不同摻土量加筋煤矸石的界面摩擦試驗研究＊

杜勇立，高 禮，楊果林

（1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南 長沙 410008）

煤矸石是煤層在形成過程中與煤伴生或共生的一種堅硬巖石，隨著煤礦的開采而成為煤炭生產中的副產品，據(jù)統(tǒng)計，中國煤矸石的排放量約為煤炭產量的15%～20%，已積存約70億t，而且正以年排放量1.5億t的速度增長，是中國目前最大的固體廢棄物源，占全國工業(yè)廢料的20%以上.全國每年除綜合利用約6 000萬t以外，余下矸石多采用圓錐式或溝谷傾倒式自然松散地堆放在礦井四周，不僅侵占大量的土地，而且對周圍環(huán)境造成極大污染，嚴重影響和危害人們的生活與健康[1－5]，進入21世紀以來，特別是隨著“十二五”規(guī)劃對“節(jié)約型、環(huán)保型”材料的重視，人們的環(huán)境保護意識日益加強，如何綜合利用煤矸石，越來越引起人們的重視.目前多數(shù)國家針對煤矸石的綜合應用主要集中在工程應用方面，特別是將煤矸石作為道路基層材料用于筑路工程，這是由于路基填料對煤矸石的種類和品質沒有特別的要求，對有害成分限制不嚴，而且煤矸石應用于路基填料具有耗渣量大、無需特殊處理及特殊技術手段的優(yōu)點.隨著中國高速公路建設和發(fā)展，特別是經(jīng)過產煤區(qū)的高速公路，路基填筑土相當短缺，而產煤區(qū)的煤矸石卻大量堆積，將煤矸石應用于路基填料已成為科研人員研究的重要課題，國外一些學者 Bulter，Michals，Solesbury等[6－8]利用不同煤矸石做現(xiàn)場模擬壓密試驗，認為煤矸石可壓密程度與粒度分布特點密切相關，適當提高煤矸石中細小顆粒的含量，可以有效提高煤矸石的固結性能，改善其工程特性.目前國內已有很多學者對煤矸石的工程特性進行研究，一些成果已成功應用于實際工

程[9－12].

現(xiàn)代加筋技術[13]誕生于20世紀60年代，由法國工程師Henri Vidal提出，加筋技術具有強度高、成本低、對地基適應能力強、應用范圍廣、施工方便等諸多優(yōu)點.目前在路基、擋土墻、邊坡、水利、市政等領域得到廣泛應用.隨著科學技術的進步和材料科學的不斷發(fā)展，加筋材料經(jīng)歷了從天然植物到帆布、金屬和預制鋼筋混凝土、土工合成材料的過程[14].加筋技術近年來在國內表現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，在公路、鐵路、水利、市政、建筑等領域已有廣泛的應用需求.

國內外學者已對煤矸石路用性能進行了較多的理論分析和試驗研究，但由于煤矸石顆粒的特殊性：天然煤矸石存在明顯的顆粒級配缺陷，其粗大顆粒含量較大，細小顆粒含量較低，因此，傳統(tǒng)的土工試驗并不能真正體現(xiàn)煤矸石的工程特性.目前，國內對煤矸石加筋之后的工程特性研究不多，特別是加入不同比例的摻和土細粒對煤矸石力學特性的改善研究較少.在加筋煤矸石力學特性研究中，煤矸石與筋材的界面摩擦特性是研究的一個重要內容，關系到煤矸石加筋結構的筋材布置和設計的穩(wěn)定性驗算；另外，格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面摩擦系數(shù)是土工設計的重要參數(shù).本文在煤矸石界面摩擦試驗的基礎上，對不同摻土量加筋煤矸石的界面摩擦系數(shù)進行了研究.

1 試驗材料

1.1 格賓網(wǎng)

本試驗所采用的加筋材料是鍍鋅覆塑格賓網(wǎng)，它是一種雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng).這種筋材是以低碳鋼絲為基本材料，鋼絲表面進行防腐處理，最外層用塑料包裹，以抵御煤矸石中有害成分對鋼絲的腐蝕作用，這種筋材具有高強度、無蠕變、耐久性好的特點.試驗所采用的格賓型號為ZNP8＊10／2.7，其基本單元見圖1，生產過程采用專業(yè)設備編織成工程力學上受力合理、牢固、不易破損的六邊形雙絞合結構[15]，公稱直徑為2.7mm.

圖1 雙絞合六邊形鋼絲網(wǎng)基本單元Fig.1 Basic unit of twisted hexagonal steel mesh

格賓網(wǎng)的拉伸試驗采用自制模具在鋼絞絲試驗機上進行，一共進行3組試驗，試驗結果見表1.由表1可以看出，5%延伸率對應的平均強度為12.59kN·m－1，10%延伸率對應的平均強度為29.13kN·m－1，極限抗拉強度均大于30kN·m－1，平均值為37.46kN·m－1，最大負荷對應的伸長率平均值為13.69%.

1.2 煤矸石及摻和土

試驗所用的煤矸石試料取自于湖南省婁底地區(qū)楊家山礦區(qū)，摻和土取自于安邵高速公路施工現(xiàn)場附近的土，將煤矸石及摻和土從現(xiàn)場取回實驗室后，依據(jù)JTG E40－2007《公路土工試驗規(guī)程》，進行了一系列的常規(guī)土工試驗，獲得了摻和土及不同摻土量煤矸石的主要物理參數(shù).

表1 格賓網(wǎng)的主要力學性能指標Tab.1 The main mechanical properties of gabion mesh

圖2為不同摻土量煤矸石顆粒分析曲線，由顆粒分析曲線能夠看出，湖南省婁底市楊家山煤礦煤矸石粒度分布級配較差，大粒徑矸石占了相當大的比例，粒徑大于5mm的顆粒含量超過80%.摻土量20%以內的煤矸石，隨著摻土量增加，不均勻系數(shù)Cu逐漸變大，介于1.95～2.57；曲率系數(shù)Cc逐漸變小，介于4.69～3.02，說明隨著摻土量增加，粒徑分布逐漸不均勻，中間粒徑顆粒逐漸減少，較小粒徑顆粒逐漸增加；但摻土20%以內的煤矸石Cu＜5，Cc＞3，表明摻土20%以內的煤矸石屬級配不良，不過隨著摻土量增加，級配不良得以改善.

圖2 不同摻土量煤矸石的顆粒分析Fig.2 Size analysis curve of coal gangue

試驗過程中分別對不同摻土量（摻土分別為0%，5%，10%，20%）煤矸石進行重型擊實試驗，不同摻土量煤矸石含水率與干密度的關系曲線見圖3.由圖3可知，加入一定比例摻和土的煤矸石擊實曲線變得相對平緩，說明其物理狀態(tài)對含水量變化的敏感性降低，因此煤矸石摻入土之后，在現(xiàn)場施工過程中更有利于控制碾壓時路基填料含水率為最優(yōu)含水率.

表2為摻和土以及不同摻土量煤矸石的基本物理指標，其中摻和土以及不同摻土量煤矸石的液、塑限指標采用液限和塑限聯(lián)合測定法測定，塑性指數(shù)為液限與塑限之差.

圖3 不同摻土量煤矸石含水率與干密度的關系Fig.3 The relationship between moisture content and dry density mixed with different amount of soil

表2 不同摻土量煤矸石基本物理參數(shù)Tab.2 The characteristic of coal gangue coal with different amount of soil

由表2可知，與天然煤矸石相比，加入一定比例的摻和土后，煤矸石的最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最佳含水量隨著摻土量的增加而增大；液限和塑限隨著摻土量的增加而增加，塑性指數(shù)為12.9%～14.6%，滿足高速公路對路基填料液塑限指標要求.

2 試驗方法

試驗設備采用中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室中的大型直接剪切儀，型號為TAW－800，上、下剪切盒的尺寸均為500mm×500mm×150mm，設備功能主要有粗粒土直剪試驗、土與結構物的剪切試驗、加筋土力學參數(shù)試驗及加筋土界面摩擦試驗等.能夠對試樣進行單向剪切試驗、雙向剪切試驗、循環(huán)剪切試驗等，設備軟件能自動、實時監(jiān)控試樣產生的位移、應力和應變等.

根據(jù)JTG E40－2007《公路土工試驗規(guī)程》，并模擬現(xiàn)場煤矸石路基的壓實度，研究不同摻土量煤矸石在格賓網(wǎng)加筋情況下的界面摩擦試驗.依據(jù)試驗尺寸，結合現(xiàn)場施工實際情況，試驗過程人為剔除粒徑大于60mm的矸石顆粒，采用四分法取典型試料，按照試料的最優(yōu)含水率配制試樣，經(jīng)過一個晝夜的悶料，使試料充分浸潤.

在剪切盒里面制樣，制樣的壓實度為94%，通過高度控制壓實度，在剪切盒中間位置布置格賓網(wǎng).制樣時先按設計壓實度用煤矸石或摻土煤矸石將下剪切盒填至剪切面形成土基底，再在土基座上鋪設格賓網(wǎng)，并用自制模具及壓條將格賓網(wǎng)固定在下剪切盒上，防止剪切過程格賓網(wǎng)發(fā)生滑移，見圖4.

圖4 鋪設固定格賓網(wǎng)Fig.4 Laying and fixed gabion mesh

鋪設固定好格賓網(wǎng)后，將上剪切盒用煤矸石或摻土煤矸石按壓實度94%整平、夯實.裝樣完畢后，測量整個試樣高度，確保試樣壓實度在94%.在剪切過程中，法向應力分別為100，200和300kPa，水平剪切速度為1mm／min，每個試驗剪切位移均為80mm.由于試樣剪切過程中有效抗剪面積減小，通過調整法向荷載線性變化，保證試樣法向應力不變.

3 試驗結果與分析

3.1 不同摻土量加筋煤矸石界面摩擦區(qū)剪應力與剪切位移之間的關系

每組不同摻土量（摻土0%，5%，10%，20%）煤矸石分別在3種不同法向應力（100kPa，200kPa，300kPa）作用下進行煤矸石與格賓網(wǎng)的界面摩擦試驗.根據(jù)剪切位移和剪應力的關系，繪出不同摻土量煤矸石與格賓網(wǎng)界面摩擦試驗的剪應力τ（kPa）與剪切位移ΔL（mm）之間的關系曲線，由于版面有限，本文僅繪出摻土量0%和摻土量10%加筋煤矸石的剪應力與剪切位移的關系曲線，見圖5.

由圖5可以看出，煤矸石與格賓網(wǎng)的界面摩擦試驗抗剪強度隨法向應力的增加而增大；剪應力與剪切位移曲線呈現(xiàn)非線性關系；不同法向應力作用下的剪應力τ與剪切位移ΔL之間的關系曲線變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)不規(guī)則的駝峰狀形態(tài)，隨著剪切位移增加，剪應力迅速增大，當剪切位移達到一定值時，曲線變得平緩，且大部分都出現(xiàn)了剪應力峰值.剪應力與剪切位移之間的關系曲線主要呈現(xiàn)軟化型.剪切過程，部分曲線有鋸齒狀出現(xiàn)，這是由以下3方面原因造成的：

1）界面摩擦區(qū)較大的煤矸石顆粒被剪斷或者剪碎瞬間，剪應力瞬間變小的緣故.

2）界面摩擦區(qū)某些煤矸石顆粒與格賓相互作用時，格賓網(wǎng)處于屈服階段，剪應力會出現(xiàn)連續(xù)性的鋸齒形.

3）界面摩擦區(qū)剪切面上的粗大矸石顆粒在剪切過程被格賓網(wǎng)約束，當格賓網(wǎng)破壞的瞬間，剪應力出現(xiàn)突變.

圖5 不同摻土量加筋煤矸石剪應力與剪切位移關系曲線Fig.5 The shear stress－displacement curve of gabion mesh and coal gangue mixed with different amount of soil

圖6～圖7為試驗后界面摩擦區(qū)格賓網(wǎng)變形情況.在剪切過程中煤矸石顆粒與格賓網(wǎng)相互作用，部分格賓網(wǎng)發(fā)生變形或者斷裂，剪切面上的粗大矸石顆粒在剪切過程中被剪成細小顆粒，剪切面比較光滑.試驗過程中，為了防止格賓網(wǎng)在剪切過程中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，在下剪切盒四周用模具和壓條把格賓網(wǎng)固定，但試驗過程中，仍有部分格賓網(wǎng)發(fā)生滑移，由此可見，剪切過程中，煤矸石顆粒和格賓網(wǎng)之間的相互作用力很大，在煤矸石中加入格賓網(wǎng)能夠在很大程度上提高煤矸石受力性能.

圖6 格賓網(wǎng)在剪切過程中發(fā)生變形Fig.6 Gabion mesh deform

圖7 格賓網(wǎng)在剪切過程中發(fā)生滑移Fig.7 Gabion mesh slippage

3.2 不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面摩擦區(qū)抗剪強度參數(shù)公式

國內外學者提出了多種土的抗剪強度公式，主要有庫倫公式，De.Mello公式和Duncan公式等[16].針對煤矸石與格賓網(wǎng)在界面摩擦區(qū)的本構模型研究甚少，本文在格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面摩擦試驗的基礎上，提出不同摻土量加筋煤矸石界面摩擦區(qū)的本構模型及模型參數(shù)，是今后對加筋煤矸石路基進行沉降計算及邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析的基礎.考慮到加筋煤矸石界面摩擦區(qū)含有一定量的細顆粒，且顆粒間存在一定的黏聚力，為了使擬合公式能夠同時反映出界面摩擦區(qū)的黏聚力和內摩擦角，本試驗采用摩爾庫倫理論對界面摩擦區(qū)的抗剪強度參數(shù)進行擬合.又由于本試驗試樣在界面摩擦區(qū)存在格賓網(wǎng)，因此抗剪強度參數(shù)指標為界面摩擦區(qū)煤矸石和格賓網(wǎng)共有的，抗剪強度公式定義為：

式中：τsg為界面摩擦力；Csg為界面黏聚力；ψsg為界面摩擦角.

不同摻土量加筋煤矸石的抗剪強度與垂直壓力的關系曲線見圖8，參數(shù)擬合結果見表3.

圖8 不同摻土量加筋煤矸石抗剪強度與垂直壓力的關系曲線Fig.8 The relation of shear stress and normal stress

表3 不同摻土量加筋煤矸石界面摩擦區(qū)強度參數(shù)擬合表Tab.3 Parameter of shear strength coal gangue mixed with different amount of soil

圖9為格賓網(wǎng)加筋煤矸石強度參數(shù)隨摻土量的變化曲線.由表3和圖9可以看出，對于加筋煤矸石，隨著摻土量的增加，界面摩擦角呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢.試驗結果表明：摻土量僅5%時的加筋煤矸石，界面內摩擦角比未摻土加筋煤矸石稍微增大.這是由于加入少量摻和土，顆粒級配得到改善，顆粒之間的“咬合力”有所增加；當摻土量為5%～20%時，隨著摻土量的增加，界面內摩擦角逐漸減小，這是因為在煤矸石中摻土后，煤矸石顆粒間及煤矸石顆粒與格賓網(wǎng)之間的間隙增大，相互咬合不再那么緊密，接觸面粗糙度降低，由于土的“潤滑”作用，導致剪切面上的界面摩擦角減小.

圖9 加筋煤矸石強度參數(shù)隨摻土量的變化曲線Fig.9 The relationship of shear strength coal gangue mixed with different amount of soil

煤矸石的界面黏聚力在未摻土時很大，摻土后隨之減小，隨著摻土量增加（5%～20%），又明顯增加，呈先減后增的變化趨勢，主要是因為煤矸石在比較密實的狀態(tài)下，顆粒間相互咬合，在剪切過程中既要克服顆粒之間本身的咬合力以及粗顆粒與筋材之間的相互作用，又要“剪斷”位于剪切面上的粗顆粒；另外，加入一定量的摻和土，由于土顆粒以及煤矸石顆粒之間的“黏結作用”，導致黏聚力增大.

界面摩擦區(qū)的強度參數(shù)公式用摩爾庫倫理論擬合的相關系數(shù)均在0.92以上，并且摩爾庫倫理論公式能夠反映出界面摩擦區(qū)顆粒之間以及顆粒與格賓網(wǎng)之間的黏聚力和內摩擦角，因此采用摩爾庫倫理論公式擬合格賓網(wǎng)不同摻土量加筋煤矸石在界面摩擦區(qū)的強度參數(shù)是合適的.摻土20%的煤矸石與未摻土煤矸石相比，界面摩擦角減小13.21%，界面黏聚力增加了43.01%，因此煤矸石中摻土之后對界面摩擦區(qū)的抗剪強度有明顯的改善作用.在實際工程應用中，煤矸石中加入15%～20%的摻和土，既有利于改善煤矸石的顆粒級配不良現(xiàn)象，又有利于更好地控制路基填料在最優(yōu)含水率條件下進行碾壓夯實，更重要的是，摻加15%～20%的煤矸石，對煤矸石路基的力學性能有很大的提高作用.

3.3 不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石的界面摩擦因數(shù)

筋土界面摩擦特性是加筋土工程設計的重要參數(shù)[17]，通常采用筋土界面摩擦因數(shù)f來表達.筋土界面摩擦因數(shù)（似摩擦因數(shù)）f的計算方法為：

式中：τsg為界面摩擦區(qū)抗剪強度；σn為對應的法向應力.

表4為不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石在不同法向應力作用下的界面摩擦因數(shù).由表4分析可得，格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面摩擦區(qū)存在著良好的界面摩擦特性，除摻土量20%，300kPa對應的界面摩擦因數(shù)小于1之外，其余不同摻土量煤矸石在不同法向應力作用下的界面摩擦因數(shù)均大于1.同一摻土量煤矸石在不同法向應力作用下，隨著法向應力增加，界面摩擦因數(shù)逐漸減小.這與黃向京等[18]土工布與煤矸石之間摩擦因數(shù)介于0.86～1.5相差不大.

表4 不同摻土量加筋煤矸石在不同法向應力作用下的界面摩擦系數(shù)（壓實度為94%）Tab.4 The interface friction coefficient under different normal stress of coal gangue mixed with different amount of soil

4 結 論

1）不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石的界面摩擦試驗中，剪應力與剪切位移曲線呈現(xiàn)非線性關系；不同法向應力作用下的剪應力τ與剪切位移ΔL之間的關系曲線變化趨勢大致相同，呈現(xiàn)不規(guī)則的“駝峰”形態(tài).

2）煤矸石與格賓網(wǎng)界面摩擦區(qū)的強度參數(shù)用摩爾庫倫理論公式擬合是合適的，試驗表明，煤矸石摻土（摻土量小于20%）之后的界面摩擦角隨摻土量的增加先增加后減小，界面黏聚力先減小后增加.摻土20%煤矸石與未摻土煤矸石相比，界面摩擦角減小13.21%；界面黏聚力增加43.01%；因此實際工程中煤矸石摻土之后，不但對煤矸石的顆粒級配有很大的改善作用，對煤矸石路基或邊坡的力學性能也有很大的提高作用.

3）由加筋煤矸石剪切之后的界面摩擦區(qū)可以看出，煤矸石顆粒與格賓網(wǎng)之間有很好的“咬合”作用，界面摩擦區(qū)煤矸石破碎以及格賓網(wǎng)剪切變形在一定程度上說明了加筋格賓網(wǎng)的加固機理，加筋格賓網(wǎng)加強了界面摩擦區(qū)上下方填料之間的“咬合”作用，煤矸石路基中放置格賓網(wǎng)之后，對于路基沉降以及邊坡滑移有很好的控制作用.

4）格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面摩擦區(qū)存在著良好的摩擦特性，不同摻土量煤矸石的界面摩擦因數(shù)均大于1，同一摻土量煤矸石的界面摩擦因數(shù)隨法向應力增加而減小.

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