岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 717-730.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0214CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0214

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微生物矿化处理铀尾砂强度非均质性分析:试验与模拟

伍玲玲1, 2,胡苏诚1, 2,黄梅钟3,胡林1, 2,田亚坤1, 2, 郑槐淼1, 2,喻清1, 2,韦昌富1, 2,张志军1, 2   

  1. 1. 南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳 421001;2. 湖南省矿山岩土工程灾害预测与控制工程技术研究中心,湖南 衡阳 421001; 3. 济南轨道交通集团建设投资有限公司,山东 济南 250000
  • 收稿日期:2025-02-28 接受日期:2025-06-25 出版日期:2026-02-10 发布日期:2026-02-06
  • 通讯作者: 张志军,男,1978年生,博士,教授,博士生导师,主要从事矿山岩土工程方面的工作。E-mail: zzj181@163.com
  • 作者简介:伍玲玲,女,1987年生,博士,副教授,主要从事微生物岩土工程方面的科研工作。E-mail: wllshmily@foxmail.com
  • 基金资助:
    地球深部探测与矿产资源勘查国家科技重大专项(No. 2025ZD1010700,No. 2025ZD1010708);国家自然科学基金(No. 52274167, No. 52474134);湖南省自然科学基金(No. 2023JJ30516,No. 2024JJ9074);湖南省教育厅重点项目(No. 24A0306)。

Analysis of strength heterogeneity in microbially induced mineralization-treated uranium tailings sand: experiment and simulation

WU Ling-ling1, 2, HU Su-cheng1, 2, HUANG Mei-zhong3, HU Lin1, 2, TIAN Ya-kun1, 2, ZHENG Huai-miao1, 2, YU Qing1, 2, WEI Chang-fu1, 2, ZHANG Zhi-jun1, 2   

  1. 1. School of Resource Environment and Safety Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China; 2. Hunan Province Engineering Research Center for Disaster Prediction and Control on Mining Geotechnical Engineering, Hengyang, Hunan 421001, China; 3. Jinan Rail Transit Group Construction Investment Co., Ltd., Jinan, Shandong 250000, China
  • Received:2025-02-28 Accepted:2025-06-25 Online:2026-02-10 Published:2026-02-06
  • Supported by:
    This work was supported by the Deep Earth Probe and Mineral Resources Exploration-National Science and Technology Major Project (2025ZD1010700,2025ZD1010708), the National Natural Science Foundation of China (52274167, 52474134), the Natural Science Foundation of Hunan Province (2023JJ30516, 2024JJ9074) and the Key Project of Education Department of Hunan Province (24A0306).

摘要:

微生物诱导碳酸钙沉淀microbially induced carbonate precipitation,简称MICP)技术因其环境友好性和高效性在铀尾矿库加固领域展现出广阔的应用前景,但加固体的非均质性制约了其工程适用性。为探究MICP处理后铀尾砂强度异质特征,首先通过响应面试验方法研究了注浆参数对加固体强度及其离散性的影响,然后通过对单一注浆参数下宏观强度的拟合确定了加固体强度的分布规律,最后基于碳酸钙含量与分布测试、扫描电子显微镜-能谱仪(scanning electron microscopy – energy dispersive spectroscopy,简称SEM-EDS)测试及加固体宏观破坏特征等测试结果分析了其强度特性与破坏机制,提出了基于Beta分布的加固参数随机化离散元建模方法,并基于分布特征构造了反映宏观加固效果的胶结状态指标。结果表明:(1)当胶结液浓度为1 mol/LpH=7时加固效果最优,较高胶结液浓度(≥0.9 mol/L)、与低pH值(≤7)环境可显著提升加固效果;(2)加固体强度呈右偏态分布,Weibull分布(AD=0.773)与对数正态分布(AD=0.32)相较于正态分布(AD=3.616)更符合实际数据特征;(3)加固体破坏表现为渐进式脆性断裂,基于Beta分布的随机化离散元模型能有效模拟其非均质力学行为。研究成果为MICP技术参数优化与工程应用提供了理论依据。

关键词: 微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP), 铀尾砂, 非均质性, 渐进破坏, 离散元法

Abstract:

Microbially induced carbonate precipitation (MICP) shows strong potential for reinforcing uranium tailings dams because it is environmentally friendly and efficient. However, spatial heterogeneity in the treated mass limits engineering applicability. To quantify strength heterogeneity in MICP-treated uranium tailings sand, we first used response surface methodology to evaluate how grouting parameters affect strength and its dispersion. Next, we determined the probability distribution of strength by fitting macroscopic strength data obtained under individual grouting conditions. Finally, we analyzed strength evolution and failure mechanisms using calcium carbonate content and spatial distribution, scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (SEM–EDS) observations, and macroscopic fracture characteristics. We propose a random discrete element model based on a Beta distribution and define a cementation state index to quantify the macroscopic reinforcement effect inferred from the fitted strength distribution. The results show that reinforcement is maximized at a cementation-solution concentration of 1 mol/L and pH 7. Higher solution concentrations (0.9 mol/L) and lower pH (7) significantly enhance reinforcement. The strength distribution is right- skewed. The Weibull (AD =0.773) and log-normal (AD =0.32) distributions fit the data better than the normal distribution (AD = 3.616). Failure occurs as progressive brittle fracture, and the Beta-distribution-based random discrete element model captures the resulting heterogeneous mechanical behavior. These findings provide a theoretical basis for optimizing MICP parameters and guiding engineering applications.

Key words: microbially induced carbonate precipitation (MICP), uranium tailings sand, heterogeneity, progressive failure, discrete element method (DEM)

中图分类号: P 642.3;TU 451
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