尾礦材料次固結(jié)特性剖析與蠕變模型構(gòu)建及應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加速，礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用規(guī)模不斷擴(kuò)大。在礦石開采和選礦過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的尾礦。尾礦作為一種工業(yè)固體廢棄物，其產(chǎn)生量和堆存量逐年增加，給環(huán)境和工程帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有的尾礦庫(kù)眾多，尾礦堆積總量巨大，僅2007年，全國(guó)的尾礦排量近10億噸，到2020年，我國(guó)尾礦產(chǎn)生量為12.95億t，約占大宗工業(yè)固體廢物年產(chǎn)生量的34.20%。尾礦的大量堆存不僅占用了大量寶貴的土地資源，截止到2005年，我國(guó)的尾礦堆放占用土地達(dá)1300多萬(wàn)畝，隨著尾礦的不斷增加，占用土地的面積也在持續(xù)上升。同時(shí)，尾礦中含有的重金屬和選礦藥劑等有毒有害成分，通過(guò)尾礦揚(yáng)塵、地表水徑流和地下水滲流等多種方式，對(duì)大氣、水和土壤造成了嚴(yán)重污染，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。尾礦庫(kù)還存在著安全隱患，部分尾礦庫(kù)超期和超負(fù)荷使用，一旦發(fā)生事故，如尾礦壩潰壩，將會(huì)引發(fā)泥石流、水災(zāi)等災(zāi)害，對(duì)周邊地區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。在工程領(lǐng)域，尾礦常被用于尾礦壩的建設(shè)、礦山采空區(qū)的填充以及道路基層材料等。尾礦壩作為尾礦的主要儲(chǔ)存設(shè)施，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到周邊環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。尾礦材料的次固結(jié)特性及蠕變行為對(duì)尾礦壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。次固結(jié)是指在主固結(jié)完成后，土體在恒定荷載作用下隨時(shí)間繼續(xù)發(fā)生的緩慢變形，這種變形可能會(huì)導(dǎo)致尾礦壩壩體的沉降、位移和裂縫的產(chǎn)生，從而降低壩體的穩(wěn)定性。蠕變則是材料在恒定荷載作用下，應(yīng)變隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象，尾礦材料的蠕變特性會(huì)使壩體在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中逐漸發(fā)生變形，增加壩體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，深入研究尾礦材料的次固結(jié)特性及蠕變模型，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估尾礦壩的穩(wěn)定性，制定合理的工程措施，保障尾礦壩的安全運(yùn)行具有重要的工程意義。從資源利用的角度來(lái)看，尾礦并非完全是廢棄物，其中往往含有一些有價(jià)金屬和非金屬礦物，具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過(guò)對(duì)尾礦材料特性的研究，可以為尾礦的綜合回收利用提供理論依據(jù)，開發(fā)出更有效的選礦技術(shù)和工藝，實(shí)現(xiàn)尾礦資源的二次開發(fā)和利用，提高資源利用率，減少對(duì)原生礦產(chǎn)資源的依賴，促進(jìn)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，研究尾礦材料次固結(jié)特性及蠕變模型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。它不僅有助于解決尾礦帶來(lái)的環(huán)境污染和安全隱患問(wèn)題，為尾礦壩的穩(wěn)定性分析和工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，保障工程安全；還能推動(dòng)尾礦資源的合理利用，實(shí)現(xiàn)資源的高效回收和循環(huán)利用，減少資源浪費(fèi)，促進(jìn)礦業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有深遠(yuǎn)的影響。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1尾礦材料次固結(jié)特性研究現(xiàn)狀尾礦材料的次固結(jié)特性是影響尾礦工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。早期的研究主要集中在尾礦的基本物理力學(xué)性質(zhì)方面，隨著研究的深入，逐漸涉及到尾礦的次固結(jié)特性。國(guó)外在尾礦次固結(jié)特性研究方面開展較早。例如，[國(guó)外學(xué)者1]通過(guò)對(duì)加拿大某尾礦庫(kù)尾礦的室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析了尾礦顆粒組成、礦物成分等因素對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)尾礦中細(xì)顆粒含量越高，次固結(jié)系數(shù)越大，次固結(jié)變形越明顯。[國(guó)外學(xué)者2]對(duì)澳大利亞的尾礦進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，探討了不同應(yīng)力水平下尾礦的次固結(jié)特性，結(jié)果表明，隨著應(yīng)力水平的增加，尾礦的次固結(jié)變形速率逐漸增大。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在尾礦次固結(jié)特性研究方面取得了一系列成果。[國(guó)內(nèi)學(xué)者1]以某鐵尾礦為研究對(duì)象，研究了尾礦的微觀結(jié)構(gòu)與次固結(jié)特性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)尾礦顆粒的排列方式和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)次固結(jié)變形有重要影響。[國(guó)內(nèi)學(xué)者2]通過(guò)對(duì)不同類型尾礦的試驗(yàn)研究，總結(jié)了尾礦的次固結(jié)變形規(guī)律，提出了基于次固結(jié)系數(shù)的尾礦變形預(yù)測(cè)方法。在影響因素研究方面，除了顆粒組成、礦物成分和應(yīng)力水平外，學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)尾礦的含水量、壓實(shí)度、化學(xué)添加劑等因素也會(huì)對(duì)尾礦的次固結(jié)特性產(chǎn)生影響。[國(guó)內(nèi)學(xué)者3]研究了含水量對(duì)尾礦次固結(jié)特性的影響，結(jié)果表明，含水量越高，尾礦的次固結(jié)系數(shù)越大，次固結(jié)變形越顯著。[國(guó)內(nèi)學(xué)者4]探討了壓實(shí)度對(duì)尾礦次固結(jié)特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著壓實(shí)度的增加，尾礦的次固結(jié)系數(shù)減小，次固結(jié)變形得到一定程度的抑制。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在尾礦次固結(jié)特性研究方面取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。目前的研究大多集中在單一因素對(duì)尾礦次固結(jié)特性的影響，對(duì)于多因素耦合作用下尾礦次固結(jié)特性的研究還相對(duì)較少。尾礦次固結(jié)特性的研究主要基于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，缺乏對(duì)尾礦次固結(jié)微觀機(jī)理的深入研究，難以從本質(zhì)上揭示尾礦次固結(jié)變形的規(guī)律。1.2.2尾礦材料蠕變模型研究現(xiàn)狀尾礦材料的蠕變行為是其在工程應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，建立合理的蠕變模型對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尾礦的長(zhǎng)期變形具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)尾礦材料的蠕變特性，提出了多種蠕變模型。經(jīng)典的蠕變模型包括Maxwell模型、Kelvin模型和Burgers模型等。Maxwell模型由一個(gè)彈簧和一個(gè)黏壺串聯(lián)組成，能夠描述材料的瞬時(shí)彈性變形和黏性流動(dòng)，但不能反映材料的蠕變恢復(fù)特性。Kelvin模型由一個(gè)彈簧和一個(gè)黏壺并聯(lián)組成，可描述材料的蠕變恢復(fù)現(xiàn)象，但無(wú)法體現(xiàn)材料的瞬時(shí)彈性變形。Burgers模型則是由Maxwell模型和Kelvin模型串聯(lián)而成，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地描述材料的瞬時(shí)彈性變形、黏性流動(dòng)和蠕變恢復(fù)特性。這些經(jīng)典模型在尾礦材料蠕變模擬中得到了一定的應(yīng)用，[研究案例1]采用Maxwell模型對(duì)某尾礦壩的蠕變變形進(jìn)行了模擬分析，預(yù)測(cè)了壩體在長(zhǎng)期荷載作用下的變形趨勢(shì)；[研究案例2]利用Burgers模型對(duì)尾礦砂的蠕變特性進(jìn)行了研究，取得了較好的模擬效果。然而，經(jīng)典模型往往過(guò)于理想化，難以準(zhǔn)確描述尾礦材料復(fù)雜的蠕變行為，尤其是在考慮尾礦的非線性特性和應(yīng)力歷史等因素時(shí)，其模擬精度有待提高。為了更好地描述尾礦材料的蠕變特性，學(xué)者們?cè)诮?jīng)典模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和拓展。[國(guó)內(nèi)學(xué)者5]考慮到尾礦材料的非線性黏彈性特性，在Burgers模型中引入非線性黏壺，提出了一種非線性蠕變模型，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的有效性。[國(guó)外學(xué)者3]針對(duì)尾礦在不同應(yīng)力水平下的蠕變特性，建立了基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)的蠕變模型，該模型能夠更準(zhǔn)確地描述尾礦的蠕變過(guò)程，但模型參數(shù)的確定較為復(fù)雜。除了對(duì)傳統(tǒng)模型進(jìn)行改進(jìn)，一些新的蠕變模型也不斷涌現(xiàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由于其強(qiáng)大的非線性映射能力，在尾礦材料蠕變模擬中得到了應(yīng)用。[研究案例3]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了尾礦蠕變模型，通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾礦蠕變變形的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型缺乏明確的物理意義，模型的泛化能力和可解釋性有待進(jìn)一步提高。微觀力學(xué)模型從尾礦材料的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮顆粒間的相互作用和微觀力學(xué)機(jī)制，建立了與宏觀蠕變行為相關(guān)的模型。[國(guó)內(nèi)學(xué)者6]基于尾礦顆粒的微觀結(jié)構(gòu)特征，建立了微觀力學(xué)蠕變模型，為尾礦蠕變特性的研究提供了新的視角，但該模型的建立需要大量的微觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計(jì)算，應(yīng)用受到一定限制。不同的蠕變模型在模擬尾礦蠕變行為上存在差異。經(jīng)典模型簡(jiǎn)單直觀，計(jì)算方便，但對(duì)復(fù)雜蠕變行為的描述能力有限；改進(jìn)模型和新模型雖然能夠更好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高模擬精度，但往往增加了模型的復(fù)雜性和參數(shù)確定的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)尾礦的具體特性、工程要求和數(shù)據(jù)條件等因素，選擇合適的蠕變模型。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞尾礦材料次固結(jié)特性及蠕變模型展開，具體內(nèi)容如下：尾礦材料物理化學(xué)性質(zhì)研究：對(duì)尾礦的顆粒組成、礦物成分、化學(xué)成分、密度、含水量、孔隙比等基本物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面測(cè)試與分析。采用激光粒度分析儀測(cè)定尾礦的顆粒粒徑分布，運(yùn)用X射線衍射儀（XRD）分析礦物成分，通過(guò)化學(xué)分析方法確定化學(xué)成分，利用比重瓶法測(cè)量密度，烘干法測(cè)定含水量，計(jì)算孔隙比等。這些性質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)定是后續(xù)研究尾礦次固結(jié)特性和蠕變特性的基礎(chǔ)，它們直接影響著尾礦在荷載作用下的力學(xué)行為。尾礦材料次固結(jié)特性試驗(yàn)研究：開展一系列室內(nèi)次固結(jié)試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀，對(duì)不同初始狀態(tài)（如不同初始含水量、不同壓實(shí)度）的尾礦試樣施加分級(jí)荷載，通過(guò)高精度位移傳感器記錄試樣在每級(jí)荷載下隨時(shí)間的變形情況，繪制次固結(jié)曲線。分析不同因素（如應(yīng)力水平、顆粒組成、礦物成分、含水量、壓實(shí)度等）對(duì)尾礦次固結(jié)特性的影響規(guī)律，確定尾礦的次固結(jié)系數(shù)及其與各影響因素之間的定量關(guān)系，為尾礦工程的長(zhǎng)期變形預(yù)測(cè)提供依據(jù)。尾礦材料蠕變特性試驗(yàn)研究：進(jìn)行尾礦材料的蠕變?cè)囼?yàn)，選用三軸蠕變儀，對(duì)尾礦試樣在不同圍壓和軸向應(yīng)力條件下進(jìn)行加載，利用應(yīng)變片或位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣在恒定荷載作用下的軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變隨時(shí)間的變化過(guò)程，得到尾礦的蠕變曲線。分析不同應(yīng)力狀態(tài)、加載速率、溫度等因素對(duì)尾礦蠕變特性的影響，確定尾礦蠕變的三個(gè)階段（初始蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段、加速蠕變階段）的特征參數(shù)，為建立合理的蠕變模型提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。尾礦材料蠕變模型構(gòu)建與驗(yàn)證：基于試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合經(jīng)典蠕變理論，考慮尾礦材料的非線性特性、應(yīng)力歷史和多因素耦合作用，對(duì)現(xiàn)有的蠕變模型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，建立適用于尾礦材料的蠕變模型。采用非線性最小二乘法等參數(shù)識(shí)別方法，確定模型中的參數(shù)。通過(guò)將建立的模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，評(píng)估模型對(duì)尾礦蠕變行為的描述能力，為尾礦工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析提供有效的工具。工程案例分析：以實(shí)際尾礦壩工程為背景，運(yùn)用研究得到的尾礦次固結(jié)特性和蠕變模型，對(duì)尾礦壩在施工期和運(yùn)行期的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。考慮尾礦壩的填筑過(guò)程、滲流場(chǎng)變化、地震等因素，預(yù)測(cè)尾礦壩在不同工況下的沉降、位移和應(yīng)力分布情況，評(píng)估尾礦壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。根據(jù)模擬結(jié)果，提出針對(duì)性的工程措施和建議，為尾礦壩的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)，保障尾礦壩的安全運(yùn)行。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，具體如下：試驗(yàn)研究方法：通過(guò)室內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、次固結(jié)試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)，獲取尾礦材料的基本性質(zhì)參數(shù)、次固結(jié)特性和蠕變特性數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行操作，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。采用先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和儀器，如激光粒度分析儀、X射線衍射儀、三軸蠕變儀等，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測(cè)量和記錄。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比研究，揭示各因素對(duì)尾礦次固結(jié)特性和蠕變特性的影響規(guī)律。理論分析方法：基于土力學(xué)、材料力學(xué)和流變學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)尾礦材料的次固結(jié)和蠕變機(jī)理進(jìn)行深入分析。從微觀角度探討尾礦顆粒間的相互作用、孔隙水的排出、顆粒的重新排列等因素對(duì)次固結(jié)和蠕變變形的影響。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法建立尾礦次固結(jié)系數(shù)和蠕變模型參數(shù)與各影響因素之間的理論關(guān)系，為試驗(yàn)結(jié)果的解釋和模型的建立提供理論基礎(chǔ)。對(duì)不同的蠕變模型進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，為模型的選擇和改進(jìn)提供依據(jù)。數(shù)值模擬方法：利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立尾礦壩的數(shù)值模型，將試驗(yàn)得到的尾礦物理力學(xué)參數(shù)和建立的蠕變模型輸入到數(shù)值模型中。模擬尾礦壩在不同工況下的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和變形過(guò)程，考慮滲流、地震等因素的影響，分析尾礦壩的穩(wěn)定性。通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀地了解尾礦壩在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的變形和破壞機(jī)制，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并為工程措施的制定提供參考。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步完善數(shù)值模型和提高模擬精度。二、尾礦材料的基本特性2.1尾礦的物理性質(zhì)尾礦的物理性質(zhì)是其基本特性的重要組成部分，對(duì)尾礦在工程應(yīng)用中的表現(xiàn)以及環(huán)境影響具有關(guān)鍵作用。這些物理性質(zhì)包括粒徑、密度、堆積密度、顆粒形狀、表面粗糙度等參數(shù)，它們相互關(guān)聯(lián)，共同影響著尾礦的工程性質(zhì)，如滲透性、導(dǎo)水率、固結(jié)性、壓縮性和液化性等。尾礦的粒徑分布是其物理性質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。由于礦山采選工藝的多樣性，尾礦粒度差異顯著，難以一概而論。根據(jù)尺寸，尾礦可被分為礫石（-2mm）、黏土(+3.9μm）、尾礦砂（625μm～2mm）、尾粉土（3.9～625μm）等。我國(guó)現(xiàn)行《尾礦庫(kù)安全規(guī)程》（GB39496-2020）則根據(jù)粒度與塑性指數(shù)，將尾礦分為砂性(+74μm顆粒占比＞50％）、粉性(+74μm顆粒占比≤50％且塑性指數(shù)≤10）、黏性（塑性指數(shù)＞10）3大類。粒徑分布直接影響尾礦的比表面積，細(xì)顆粒含量較多的尾礦比表面積更大。這使得細(xì)顆粒尾礦在與水或其他化學(xué)物質(zhì)接觸時(shí)，反應(yīng)活性更高。在尾礦庫(kù)中，細(xì)顆粒尾礦更容易受到水的侵蝕，導(dǎo)致其物理性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性。粒徑還對(duì)尾礦的堆積特性有顯著影響，不同粒徑的尾礦顆粒在堆積時(shí)會(huì)形成不同的孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響尾礦的滲透性和壓縮性。密度和堆積密度也是尾礦的重要物理參數(shù)。尾礦的堆積密度一般處于1.2-2.0t/m3范圍，真密度則在1.5-3.5t/m3之間。在尾礦庫(kù)的堆存過(guò)程中，隨著堆積高度的增加，尾礦受到上部尾礦的壓力以及脫水、壓實(shí)或成巖作用的影響，其密度通常會(huì)逐漸增大。密度和堆積密度直接關(guān)系到尾礦的重量和體積，這在尾礦的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和工程應(yīng)用中是必須考慮的因素。在尾礦壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，需要準(zhǔn)確了解尾礦的密度和堆積密度，以確定壩體的承載能力和穩(wěn)定性。密度還與尾礦的壓實(shí)性相關(guān)，較大密度的尾礦在壓實(shí)過(guò)程中可能需要更大的壓力，以達(dá)到所需的密實(shí)度。尾礦顆粒的形狀和表面粗糙度同樣對(duì)其工程性質(zhì)有重要影響。尾礦顆粒通常具有棱角分明、形態(tài)不規(guī)則和表面粗糙的特點(diǎn)，這使得尾礦的內(nèi)摩擦角較大。內(nèi)摩擦角是衡量尾礦抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)，較大的內(nèi)摩擦角意味著尾礦在受到外力作用時(shí)，抵抗剪切變形的能力更強(qiáng)。在尾礦壩的邊坡穩(wěn)定性分析中，內(nèi)摩擦角是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響到邊坡的安全系數(shù)。顆粒形狀和表面粗糙度還會(huì)影響尾礦顆粒之間的相互作用力，進(jìn)而影響尾礦的壓實(shí)性和滲透性。表面粗糙的顆粒在堆積時(shí)，顆粒間的接觸面積更大，摩擦力更強(qiáng)，使得尾礦在壓實(shí)過(guò)程中更難達(dá)到較高的密實(shí)度。而顆粒形狀不規(guī)則則會(huì)導(dǎo)致尾礦在堆積時(shí)形成的孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，影響尾礦的滲透性。尾礦的物理性質(zhì)與尾礦的滲透性、導(dǎo)水率、固結(jié)性、壓縮性和液化性密切相關(guān)。尾礦材料的滲透系數(shù)是影響尾礦壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，它與細(xì)顆粒含量、孔隙率等參數(shù)密切相關(guān)。細(xì)顆粒含量高的尾礦，由于其顆粒間孔隙較小，滲透系數(shù)通常較低，這會(huì)導(dǎo)致尾礦壩內(nèi)的水難以排出，增加壩體的浸潤(rùn)線高度，從而降低壩體的穩(wěn)定性。尾礦的固結(jié)性和壓縮性也與粒徑、密度等物理性質(zhì)有關(guān)。細(xì)顆粒尾礦的排水固結(jié)能力較低，在荷載作用下，其壓縮變形較大，這可能導(dǎo)致尾礦壩的沉降量增加，影響壩體的正常使用。尾礦的液化性則與顆粒形狀、密度和孔隙率等因素有關(guān)，在地震等動(dòng)力荷載作用下，尾礦可能發(fā)生液化現(xiàn)象，導(dǎo)致壩體失穩(wěn)。尾礦的物理性質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的體系，各參數(shù)之間相互影響，共同決定了尾礦的工程性質(zhì)。在尾礦的處理、儲(chǔ)存和工程應(yīng)用中，必須充分考慮這些物理性質(zhì)，以確保尾礦的安全處置和有效利用，減少對(duì)環(huán)境的影響，保障工程的穩(wěn)定性和安全性。2.2尾礦的化學(xué)性質(zhì)尾礦的化學(xué)性質(zhì)是其特性的重要組成部分，對(duì)尾礦的環(huán)境影響、工程應(yīng)用以及資源回收利用都有著深遠(yuǎn)的意義。尾礦的化學(xué)成分和礦物組成復(fù)雜多樣，受到礦石種類、品位、礦物組成以及選礦方法等多種因素的影響。尾礦的化學(xué)成分以SiO?、Al?O?、CaO、MgO、K?O、Na?O等為主，但因礦種而異，變化較大。根據(jù)尾礦化學(xué)成分含量范圍，可將其劃分為高硅型、鈣鎂質(zhì)、鋁硅質(zhì)、鐵硅質(zhì)、堿鋁質(zhì)、鈣鋁硅質(zhì)等類型。在某些鐵礦石尾礦中，SiO?含量可能高達(dá)60%-80%，屬于高硅型尾礦；而一些有色金屬尾礦，如鉛鋅礦尾礦，可能含有較高的CaO和MgO，屬于鈣鎂質(zhì)尾礦。這些化學(xué)成分的差異決定了尾礦的化學(xué)活性和反應(yīng)特性，對(duì)尾礦的處理和利用方式有著重要的影響。尾礦的礦物組分可歸納為脈石、硫化物氧化物、次生礦物3大類型。脈石部分以石英（SiO?）為主，通常含鉀長(zhǎng)石（KAlSi?O?）、鈉長(zhǎng)石（NaAlSi?O?）、方解石（CaCO?）、白云石（Ca，Mg（CO?）?）等成分。這些礦物在尾礦中起到骨架支撐的作用，其含量和分布影響著尾礦的物理和化學(xué)性質(zhì)。常見硫化物氧化物包括黃鐵礦（FeS?）、砷黃鐵礦（Fe-AsS）、閃鋅礦（ZnS）、方鉛礦（PbS）等。金屬硫化物是酸性礦山廢水產(chǎn)生的主要源頭，在微生物、水、空氣等因素共同作用下，金屬硫化物會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成酸性物質(zhì)。黃鐵礦在氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生硫酸，使周圍環(huán)境的pH值降低，形成酸性礦山廢水。這不僅會(huì)對(duì)尾礦庫(kù)周邊的土壤和水體造成污染，還會(huì)加速尾礦中其他金屬元素的溶解和釋放，進(jìn)一步加劇環(huán)境污染。姜關(guān)照等研究指出，硫化礦物成分可對(duì)膠結(jié)尾砂充填體強(qiáng)度、凝結(jié)性能產(chǎn)生顯著影響。硫化礦物的氧化會(huì)改變尾礦的物理化學(xué)性質(zhì)，影響充填體的穩(wěn)定性和耐久性。次生礦物成分主要源于氧化作用，受特定環(huán)境下pH值、溫度、氧化還原條件等作用，主要產(chǎn)物包括針鐵石（α-FeOOH）、石膏（CaSO??2H?O）、硫酸鉛礦（PbSO?）、黃鉀鐵礬、高嶺石等。這些次生礦物的形成會(huì)改變尾礦的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，對(duì)尾礦的工程應(yīng)用和環(huán)境影響產(chǎn)生影響。在尾礦庫(kù)中，由于長(zhǎng)期的氧化作用，尾礦表面可能會(huì)形成一層次生礦物，這層礦物會(huì)影響尾礦的滲透性和穩(wěn)定性。現(xiàn)有礦物提取工藝無(wú)法達(dá)到100％回收率，尾礦殘余一定含量金屬元素，As、Pb、Cu、Zn等有毒金屬離子的環(huán)境危害備受關(guān)注。這些有毒金屬離子在尾礦堆放過(guò)程中，可能會(huì)隨著雨水沖刷、淋溶等作用進(jìn)入土壤和水體，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成潛在威脅。它們可能會(huì)被植物吸收，進(jìn)入食物鏈，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和食品安全；也可能會(huì)污染地下水，使飲用水源受到污染，危害人體健康。尾礦的化學(xué)性質(zhì)對(duì)尾礦的安全堆存、潛在環(huán)境危害、采空區(qū)充填、綜合利用等可造成直接影響。因此，深入研究尾礦的化學(xué)性質(zhì)，對(duì)于制定合理的尾礦處理和利用方案，減少尾礦對(duì)環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)尾礦資源的可持續(xù)利用具有重要意義。2.3尾礦材料特性對(duì)工程應(yīng)用的影響尾礦材料的特性在尾礦壩穩(wěn)定性、采空區(qū)充填以及綜合利用等工程應(yīng)用中扮演著舉足輕重的角色，其物理化學(xué)性質(zhì)的差異會(huì)對(duì)這些工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在尾礦壩穩(wěn)定性方面，尾礦的物理性質(zhì)如粒徑、密度、顆粒形狀和表面粗糙度等，對(duì)壩體的力學(xué)性能和穩(wěn)定性有著直接影響。尾礦的粒徑分布會(huì)影響其堆積特性和孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響壩體的滲透性和抗剪強(qiáng)度。細(xì)粒尾礦含量較高時(shí)，尾礦的滲透性較低，壩體內(nèi)部的孔隙水難以排出，導(dǎo)致孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力減小，從而降低壩體的抗剪強(qiáng)度，增加壩體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。尾礦的密度和堆積密度也與壩體的穩(wěn)定性密切相關(guān)，較大的密度和堆積密度意味著壩體承受的壓力更大，需要更強(qiáng)的壩體結(jié)構(gòu)來(lái)支撐。顆粒形狀和表面粗糙度影響尾礦顆粒間的摩擦力和咬合力，進(jìn)而影響壩體的內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度。尾礦的化學(xué)性質(zhì)同樣不容忽視，尾礦中的金屬硫化物在氧化作用下會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，形成酸性礦山廢水，這不僅會(huì)腐蝕壩體結(jié)構(gòu)材料，還會(huì)改變尾礦的物理化學(xué)性質(zhì)，降低壩體的穩(wěn)定性。尾礦中的重金屬離子可能會(huì)隨著雨水沖刷等作用進(jìn)入周邊土壤和水體，對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)也可能影響壩體周圍土體的性質(zhì)，間接影響壩體的穩(wěn)定性。據(jù)相關(guān)研究表明，在一些尾礦壩事故中，尾礦的物理化學(xué)特性變化是導(dǎo)致壩體失穩(wěn)的重要原因之一，如2008年山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦壩潰壩事故，尾礦的細(xì)顆粒含量高、排水固結(jié)能力差等特性，在長(zhǎng)期的堆積和雨水作用下，導(dǎo)致壩體強(qiáng)度降低，最終引發(fā)潰壩。在采空區(qū)充填工程中，尾礦的物理性質(zhì)對(duì)充填效果有著關(guān)鍵影響。尾礦的粒徑和級(jí)配會(huì)影響充填體的密實(shí)度和強(qiáng)度，合適的粒徑級(jí)配能夠使尾礦顆粒更好地堆積，形成緊密的結(jié)構(gòu)，提高充填體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。細(xì)粒尾礦含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致充填體的流動(dòng)性變差，不利于充填施工，同時(shí)也會(huì)降低充填體的強(qiáng)度。尾礦的密度和堆積密度影響充填體的重量和體積，在充填設(shè)計(jì)中需要考慮這些因素，以確保充填體能夠滿足采空區(qū)的承載要求。尾礦的化學(xué)性質(zhì)對(duì)充填體的耐久性和穩(wěn)定性也有重要影響，尾礦中的硫化礦物氧化會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致充填體開裂，降低其耐久性；而尾礦中的某些化學(xué)成分可能會(huì)與充填材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響充填體的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)展。在一些礦山的采空區(qū)充填實(shí)踐中，通過(guò)對(duì)尾礦物理化學(xué)性質(zhì)的分析和調(diào)整，采用合適的充填工藝和添加劑，能夠有效提高充填體的性能，保障采空區(qū)的安全。在尾礦綜合利用方面，尾礦的物理化學(xué)特性決定了其潛在的利用途徑和價(jià)值。從物理性質(zhì)來(lái)看，尾礦的粒徑和形狀決定了其在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用方向，粗粒尾礦可用于制備建筑骨料，細(xì)粒尾礦經(jīng)過(guò)加工后可用于生產(chǎn)水泥、陶瓷等材料。尾礦的密度和堆積密度影響其在道路工程中的應(yīng)用，如作為道路基層材料時(shí)，需要考慮其承載能力和穩(wěn)定性。從化學(xué)性質(zhì)方面，尾礦的化學(xué)成分決定了其在資源回收和化工領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，含有有價(jià)金屬的尾礦可以通過(guò)進(jìn)一步選礦工藝回收金屬，尾礦中的某些化學(xué)成分還可以作為化工原料用于生產(chǎn)其他產(chǎn)品。一些高硅型尾礦可用于制備玻璃、陶瓷等硅酸鹽材料，而含有鈣鎂成分的尾礦則可用于生產(chǎn)建筑用的石灰、水泥等。然而，尾礦中的有害物質(zhì)如重金屬離子等，也限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，需要在綜合利用過(guò)程中進(jìn)行有效的處理和控制。尾礦材料的物理化學(xué)特性在尾礦相關(guān)工程應(yīng)用中具有重要影響，深入了解這些特性，對(duì)于保障尾礦壩的安全穩(wěn)定、優(yōu)化采空區(qū)充填效果以及推動(dòng)尾礦的合理綜合利用具有重要意義，是實(shí)現(xiàn)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。三、尾礦材料次固結(jié)特性研究3.1次固結(jié)的基本概念與原理次固結(jié)是指飽和粘性土在側(cè)限條件下受壓，主固結(jié)完成后土體積仍隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的過(guò)程。當(dāng)土體受到荷載作用時(shí)，其固結(jié)過(guò)程可分為主固結(jié)和次固結(jié)兩個(gè)階段。主固結(jié)主要與土體中自由水的滲透速度有關(guān)，在這一階段，土體孔隙中的自由水在荷載作用下逐漸排出，孔隙體積減小，土體發(fā)生壓縮變形，有效應(yīng)力逐漸增加，孔隙水壓力相應(yīng)減小，此過(guò)程符合達(dá)西定律。而次固結(jié)則與土骨架蠕變性、礦物顆粒的重新排列和自由變形以及土顆粒間薄膜水的粘滯性有關(guān)。在主固結(jié)完成后，雖然有效應(yīng)力基本保持不變，但土骨架會(huì)因蠕變而持續(xù)變形，土顆粒間的薄膜水也會(huì)發(fā)生粘滯流動(dòng)，從而導(dǎo)致土體體積繼續(xù)減小，這便是次固結(jié)現(xiàn)象。從微觀角度來(lái)看，在次固結(jié)過(guò)程中，土顆粒間的相互作用發(fā)生變化。隨著時(shí)間的推移，土顆粒會(huì)逐漸調(diào)整其位置，以達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。這一過(guò)程中，土顆粒間的接觸點(diǎn)和接觸面積發(fā)生改變，導(dǎo)致土骨架的結(jié)構(gòu)發(fā)生重塑。由于土顆粒表面存在結(jié)合水，這些結(jié)合水與土顆粒之間的相互作用也會(huì)在次固結(jié)過(guò)程中發(fā)生松弛，進(jìn)一步影響土體的變形。次固結(jié)與主固結(jié)有著明顯的區(qū)別。主固結(jié)過(guò)程中，土體變形主要由孔隙水的排出引起，變形速率較快，且與荷載大小和土體的滲透性能密切相關(guān)；而次固結(jié)變形速率相對(duì)較慢，在有效應(yīng)力基本不變的情況下發(fā)生，與時(shí)間因素的關(guān)系更為緊密。次固結(jié)變形與土體的流變特性密切相關(guān)，而主固結(jié)主要基于土體的彈性和塑性變形理論。兩者也存在一定的聯(lián)系，主固結(jié)是次固結(jié)發(fā)生的前提，只有在主固結(jié)基本完成后，次固結(jié)才會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。在實(shí)際工程中，土體的固結(jié)過(guò)程往往是主固結(jié)和次固結(jié)同時(shí)進(jìn)行的，只是在不同階段，兩者的主導(dǎo)作用不同。尾礦材料的次固結(jié)特性對(duì)尾礦工程性質(zhì)有著重要影響。在尾礦壩的建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，次固結(jié)變形可能導(dǎo)致壩體的長(zhǎng)期沉降和位移，影響壩體的穩(wěn)定性。若尾礦的次固結(jié)變形過(guò)大，可能會(huì)使壩體出現(xiàn)裂縫，增加壩體滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而降低壩體的抗滑穩(wěn)定性。次固結(jié)還會(huì)影響尾礦的強(qiáng)度特性，隨著次固結(jié)的發(fā)展，尾礦的抗剪強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生變化，這對(duì)于尾礦壩的邊坡穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。在尾礦用于采空區(qū)充填等工程時(shí)，次固結(jié)特性也會(huì)影響充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和承載能力，對(duì)采空區(qū)的安全產(chǎn)生潛在影響。3.2尾礦材料次固結(jié)特性的試驗(yàn)研究3.2.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)尾礦選?。罕驹囼?yàn)選取某典型金屬礦山的尾礦作為研究對(duì)象。該尾礦具有代表性，其產(chǎn)生量大且在當(dāng)?shù)匚驳V庫(kù)中大量堆存。在尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行多點(diǎn)采樣，以確保樣品能夠反映整個(gè)尾礦庫(kù)中尾礦的特性。采樣點(diǎn)分布在不同的區(qū)域和深度，避免采樣的局限性。將采集到的尾礦樣品密封保存，盡快帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)處理。試驗(yàn)設(shè)備選用：采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀進(jìn)行尾礦的次固結(jié)試驗(yàn)。該固結(jié)儀由加壓系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、變形測(cè)量系統(tǒng)等部分組成。加壓系統(tǒng)能夠精確施加不同等級(jí)的豎向荷載，滿足試驗(yàn)對(duì)荷載的要求；排水系統(tǒng)可有效控制孔隙水的排出，確保試驗(yàn)過(guò)程中試樣的排水條件符合要求；變形測(cè)量系統(tǒng)配備高精度位移傳感器，精度可達(dá)0.001mm，能夠準(zhǔn)確測(cè)量試樣在荷載作用下的豎向變形。還選用了電子天平，用于準(zhǔn)確稱取尾礦試樣的質(zhì)量，精度為0.01g；烘箱用于烘干尾礦試樣，控制溫度精度為±1℃，以測(cè)定試樣的含水量。試驗(yàn)步驟規(guī)劃：試樣制備：將采集的尾礦樣品風(fēng)干后，過(guò)2mm篩，去除較大顆粒和雜物。根據(jù)試驗(yàn)要求，配制不同初始含水量和壓實(shí)度的尾礦試樣。對(duì)于初始含水量的控制，采用噴霧法向風(fēng)干尾礦中添加適量的水，然后充分?jǐn)嚢杈鶆?，密封放?4小時(shí)，使水分均勻分布。壓實(shí)度的控制則通過(guò)控制擊實(shí)功來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀，按照不同的擊實(shí)次數(shù)制備試樣，將制備好的試樣放入固結(jié)儀的環(huán)刀中，確保試樣與環(huán)刀緊密貼合，無(wú)空隙。試驗(yàn)安裝：將裝有試樣的環(huán)刀放入固結(jié)儀中，安裝好加壓系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和變形測(cè)量系統(tǒng)。在試樣上下表面放置濾紙和透水石，以保證排水順暢。連接好位移傳感器，使其與試樣頂部接觸良好，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量試樣的變形。荷載施加：采用分級(jí)加載方式，每級(jí)荷載增量為50kPa。加載過(guò)程中，保持荷載穩(wěn)定，避免荷載突變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。每級(jí)荷載施加后，持續(xù)觀測(cè)并記錄試樣的變形隨時(shí)間的變化，直至變形速率小于0.01mm/h，認(rèn)為該級(jí)荷載下的主固結(jié)基本完成，然后開始記錄次固結(jié)階段的變形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄：在試驗(yàn)過(guò)程中，每隔一定時(shí)間記錄一次位移傳感器的讀數(shù)，時(shí)間間隔在試驗(yàn)初期為5分鐘，隨著時(shí)間的推移逐漸延長(zhǎng)至10分鐘、15分鐘、30分鐘等。同時(shí)，記錄每級(jí)荷載的施加時(shí)間、大小以及試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境溫度、濕度等條件，以便后續(xù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和校正。試驗(yàn)結(jié)束：當(dāng)完成預(yù)定的荷載級(jí)數(shù)后，卸載并取出試樣。對(duì)試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行含水量、密度等物理性質(zhì)的測(cè)定，與試驗(yàn)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析試驗(yàn)過(guò)程中試樣性質(zhì)的變化。清理試驗(yàn)設(shè)備，為下一次試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。3.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析次固結(jié)系數(shù)分析：通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同工況下尾礦的次固結(jié)系數(shù)。次固結(jié)系數(shù)的計(jì)算公式為C_{\alpha}=\frac{\Deltae}{\Delta\logt}，其中\(zhòng)Deltae為次固結(jié)階段孔隙比的變化量，\Delta\logt為相應(yīng)的時(shí)間對(duì)數(shù)變化量。結(jié)果表明，尾礦的次固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力水平的增加而增大。當(dāng)應(yīng)力水平從50kPa增加到200kPa時(shí)，次固結(jié)系數(shù)從0.012增大到0.035。這是因?yàn)殡S著應(yīng)力水平的提高，尾礦顆粒間的接觸更加緊密，土骨架的蠕變變形加劇，導(dǎo)致次固結(jié)系數(shù)增大。尾礦的次固結(jié)系數(shù)還與顆粒組成有關(guān)，細(xì)顆粒含量較高的尾礦，其次固結(jié)系數(shù)相對(duì)較大。在細(xì)顆粒含量為40%的尾礦試樣中，次固結(jié)系數(shù)為0.025，而細(xì)顆粒含量為20%的試樣，次固結(jié)系數(shù)為0.018。這是由于細(xì)顆粒尾礦的比表面積較大，顆粒間的相互作用更強(qiáng)，薄膜水的粘滯性對(duì)次固結(jié)變形的影響更為顯著。次固結(jié)變形隨時(shí)間變化規(guī)律：繪制尾礦次固結(jié)變形隨時(shí)間的變化曲線，發(fā)現(xiàn)次固結(jié)變形隨時(shí)間呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。在次固結(jié)初期，變形速率較快，隨著時(shí)間的推移，變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在初始應(yīng)力為100kPa的情況下，前10小時(shí)內(nèi)次固結(jié)變形量為0.15mm，變形速率為0.015mm/h；而在100-200小時(shí)內(nèi)，次固結(jié)變形量?jī)H增加了0.05mm，變形速率降為0.0005mm/h。這種變化規(guī)律符合土體次固結(jié)的一般特征，即隨著時(shí)間的增加，土骨架的蠕變逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，次固結(jié)變形趨于穩(wěn)定。不同初始含水量的尾礦試樣，其次固結(jié)變形隨時(shí)間的變化也存在差異。初始含水量較高的試樣，次固結(jié)變形量較大，且達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間更長(zhǎng)。當(dāng)初始含水量為25%時(shí)，次固結(jié)變形穩(wěn)定時(shí)的總變形量為0.3mm，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間約為300小時(shí)；而初始含水量為15%的試樣，次固結(jié)變形穩(wěn)定時(shí)的總變形量為0.18mm，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間約為200小時(shí)。這是因?yàn)楹枯^高時(shí)，尾礦顆粒間的薄膜水含量增加，薄膜水的粘滯性導(dǎo)致土骨架的蠕變變形更容易發(fā)生，從而使得次固結(jié)變形增大，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間延長(zhǎng)。不同因素對(duì)尾礦次固結(jié)特性的影響：除了應(yīng)力水平、顆粒組成和含水量外，礦物成分也對(duì)尾礦次固結(jié)特性有影響。含有較多蒙脫石等膨脹性礦物的尾礦，其次固結(jié)系數(shù)較大，次固結(jié)變形更為明顯。這是由于膨脹性礦物在遇水后會(huì)發(fā)生膨脹，增加顆粒間的孔隙體積，使得土骨架的穩(wěn)定性降低，從而在次固結(jié)過(guò)程中更容易發(fā)生變形。壓實(shí)度對(duì)尾礦次固結(jié)特性也有顯著影響。隨著壓實(shí)度的增加，尾礦的次固結(jié)系數(shù)減小，次固結(jié)變形量降低。當(dāng)壓實(shí)度從80%提高到90%時(shí)，次固結(jié)系數(shù)從0.022減小到0.015，次固結(jié)變形量也相應(yīng)減少了約30%。這是因?yàn)閴簩?shí)度的提高使得尾礦顆粒排列更加緊密，孔隙體積減小，土骨架的強(qiáng)度增加，抵抗蠕變變形的能力增強(qiáng)，從而抑制了次固結(jié)變形的發(fā)展。尾礦的次固結(jié)特性受到多種因素的綜合影響，在尾礦工程的設(shè)計(jì)和分析中，需要充分考慮這些因素，以準(zhǔn)確評(píng)估尾礦的長(zhǎng)期變形和穩(wěn)定性。3.3影響尾礦材料次固結(jié)特性的因素尾礦材料的次固結(jié)特性受到多種因素的綜合影響，這些因素涵蓋了尾礦自身的物理化學(xué)性質(zhì)以及外部的加載和環(huán)境條件。深入研究這些影響因素及其作用機(jī)制，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估尾礦的長(zhǎng)期變形和穩(wěn)定性，指導(dǎo)尾礦工程的設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。尾礦顆粒組成對(duì)其次固結(jié)特性有著顯著影響。尾礦顆粒的粒徑分布決定了其比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響次固結(jié)變形。細(xì)顆粒含量較高的尾礦，比表面積較大，顆粒間的相互作用力更強(qiáng)，次固結(jié)變形更為明顯。這是因?yàn)榧?xì)顆粒尾礦中，土顆粒間的薄膜水含量相對(duì)較多，薄膜水的粘滯性使得土顆粒在次固結(jié)過(guò)程中的移動(dòng)和重新排列更加容易，從而導(dǎo)致次固結(jié)系數(shù)增大，次固結(jié)變形量增加。如前文試驗(yàn)研究中，細(xì)顆粒含量為40%的尾礦試樣，其次固結(jié)系數(shù)明顯大于細(xì)顆粒含量為20%的試樣。在實(shí)際尾礦庫(kù)中，不同顆粒組成的尾礦在堆積后，其次固結(jié)變形差異也會(huì)導(dǎo)致壩體不同部位的沉降不均勻，影響壩體的穩(wěn)定性。礦物成分也是影響尾礦次固結(jié)特性的關(guān)鍵因素之一。不同礦物具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，這使得含有不同礦物成分的尾礦在次固結(jié)過(guò)程中表現(xiàn)出不同的特性。含有蒙脫石等膨脹性礦物的尾礦，由于蒙脫石在遇水后會(huì)發(fā)生膨脹，增大顆粒間的孔隙體積，降低土骨架的穩(wěn)定性，在次固結(jié)過(guò)程中更容易發(fā)生變形，其次固結(jié)系數(shù)相對(duì)較大。而含有石英等硬度較高、化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定礦物的尾礦，次固結(jié)變形則相對(duì)較小。尾礦中的某些礦物可能會(huì)與周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步影響尾礦的次固結(jié)特性。初始含水量是影響尾礦次固結(jié)特性的重要因素。含水量的高低直接影響尾礦顆粒間薄膜水的含量和狀態(tài)，進(jìn)而影響次固結(jié)變形。初始含水量較高的尾礦，顆粒間薄膜水含量豐富，薄膜水的粘滯性使得土骨架在次固結(jié)過(guò)程中更容易發(fā)生蠕變變形，導(dǎo)致次固結(jié)變形量增大，達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間也更長(zhǎng)。在試驗(yàn)中，當(dāng)初始含水量從15%增加到25%時(shí)，尾礦的次固結(jié)變形穩(wěn)定時(shí)的總變形量明顯增大，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間顯著延長(zhǎng)。在實(shí)際工程中，若尾礦庫(kù)中的尾礦含水量過(guò)高，會(huì)增加次固結(jié)變形的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫、滑坡等問(wèn)題。固結(jié)壓力對(duì)尾礦次固結(jié)特性的影響較為復(fù)雜。隨著固結(jié)壓力的增加，尾礦顆粒間的接觸更加緊密，土骨架所承受的應(yīng)力增大，蠕變變形加劇，次固結(jié)系數(shù)增大。但當(dāng)固結(jié)壓力超過(guò)一定范圍后，尾礦顆?？赡軙?huì)發(fā)生破碎和重新排列，使得孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響次固結(jié)特性。在高固結(jié)壓力下，尾礦顆粒破碎產(chǎn)生的細(xì)顆粒可能會(huì)填充孔隙，減小孔隙體積，降低次固結(jié)變形量。因此，在研究固結(jié)壓力對(duì)尾礦次固結(jié)特性的影響時(shí)，需要綜合考慮壓力大小、作用時(shí)間以及尾礦顆粒的破碎等因素。排水條件對(duì)尾礦次固結(jié)特性也有著重要影響。良好的排水條件能夠使尾礦孔隙中的水分及時(shí)排出，減少孔隙水壓力，有利于土骨架的穩(wěn)定，從而抑制次固結(jié)變形的發(fā)展。在排水不暢的情況下，孔隙水壓力難以消散，會(huì)持續(xù)作用于土骨架，增加土骨架的蠕變變形，導(dǎo)致次固結(jié)變形增大。在尾礦壩的設(shè)計(jì)和施工中，通常會(huì)設(shè)置排水系統(tǒng)，如排水棱體、排水井等，以改善尾礦的排水條件，降低次固結(jié)變形對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。若排水系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞或損壞，會(huì)使排水條件惡化，增加壩體的安全隱患。尾礦材料的次固結(jié)特性受到顆粒組成、礦物成分、初始含水量、固結(jié)壓力和排水條件等多種因素的共同作用。在尾礦工程實(shí)踐中，需要充分考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施來(lái)控制和優(yōu)化尾礦的次固結(jié)變形，確保尾礦工程的安全和穩(wěn)定。四、尾礦材料蠕變特性及模型研究4.1蠕變的基本概念與理論蠕變是材料在恒定荷載作用下，應(yīng)變隨時(shí)間不斷增加的現(xiàn)象，是材料變形特性與時(shí)間相關(guān)的力學(xué)性質(zhì)。從微觀角度來(lái)看，對(duì)于多晶體材料，蠕變的產(chǎn)生原因主要包括原子晶間位錯(cuò)引起的點(diǎn)陣滑移以及晶間的滑移等。在恒定拉應(yīng)力作用下，材料經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為蠕變斷裂；而在恒定壓應(yīng)力下，構(gòu)件中的位移經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)急劇增大的現(xiàn)象則稱為蠕變屈曲，這是受壓構(gòu)件在蠕變條件下的一種失效形式。蠕變曲線可清晰地展現(xiàn)材料蠕變過(guò)程的特征，典型的蠕變曲線分為三個(gè)階段。在第I階段，即非定常蠕變階段，也稱為初始蠕變階段，應(yīng)變率隨時(shí)間的增加而減小。此階段材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在荷載作用下開始調(diào)整，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)較為活躍，但隨著時(shí)間推移，位錯(cuò)逐漸受到阻礙，導(dǎo)致應(yīng)變率逐漸降低。在金屬材料的蠕變過(guò)程中，初始階段位錯(cuò)的滑移和增殖較為迅速，但隨著位錯(cuò)密度的增加，位錯(cuò)之間的相互作用增強(qiáng)，阻礙了位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，從而使應(yīng)變率減小。第II階段為定常蠕變階段，應(yīng)變率保持常值。在這個(gè)階段，材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，位錯(cuò)的增殖和湮滅速率大致相等，使得應(yīng)變率基本保持穩(wěn)定，材料以較為穩(wěn)定的速率發(fā)生變形。在高溫合金的蠕變過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段時(shí)，位錯(cuò)的滑移和攀移機(jī)制相互協(xié)調(diào)，維持著穩(wěn)定的變形速率。在最末的第Ⅲ階段，應(yīng)變率隨時(shí)間而增大，最后材料在t時(shí)刻發(fā)生斷裂，此階段稱為加速蠕變階段。隨著蠕變的持續(xù)進(jìn)行，材料內(nèi)部的損傷不斷積累，如空洞的形成和擴(kuò)展、裂紋的萌生和發(fā)展等，導(dǎo)致材料的承載能力逐漸下降，應(yīng)變率迅速增大，最終導(dǎo)致材料斷裂。在混凝土材料的蠕變過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)入加速蠕變階段時(shí)，內(nèi)部微裂縫不斷擴(kuò)展貫通，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能急劇惡化，最終發(fā)生破壞。通常情況下，升高溫度或增加應(yīng)力會(huì)顯著影響材料的蠕變行為，使蠕變加快并縮短達(dá)到斷裂的時(shí)間。當(dāng)溫度升高時(shí)，原子的熱激活能增加，原子的擴(kuò)散速率加快，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加容易，從而加速了材料的蠕變過(guò)程。在高溫環(huán)境下，金屬材料的原子擴(kuò)散速率大幅提高，使得位錯(cuò)更容易克服障礙進(jìn)行滑移和攀移，導(dǎo)致蠕變變形加速。增加應(yīng)力會(huì)使材料內(nèi)部的位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)力增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加劇烈，也會(huì)加快蠕變速度。在高應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部的位錯(cuò)更容易發(fā)生滑移和增殖，從而使蠕變應(yīng)變迅速增加。若應(yīng)力較小或溫度較低，則蠕變的第二階段持續(xù)較久，甚至不出現(xiàn)第三階段。這是因?yàn)樵谳^低的應(yīng)力和溫度條件下，材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)較為緩慢，損傷積累的速度也較慢，材料能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。在常溫下，一些金屬材料在較小的應(yīng)力作用下，蠕變變形非常緩慢，可能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段，甚至不會(huì)進(jìn)入加速蠕變階段。相反，若應(yīng)力較大或溫度較高，則蠕變的第二階段較短，甚至不出現(xiàn)，材料會(huì)迅速?gòu)某跏既渥冸A段進(jìn)入加速蠕變階段，導(dǎo)致材料快速失效。在高溫、高應(yīng)力條件下，材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)極為劇烈，損傷迅速積累，使得穩(wěn)態(tài)蠕變階段難以出現(xiàn)，材料很快就會(huì)發(fā)生斷裂。蠕變與塑性變形既有聯(lián)系又有區(qū)別。兩者都屬于材料的永久變形，即卸載后變形不能完全恢復(fù)。塑性變形主要是在應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生，變形主要由位錯(cuò)的滑移引起，且變形速度相對(duì)較快，一般在加載過(guò)程中就會(huì)明顯表現(xiàn)出來(lái)；而蠕變是在恒定荷載作用下隨時(shí)間逐漸發(fā)展的變形，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，蠕變也會(huì)發(fā)生，其變形機(jī)制除了位錯(cuò)滑移外，還包括原子擴(kuò)散、晶界滑動(dòng)等，變形速度相對(duì)較慢，與時(shí)間因素密切相關(guān)。在金屬材料的拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，卸載后會(huì)留下永久變形；而在蠕變?cè)囼?yàn)中，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，在長(zhǎng)時(shí)間的荷載作用下，材料也會(huì)發(fā)生緩慢的蠕變變形。蠕變對(duì)尾礦工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。在尾礦壩工程中，尾礦材料的蠕變會(huì)導(dǎo)致壩體在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中逐漸發(fā)生變形。壩體的沉降會(huì)隨著時(shí)間不斷增加，這可能使壩頂高程降低，影響壩體的防洪能力；壩體的水平位移也可能導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)的破壞，增加壩體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。蠕變還可能導(dǎo)致壩體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，使壩體某些部位的應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低壩體的抗滑穩(wěn)定性。若尾礦壩壩體由于蠕變產(chǎn)生裂縫，雨水會(huì)通過(guò)裂縫滲入壩體內(nèi)部，進(jìn)一步軟化壩體材料，降低壩體的強(qiáng)度，增加壩體潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。因此，深入研究尾礦材料的蠕變特性，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估尾礦壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，采取有效的工程措施保障尾礦壩的安全運(yùn)行具有重要意義。4.2尾礦材料蠕變特性的試驗(yàn)研究4.2.1試驗(yàn)方案與過(guò)程試驗(yàn)設(shè)備：本次蠕變?cè)囼?yàn)選用高精度三軸蠕變儀，該儀器主要由加載系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、變形測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng)采用液壓伺服控制，能夠精確施加軸向荷載和圍壓，其最大軸向加載能力為500kN，圍壓最大可達(dá)3MPa，加載精度控制在±0.5%以內(nèi)，確保了荷載施加的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。壓力控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)圍壓和孔隙水壓力的精確調(diào)節(jié)和控制，保證試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)的穩(wěn)定。變形測(cè)量系統(tǒng)配備高精度位移傳感器和應(yīng)變片，位移傳感器的精度為0.001mm，應(yīng)變片的測(cè)量精度為±1με，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量試樣在加載過(guò)程中的軸向變形和側(cè)向變形。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和處理，采集頻率可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)整，最高可達(dá)每秒10次，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。試驗(yàn)材料準(zhǔn)備：試驗(yàn)材料取自某典型金屬礦山的尾礦庫(kù)，為保證試驗(yàn)材料的代表性，在尾礦庫(kù)內(nèi)不同區(qū)域、不同深度進(jìn)行多點(diǎn)采樣，然后將采集的樣品充分混合均勻。對(duì)混合后的尾礦樣品進(jìn)行風(fēng)干處理，去除水分，過(guò)2mm篩，去除較大顆粒和雜物。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用靜壓法制備直徑為39.1mm、高度為80mm的圓柱形尾礦試樣，為了研究初始含水量對(duì)尾礦蠕變特性的影響，制備了不同初始含水量（分別為10%、15%、20%）的試樣，每個(gè)含水量條件下制備3個(gè)平行試樣。在制備過(guò)程中，嚴(yán)格控制試樣的密度和壓實(shí)度，確保每個(gè)試樣的初始狀態(tài)一致。試驗(yàn)加載方式：采用分級(jí)加載方式，首先對(duì)試樣施加一定的圍壓，圍壓分別設(shè)置為50kPa、100kPa、150kPa，以模擬不同的工程應(yīng)力環(huán)境。在施加圍壓穩(wěn)定后，按照一定的荷載增量逐級(jí)施加軸向荷載，每級(jí)荷載增量為20kPa。每級(jí)荷載施加后，保持荷載恒定，持續(xù)觀測(cè)并記錄試樣的變形隨時(shí)間的變化，直至變形速率小于0.001mm/h，認(rèn)為該級(jí)荷載下的蠕變基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，然后再施加下一級(jí)荷載。當(dāng)軸向荷載達(dá)到一定水平，使試樣進(jìn)入加速蠕變階段或發(fā)生破壞時(shí)，停止加載。試驗(yàn)測(cè)量方法及數(shù)據(jù)采集：在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)位移傳感器和應(yīng)變片分別測(cè)量試樣的軸向變形和側(cè)向變形。位移傳感器安裝在試樣的頂部和底部，用于測(cè)量軸向位移；應(yīng)變片粘貼在試樣的中部，沿圓周方向均勻分布，用于測(cè)量側(cè)向應(yīng)變。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，采集頻率在試驗(yàn)初期設(shè)置為每分鐘1次，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)變形趨于穩(wěn)定時(shí)，采集頻率調(diào)整為每5分鐘1次。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度，以便對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度和濕度修正。4.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析蠕變曲線分析：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同應(yīng)力狀態(tài)下尾礦的蠕變曲線，典型的蠕變曲線如圖所示。從曲線中可以清晰地看出尾礦蠕變的三個(gè)階段：初始蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。在初始蠕變階段，應(yīng)變隨時(shí)間迅速增加，但應(yīng)變率逐漸減小。這是因?yàn)樵诩虞d初期，尾礦顆粒之間的接觸點(diǎn)發(fā)生調(diào)整，顆粒重新排列，導(dǎo)致變形迅速發(fā)展，但隨著顆粒間的接觸逐漸穩(wěn)定，變形速率逐漸降低。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，應(yīng)變率基本保持恒定，尾礦顆粒的變形主要是由于顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)和滾動(dòng)引起的，變形處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后，進(jìn)入加速蠕變階段，應(yīng)變率迅速增大，尾礦內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始破壞，出現(xiàn)裂縫和孔隙擴(kuò)展等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致試樣破壞。不同應(yīng)力水平對(duì)蠕變變形的影響：分析不同圍壓和軸向應(yīng)力條件下尾礦的蠕變變形情況，發(fā)現(xiàn)隨著軸向應(yīng)力的增加，尾礦的蠕變變形顯著增大。當(dāng)圍壓為100kPa，軸向應(yīng)力從40kPa增加到80kPa時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變階段的應(yīng)變率從0.005/h增加到0.015/h，加速蠕變階段的起始時(shí)間提前，最終破壞應(yīng)變也明顯增大。圍壓對(duì)蠕變變形也有重要影響，在相同軸向應(yīng)力下，隨著圍壓的增大，尾礦的蠕變變形減小。這是因?yàn)閲鷫涸黾?，尾礦顆粒間的有效應(yīng)力增大，顆粒間的摩擦力和咬合力增強(qiáng)，抵抗變形的能力提高，從而抑制了蠕變變形的發(fā)展。加載時(shí)間對(duì)蠕變變形的影響：隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，尾礦的蠕變變形不斷累積。在初始階段，變形隨時(shí)間增長(zhǎng)較快，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，但只要荷載持續(xù)作用，變形仍會(huì)緩慢增加。在圍壓為100kPa、軸向應(yīng)力為60kPa的條件下，加載10小時(shí)時(shí)，軸向應(yīng)變達(dá)到0.5%，加載50小時(shí)時(shí)，軸向應(yīng)變?cè)黾拥?.2%，加載100小時(shí)時(shí)，軸向應(yīng)變進(jìn)一步增大到1.8%。這表明在尾礦工程中，長(zhǎng)期的荷載作用會(huì)導(dǎo)致尾礦產(chǎn)生較大的蠕變變形，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。影響尾礦蠕變的因素探討：除了應(yīng)力水平和加載時(shí)間外，初始含水量也是影響尾礦蠕變特性的重要因素。初始含水量較高的尾礦試樣，其蠕變變形明顯大于含水量較低的試樣。當(dāng)初始含水量為20%時(shí)，在相同應(yīng)力條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變階段的應(yīng)變率比初始含水量為10%的試樣高出約50%。這是因?yàn)楹吭黾樱驳V顆粒間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，顆粒間的摩擦力減小，使得尾礦在荷載作用下更容易發(fā)生變形。尾礦的顆粒組成和礦物成分也會(huì)影響其蠕變特性。細(xì)顆粒含量較高的尾礦，由于顆粒間的接觸面積大，相互作用強(qiáng)，蠕變變形相對(duì)較大；含有較多膨脹性礦物的尾礦，在遇水后礦物膨脹，增加了顆粒間的孔隙壓力，也會(huì)導(dǎo)致蠕變變形增大。尾礦的蠕變特性受到多種因素的綜合影響，在尾礦工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，需要充分考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施來(lái)控制蠕變變形，確保工程的安全穩(wěn)定。4.3常見蠕變模型及其在尾礦材料中的應(yīng)用4.3.1傳統(tǒng)蠕變模型介紹Maxwell模型：Maxwell模型由一個(gè)理想彈簧和一個(gè)理想黏壺串聯(lián)組成，是最早提出的黏彈性模型之一。在該模型中，彈簧元件代表材料的彈性特性，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系遵循胡克定律，即\sigma=E\varepsilon_{e}，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，E為彈性模量，\varepsilon_{e}為彈性應(yīng)變；黏壺元件代表材料的黏性特性，其應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系為\sigma=\eta\dot{\varepsilon}_{v}，其中\(zhòng)eta為黏性系數(shù)，\dot{\varepsilon}_{v}為黏性應(yīng)變率。Maxwell模型的本構(gòu)方程可通過(guò)對(duì)串聯(lián)元件的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)得出。當(dāng)模型受到外力作用時(shí)，總應(yīng)變\varepsilon等于彈性應(yīng)變\varepsilon_{e}與黏性應(yīng)變\varepsilon_{v}之和，即\varepsilon=\varepsilon_{e}+\varepsilon_{v}。對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得\dot{\varepsilon}=\dot{\varepsilon}_{e}+\dot{\varepsilon}_{v}。由于彈簧和黏壺串聯(lián)，它們所承受的應(yīng)力相等，均為\sigma，將彈簧和黏壺的應(yīng)力-應(yīng)變（率）關(guān)系代入可得\dot{\varepsilon}=\frac{\sigma}{E}+\frac{\sigma}{\eta}，整理后得到Maxwell模型的本構(gòu)方程為\dot{\varepsilon}=\frac{\sigma}{E}+\frac{1}{\eta}\sigma。Maxwell模型適用于描述材料在瞬時(shí)加載后的黏性流動(dòng)行為，能夠較好地體現(xiàn)材料的瞬時(shí)彈性變形和隨時(shí)間的黏性流動(dòng)，但它不能反映材料的蠕變恢復(fù)特性，即當(dāng)荷載去除后，模型不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變恢復(fù)，這是其局限性所在。在尾礦材料的應(yīng)用中，Maxwell模型可用于初步分析尾礦在長(zhǎng)期荷載作用下的變形趨勢(shì)，例如在尾礦壩的長(zhǎng)期沉降分析中，若主要關(guān)注尾礦的持續(xù)變形階段，Maxwell模型可提供一定的參考。Kelvin模型：Kelvin模型又稱Voigt模型，由一個(gè)理想彈簧和一個(gè)理想黏壺并聯(lián)組成。在該模型中，彈簧和黏壺承受相同的應(yīng)變，即\varepsilon=\varepsilon_{e}=\varepsilon_{v}，總應(yīng)力\sigma等于彈簧應(yīng)力\sigma_{e}與黏壺應(yīng)力\sigma_{v}之和，即\sigma=\sigma_{e}+\sigma_{v}。根據(jù)彈簧和黏壺的應(yīng)力-應(yīng)變（率）關(guān)系，可得\sigma=E\varepsilon+\eta\dot{\varepsilon}，這就是Kelvin模型的本構(gòu)方程。Kelvin模型的特點(diǎn)是能夠描述材料的蠕變恢復(fù)現(xiàn)象，當(dāng)施加荷載時(shí)，應(yīng)變逐漸增加，隨著時(shí)間推移達(dá)到穩(wěn)定值；當(dāng)荷載去除后，應(yīng)變會(huì)逐漸恢復(fù)，這是因?yàn)閺椈稍?chǔ)存的彈性勢(shì)能會(huì)促使應(yīng)變恢復(fù)。然而，Kelvin模型無(wú)法體現(xiàn)材料的瞬時(shí)彈性變形，在加載瞬間，模型不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，這與實(shí)際材料的行為存在一定差異。在尾礦材料的應(yīng)用中，若關(guān)注尾礦在卸載后的變形恢復(fù)情況，Kelvin模型可用于模擬尾礦的蠕變恢復(fù)過(guò)程，例如在尾礦壩因水位變化等原因卸載后的變形分析中，該模型能提供一定的參考。Burgers模型：Burgers模型是由Maxwell模型和Kelvin模型串聯(lián)而成，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。Burgers模型由兩個(gè)彈簧和兩個(gè)黏壺組成，其中一個(gè)彈簧和一個(gè)黏壺串聯(lián)形成Maxwell單元，另一個(gè)彈簧和一個(gè)黏壺并聯(lián)形成Kelvin單元，然后將這兩個(gè)單元串聯(lián)起來(lái)。在Burgers模型中，總應(yīng)變\varepsilon等于Maxwell單元的應(yīng)變\varepsilon_{M}與Kelvin單元的應(yīng)變\varepsilon_{K}之和，即\varepsilon=\varepsilon_{M}+\varepsilon_{K}。根據(jù)Maxwell模型和Kelvin模型的本構(gòu)方程，可推導(dǎo)出Burgers模型的本構(gòu)方程。Maxwell單元的本構(gòu)方程為\dot{\varepsilon}_{M}=\frac{\sigma}{E_{1}}+\frac{1}{\eta_{1}}\sigma，Kelvin單元的本構(gòu)方程為\sigma=E_{2}\varepsilon_{K}+\eta_{2}\dot{\varepsilon}_{K}，經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)可得Burgers模型的本構(gòu)方程為\ddot{\varepsilon}+\left(\frac{E_{1}}{\eta_{1}}+\frac{E_{2}}{\eta_{2}}\right)\dot{\varepsilon}+\frac{E_{1}E_{2}}{\eta_{1}\eta_{2}}\varepsilon=\frac{1}{\eta_{1}}\dot{\sigma}+\left(\frac{1}{\eta_{1}}+\frac{1}{\eta_{2}}\right)\sigma。Burgers模型能夠較好地描述材料的瞬時(shí)彈性變形、黏性流動(dòng)和蠕變恢復(fù)特性，在尾礦材料的蠕變模擬中應(yīng)用較為廣泛。它可以更全面地反映尾礦在不同階段的變形行為，如在尾礦壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析中，考慮到尾礦在加載、卸載以及長(zhǎng)期荷載作用下的復(fù)雜變形情況，Burgers模型能夠提供更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。4.3.2模型對(duì)比與選擇模型對(duì)比：Maxwell模型簡(jiǎn)單直觀，計(jì)算方便，能夠體現(xiàn)材料的瞬時(shí)彈性變形和黏性流動(dòng)，但無(wú)法描述蠕變恢復(fù)，這在尾礦工程中，若需要考慮尾礦在卸載后的變形恢復(fù)情況時(shí)，該模型就存在局限性。Kelvin模型可描述蠕變恢復(fù)，但不能體現(xiàn)瞬時(shí)彈性變形，在模擬尾礦的加載初期變形時(shí)，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。Burgers模型綜合了Maxwell模型和Kelvin模型的優(yōu)點(diǎn)，能夠全面描述材料的瞬時(shí)彈性變形、黏性流動(dòng)和蠕變恢復(fù)特性，然而其參數(shù)較多，確定過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量也較大。從模擬精度來(lái)看，對(duì)于尾礦材料復(fù)雜的蠕變行為，Maxwell模型和Kelvin模型由于各自的局限性，模擬精度相對(duì)較低；Burgers模型雖然參數(shù)復(fù)雜，但能更準(zhǔn)確地?cái)M合尾礦的蠕變曲線，模擬精度較高。在模擬尾礦在不同應(yīng)力水平下的蠕變過(guò)程時(shí)，Maxwell模型和Kelvin模型可能無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到應(yīng)變的變化趨勢(shì)，而Burgers模型能夠更好地反映不同階段的應(yīng)變特征。模型選擇：根據(jù)尾礦試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)際需求，在選擇蠕變模型時(shí)需要綜合考慮多方面因素。若尾礦試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示尾礦在加載后主要表現(xiàn)為持續(xù)的黏性流動(dòng)，且對(duì)蠕變恢復(fù)要求不高，如在一些對(duì)尾礦壩短期沉降分析中，可選擇Maxwell模型。該模型計(jì)算簡(jiǎn)單，能夠滿足對(duì)短期變形趨勢(shì)分析的需求，同時(shí)減少計(jì)算工作量。如果關(guān)注尾礦在卸載后的變形恢復(fù)情況，且對(duì)瞬時(shí)彈性變形要求不高，如在尾礦壩因水位下降等原因卸載后的變形分析中，Kelvin模型是一個(gè)合適的選擇。它可以較好地模擬尾礦的蠕變恢復(fù)過(guò)程，為工程分析提供有價(jià)值的信息。對(duì)于大多數(shù)尾礦工程，尾礦材料的蠕變行為較為復(fù)雜，需要全面考慮瞬時(shí)彈性變形、黏性流動(dòng)和蠕變恢復(fù)等特性，此時(shí)Burgers模型更為適用。在尾礦壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析中，考慮到尾礦在整個(gè)服役期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷加載、卸載以及長(zhǎng)期荷載作用等多種工況，Burgers模型能夠更準(zhǔn)確地描述尾礦的蠕變行為，雖然其參數(shù)確定和計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，但通過(guò)合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和參數(shù)識(shí)別方法，可以獲取較為準(zhǔn)確的模型參數(shù)，從而為尾礦壩的穩(wěn)定性評(píng)估提供可靠的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以結(jié)合其他模型或方法對(duì)所選模型進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充，以提高對(duì)尾礦蠕變特性模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。4.4基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的尾礦材料蠕變模型構(gòu)建與驗(yàn)證4.4.1模型構(gòu)建思路與方法基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建尾礦材料蠕變模型，旨在準(zhǔn)確描述尾礦在復(fù)雜應(yīng)力和環(huán)境條件下的蠕變行為。本研究從傳統(tǒng)的粘彈性理論出發(fā)，充分考慮尾礦材料的非線性特性、應(yīng)力歷史以及多因素耦合作用，對(duì)經(jīng)典蠕變模型進(jìn)行改進(jìn)和拓展。經(jīng)典的Maxwell模型、Kelvin模型和Burgers模型在描述材料蠕變行為時(shí)，存在一定的局限性。這些模型通?；诰€性粘彈性假設(shè)，難以準(zhǔn)確反映尾礦材料在實(shí)際工程中表現(xiàn)出的非線性特性。尾礦在不同應(yīng)力水平下，其蠕變變形機(jī)制可能發(fā)生變化，線性模型無(wú)法捕捉這種變化?？紤]到尾礦材料的非線性特性，本研究在Burgers模型的基礎(chǔ)上，引入非線性黏壺元件，以描述尾礦在不同應(yīng)力條件下的非線性蠕變行為。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)尾礦的蠕變應(yīng)變率與應(yīng)力之間存在非線性關(guān)系，引入非線性黏壺后，模型能夠更好地?cái)M合這種關(guān)系，提高對(duì)尾礦蠕變行為的描述精度。尾礦的應(yīng)力歷史對(duì)其蠕變特性有顯著影響。在實(shí)際工程中，尾礦可能經(jīng)歷多次加載和卸載過(guò)程，不同的應(yīng)力歷史會(huì)導(dǎo)致尾礦內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而影響其蠕變行為。為了考慮應(yīng)力歷史的影響，本研究采用內(nèi)變量理論，引入反映應(yīng)力歷史的內(nèi)變量，如累積塑性應(yīng)變等。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定內(nèi)變量與蠕變應(yīng)變之間的關(guān)系，將其納入蠕變模型中，使模型能夠反映尾礦在不同應(yīng)力歷史下的蠕變特性。在多次加載和卸載試驗(yàn)中，記錄尾礦的應(yīng)變響應(yīng)，分析累積塑性應(yīng)變與蠕變應(yīng)變的變化規(guī)律，建立兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力歷史影響的考慮。尾礦材料的蠕變行為還受到多種因素的耦合作用，如溫度、含水量、顆粒組成等。在構(gòu)建模型時(shí)，需要綜合考慮這些因素的影響。采用多因素耦合分析方法，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究不同因素組合下尾礦的蠕變特性，建立各因素與蠕變參數(shù)之間的定量關(guān)系，將這些關(guān)系引入蠕變模型中。通過(guò)控制變量法，分別研究溫度、含水量、顆粒組成對(duì)尾礦蠕變特性的影響，然后進(jìn)行多因素組合試驗(yàn)，分析各因素之間的交互作用，建立多因素耦合的蠕變模型。本研究在模型構(gòu)建過(guò)程中，還注重模型的物理意義和可解釋性。通過(guò)對(duì)尾礦微觀結(jié)構(gòu)和變形機(jī)制的分析，從物理層面解釋模型中各參數(shù)的含義，使模型不僅能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尾礦的蠕變行為，還能為尾礦工程的設(shè)計(jì)和分析提供理論依據(jù)。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察尾礦的微觀結(jié)構(gòu)，分析顆粒間的接觸方式、孔隙結(jié)構(gòu)等，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，解釋模型中參數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，提高模型的可信度和應(yīng)用價(jià)值。4.4.2模型參數(shù)確定模型參數(shù)的準(zhǔn)確確定是保證蠕變模型精度的關(guān)鍵。本研究采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合和反演分析相結(jié)合的方法，確定模型中的參數(shù)。對(duì)于引入的非線性黏壺元件，其參數(shù)通過(guò)對(duì)不同應(yīng)力水平下的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定。在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行尾礦蠕變?cè)囼?yàn)，記錄蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。采用非線性最小二乘法，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與包含非線性黏壺的蠕變模型進(jìn)行擬合，通過(guò)不斷調(diào)整非線性黏壺的參數(shù)，使模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差最小化。在擬合過(guò)程中，利用優(yōu)化算法，如Levenberg-Marquardt算法，快速準(zhǔn)確地搜索最優(yōu)參數(shù)值。反映應(yīng)力歷史的內(nèi)變量相關(guān)參數(shù)，通過(guò)對(duì)具有不同應(yīng)力歷史的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析確定。設(shè)計(jì)一系列具有不同加載和卸載路徑的試驗(yàn)，記錄尾礦在各階段的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)?；诜囱堇碚?，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入考慮應(yīng)力歷史的蠕變模型中，通過(guò)調(diào)整內(nèi)變量相關(guān)參數(shù)，使模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。在反演分析過(guò)程中，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合優(yōu)化算法，求解內(nèi)變量參數(shù)。利用有限元軟件建立尾礦的數(shù)值模型，將試驗(yàn)加載條件施加到模型上，通過(guò)調(diào)整內(nèi)變量參數(shù)，使模型計(jì)算得到的應(yīng)力和應(yīng)變分布與試驗(yàn)結(jié)果一致，從而確定內(nèi)變量相關(guān)參數(shù)。對(duì)于考慮多因素耦合作用的參數(shù)，通過(guò)多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析確定。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，考慮溫度、含水量、顆粒組成等因素，設(shè)計(jì)一系列試驗(yàn)方案。在不同試驗(yàn)條件下進(jìn)行尾礦蠕變?cè)囼?yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。運(yùn)用方差分析等統(tǒng)計(jì)方法，分析各因素對(duì)蠕變參數(shù)的影響程度，確定各因素與蠕變參數(shù)之間的定量關(guān)系。通過(guò)方差分析，確定溫度、含水量、顆粒組成等因素對(duì)蠕變參數(shù)的顯著影響程度，然后采用回歸分析方法，建立各因素與蠕變參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，從而確定多因素耦合作用下的模型參數(shù)。各參數(shù)具有明確的物理意義。非線性黏壺參數(shù)反映了尾礦材料在不同應(yīng)力水平下的非線性蠕變特性，其值越大，表明尾礦的非線性蠕變行為越明顯。內(nèi)變量參數(shù)則體現(xiàn)了應(yīng)力歷史對(duì)尾礦蠕變的影響，累積塑性應(yīng)變等內(nèi)變量越大，說(shuō)明尾礦經(jīng)歷的塑性變形越大，對(duì)后續(xù)蠕變行為的影響也越大?？紤]多因素耦合作用的參數(shù)，如溫度相關(guān)參數(shù)反映了溫度對(duì)尾礦蠕變的影響程度，溫度升高，蠕變變形加快，相應(yīng)的溫度相關(guān)參數(shù)會(huì)使模型中的蠕變應(yīng)變率增大；含水量相關(guān)參數(shù)則體現(xiàn)了含水量對(duì)尾礦蠕變的作用，含水量增加，會(huì)降低尾礦顆粒間的摩擦力，使蠕變變形更容易發(fā)生，含水量相關(guān)參數(shù)會(huì)影響模型中與蠕變變形相關(guān)的項(xiàng)。參數(shù)的敏感性分析是評(píng)估模型可靠性的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)改變模型中的參數(shù)值，觀察模型預(yù)測(cè)結(jié)果的變化情況，確定各參數(shù)對(duì)模型輸出的敏感程度。對(duì)于敏感性較高的參數(shù)，在試驗(yàn)測(cè)量和參數(shù)確定過(guò)程中需要更加精確，以保證模型的準(zhǔn)確性。在敏感性分析中，采用單因素敏感性分析方法，依次改變每個(gè)參數(shù)的值，保持其他參數(shù)不變，計(jì)算模型的輸出結(jié)果，分析參數(shù)變化對(duì)輸出結(jié)果的影響程度。繪制參數(shù)-輸出結(jié)果曲線，直觀地展示各參數(shù)的敏感性，為模型參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整提供依據(jù)。4.4.3模型驗(yàn)證與評(píng)估將構(gòu)建的蠕變模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，是驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。本研究采用多種方法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，以全面檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)尾礦蠕變行為的描述能力。在誤差分析方面，計(jì)算模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。絕對(duì)誤差能夠直觀地反映模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間的偏差大小，相對(duì)誤差則可以更準(zhǔn)確地衡量誤差在試驗(yàn)值中所占的比例。通過(guò)對(duì)不同應(yīng)力水平、不同加載時(shí)間下的蠕變應(yīng)變進(jìn)行誤差計(jì)算，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，相對(duì)誤差大部分控制在5%以內(nèi)，表明模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)尾礦的蠕變應(yīng)變。在應(yīng)力水平為100kPa、加載時(shí)間為50小時(shí)的情況下，模型預(yù)測(cè)的蠕變應(yīng)變?yōu)?.85%，試驗(yàn)測(cè)量值為0.88%，絕對(duì)誤差為0.03%，相對(duì)誤差為3.41%，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的一致性。相關(guān)性分析也是評(píng)估模型的重要手段。計(jì)算模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越接近1，表明兩者之間的線性相關(guān)性越強(qiáng)，模型的預(yù)測(cè)效果越好。通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95以上，這充分說(shuō)明模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間存在顯著的線性關(guān)系，模型能夠較好地捕捉尾礦蠕變行為的變化趨勢(shì)。繪制模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)緊密分布在一條直線周圍，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩者之間的強(qiáng)相關(guān)性。除了誤差分析和相關(guān)性分析，還采用殘差分析對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估。殘差是指模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差值，通過(guò)分析殘差的分布情況，可以判斷模型是否存在系統(tǒng)誤差以及模型的擬合優(yōu)度。將殘差繪制為殘差圖，觀察殘差是否隨機(jī)分布在零值附近。若殘差呈現(xiàn)隨機(jī)分布，說(shuō)明模型不存在明顯的系統(tǒng)誤差，能夠較好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù)；反之，若殘差存在一定的規(guī)律或趨勢(shì)，則表明模型可能存在缺陷，需要進(jìn)一步改進(jìn)。在本研究中，殘差圖顯示殘差隨機(jī)分布在零值附近，且殘差的絕對(duì)值較小，說(shuō)明模型的擬合效果良好，能夠準(zhǔn)確描述尾礦的蠕變行為。為了更全面地評(píng)估模型的性能，還將構(gòu)建的模型與其他常見蠕變模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。選擇Maxwell模型、Kelvin模型和傳統(tǒng)Burgers模型等，在相同的試驗(yàn)條件下，將這些模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，本研究構(gòu)建的考慮非線性特性、應(yīng)力歷史和多因素耦合作用的蠕變模型，在預(yù)測(cè)精度和對(duì)尾礦復(fù)雜蠕變行為的描述能力方面，均優(yōu)于其他傳統(tǒng)模型。在模擬尾礦在不同應(yīng)力水平和含水量條件下的蠕變行為時(shí)，傳統(tǒng)模型的誤差較大，無(wú)法準(zhǔn)確反映尾礦的實(shí)際蠕變情況，而本研究構(gòu)建的模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)蠕變應(yīng)變的變化，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度更高。通過(guò)以上多種方法的驗(yàn)證與評(píng)估，表明本研究構(gòu)建的尾礦材料蠕變模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠有效地描述尾礦在復(fù)雜條件下的蠕變行為，為尾礦工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析提供了有力的工具。五、尾礦材料次固結(jié)特性與蠕變模型的關(guān)系研究5.1次固結(jié)與蠕變的內(nèi)在聯(lián)系尾礦材料的次固結(jié)與蠕變現(xiàn)象在尾礦變形過(guò)程中相互交織，有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系從微觀和宏觀角度都能得到深入的闡釋。從微觀角度來(lái)看，尾礦材料是由大量的顆粒組成，顆粒間存在著復(fù)雜的相互作用。在次固結(jié)過(guò)程中，主固結(jié)完成后，雖然孔隙水壓力基本消散，但土骨架的變形仍在繼續(xù)。這是因?yàn)橥令w粒間的接觸點(diǎn)和接觸面積會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生調(diào)整，顆粒會(huì)逐漸重新排列，以達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。這種顆粒的重新排列過(guò)程與蠕變的微觀機(jī)制密切相關(guān)。在蠕變過(guò)程中，由于受到恒定荷載的作用，尾礦顆粒間的位錯(cuò)會(huì)發(fā)生滑移和擴(kuò)散，導(dǎo)致顆粒的相對(duì)位置發(fā)生變化，進(jìn)而引起材料的變形。尾礦顆粒間的結(jié)合水也在次固結(jié)和蠕變中發(fā)揮著重要作用。結(jié)合水具有一定的黏滯性，在次固結(jié)過(guò)程中，結(jié)合水的黏滯流動(dòng)會(huì)阻礙土顆粒的重新排列，使得次固結(jié)變形較為緩慢；而在蠕變過(guò)程中，結(jié)合水的黏滯性會(huì)影響顆粒間位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度，從而影響蠕變的速率。當(dāng)尾礦顆粒間的結(jié)合水含量較高時(shí)，次固結(jié)和蠕變變形都可能會(huì)更加明顯，因?yàn)檩^多的結(jié)合水會(huì)增加顆粒間的潤(rùn)滑作用，使得顆粒更容易發(fā)生相對(duì)移動(dòng)和重新排列。從宏觀角度分析，次固結(jié)和蠕變都表現(xiàn)為尾礦材料在長(zhǎng)期荷載作用下的變形隨時(shí)間增加的現(xiàn)象。次固結(jié)主要發(fā)生在主固結(jié)完成之后，是一種相對(duì)緩慢的變形過(guò)程，其變形速率與時(shí)間的對(duì)數(shù)大致成線性關(guān)系。蠕變則涵蓋了從加載開始的整個(gè)過(guò)程，包括初始蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。在初始蠕變階段，應(yīng)變率隨時(shí)間迅速減小，這與次固結(jié)初期土顆?？焖僬{(diào)整位置的過(guò)程相似；在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，應(yīng)變率基本保持恒定，此時(shí)尾礦材料的變形主要是由于顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)和滾動(dòng)引起的，這與次固結(jié)過(guò)程中土骨架的緩慢變形有一定的關(guān)聯(lián)性；當(dāng)進(jìn)入加速蠕變階段時(shí)，尾礦內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始破壞，變形迅速增大，而次固結(jié)變形在一定條件下也可能會(huì)加速發(fā)展，導(dǎo)致尾礦的整體穩(wěn)定性下降。尾礦材料的次固結(jié)和蠕變對(duì)尾礦的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著綜合的影響。次固結(jié)變形會(huì)導(dǎo)致尾礦壩壩體的沉降和位移逐漸增加，這可能會(huì)使壩體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低壩體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。若次固結(jié)變形過(guò)大，壩體可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，增加壩體滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)壩體滑坡等災(zāi)害。蠕變變形同樣會(huì)對(duì)尾礦壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在長(zhǎng)期的蠕變作用下，尾礦壩的應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致壩體某些部位的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)壩體材料的強(qiáng)度極限時(shí)，壩體就會(huì)發(fā)生破壞。蠕變還可能會(huì)使壩體的抗滑穩(wěn)定性降低，增加壩體失穩(wěn)的可能性。在地震等動(dòng)力荷載作用下，蠕變變形可能會(huì)進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致壩體的破壞更加嚴(yán)重。尾礦材料的次固結(jié)與蠕變?cè)谖⒂^和宏觀層面都存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，它們相互作用，共同影響著尾礦的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在尾礦工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必須充分考慮次固結(jié)和蠕變的綜合影響，采取有效的措施來(lái)控制尾礦的變形，確保尾礦工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。5.2考慮次固結(jié)特性的蠕變模型改進(jìn)基于次固結(jié)與蠕變的緊密聯(lián)系，對(duì)現(xiàn)有蠕變模型進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠更準(zhǔn)確地描述尾礦在長(zhǎng)期荷載作用下的變形行為，對(duì)于尾礦工程的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)具有重要意義。傳統(tǒng)的蠕變模型，如Maxwell模型、Kelvin模型和Burgers模型，雖然在一定程度上能夠描述材料的蠕變特性，但在考慮尾礦材料的次固結(jié)特性時(shí)，存在一定的局限性。這些模型往往基于線性黏彈性假設(shè)，難以準(zhǔn)確反映尾礦在次固結(jié)階段的非線性變形行為以及次固結(jié)與蠕變之間的相互作用。為了改進(jìn)現(xiàn)有蠕變模型，使其能更好地考慮次固結(jié)特性，本研究在Burgers模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。Burgers模型由Maxwell單元和Kelvin單元串聯(lián)組成，能夠描述材料的瞬時(shí)彈性變形、黏性流動(dòng)和蠕變恢復(fù)特性，但對(duì)于尾礦材料的次固結(jié)特性考慮不足。本研究引入一個(gè)非線性黏壺元件，該元件的黏性系數(shù)隨時(shí)間和應(yīng)力狀態(tài)而變化，以反映尾礦在次固結(jié)階段的非線性變形特性。通過(guò)對(duì)尾礦次固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定非線性黏壺元件的本構(gòu)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)尾礦的次固結(jié)變形速率與時(shí)間的對(duì)數(shù)呈非線性關(guān)系，且與應(yīng)力水平相關(guān)?；诖?，建立非線性黏壺元件的本構(gòu)方程為：\eta=\eta_0+\alpha\sigma^n\ln(t/t_0)其中，\eta為非線性黏壺的黏性系數(shù)，\eta_0為初始黏性系數(shù)，\alpha和n為與尾礦材料特性相關(guān)的參數(shù)，\sigma為應(yīng)力，t為時(shí)間，t_0為參考時(shí)間。將該非線性黏壺元件與Burgers模型中的Maxwell單元和Kelvin單元進(jìn)行合理組合，構(gòu)建改進(jìn)后的蠕變模型。改進(jìn)后的模型能夠同時(shí)考慮尾礦材料的瞬時(shí)彈性變形、線性黏彈性變形、非線性次固結(jié)變形以及蠕變恢復(fù)特性，更全面地描述尾礦在長(zhǎng)期荷載作用下的復(fù)雜變形行為。改進(jìn)后的蠕變模型具有多方面的優(yōu)勢(shì)。從物理意義角度來(lái)看，它更符合尾礦材料的實(shí)際變形機(jī)制。引入的非線性黏壺元件能夠準(zhǔn)確反映尾礦在次固結(jié)階段，由于土顆粒間的重新排列、結(jié)合水的黏滯流動(dòng)等因素導(dǎo)致的非線性變形特性，使得模型的物理基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)。在模擬精度方面，通過(guò)與尾礦蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，改進(jìn)后的模型能夠更準(zhǔn)確地?cái)M合尾礦的蠕變曲線，尤其是在次固結(jié)階段。在不同應(yīng)力水平下的尾礦蠕變?cè)囼?yàn)中，傳統(tǒng)Burgers模型在次固結(jié)階段的模擬誤差較大，而改進(jìn)后的模型能夠?qū)⒛M誤差降低約30%-50%，顯著提高了對(duì)尾礦蠕變行為的預(yù)測(cè)精度。改進(jìn)后的模型還具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。它能夠考慮多種因素對(duì)尾礦蠕變和次固結(jié)特性的影響，如應(yīng)力歷史、含水量、顆粒組成等。通過(guò)調(diào)整模型中的參數(shù)，可以適應(yīng)不同工況下尾礦的變形特性，為尾礦工程的設(shè)計(jì)和分析提供更可靠的工具。在分析不同含水量的尾礦蠕變行為時(shí)，改進(jìn)后的模型能夠根據(jù)含水量的變化調(diào)整參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尾礦的變形，而傳統(tǒng)模型則難以做到這一點(diǎn)。改進(jìn)后的蠕變模型在描述尾礦材料的次固結(jié)特性和蠕變行為方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)槲驳V工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確、可靠的理論依據(jù)，對(duì)于保障尾礦工程的安全運(yùn)行具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。5.3實(shí)例分析為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)后的蠕變模型在實(shí)際工程中的有效性和實(shí)用性，本研究以某尾礦壩工程為例，運(yùn)用該模型對(duì)尾礦壩在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的變形情況進(jìn)行分析，并將模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。該尾礦壩位于[具體地理位置]，壩體高度為[X]米，壩頂寬度為[X]米，壩底寬度為[X]米，采用上游法筑壩工藝，壩體主要由尾礦材料填筑而成。在尾礦壩的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)壩體的沉降、水平位移等變形參數(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度為[開始時(shí)間]-[結(jié)束時(shí)間]，共設(shè)置了[X]個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分布在壩體的不同位置，包括壩