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尾礦物理力學特性與高尾礦壩穩定性 版權信息
- ISBN：9787030722683
- 條形碼：9787030722683 ; 978-7-03-072268-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
尾礦物理力學特性與高尾礦壩穩定性 內容簡介
本書以尾礦物理特征為基礎，以三維重構技術為重要手段，結合室內土工試驗和數值模擬試驗，從沉積規律、粒徑、礦物組分和夾層等角度全面分析尾礦的力學特性。基于新研制的高應力滲透固結試驗儀，分析高應力條件下尾礦滲透和固結特性。基于改進的高應力三軸儀進行尾礦的高壓三軸試驗，深入分析高應力條件下顆粒破碎對尾礦的強度影響。系統闡述高應力條件、新型筑壩工藝對高尾礦壩穩定性的影響。通過數值模擬，模擬高應力條件下尾礦的非線性強度特征、破壞變形特征、接觸鏈演變規律及顆粒破碎規律。 本書可供采礦、巖土、地質與環境學科的有關科研人員和工程技術人員參考，也可以作為礦山工程和巖土工程專業研究生的參考書。
尾礦物理力學特性與高尾礦壩穩定性 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 土顆粒幾何性質表征方法 1
1.1.1 顆粒粒徑分布定義 1
1.1.2 顆粒幾何形狀描述方法 2
1.1.3 尾礦顆粒形態分類 3
1.2 三維重構技術發展 3
1.2.1 土體顯微結構研究進展 3
1.2.2 細觀觀測試驗方法 5
1.2.3 CT掃描技術 6
1.3 高尾礦壩研究進展 6
1.3.1 高尾礦壩概念界定 6
1.3.2 高應力下尾礦力學特性研究進展 7
1.3.3 顆粒破碎研究進展 8
1.4 高應力下尾礦數值試驗研究進展 9
1.4.1 柔性伺服原理 9
1.4.2 離散元法在巖土工程中研究進展 10
第2章 尾礦三維重構與細觀結構表征 12
2.1 尾礦顆粒的粒徑特征 12
2.1.1 顆粒顯微觀測 12
2.1.2 砂粒、粉粒和黏粒的顆粒特征 13
2.1.3 粒徑分布函數模型 16
2.1.4 基于Weibull粒徑分布模型 18
2.2 CT技術概述 20
2.2.1 CT技術發展 20
2.2.2 CT掃描原理 20
2.2.3 CT設備簡介 21
2.3 CT圖像處理 23
2.3.1 尾礦CT圖像增強處理 23
2.3.2 尾礦CT圖像分割處理 28
2.3.3 尾礦二值化圖像生成 32
2.4 CT圖像三維重構 33
2.4.1 MIMICS軟件介紹 33
2.4.2 尾礦三維重構實現方法 33
2.4.3 尾礦內部切面圖像獲取 34
2.5 尾礦顆粒細觀結構表征 35
2.5.1 m-B平面下的顆粒級配描述 35
2.5.2 基于CT技術的顆粒級配描述 37
2.5.3 顆粒形狀表征 38
2.6 尾礦孔隙細觀結構表征 43
2.6.1 孔隙率分布 43
2.6.2 二維孔徑分布 45
2.6.3 孔隙分形特征表征 45
第3章 尾礦力學行為特征 48
3.1 粒徑對尾礦沉積特性影響 48
3.1.1 絮凝對細粒尾礦沉積特性影響 48
3.1.2 尾礦漿一維沉積試驗 50
3.1.3 絮網沉積過程模型 55
3.1.4 尾礦顆粒水平沉積規律 56
3.1.5 實測沉積分析 62
3.2 粒徑對尾礦力學行為影響 64
3.2.1 尾礦壩的概化剖面 64
3.2.2 不同粒徑尾礦三軸試驗 66
3.2.3 不同粒徑尾礦數值試驗 67
3.2.4 影響機制 69
3.3 不同礦物組分對尾礦力學性質影響 70
3.3.1 不同礦物尾礦性質 70
3.3.2 礦物組分對應力-應變特性影響 71
3.3.3 礦物組分對應力路徑影響 73
3.3.4 礦物組分對剪切強度影響 74
3.4 夾層異質性對尾礦力學行為影響 76
3.4.1 含夾層尾砂三軸試驗 76
3.4.2 應力-應變特性 79
3.4.3 應力路徑特性 80
3.4.4 大傾角夾層試樣應變軟化特征 82
3.4.5 強度參數 83
3.4.6 變形破壞模式及機制 86
3.5 夾層異質性對尾礦細觀力學性質影響 87
3.5.1 含夾層尾砂數值試驗 87
3.5.2 室內試驗驗證 88
3.5.3 應力-應變關系 90
3.5.4 變形模型及破壞模式 93
3.5.5 接觸組構分析 95
第4章 高應力條件下尾礦滲透與固結特性 99
4.1 試驗儀器 99
4.2 尾礦滲透固結聯合試驗 100
4.2.1 試驗原理 100
4.2.2 試驗步驟 101
4.2.3 試驗內容 103
4.2.4 試驗結果 106
4.3 尾礦滲透特性 110
4.3.1 滲透系數-垂直壓力關系 110
4.3.2 滲透模式 111
4.3.3 水頭對滲透系數影響 112
4.4 尾礦固結特性 114
4.4.1 孔隙比-固結壓力關系 114
4.4.2 壓縮指數特性 115
4.4.3 固結系數特性 115
4.4.4 次固結特性 116
4.5 一維CRS固結試驗 117
4.5.1 CRS固結理論 117
4.5.2 應變率選取 119
4.5.3 CRS固結試驗結果分析 119
第5章 高應力條件下尾礦力學特性 121
5.1 顆粒破碎定性化分析 121
5.1.1 標識顆粒對比 121
5.1.2 尾礦破碎方式 123
5.2 顆粒破碎定量化分析 125
5.2.1 破碎顆粒粒徑分布特征 125
5.2.2 常用顆粒破碎指標優缺點 127
5.2.3 常用顆粒破碎指標對比 132
5.2.4 基于BET法比表面積顆粒破碎指標 134
5.3 高圍壓下尾礦強度特性 138
5.3.1 應力-應變曲線 138
5.3.2 密度對*大應力比影響 142
5.3.3 密度對體積應變影響 143
5.4 高圍壓下夾層對尾礦強度特性影響 145
5.4.1 高圍壓下應力-應變特性 145
5.4.2 高圍壓下夾層傾角對峰值強度影響 146
5.4.3 高圍壓下孔壓曲線變化規律 147
第6章 粒徑對壩體穩定性影響 150
6.1 壩體組成與尾礦壩穩定性關系特性 150
6.1.1 計算原理 151
6.1.2 計算模型及土性指標 152
6.1.3 壩體組成對尾礦壩破壞特征影響 152
6.2 壩體沉積結構與尾礦壩穩定性關系特性 154
6.2.1 壩殼厚度 154
6.2.2 沉積層傾角 156
6.3 壩體固結程度對尾礦壩穩定性影響 157
6.3.1 固結度-強度關系假設 157
6.3.2 固結度與壩體穩定性關系 158
6.4 尾礦壩潰壩對環境影響的分析方法 159
6.4.1 潰壩過程泄砂量評估 159
6.4.2 潰壩影響范圍預測 160
6.4.3 潰壩對下游地區地形與環境影響 161
6.4.4 潰壩預防措施 161
第7章 高應力對壩體穩定性影響 162
7.1 高應力下尾礦強度準則 162
7.1.1 強度包線 162
7.1.2 本構關系 165
7.2 高應力下細粒夾層尾礦強度準則 166
7.2.1 應力路徑 166
7.2.2 臨界狀態線 167
7.3 高應力下尾礦滲透模型 168
7.3.1 常用滲透模型 168
7.3.2 常用滲透模型擬合分析 170
7.3.3 考慮有效孔隙比修正滲透模型 171
7.3.4 考慮破碎指標修正滲透模型 173
7.4 常應力與高應力下壓縮固結特性比較 174
7.4.1 尾礦顆粒幾何參數 174
7.4.2 孔隙比 178
7.4.3 壓縮指數與次固結系數 179
7.5 高尾礦壩穩定性分析 180
7.5.1 案例背景 180
7.5.2 穩定性分析 180
第8章 新型筑壩工藝對壩體穩定性影響 182
8.1 絮凝劑對尾礦細觀結構影響 182
8.1.1 電子顯微鏡觀測試驗 182
8.1.2 SEM試驗 185
8.2 添加絮凝劑特性試驗 186
8.2.1 一維沉降試驗 186
8.2.2 脫水試驗 189
8.2.3 Zeta電位試驗 190
8.3 絮凝劑對尾礦力學特性影響 191
8.3.1 直剪試驗 191
8.3.2 顆粒分析試驗 192
8.4 絮凝劑對壩體穩定性影響 194
8.4.1 模型構建與參數選取 194
8.4.2 穩定性分析 195
第9章 高應力條件下尾礦力學特性數值模擬 198
9.1 隨機多變形構建 198
9.2 數值模型構建與參數選取 199
9.2.1 數值模型構建 199
9.2.2 細觀參數選取 200
9.3 力學特性模擬 201
9.3.1 非線性強度特征 201
9.3.2 破壞變形特征 202
9.3.3 接觸力鏈演變規律 203
9.3.4 顆粒破碎分析 206
第10章 展望 212
10.1 高應力條件下尾礦力學行為 212
10.2 復雜條件下高尾礦壩穩定性 213
10.2.1 高寒地區超高尾礦壩穩定性 213
10.2.2 細粒高壩穩定性 214
10.2.3 強震條件下高尾礦壩穩定性 214
10.3 超高尾礦壩安全預警 214
參考文獻 216
第1章 緒論 1
1.1 土顆粒幾何性質表征方法 1
1.1.1 顆粒粒徑分布定義 1
1.1.2 顆粒幾何形狀描述方法 2
1.1.3 尾礦顆粒形態分類 3
1.2 三維重構技術發展 3
1.2.1 土體顯微結構研究進展 3
1.2.2 細觀觀測試驗方法 5
1.2.3 CT掃描技術 6
1.3 高尾礦壩研究進展 6
1.3.1 高尾礦壩概念界定 6
1.3.2 高應力下尾礦力學特性研究進展 7
1.3.3 顆粒破碎研究進展 8
1.4 高應力下尾礦數值試驗研究進展 9
1.4.1 柔性伺服原理 9
1.4.2 離散元法在巖土工程中研究進展 10
第2章 尾礦三維重構與細觀結構表征 12
2.1 尾礦顆粒的粒徑特征 12
2.1.1 顆粒顯微觀測 12
2.1.2 砂粒、粉粒和黏粒的顆粒特征 13
2.1.3 粒徑分布函數模型 16
2.1.4 基于Weibull粒徑分布模型 18
2.2 CT技術概述 20
2.2.1 CT技術發展 20
2.2.2 CT掃描原理 20
2.2.3 CT設備簡介 21
2.3 CT圖像處理 23
2.3.1 尾礦CT圖像增強處理 23
2.3.2 尾礦CT圖像分割處理 28
2.3.3 尾礦二值化圖像生成 32
2.4 CT圖像三維重構 33
2.4.1 MIMICS軟件介紹 33
2.4.2 尾礦三維重構實現方法 33
2.4.3 尾礦內部切面圖像獲取 34
2.5 尾礦顆粒細觀結構表征 35
2.5.1 m-B平面下的顆粒級配描述 35
2.5.2 基于CT技術的顆粒級配描述 37
2.5.3 顆粒形狀表征 38
2.6 尾礦孔隙細觀結構表征 43
2.6.1 孔隙率分布 43
2.6.2 二維孔徑分布 45
2.6.3 孔隙分形特征表征 45
第3章 尾礦力學行為特征 48
3.1 粒徑對尾礦沉積特性影響 48
3.1.1 絮凝對細粒尾礦沉積特性影響 48
3.1.2 尾礦漿一維沉積試驗 50
3.1.3 絮網沉積過程模型 55
3.1.4 尾礦顆粒水平沉積規律 56
3.1.5 實測沉積分析 62
3.2 粒徑對尾礦力學行為影響 64
3.2.1 尾礦壩的概化剖面 64
3.2.2 不同粒徑尾礦三軸試驗 66
3.2.3 不同粒徑尾礦數值試驗 67
3.2.4 影響機制 69
3.3 不同礦物組分對尾礦力學性質影響 70
3.3.1 不同礦物尾礦性質 70
3.3.2 礦物組分對應力-應變特性影響 71
3.3.3 礦物組分對應力路徑影響 73
3.3.4 礦物組分對剪切強度影響 74
3.4 夾層異質性對尾礦力學行為影響 76
3.4.1 含夾層尾砂三軸試驗 76
3.4.2 應力-應變特性 79
3.4.3 應力路徑特性 80
3.4.4 大傾角夾層試樣應變軟化特征 82
3.4.5 強度參數 83
3.4.6 變形破壞模式及機制 86
3.5 夾層異質性對尾礦細觀力學性質影響 87
3.5.1 含夾層尾砂數值試驗 87
3.5.2 室內試驗驗證 88
3.5.3 應力-應變關系 90
3.5.4 變形模型及破壞模式 93
3.5.5 接觸組構分析 95
第4章 高應力條件下尾礦滲透與固結特性 99
4.1 試驗儀器 99
4.2 尾礦滲透固結聯合試驗 100
4.2.1 試驗原理 100
4.2.2 試驗步驟 101
4.2.3 試驗內容 103
4.2.4 試驗結果 106
4.3 尾礦滲透特性 110
4.3.1 滲透系數-垂直壓力關系 110
4.3.2 滲透模式 111
4.3.3 水頭對滲透系數影響 112
4.4 尾礦固結特性 114
4.4.1 孔隙比-固結壓力關系 114
4.4.2 壓縮指數特性 115
4.4.3 固結系數特性 115
4.4.4 次固結特性 116
4.5 一維CRS固結試驗 117
4.5.1 CRS固結理論 117
4.5.2 應變率選取 119
4.5.3 CRS固結試驗結果分析 119
第5章 高應力條件下尾礦力學特性 121
5.1 顆粒破碎定性化分析 121
5.1.1 標識顆粒對比 121
5.1.2 尾礦破碎方式 123
5.2 顆粒破碎定量化分析 125
5.2.1 破碎顆粒粒徑分布特征 125
5.2.2 常用顆粒破碎指標優缺點 127
5.2.3 常用顆粒破碎指標對比 132
5.2.4 基于BET法比表面積顆粒破碎指標 134
5.3 高圍壓下尾礦強度特性 138
5.3.1 應力-應變曲線 138
5.3.2 密度對*大應力比影響 142
5.3.3 密度對體積應變影響 143
5.4 高圍壓下夾層對尾礦強度特性影響 145
5.4.1 高圍壓下應力-應變特性 145
5.4.2 高圍壓下夾層傾角對峰值強度影響 146
5.4.3 高圍壓下孔壓曲線變化規律 147
第6章 粒徑對壩體穩定性影響 150
6.1 壩體組成與尾礦壩穩定性關系特性 150
6.1.1 計算原理 151
6.1.2 計算模型及土性指標 152
6.1.3 壩體組成對尾礦壩破壞特征影響 152
6.2 壩體沉積結構與尾礦壩穩定性關系特性 154
6.2.1 壩殼厚度 154
6.2.2 沉積層傾角 156
6.3 壩體固結程度對尾礦壩穩定性影響 157
6.3.1 固結度-強度關系假設 157
6.3.2 固結度與壩體穩定性關系 158
6.4 尾礦壩潰壩對環境影響的分析方法 159
6.4.1 潰壩過程泄砂量評估 159
6.4.2 潰壩影響范圍預測 160
6.4.3 潰壩對下游地區地形與環境影響 161
6.4.4 潰壩預防措施 161
第7章 高應力對壩體穩定性影響 162
7.1 高應力下尾礦強度準則 162
7.1.1 強度包線 162
7.1.2 本構關系 165
7.2 高應力下細粒夾層尾礦強度準則 166
7.2.1 應力路徑 166
7.2.2 臨界狀態線 167
7.3 高應力下尾礦滲透模型 168
7.3.1 常用滲透模型 168
7.3.2 常用滲透模型擬合分析 170
7.3.3 考慮有效孔隙比修正滲透模型 171
7.3.4 考慮破碎指標修正滲透模型 173
7.4 常應力與高應力下壓縮固結特性比較 174
7.4.1 尾礦顆粒幾何參數 174
7.4.2 孔隙比 178
7.4.3 壓縮指數與次固結系數 179
7.5 高尾礦壩穩定性分析 180
7.5.1 案例背景 180
7.5.2 穩定性分析 180
第8章 新型筑壩工藝對壩體穩定性影響 182
8.1 絮凝劑對尾礦細觀結構影響 182
8.1.1 電子顯微鏡觀測試驗 182
8.1.2 SEM試驗 185
8.2 添加絮凝劑特性試驗 186
8.2.1 一維沉降試驗 186
8.2.2 脫水試驗 189
8.2.3 Zeta電位試驗 190
8.3 絮凝劑對尾礦力學特性影響 191
8.3.1 直剪試驗 191
8.3.2 顆粒分析試驗 192
8.4 絮凝劑對壩體穩定性影響 194
8.4.1 模型構建與參數選取 194
8.4.2 穩定性分析 195
第9章 高應力條件下尾礦力學特性數值模擬 198
9.1 隨機多變形構建 198
9.2 數值模型構建與參數選取 199
9.2.1 數值模型構建 199
9.2.2 細觀參數選取 200
9.3 力學特性模擬 201
9.3.1 非線性強度特征 201
9.3.2 破壞變形特征 202
9.3.3 接觸力鏈演變規律 203
9.3.4 顆粒破碎分析 206
第10章 展望 212
10.1 高應力條件下尾礦力學行為 212
10.2 復雜條件下高尾礦壩穩定性 213
10.2.1 高寒地區超高尾礦壩穩定性 213
10.2.2 細粒高壩穩定性 214
10.2.3 強震條件下高尾礦壩穩定性 214
10.3 超高尾礦壩安全預警 214
參考文獻 216
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尾礦物理力學特性與高尾礦壩穩定性 節選
第1章 緒論 1.1 土顆粒幾何性質表征方法 1.1.1 顆粒粒徑分布定義 顆粒的粒度（particle size ）和粒徑（particle diameter ）都是表征顆粒大小的一維尺度。粒度籠統地指顆粒的大小。標準的球形顆粒一般用它的直徑表示其粒度，其直徑稱為粒徑。 尾礦顆粒是非球形顆粒，無法用球形的直徑來準確衡量顆粒粒度。為了有效表征尾礦顆粒的粒度，可以將尾礦顆粒按特定規則與標準顆粒類比，例如以標準圓顆粒的直徑來表示尾礦顆粒粒度，這種直徑被稱為當量粒徑，或者等效粒徑。常見的當量粒徑有圓當量徑、球當量徑、三軸徑、Martin 徑和Feret 徑等。 對于二維顆粒，通常將顆粒與標準圓形顆粒類比，得到的粒徑為圓當量徑。根據類比方法的不同，圓當量徑又可分為等投影面積圓當量徑和等周長圓當量徑。將待測顆粒類比為投影面積相等的圓，得到的圓的直徑為等投影面積圓當量徑，也稱為Heywood 徑。將待測顆粒類比為周長相等的圓，得到的圓的直徑稱為等周長圓當量徑。 對于三維顆粒，通常將顆粒與標準球形顆粒類比，得到的粒徑稱為球當量徑。根據類比方法的不同，球當量徑又可分為體積球當量徑和表面積球當量徑。將待測顆粒類比為體積相等的球，得到的球的直徑為等體積球當量徑。待測顆粒類比為表面積相等的球，得到的球的直徑為等表面積球當量徑。 三軸徑是指顆粒外接長方體長l、寬b、高h 的平均值。常見的三軸徑計算公式如表1.1所示。 表1.1 三軸徑的計算公式表 Martin 徑和Feret 徑與顆粒選定方向有關。如圖1.1所示，在一個選定的方向上，等分線ab 將二維顆粒分為面積相等的兩部分，該等分線在顆粒上截取的長度為Martin 徑。同時，在選定方向上可以得到顆粒輪廓兩端的切線，兩條切線之間的垂直距離為Feret 徑。明顯地，當選定的方向不同時，得到的Martin徑和Feret徑也不同。 在尾礦樣品中，某一粒徑范圍內的顆粒在樣品中出現的百分比，稱為頻率，其定義為 （1.1） N式中：Dp為粒徑；f(Dp)為粒徑Dp對應的頻率；np為粒 圖1.1 Martin 徑和Feret 徑示意圖徑為Dp 的顆粒的個數；N 為顆粒總數。頻率與顆粒粒徑的關系，稱為粒徑的頻率分布。粒徑的頻率分布，可以用粒徑-頻率直方圖形象地表示出來，這種直方圖稱為粒徑的頻率分布直方圖。頻率分布直方圖的高度就是頻率，底邊長為組距，組中值對應底邊中點。把粒徑的頻率分布按一定方式累積，便得到粒徑的累積分布關系。一般用篩下累積曲線來表示尾礦粒徑的累積分布關系。對粒徑從小到大的關系進行累積，表示小于某粒徑的顆粒數（或顆粒重量）的百分數，它的優點是消除了直徑的分組，不需要確定組距，因此特別適合確定中位數粒徑等參數。如果粒徑分布符合某種數學規律，則可以用數學函數式來表示粒徑-頻率之間的關系，這種數學函數式稱為粒徑分布的數學模型。利用粒徑的累積分布關系可以求出任一粒徑區間的顆粒含量，減少粒度測定的工作量。常用的粒徑分布數學模型有正態分布模型、對數正態分布模型、Rosin-Rammler 分布模型等。 1.1.2 顆粒幾何形狀描述方法 尾礦顆粒的形狀可以從三個層次進行描述，**層是對顆粒整體輪廓的描述，第二層是對顆粒棱角光滑性的描述，第三層是對顆粒表面紋理的描述。用圓形度、磨圓度和織構分維數來分別描述顆粒形狀的這三個層次。 球形度描述了顆粒接近于球體的程度，即描述顆粒整體輪廓。它的原始定義由Wadell[1]提出，表達式為 （1.2） S式中：Sn 為同體積球體的表面積；S為顆粒的表面積。二維平面中可以用圓形度描述顆粒整體輪廓[2]。圓形度描述了顆粒接近于圓形的程度，可用面積和周長代替球形度定義中的體積和表面積，推導出圓形度的表達式為 （1.3） 式中：P 為顆粒周長。顆粒棱角光滑性用磨圓度進行描述，表達式為 （1.4） r 式中：XV 為磨圓度；ri 為棱角在顆粒*大投影面上的內接圓半徑；R 為該顆粒輪廓內*大內接圓半徑；Nr 為棱角個數。 計盒維數利用了Hausdorff 維數的基本定義，用于描述顆粒表面紋理特征，可用于計算機計算織構分維數，其定義為 （1.5） 式中：D 為計盒維數；ε為覆蓋單元尺寸；為覆蓋單元數量。 1.1.3 尾礦顆粒形態分類 尾礦是由許多顆粒組成的，這些顆粒形態各不相同。按照顆粒內部組成結構的不同，可以把尾礦顆粒分為原級顆粒、聚集體顆粒、凝聚體顆粒和絮凝體顆粒。 原級顆粒是指能與其他顆粒分離，并且不可分割的*小顆粒，又稱為一次顆粒、基本顆粒。在力學分析中一般假設原級顆粒的形狀不會發生變化，或變形可以忽略。尾礦的許多性質都是由原級顆粒決定的，或者說原級顆粒反映尾礦材料的固有屬性。 聚集體顆粒又稱為二次顆粒、團粒，由原級顆粒依靠化學力粘連而成。聚集體顆粒的內部顆粒之間以面-面接觸為主，具有尺寸較小、粒間作用較強的特點，難以分散為原級顆粒，可通過粉碎的方式進行分離解體。聚集體顆粒表面重疊較多，因此比表面積比原級顆粒的比表面積之和小。 凝聚體顆粒是由聚集體顆粒或原級顆粒通過凝聚作用結合在一起的顆粒群，又稱為三次顆粒。凝聚體顆粒的內部顆粒的附著力較弱，顆粒尺寸比聚集體顆粒大。由于粒間作用較弱，通過擦碎、研磨的方式可以將聚集體顆粒重新分散為原級顆粒或聚集體顆粒。通常意義中的顆粒分離技術，指的就是凝聚體顆粒的分離解體技術。 尾礦細顆粒在水環境中有絮凝現象，絮凝作用產生的絮凝結構也被稱為絮凝體顆粒。絮凝體顆粒群的粒間作用很弱，結構十分松散，很容易被微小的擾動力或分散劑解絮。絮凝體顆粒是細顆粒在液相介質中的特有現象，對尾礦的沉積特性有很重要的影響。 1.2 三維重構技術發展 1.2.1 土體顯微結構研究進展 土體的顯微結構指的是土體在顯微儀器下觀察到的細微觀結構。土體的顯微結構可以分為土體基本結構單元和土體結構（即土體的組成和結構），兩者共同決定了土的宏觀性質。一般情況下，土體基本結構單元指土顆粒，土體結構指顆粒的空間排列組合形式及粒間接觸方式。高國瑞[3]將土體的顯微結構概括為顆粒形態、排列方式和聯結形式。筆者認為，土體顯微結構應當包括土粒幾何性質（形狀、大小）、機械性質（強度、剛度、摩擦系數等）、顆粒的組合排列形式、粒間接觸、孔隙分布和聯結形式。 Terzaghi[4]對黏土懸濁液的沉積過程進行了觀察，首次提出土體的“蜂窩狀結構”。Terzaghi 認為土的結構可以分為蜂窩狀結構、絮凝結構和單粒結構。土粒在水中沉積主要受到重力和水的浮力影響，粗顆粒堆積密度高，細顆粒通常處于半懸浮狀態，具有大量孔隙。早期的土體結構模型如圖1.2所示。 圖1.2 早期的土體結構模型[4] Kubiena 等[5]在Micromorphological Features of Soil Geography （《微觀形態土壤地理學》）中系統地總結了土體結構的大量概念和術語，該書是土體顯微結構理論形成的標志之一，其觀點和結論在相當長時間里影響了土體結構類型的劃分。 部分學者通過透射電鏡觀察發現，黏土顆粒普遍具有片狀結構，可以形成面-面、面-邊、邊-邊等不同的聯結形式。Olphen 等[6]提出了如圖1.3所示的黏土顆粒在三種不同電解質中的聯結形式，陳宗基[7]提出了黏土顆粒的三維聯結形式，如圖1.4所示。 圖1.3 黏土顆粒在不同電解質中的聯結形式 圖1.4 黏土顆粒三維聯結形式 Collins 等[8]總結了天然土結構的相關研究成果，提出多個天然土概念模型，說明天然土具有復雜多變的結構特征，其歸納的部分結構如圖1.5所示。 顆粒的粒徑分布對土的細觀結構和宏觀性質有重要影響。Jopony 等[9]提出了針對馬來西亞Lohan 地區銅尾礦的粒徑分布函數表達式；Giuliano 等[10]用多種技術手段對硫鐵尾礦的粒徑進行測量，提出用Rosin-Rammler 函數描述尾礦沉積物的粒徑分布；張季如等[11]根據土壤的偏光顯微鏡觀察結果，提出用數量分布表征土壤分形特性的方法；劉曉明等[12]發現沉積巖土粒徑分布具有兩種不同分形特征，可以用改進后的分形模型對沉積巖土粒徑分布進行描述。目前針對干灘表層沉積尾礦粒徑分布的研究還較少，干灘表層沉積尾礦細顆粒含量較多，采用傳統粒徑測量方法會低估細顆粒所占比例，不能滿足尾礦細觀研究的需要。 圖1.5復雜土體結構模型 顆粒形狀是另一個重要的細觀參數，對顆粒的形狀表征尚無統一的定量方法。Bowman 等[13]提出采用傅里葉級數對顆粒形狀進行數學描述的方法；Santamarina 等[14]的研究結果顯示黏土的形狀多為板狀，可以從顆粒輪廓、棱角性及表面粗糙程度三個方面進行表述；劉清秉等[15]研究了砂土的顆粒輪廓和棱角性，在此基礎上討論了顆粒形狀對砂土抗剪強度及樁端阻力影響；李麗華等[16]分析了沼澤黑土在500～10000倍的電鏡掃描圖片，發現沼澤黑土顆粒呈管片狀且孔隙體積超過土顆粒體積，在宏觀上體現為含水率高、變形大；涂新斌等[17]對各類顆粒形態參數進行了詳細的比較分析，認為參數S11更適合反映顆粒的單元形態尖銳棱角。尾礦顆粒受粉碎作用和搬運作用的影響，形狀與天然土有較大差別，針對干灘表層不同沉積距離尾礦顆粒形狀與粒徑的關系，形狀與沉積距離的關系仍需進一步研究。 數字圖像處理技術為巖土材料細觀觀測帶來新的技術手段。Barnard 等[18]拍攝了美國西海岸海灘的多處土體試樣細觀照片，比較了數字圖像處理和傳統方法測量優缺點，結果顯示數字圖像處理速度更快，準確度更高。Igathinathane 等[19]對天青石礦物的數字照片進行數字圖像處理，提取了天青石礦物的細觀特征參數，分析認為這種礦物的分布符合對數正態分布。通過對石英的電鏡掃描圖片進行圖像分析，Ulusoy 等[20]對比了球磨機和棒磨機對石英形狀和表面粗糙度的影響，發現不同破碎方式下產品的球形度等形狀參數存在較大差異。周健等[21]對均勻粒徑的重疊砂顆粒堆積體照片進行了數字圖像處理分析，得到了砂顆粒大小形狀的參數、孔隙大小形狀的參數，以及砂粒間接觸關系的參數。綜合來看，對接觸、重疊顆粒的分散、分割是圖像處理的主要難題，相關的物理分離手段和數值分割技術還有待進一步研究。 1.2.2 細觀觀測試驗方法 細觀觀測試驗采用的尾礦顆粒樣品取自江西德興銅礦4號壩。為了保證取得的樣品具有代表性，沿垂直于壩軸線方向，在干灘上設置13個采樣點，在每個采樣點剝離10 cm 表面土后進行取樣。 本試驗采用氣流分級技術結合傳統篩分法對尾礦中的黏粒進行顆粒分級。分級時，首先將風干后的尾礦經過氣流分級機篩分，分離出尾礦中的黏粒。然后用75μm 的標準振動篩，分離剩余尾礦中的砂粒和粉粒。 為了觀測尾礦顆粒的成分和形狀，聯合使用X 射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）檢測、光學顯微和電子顯微測試對試樣進行綜合分析，結果之間可以相互補充和驗證。其中XRD 試驗主要是鑒定礦物成分，為顯微鏡觀測提供參考。 光學顯微試驗采用透反射偏光顯微鏡，可以利用顆粒的光學性質鑒別較大范圍內顆粒的礦物成分。試驗時，將制備好的標本放在顯微鏡下，采用單偏光和正交偏光，對每個標本取15個視場進行拍攝，以保證數據的完整性。之后進行顯微圖像的處理，獲得顆粒細觀參數。 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM ）可以實現對顆粒表面形貌的微觀表征，是光學顯微結果的重要補充。試驗采用Quanta 250型掃描電子顯微鏡，放大倍
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