褶皺情況下土工織物尾砂界面的剪切性狀

林 海，湯善科，夏燕欽，周 強

(1.南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031； 2.江西省尾礦庫工程安全重點實驗室，江西 南昌 330031)

金屬、非金屬礦山開采冶煉后剩下大量的尾砂，尾砂的處置及資源化利用關乎區(qū)域經濟發(fā)展和環(huán)境保護，一直以來也是困擾人們的難題。盡管尾砂的利用途徑在不斷拓展[1]，高產量和產速使得尾礦庫堆存仍為處理尾砂的主要型式。目前我國現存尾礦庫數目巨大，大量由尾砂根據上游法堆筑而成的庫區(qū)仍存在較大的潛在風險，潰壩災害防治措施和極端情況下的應急預案值得深入探索[2-8]。近些年來，隨著土工合成材料在巖土及水利工程中的推廣應用，其在尾礦庫新建、擴建和加固工程中擁有可觀前景，尾砂模袋筑壩法為最典型示例[9-14]。另外，尾砂作為堆積料也擁有在各類巖土工程中應用的潛在價值，而提升其在邊坡和填方工程中的自穩(wěn)能力將極大地增強其工程應用潛力[15]。

尾砂不同于一般砂土，根據物理研磨或化學浸泡等冶煉過程不同其粒徑級配表現中較大的差異，許多尾砂還會表現出一定的黏聚力[16]。尾砂的力學性質會隨粒徑、含水率、礦種等因素而產生一定的差異，細粒尾砂的抗剪強度要顯著低于粗粒尾砂[17-19]。利用土工合成材料的加筋作用和分層加速固結作用，模袋筑壩法這一新型工藝很好地解決了細粒尾砂上游式筑壩難的問題[20-24]。由于細粒尾砂的透水性顯著弱于粗粒尾砂，且其會在土工織物接觸面上形成較密實的防水層，這種不均勻的半透水邊界會進一步限制固結排水過程[25,26]。采用土工織物進行充填時，排水邊界會影響土工織物袋子的受力和變形[27]，可以自然分析得到尾砂充填袋的最終變形很可能存在不均勻性。如果采用土工織物進行大量干燥尾砂的灌袋堆填則會產生更多的不均勻或褶皺變形。

尾砂與土工織物間的界面抗剪能力直接影響到灌砂模袋的極限堆填高度和邊坡抗滑穩(wěn)定性，揭示不均勻變形(含褶皺)情況下土工織物/尾砂界面剪切性狀有利于工程人員評價土工織物與尾砂共同應用時的安全性。本文利用改進的直剪試驗方法研究銅/鎢尾砂分別與編織/無紡土工織物接觸時的界面剪切特性，探討土工織物褶皺的長度和方向等特點土工織物/尾砂界面剪切強度的定量影響，為模袋法工程應用及安全分析提供參考和依據。

1 試驗介紹

1.1 試驗材料

本次試驗所用的銅、鎢尾砂試樣均來自現場尾礦庫調研取樣，具體分別取自江西瑞昌市武山銅礦和贛州市崇義縣新安子鎢錫礦尾礦庫。尾砂試樣的顆粒級配曲線如圖1所示，考慮到取樣位置造成尾砂粒徑的不均勻性等可能會對剪切試驗結果造成一定影響，將取回的銅尾砂和鎢尾砂進行了級配篩選。土工織物/尾砂界面剪切試驗中分別采用了粒徑具有代表性的細粒銅尾砂(d<0.075 mm)和粗粒鎢尾砂(d= 0.25～0.5 mm)。參照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)測得銅尾砂試樣的土粒比重為2.91，鎢尾砂試樣的土粒比重為2.72，尾砂試樣的其他物理性質和微觀分析可參照文獻[18]。界面剪切試驗采用的土工織物為當前巖土工程中常見的編織型土工布和無紡型土工布，材料由長沙建益新材料有限公司提供，土工織物試樣的物理和力學指標如表1所示。

表1 土工織物試樣的物理和力學性質指標Table1 Physical and mechanical properties of geotextile samples

1.2 試驗方法

剪切試驗的開展采用應變控制式直接剪切儀，土工織物的背面固定直接影響到試驗結果的合理性[28]，本次試驗通過在下剪切盒中放置專門加工的固定塊來實現土工織物的背面固定。如圖2所示，放置于下剪切盒中的固定塊為通過加工制作圓柱形木塊并在其中均勻打入稍長的鋼釘制成，木塊表面鋼釘露出的尺寸約為0.5 mm。前期預備試驗已證實本文土工織物的固定方式是行之有效的。試驗研究考慮不同土工織物類型、不同尾砂種類、土工織物的褶皺長度和方向等因素對界面剪切強度的影響。為了能夠將土工織物/尾砂界面剪切強度特性與尾砂剪切強度特性建立聯(lián)系，尾砂試樣統(tǒng)一制備成20%的含水率狀態(tài)。為了定量化分析土工織物褶皺對界面剪切特性的影響，定義褶皺方向與剪切方向一致時稱其為正向褶皺，反之則成為反向褶皺。含褶皺土工織物界面剪切試驗分別考慮褶皺方向與剪切方向相向和相反兩種情況，褶皺寬度采用預先設定的10 mm和30 mm兩種情況(如圖3)。

圖3 土工織物褶皺形式Fig.3 Layout of the geotextile wrinkle

1.3 試驗步驟

首先，加工制作下剪切盒專用土工織物固定塊，如圖2所示將固定塊放入下剪切盒就位。從同一卷土工織物上剪下所需尺寸的若干試樣，其中不含褶皺的土工織物尺寸長度與下剪切盒外尺寸相同，寬度與剪切盒內尺寸相同。褶皺土工織物試樣的起皺位置設定為中部，褶皺延伸方向與剪切方向垂直，褶皺寬度即為試樣重疊部分的寬度(如圖3所示)。為確保整個剪切過程中土工織物背面的良好固定，將土工織物與固定塊和下剪切盒接觸位置涂抹了一層環(huán)氧樹脂膠水，輕壓24 h后固定完全成型(圖2)。至此，土工織物的背面實現了完全固定，而褶皺部分可以在剪切過程中自由移動，僅根據褶皺方向由上部壓力作用使其倒向一方。

尾砂試樣采用重塑土標準土工試驗方法進行制備，將現場取回的足量銅尾砂和鎢尾砂放入105℃烘箱中12 h以上，然后將烘干尾砂過分別進行篩分后得出足夠的細粒銅尾砂(d<0.075 mm)和粗粒鎢尾砂(d= 0.25～0.5 mm)試樣備用。將銅、鎢尾砂按20%含水率計算加入所需水量后攪拌均勻，密封12 h以上待尾砂試樣充分濕潤均勻后使用。土工織物試樣制備完成后，將上剪切盒就位并把制備好的尾砂試樣加入上剪切盒中。施加法向壓力后允許尾砂試樣固結沉降穩(wěn)定后再進行剪切。由于土工織物沿剪切方向的長度大于上下剪切盒的接觸面，因此在整個剪切過程中土工織物與尾砂試樣的接觸面都不變，從而避免了面積修正問題。

考慮到土工織物在模袋筑壩方法中可能遇到的壓力環(huán)境，本次直剪試驗的法向壓力條件分別為25 kPa、50 kPa、100 kPa和200 kPa。由于尾砂的滲透系數較大，界面剪切試驗統(tǒng)一采取標準土工直剪試驗中的快剪速率，即0.8 mm/min。試驗過程中每0.2 mm記錄一次剪應力，直至試驗剪切位移達6 mm時停止試驗。

2 試驗結果

2.1 土工織物/尾砂界面剪切特性

無紡土工布/銅尾砂、無紡土工布/鎢尾砂、編織土工布/銅尾砂和編織土工布/鎢尾砂界面的剪切應力位移關系如圖4所示。各界面的剪切應力隨剪切位移的增大而增大，即使剪切達到6 mm的大位移，各法向應力情況下4種不同界面均未出現明顯峰值剪切強度。4種土工織物/尾砂界面的剪切應力位移曲線表現為與尾砂試樣類似的“硬化型”。在4種不同法向應力情況下，無紡土工布與尾砂的界面抗剪應力明顯強于編織土工布與尾砂的界面抗剪應力，說明無紡土工布的與尾砂的界面摩擦要高于編織土工布與尾砂界面。對銅、鎢2種尾砂試樣對比發(fā)現，鎢尾砂與土工織物的界面剪切應力多數情況下大于銅尾砂/土工織物界面。

圖4 土工織物/尾砂界面剪切應力位移關系Fig.4 Shear stress-displacement relationship of geotextile/tailings interfaces

盡管各界面剪切應力位移曲線中均未出現明顯峰值強度，為了更好地對比分析4種土工織物/尾砂界面的剪切強度，選取位移為6 mm時對應的剪切應力作為峰值強度并繪制界面剪切強度包線。擬合分析得到的銅尾砂/無紡土工布、銅尾砂/編織土工布、鎢尾砂/無紡土工布和鎢尾砂/編織土工布4種界面的峰值剪切黏聚力僅分別為1.25 kPa、5.88 kPa、1.55 kPa和4.38 kPa。可以看出，4種土工織物/尾砂界面的剪切黏聚力均很小，為了能夠更加簡便和直觀地分析對比不同界面的剪切性狀，后續(xù)分析忽略黏聚力分量的影響并將界面剪切摩擦角作為評價剪切強度的主要參數。四種土工織物/尾砂界面過原點擬合得到的峰值強度包線如圖5所示。

圖5 土工織物/尾砂界面剪切峰值強度包線Fig.5 Peak shear strength envelopes of geotextile/tailings interfaces

編織土工布/銅尾砂界面的峰值摩擦角為17.8°，而無紡土工布/銅尾砂界面的峰值摩擦角為24.8°，編織土工布相對于無紡土工布與銅尾砂的界面摩擦角減少了7.0°。類似地，編織土工布相對于無紡土工布與鎢尾砂的界面峰值摩擦角減少了7.1°。銅尾砂/編織土工布界面相對于鎢尾砂/編織土工織物界面的峰值摩擦角減少了1.7°，銅尾砂/無紡土工布界面相對于鎢尾砂/無紡土工布界面的峰值摩擦角減少了1.8°。

2.2 土工織物褶皺情況下與銅尾砂的界面剪切特性

不同褶皺方向和寬度情況下，無紡土工布/銅尾砂界面和編織土工布/銅尾砂界面的剪切應力位移關系分別如圖6和圖7所示。從不同褶皺情況下的土工織物/銅尾砂剪切應力位移曲線型式可以看出，褶皺寬度和方向的改變都沒有使得“硬化型”曲線型式發(fā)生改變。然而，褶皺的存在以及褶皺方向和寬度對土工織物/銅尾砂的抗剪能力造成不可忽略的影響。從圖6可以明顯地看到，正向褶皺會較顯著地增強無紡土工布與銅尾砂的界面抗剪能力，并且增強效果隨褶皺寬度的增加而增大。但在反向褶皺的情況下，1 cm寬度的反向褶皺會使得界面剪切強度有一定程度減小，3 cm寬度的反向褶皺情況卻使得界面剪切強度增大。對于編織土工布/銅尾砂界面，絕大多數情況下正向褶皺和反向褶皺都使得界面剪切強度增大。只有在法向應力100kPa、反向1cm褶皺情況下相較于無褶皺情況界面剪切強度減小(圖7)。

圖6 含褶皺無紡土工布/銅尾砂界面剪切應力位移關系Fig.6 Shear stress-displacement relationship of wrinkled nonwoven geotextile/copper tailings interface

圖7 含褶皺編織土工布/銅尾砂界面剪切應力位移關系Fig.7 Shear stress-displacement relationship of wrinkled woven geotextile/copper tailings interface

鑒于不同土工織物褶皺情況下土工織物/銅尾砂界面峰值強度擬合得到的黏聚力分量都比較小，忽略黏聚力分量后擬合得到的土工織物/銅尾砂界面剪切強度包線如圖8所示。擬合得到不同褶皺情況下，無紡土工布/銅尾砂界面和編織土工布/銅尾砂界面的峰值摩擦角詳見表2。無紡土工布/銅尾砂界面的峰值摩擦角在正向1 cm褶皺、正向3 cm褶皺和反向3 cm褶皺情況下相較于無褶皺情況分別增加了3.7°、8.4°和 1.1°，唯獨反向1 cm褶皺情況時界面摩擦角相較于無褶皺情況較小了7.6°。編織土工布/銅尾砂界面在4種褶皺情況下的摩擦角均有一定的增大，正向1 cm褶皺、正向3 cm褶皺、反向1 cm褶皺和反向3 cm褶皺情況相較于無褶皺情況，摩擦角分別增加了6.2°、4.6°、6.9°和 4.1°。

圖8 褶皺情況下的土工織物/銅尾砂界面剪切峰值強度包線Fig.8 Peak shear strength envelopes of geotextile/copper tailings interface with wrinkles

表2 含褶皺土工織物/銅尾砂界面剪切峰值摩擦角Table2 Shear peak friction angle of geotextile/copper tailings interfaces with wrinkles

3 分析與討論

從前面土工織物/尾砂界面剪切試驗結果可以發(fā)現，平面情況下無紡土工布與尾砂的界面摩擦性狀要顯著優(yōu)于編織土工布/尾砂界面。土工織物與尾砂的界面剪切強度與尾砂剪切強度會表現出一定的相關性，同種土工織物/尾砂界面與尾砂的剪切強度之比相對穩(wěn)定[29]。無紡土工布/銅尾砂界面和無紡土工布/鎢尾砂界面的剪切峰值摩擦角分別為24.8°和26.6°，而相應銅尾砂和鎢尾砂的剪切內摩擦角分別為31.7°和34.1°，無紡土工布/銅尾砂界面和無紡土工布/鎢尾砂界面的抗剪能力分別相當于銅尾砂和鎢尾砂剪切強度的74.8%和74.0%。編織土工布/銅尾砂界面和編織土工布/鎢尾砂界面的剪切峰值摩擦角分別為17.8°和19.5°，編織土工布/銅尾砂界面和編織土工布/鎢尾砂界面的抗剪能力分別相當于銅尾砂和鎢尾砂剪切強度的52.0%和52.3%?？梢姡矫媲闆r下土工織物與尾砂界面的抗剪能力主要取決于土工織物的類型和尾砂的抗剪強度。

尾砂模袋筑壩工程和垃圾填埋場等實際中，液態(tài)尾砂的排水固結或垃圾體的降解等原因產生不均勻變形，使得土工織物與尾砂等散體材料界面產生局部褶皺，褶皺的尺寸和方向等因素往往存在較大的不確定性。即使本文研究對土工織物褶皺的尺寸和方向進行了較嚴格的控制，所得試驗結果仍然難以找到好的定量規(guī)律。例如，無紡土工布/銅尾砂界面剪切強度在正向1 cm褶皺、正向3 cm褶皺、反向1 cm褶皺和反向3 cm褶皺情況下相當于銅尾砂抗剪強度的88.0%、106.0%、50.1%和79.0%。褶皺大都使得無紡土工布/銅尾砂界面抗剪強度提升，但提升的幅度難以定量化。反向1 cm褶皺引起無紡土工布/銅尾砂界面強度的降低可能由于剪切過程中土工布發(fā)生滑移引起的漸進破壞影響。編織土工布/銅尾砂界面剪切強度在不同褶皺方向和寬度情況下都擁有不同程度的提升。綜合來看，褶皺情況下的土工織物/尾砂界面抗剪能力會得到一定提升，因此采用平面情況下土工織物/尾砂界面剪切性狀用于工程邊坡穩(wěn)定分析是偏于保守的。但正由于褶皺情況下使得土工織物界面摩擦力一定程度提升，在工程中對土工織物內累計的拉伸應力可能會增加，工程人員應對此引起注意。

4 結語

本文利用改進的直剪儀進行了無紡土工布/銅尾砂、編織土工布/銅尾砂、無紡土工布/鎢尾砂和編織土工布/鎢尾砂4種界面的剪切試驗，并且開展了土工織物預留不同褶皺方向和寬度情況時的無紡土工布/銅尾砂和編織土工布/銅尾砂界面剪切試驗，分析揭示了土工織物與尾砂的界面剪切性狀，以及土工織物褶皺對土工織物/尾砂界面剪切強度的影響。具體得出以下幾點主要結論：

(1) 土工織物/尾砂界面的剪切應力位移曲線都表現為硬化型，界面剪切強度與無紡織物的種類和尾砂類型有關。無紡土工布與尾砂界面的剪切強度要顯著高于編織型土工布，土工織物/尾砂界面剪切強度會隨著尾砂抗剪強度的增加而增加。

(2) 土工織物/尾砂界面剪切強度隨法向應力線性增長，土工織物的種類是影響界面剪切強度的最重要因素。無紡土工布/尾砂界面剪切強度相當于74.4%左右的尾砂抗剪強度，而編織土工布/尾砂界面剪切強度相當于52.2%左右的尾砂抗剪強度。

(3) 土工織物褶皺大部分情況都會增強土工織物/尾砂界面的剪切強度，然而因褶皺產生的界面強度增幅具有不確定性。本次試驗除1 cm反向褶皺時觀察到無紡土工布/銅尾砂界面強度的有些許降低外，其余褶皺情況下的無紡土工布/銅尾砂界面剪切強度增長5%～32%。