移區(qū),當試樣位移區(qū)越多越集中時,使得加固尾砂試樣更容易在位移集中區(qū)過早的形成破壞。

3 結(jié) 論

1)以加固尾砂為實驗主要對象,通過開展三軸試驗,探究加固尾砂在不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下力學(xué)性能的變化。加固尾砂的峰值應(yīng)力相較于原狀尾砂有了大幅提升,在100、200和300 kPa條件下,各循環(huán)次數(shù)下加固尾砂的峰值應(yīng)力提升至2.80～2.96、2.80～3.30和2.13～2.65倍。且經(jīng)歷7次循環(huán)的加固尾砂力學(xué)特性,在100、200和300 kPa條件下依舊是原裝狀未循環(huán)尾砂的1.46～1.76倍。

2)通過PFC2D對加固尾砂進行數(shù)值模擬實驗,模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)誤差在0.50%～1.21%。在干濕循環(huán)作用下,加固尾砂試樣內(nèi)部力鏈發(fā)生變化,干濕循環(huán)次數(shù)越多,力鏈越粗,粗力鏈數(shù)量越多,并且會在破壞面形成更多網(wǎng)狀粗力鏈區(qū)。

3)隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,加固尾砂試樣破壞碎片數(shù)量和破碎程度逐漸增加,碎片集中位置也由左下角慢慢移動到右上角;尾砂顆粒位移情況也在干濕循環(huán)作用下發(fā)生變化,三角形位移區(qū)逐漸移動到試樣上端,在試樣上端產(chǎn)生不同方向位移場集中區(qū),加固尾砂試樣更容易在位移集中區(qū)過早地形成破壞。

參考文獻：

[1]王緒民,崔芮,王鋮.微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀膠結(jié)加固泥巖試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2020,20(25):10372-10378.

[2]蟻曼冰,王延寧,劉東,等.基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)加固濱海軟土的試驗研究[J].汕頭大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2020,35(3):47-54.

[3]JIANG N J,SOGA K.The applicability of microbially induced calcite precipitation (MICP) for internal erosion control in gravel-sand mixtures[J].Géotechnique,2017,67(1):42-55.

[4]LIU B,ZHU C,TANG C S,et al.Bio-remediation of desiccation cracking in clayey soils through microbially induced calcite precipitation (MICP)[J].Engineering geology,2020,264:105389.

[5]PARDINI G,GUIDI G V,PINI R,et al.Structure and porosity of smectitic mudrocks as affected by experimental wetting-drying cycles and freezing-thawing cycles[J].Catena,1996,27(3/4):49-165.

[6]CAI X,ZHOU Z L,TAN L H,et al.Fracture behavior and damage mechanisms of sandstone subjected to wetting-drying cycles[J].Engineering fracture mechanics,2020,234:107109.

[7]袁志輝,唐春,楊普濟,等.干濕循環(huán)下紅土力學(xué)性質(zhì)劣化的多尺度試驗[J].水力發(fā)電學(xué)報,2022,41(2):79-91.

[8]安然,孔令偉,張先偉,等.干濕循環(huán)效應(yīng)下花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)損傷的多尺度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2022,42(3):1-10.

[9]蔣明鏡,廖優(yōu)斌,劉蔚,等.考慮膠結(jié)強度正態(tài)分下砂土力學(xué)特性離散元模擬[J].巖土工程學(xué)報,2016,38(增刊2):1-6.

[10]GHAZVINIAN A,SARFARAZI V,SCHUBERT W,et al.A study of the failure mechanism of planar non-persistent open joints using PFC2D[J].Rock mechanics and rock engineering,2012,45(5):677-693.

[11]WANG Z,JACOBS F,ZIEGLER M.Visualization of load transfer behaviour between geogrid and sand using PFC2D[J].Geotextiles and geomembranes,2014,42(2):83-90.

[12]ZHOU S,ZHU H,YAN Z,et al.A micromechanical study of the breakage mechanism of microcapsules in concrete using PFC2D[J].Construction and building materials,2016,115:452-463.

文章來源：南華大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版