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近年来，我国尾矿坝溃坝事故频发，对人民的生命财产安全造成了重大损失，严重地影响了采矿工程的生产活动。目前，由于对尾矿材料力学特性认识不清，同时缺乏对尾矿坝失稳机理的研究，致使尾矿坝溃坝事故不断增多。为了减小尾矿坝溃坝灾害，建立尾矿坝灾变防治系统势在必行，其理论基础在于掌握复杂状态下尾矿材料力学特性及其剪切带形成机制。本文以德兴铜矿4号尾矿库为依托工程，采用实验、理论与数值模拟相结合的方法，主要进行以下几方面的研究工作:
1.以德兴铜矿4号尾矿库为依托工程，对其进行现场勘察取样，通过室内实验研究了高尾矿坝的颗粒沉积特性，调查了堆积尾矿在尾矿堆积坝、尾矿库内的空间分布，分析了尾矿材料的物理力学特性指标，如饱和度、干密度、渗透系数以及抗剪强度指标的空间分布规律，并在此基础上，研究了尾矿的动力力学特性，上述指标是进行尾矿坝稳定性评价的基础。
2.尾矿坝在运行过程中，尾矿处于干湿交替环境，尾矿材料的力学特性受含水量影响很大，具有显著的非饱和特性。通过测定不同干密度下尾矿材料的土水特征曲线，分析了干密度对土水特征曲线的影响，选择适当的土水特征曲线模型进行拟合，通过参数分析后，得到考虑干密度影响的尾矿材料土水特征曲线模型。
3.在尾矿边坡的稳定性分析中，一般保守地忽略基质吸力对其稳定性的影响。为了定量计算基质吸力对尾矿边坡稳定性的贡献，分别采用2种不同方法计算了某一典型尾矿边坡的稳定性，在此基础上，阐明了考虑基质吸力法提高边坡稳定性的机制。
4.对尾矿样进行了高压三轴压缩试验，研究了尾矿材料在高压作用下的力学特性，建立了考虑高压作用的尾矿材料强度模型。分析了试验前后尾矿样的颗粒级配，并对尾矿样的颗粒破碎进行度量。
5.介绍了PFC2D颗粒流方法的基本原理和基本步骤，该离散元数值模拟方法在岩土工程得到了广泛地应用。建立了平面应变下尾矿试样的颗粒破碎模型，采用该模型对尾矿试样的双轴试验进行模拟，得到了不同围压下尾矿试样的颗粒破碎规律。
6.回顾了剪切带判别的经典理论，按照剪切带的定义，根据平衡方程及本构关系推导了应变局部化产生的判别准则。在此基础上，根据常用的Mohr-Coulomb强度模型，推导了平面应变下产生应变局部化的判别表达式，探讨了其与经典理论在剪切带方向判别上差异的本质。
7.颗粒流模拟可从细观角度解析物理现象，采用PFC2D软件对不同围压下尾矿材料的应变局部化进行模拟，分析了剪切带形成前后尾矿试样的位移场、力链、接触力等的变化，从细观角度解析剪切带形成的力学机制。