铁尾矿砂不同重构模式的力学稳定性及有限元数值模拟

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我国铁矿资源丰富,铁矿石的开采会产生大量尾矿,尾矿结构松散,透水透气性差,长期堆放会占用一定的土地资源,并且随着堆积数量的增加,极易形成高陡边坡,如遇强降雨天气,尾矿边坡稳定性下降,易发生滑坡等地质灾害,危及地区人民的生命安全,影响当地生态环境。为此,本文通过室内重塑铁尾矿砂开展抗剪强度试验,根据掺土率设置五种土体重构模式,包括S(0)、S3T1(25%)、S1T1(50%)、S1T3(75%)和T(100%);每种重构模式设置两个含水率水平(15%、20%)、两个聚丙烯酰胺分子量水平(300w、600w)和三个紧实状态(疏松、偏紧、致密),研究含水率和聚丙烯酰胺(PAM)分子量对重构铁尾矿砂抗剪强度的影响,利用有限元数值模拟的方法对不同处理铁尾矿砂边坡受力情况进行仿真模拟,通过强度折减法计算出边坡的安全系数,评估边坡的稳定状态,主要结论如下:(1)同一紧实状态下,随着含水率的增加,纯土、掺土率25%、50%、75%、纯尾矿砂五种重构模式的黏聚力、内摩擦角下降;15%含水率时五种重构模式的抗剪强度均高于20%含水率;同一含水率水平下,五种重构模式的内摩擦角、黏聚力、抗剪强度随紧实度的增加而增大。(2)聚丙烯酰胺(PAM)的加入可以提高铁尾矿砂田间持水量,增加铁尾矿砂的保水性和饱和含水率,同时PAM分子量过高会抑制铁尾矿砂的饱和导水率,低分子量300w的PAM有利于生态修复。本试验从力学角度上进一步证明PAM可以提高重构铁尾矿砂的抗剪强度,且PAM分子量由0增至300w时,五种重构模式的抗剪强度增强效果高于PAM分子量由300w增至600w。(3)五种重构模式中添加300w分子量的PAM,掺土率25%的重构模式抗剪强度提高较大,水分入渗能力也较强;同时掺土率25%的模式,铁尾矿砂利用率高,土壤掺入量少。(4)对于同一坡面,含水率增加、紧实度降低都会使得铁尾矿砂的黏聚力、内摩擦角下降,利用有限元强度折减法分析边坡安全系数时发现,含水率15%时边坡安全系数高于含水率20%,三种紧实度下边坡安全系数由大到小依次为:致密>偏紧>疏松。(5)剪切试验表明,施加300w分子量的PAM,重构铁尾矿砂的黏聚力降低,内摩擦角增大,但总的抗剪强度随PAM的施加而增强,利用有限元强度折减法分析安全系数时发现,施加300w分子量的PAM后,边坡的安全系数降低。综上可以得出,抗剪强度的影响因素中内摩擦角发挥主导作用,而安全系数的影响因素中,黏聚力起到主导性作用。因此,在边坡稳定性的分析中,要综合考虑抗剪强度和安全系数两者的影响。(6)同一坡高下,坡度变化影响坡长,在利用有限元强度折减法分析边坡安全系数时发现,25°、35°、45°三个坡度状态下,边坡安全系数大小依次为25°>35°>45°。因此,对于高陡边坡的防护,可以通过降低边坡坡度的方法提高边坡的安全系数,增加稳定性,防治滑坡等地质灾害的发生。
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