加筋尾細(xì)砂三軸壓縮試驗研究

馮美生，王來貴，王鳳江

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.山西大同大學(xué) 土木工程系，山西 大同 037003；3.秦皇島冶金設(shè)計研究總院，河北 秦皇島 066001）

加筋尾細(xì)砂三軸壓縮試驗研究

馮美生1，2，王來貴1，王鳳江3

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.山西大同大學(xué) 土木工程系，山西 大同 037003；3.秦皇島冶金設(shè)計研究總院，河北 秦皇島 066001）

分別對含筋層數(shù)為1、2、4層的尾礦細(xì)砂進(jìn)行三軸壓縮試驗.2層以下加筋時，土工織物對尾礦砂的橫向變形約束作用較小，尾細(xì)砂均表現(xiàn)為剪切破壞特征；在2到4層增強(qiáng)時，尾細(xì)砂表現(xiàn)為拉應(yīng)力破壞特征；拉破壞條件下和剪切滑移破壞條件下，均發(fā)現(xiàn)加筋后的尾礦，內(nèi)聚力隨加筋層數(shù)非線性增大，而內(nèi)摩擦角基本不變.定義了增強(qiáng)效果系數(shù)，層數(shù)與該系數(shù)呈非線性關(guān)系.軸向應(yīng)變小于5%～8%時，尾礦砂處于彈性變形階段，軸向應(yīng)變大于8%時，出現(xiàn)彈塑性耦合變形.

尾細(xì)砂；三軸試驗；抗剪強(qiáng)度；土工織物

0 引言

目前細(xì)粒尾礦庫工程中應(yīng)用較多的加固方法為加筋式池填法［1］，其具體的施工方法為：在干灘面上鋪設(shè)土工織物——按照設(shè)計坡度修筑攔擋小壩 ——按池填法往子壩和攔擋壩之間放礦，達(dá)到設(shè)計高度后，又重新鋪設(shè)土工織物，重復(fù)前面的工序.采用這些措施的主要作用是：鋪設(shè)土工織物，提高壩體的穩(wěn)定性；修筑攔擋小壩，改變干灘面的坡度，同時使尾礦粗顆粒更好地沉積在壩前.因此國內(nèi)外很多學(xué)者［2-5］研究了加筋材料對基體材料細(xì)粒尾礦砂變形及強(qiáng)度特性影響的課題，可為以上的工程實踐提供參考依據(jù).

1 筋材土工織物的斷裂強(qiáng)度

斷裂強(qiáng)度是指試樣在拉伸至斷裂時單位寬度所受的力（N／m或k N／m）.采用聚丙烯編織布作為增強(qiáng)試驗材料，進(jìn)行加筋尾礦砂的三軸壓縮性質(zhì)測試.采用青島麻紡織廠生產(chǎn)的聚丙烯A2050型機(jī)織土工布進(jìn)行試驗，此類土工布厚度0.880 mm，每平方米質(zhì)量250 g.為測求上述機(jī)織土工織物的拉伸試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)，采用寬度為200 mm的試驗樣品進(jìn)行了8個樣品的拉伸性能試驗［6-7］，試驗操作遵循《公路土工合成材料試驗規(guī)范》（JTJ／T060-98），拉伸試驗曲線見圖1（P145）.根據(jù)試驗結(jié)果，對應(yīng)2%的拉伸應(yīng)變，土工布的平均拉伸強(qiáng)度為12 k N／m，相應(yīng)的割線模量為681.8 MPa.拉伸應(yīng)變15%對應(yīng)的平均拉伸強(qiáng)度為40 k N／m，相應(yīng)的割線模量為303 MPa.

2 加筋細(xì)尾砂壓縮試驗概況

試驗采用尾細(xì)砂［8］做試料，試樣成型干密度為1 710 kg／m3.由于加筋土結(jié)構(gòu)對水的作用相當(dāng)敏感，正常工作條件下應(yīng)處于非飽和狀態(tài)［9-10］，故試驗采用固結(jié)不排水的非飽和試驗.三軸壓縮試樣直徑D為61.8 mm，高度H為125 mm，體積1 500 cm3.試驗前，將土工織物剪成直徑為61.8 mm的圓盤形狀，按等間距水平鋪設(shè)在砂樣中間.加載速率為1 mm／min，剪切過程中關(guān)閉排水閥，剪切到主應(yīng)力差峰值出現(xiàn)或達(dá)到15%軸向應(yīng)變時，試驗結(jié)束.試驗分別取加筋層數(shù)為1，2，4.

3 增強(qiáng)尾礦砂的變形性質(zhì)

3.1 增強(qiáng)尾細(xì)砂變形特性

對同一試樣，不同圍壓條件下，隨圍壓的不斷增大，由于尾礦砂試樣顆粒重新排列對變形曲線的影響逐漸減弱.大致在圍壓達(dá)到300 k Pa以后，軸向應(yīng)變達(dá)到5%后，各試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線非線性較明顯.圖2至圖4給出了尾細(xì)砂增強(qiáng)后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線.各曲線在主應(yīng)力差達(dá)到峰值后，多存在穩(wěn)定的變形發(fā)展過程.當(dāng)僅鋪設(shè)一層織物時，其變形曲線近似駝峰曲線，應(yīng)力應(yīng)變曲線有軟化性質(zhì)，體積先縮后脹.隨鋪設(shè)層數(shù)的增大，變形曲線近似雙曲線，具有應(yīng)變硬化特征，體積變形為壓縮剪脹型.

分析主應(yīng)力差和軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，大致在圍壓100 kPa以下時，曲線的特征和純尾礦砂相似.此時，試樣的側(cè)向變形由土工織物和尾礦砂之間的摩擦阻力與圍壓共同約束，隨著上述約束作用的增強(qiáng)，試樣將發(fā)生剪切破壞.當(dāng)圍壓大于100 kPa時，曲線呈應(yīng)變硬化特征.在硬化階段呈直線變化，并一直延續(xù)到拉筋斷裂.

圖1 機(jī)織布的拉伸試驗曲線Fig.1 Geotextile tension test curve

圖2 尾細(xì)砂應(yīng)力應(yīng)變曲線（一層增強(qiáng)）Fig.2 Stress-strain curve of tailing fine sand（one layer）

圖3 尾細(xì)砂應(yīng)力應(yīng)變曲線（二層增強(qiáng)）Fig.3 Stress-strain curve of tailing fine sand（two layer）

圖4 尾細(xì)砂應(yīng)力應(yīng)變曲線（四層增強(qiáng)）Fig.4 Stress-strain curve of tailing fine sand（four layer）

3.2 變形過程分析

軸向荷載作用初期，對應(yīng)圍壓較小，尾礦砂呈逐漸壓密趨勢，尾礦砂試樣處于內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整狀態(tài)，試樣內(nèi)的應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為純尾礦砂的變形規(guī)律，即應(yīng)力應(yīng)變曲線的線性部分.隨著軸向應(yīng)變的不斷增大，尾礦砂顆粒的嵌固作用增強(qiáng)，在壓實后相對的變位困難，延緩了變形的進(jìn)程，土工織物對試樣側(cè)向變形的約束作用增強(qiáng).首先在試樣邊緣局部位置出現(xiàn)尾礦砂的側(cè)向膨脹現(xiàn)象，表明試樣邊緣出現(xiàn)了局部剪切破壞.上述現(xiàn)象表明，界面的剪切破壞首先是從邊緣開始的，即邊緣處剪應(yīng)力集中程度較高，并率先達(dá)到最大值.

由于圍壓愈高，體積縮小量愈大，因此，在低圍壓下筋材可以較早地發(fā)揮作用，表現(xiàn)為不同圍壓下主應(yīng)力差和軸向應(yīng)變的不同變化規(guī)律.在增強(qiáng)層數(shù)較少的情況下，土工織物對尾礦砂的約束作用減弱，增強(qiáng)范圍之外的尾礦砂有較大的側(cè)向膨脹，只有達(dá)到很大豎向變形時，土工織物才會達(dá)到斷裂應(yīng)變（大于20%）.在增強(qiáng)層數(shù)較多的情況下，土工織物對尾礦砂土體的約束作用增強(qiáng)，使得尾礦砂強(qiáng)度提高.而在土工織物約束尾礦砂側(cè)向膨脹的同時，尾礦砂的增強(qiáng)作用也相應(yīng)增強(qiáng).土工織物抗拉強(qiáng)度提高后，隨增強(qiáng)層數(shù)增多，土工織物對尾礦砂的側(cè)向約束作用增強(qiáng)，試樣的體積膨脹就越小，增強(qiáng)效果也越大.

4 增強(qiáng)尾礦砂的強(qiáng)度特征

圖5給出了純尾礦砂和增強(qiáng)尾礦砂的強(qiáng)度曲線.增強(qiáng)尾細(xì)砂的強(qiáng)度曲線近乎和未增強(qiáng)時的強(qiáng)度曲線平行，說明在增強(qiáng)尾礦砂的強(qiáng)度理論中假設(shè)內(nèi)摩擦角不變是有根據(jù)的.其中，對應(yīng)1、2層增強(qiáng)，其強(qiáng)度曲線和未增強(qiáng)時的強(qiáng)度曲線交于小主應(yīng)力（圍壓）軸，按增強(qiáng)尾礦砂的強(qiáng)度理論進(jìn)行解釋，可理解為在2層增強(qiáng)以下時，土工織物對尾礦砂的橫向變形約束作用較小，尾細(xì)砂表現(xiàn)為剪切破壞特征；在2-4層增強(qiáng)時，尾細(xì)砂表現(xiàn)為拉應(yīng)力破壞特征.有關(guān)增強(qiáng)前、增強(qiáng)后尾礦砂的抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗結(jié)果列于表1中.

圖5 尾細(xì)砂的強(qiáng)度曲線Fig.5 Intensity curve of tailing fine sand

表1 增強(qiáng)尾細(xì)砂抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果Table1 Shear strength result of reinforced tailing sand

5 增強(qiáng)效果分析

為評價增強(qiáng)作用對尾礦砂抗剪強(qiáng)度的影響，引入強(qiáng)度增強(qiáng)效果系數(shù)的概念.定義強(qiáng)度增強(qiáng)效果系數(shù)ησ為增強(qiáng)尾礦砂破壞時的主應(yīng)力差（σ1-σ3和純尾礦砂破壞時的主應(yīng)力差（σ1-σ3）f的比值，即：

按上述公式計算的增強(qiáng)效果系數(shù)列于表2中.將增強(qiáng)尾礦砂破壞時的軸向應(yīng)變和純尾礦砂破壞時的軸向應(yīng)變的比值定義為應(yīng)變增強(qiáng)效果系數(shù)，圍壓300 kPa條件下應(yīng)變增強(qiáng)效果系數(shù)見表2.

表2 圍壓300 kPa時的強(qiáng)度及應(yīng)變的增強(qiáng)效果系數(shù)Table 2 The coefficient of the enhanced action at 300 kPa

可見，隨增強(qiáng)層數(shù)的增加，土工織物間距逐漸減小，相鄰兩層增強(qiáng)的相互作用明顯增強(qiáng)，從而有效約束了尾礦砂的側(cè)向變形，提高了抗剪強(qiáng)度.

圖6給出了圍壓300 k Pa時尾細(xì)砂隨土工織物鋪設(shè)密度增加而產(chǎn)生的變形曲線.從變形曲線可以發(fā)現(xiàn)，在軸向應(yīng)變小于5%時，尾礦砂基本處于彈性變形階段，土工織物對其強(qiáng)度的影響不大；在軸向應(yīng)變大于5%～8%時，隨土工織物鋪設(shè)層數(shù)的增加，主應(yīng)力差逐漸提高，在變形達(dá)到極限強(qiáng)度時，開始出現(xiàn)彈塑性耦合變形，土工織物的軸向變形也逐漸增大，產(chǎn)生拉斷破壞現(xiàn)象.增強(qiáng)尾礦砂在極限強(qiáng)度后出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，表明其變形剛度小于零，變形進(jìn)入不穩(wěn)定階段.因此，增強(qiáng)尾礦砂的強(qiáng)度校核應(yīng)采用和變形相一致的準(zhǔn)則，對于壩坡的長期穩(wěn)定性問題，應(yīng)采用其殘余強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析計算.

圖6 尾細(xì)砂主應(yīng)力差和增強(qiáng)層數(shù)的關(guān)系Fig.6 Curve of fine sand’s principal stress difference with deferent laye

6 結(jié)語

壓縮試驗盡管獲得了很多有用的信息，但由于試驗?zāi)Ｐ统叽绲南拗?，不同類型的土工筋材的物理特性、力學(xué)特性、水力特性、耐久性的差異，以及試驗條件與實際工況的差異，評價筋材對尾細(xì)砂增強(qiáng)效果的研究還值得深入.

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Triaxial Compression Test on Multilayer Reinforced Tailing Fine Sand

FENG Mei-sheng1，2，WANG Lai-gui1，WANG Feng-jiang3
（1.Collegeofmechanicsandengineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China；2.Departmentofcivilengineering，ShanxiDatongUniversity，Datong037003，China；3.QinghuangdaoResearchInstituteofMetallurgyDesign，Qinhuangdao066001，China）

Tiaxial compression tests are made with different number of geotexile to the tailing fine sand.when 1 or 2 layers，the geotexile has a little restraint on the sand’s lateral deformation and the failure mode is shear failure.when 4 or more layers，the failure mode is tensile failure.Under the two failure modes，the existence of reinforced material can influence the cohesion force which is nonlinear increase with the layer’s number，but not the inner friction angle.It defined the coefficient of the enhanced action which has a nonlinear rise according to the layer’s number.When axial strain below 5%～8%，the sand is at the elastic distortion stage，but elasto-plasticity stage when more 8%.

tailings fine sand；triaxial compression test；shear strength；geotextile

TU447

A

2011-09-30

國家自然科學(xué)基金面上項目（50434020）

馮美生（1980-），男，博士研究生，主要從事環(huán)境巖土力學(xué)及地質(zhì)災(zāi)害治理方面的研究.E-mail：daokedaoke＠163.com