土工格柵加筋尾礦壩的界面力學(xué)特性研究

羅敏杰，付智龍，王冬梅

(1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031； 2.馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410699)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)對各種礦產(chǎn)的開采需求也增長迅猛，而礦場在采礦完畢后，會面臨尾礦處理問題[1-2]。尾礦若不能被合適地處理，而是被隨意堆放棄置，其結(jié)構(gòu)可能并不穩(wěn)定，堆放地容易發(fā)生尾礦潰壩等事故，造成人員財產(chǎn)損失[3-5]。國內(nèi)外學(xué)者針對該問題進行了大量研究，然而其中大多均集中于尾礦料的物理與力學(xué)特性、單項加筋材料的力學(xué)特性、加筋材料的耐久性能等方面[6]。從多種土工材料的力學(xué)特性角度著手并結(jié)合尾礦壩界面力學(xué)試驗進行的研究還較少，需要進行關(guān)注。

1 研究方案設(shè)計

1.1 儀器系統(tǒng)設(shè)計

界面的力學(xué)特性研究主要是圍繞對加筋土的多種試驗進行的，其中室內(nèi)試驗的結(jié)果對該材料在實際應(yīng)用中的力學(xué)性能有重要指導(dǎo)作用[7-9]。因此該研究集中于尾礦壩的室內(nèi)試驗進行，其中室內(nèi)試驗具體指直剪、拉拔試驗。下面先對試驗中所使用到的儀器設(shè)備進行設(shè)計與選取。

試驗中用到的儀器為土工合成料直剪與拉拔試驗設(shè)備系統(tǒng)。選用此種設(shè)備是因為其具有直剪與拉拔試驗通用、加載控制方便、支持試驗過程圖像記錄、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測一體化等優(yōu)點[10-13]。系統(tǒng)主要組成部件有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、試驗箱[14]。下面依次對該設(shè)備系統(tǒng)的各部件進行設(shè)計。先說數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在于材料接觸的對應(yīng)部位設(shè)有所需的傳感器，其在實驗中將力學(xué)信號收集并轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給控制面板?？刂泼姘逍枰c水平加載系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)連接，用以及時顯示出計算處理后的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，并具有一定程度上能自定義的數(shù)據(jù)可視化功能，從而實現(xiàn)對試驗中材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。當數(shù)據(jù)異常或試驗過程出現(xiàn)異常時，能及時命令設(shè)備系統(tǒng)停止試驗或快速分析原因并反饋顯示出來。另外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)與計算機相連接，以便保存試驗數(shù)據(jù)與節(jié)省設(shè)備本身的內(nèi)存空間。

設(shè)備的圖像采集系統(tǒng)包含光源發(fā)生部、精密視頻顯微鏡、支架[15]。其通過細觀量測技術(shù)來對圖像進行采集與計算，且該系統(tǒng)直接與計算機連接，用以快速傳輸處理好的圖像數(shù)據(jù)[16-17]。豎向加載系統(tǒng)通過反力裝置使連接壓力傳感器的氣缸給被測物體施加豎直向下的均布荷載[18]。氣缸選用30L型號的空氣壓縮機，承壓板長寬均為295 mm，板厚10 mm。該豎向加載系統(tǒng)的施壓范圍為0～200 kPa。水平加載系統(tǒng)則選用連接拉力傳感器的拉壓電機，其可以給被測物品施加0～7 mm/min的定加速度[19]。該套設(shè)備應(yīng)配備有直剪、拉拔2種試驗箱，其運行狀態(tài)如圖1所示。由圖1可知，直剪試驗箱由下直剪小車和上直剪箱組成，被測物體在試驗中被固定于下直剪小車上。上直剪箱的側(cè)面中央開口、內(nèi)徑尺寸分別為200 mm×50 mm、320 mm×320 mm×160 mm。而拉拔試驗箱的前后中央開口、內(nèi)徑尺寸分別為300 mm×10 mm、320 mm×320 mm×230 mm，其設(shè)置有供被測物取出的窄縫，試驗時被測物，即筋材需要水平鋪設(shè)在與窄縫等高位置處。另外，2種試驗箱的開口處內(nèi)側(cè)均應(yīng)安裝厚10 mm的高強度玻璃，用于研究者拍攝與觀察被測物的受力變形過程[20-21]。

圖1 直剪、拉拔試驗箱的工作狀態(tài)示意Fig.1 Working state diagram of direct shear and pull-out test box

1.2 材料選用

試驗中涉及的材料有尾礦填料、土工合成材料，其中尾礦砂填料從國內(nèi)某土建材料供應(yīng)商處取得，材料含水率3.80%、重度17.5 kN/m3、變形模量31、泊松比0.25、黏聚力1、內(nèi)摩擦角33.5°。該尾礦砂填料的顆粒級配曲線如圖2所示。

結(jié)合圖2分析可知，該尾礦填料顆粒粒徑在1.18～0.60 mm、0.6～0.3 mm、0.30～0.15 mm、0.150～0.075 mm、小于0.075 mm范圍的質(zhì)量比例分別為6.95%、30.64%、41.77%、13.82%、4.61%，則該尾礦砂材料的限制粒徑、中值粒徑、有效粒徑分別為0.31、0.18、0.11 mm。

圖2 尾礦砂填料的級配曲線Fig.2 Grading curve of tailings sand filler

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計算出，尾礦顆粒的曲率系數(shù)為1.2，處于1～3，不均勻系數(shù)為3.1<5.0，數(shù)據(jù)證明，所選尾礦填料符合要求。

再看試驗所用的土工合成材料，考慮到加筋工程對土工合成材料的性能要求，該試驗中選用國內(nèi)某土建材料供應(yīng)商提供的Paragrid單向聚酯纖維纖塑土工格柵、HDPE-TGDG100高密度聚乙烯土工格柵2種材料。

(1)HDPE-TGDG100高密度聚乙烯土工格柵。縱向抗拉強度≥100 kN/m；縱向2%伸長率時的拉伸強度29 kN/m；縱向5%伸長率時的拉伸強度55 kN/m；縱向標稱伸長率≤10%；屈服伸長率≤12%；極限蠕變強度39 kN/m；炭黑含量≥2%。

(2)Paragrid 單向聚酯纖維纖塑土工格柵?？v向抗拉強度≥200 kN/m；縱向2%伸長率時的拉伸強度≥42 kN/m；縱向5%伸長率時的拉伸強度≥106 kN/m；縱向標稱伸長率≤9%；連接點極限分離力≥300 N；縱向網(wǎng)孔凈空尺寸400～450 mm；橫向網(wǎng)孔凈空尺寸40～45 mm。

結(jié)合(GB/T 50290—2014)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》對應(yīng)內(nèi)容可知，該試驗所選用的2種土工合成材料均符合國家質(zhì)量標準，可以用于試驗。

1.3 力學(xué)試驗方案設(shè)計

設(shè)計該土工格柵加筋尾礦壩界面力學(xué)試驗方案之前，需要先闡述清楚方案所依據(jù)的直剪與拉拔試驗原理。業(yè)內(nèi)常用界面似摩擦系數(shù)來表達筋土之間的界面作用特性，其計算方法見式(1)

(1)

式中，τp為直剪或拉拔時的界面摩擦強度；σn為對應(yīng)的法向應(yīng)力。即界面似摩擦系數(shù)f可以由界面摩擦強度與對應(yīng)法向應(yīng)力的比值求得。

再分析式(1)中界面摩擦強度τp的計算方式，試驗過程中，當土工格柵快要被拉拔出來時，設(shè)定其上表面與下表面的剪應(yīng)力是均勻分布在表面上的，而且該剪應(yīng)力滿足平衡條件，則界面摩擦強度τp可通過式(2)計算得到。

(2)

式中，Td1、Td2分別為筋材受到的最大剪切力與最大拉拔力；Aif為筋材埋入試驗箱的總面積大小，經(jīng)測量計算得出其值為0.09 m2。

在不同的法向應(yīng)力作用之下進行多次直剪與拉拔試驗，統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，即可整理繪制出界面摩擦強度τp與對應(yīng)法向應(yīng)力σn的關(guān)系曲線，對該曲線進行線性擬合，即可確定出似摩擦角φif和似黏聚力cif，前者可通過線性擬合回歸方程的斜率的反正切函數(shù)求得，后者即為線性擬合回歸方程的函數(shù)形式對應(yīng)截距大小。此兩者被作為直剪、拉拔的界面強度指標使用。試驗中，采用分層壓實法進行裝砂，以確保各組試驗中尾礦砂的密實度相同。另外，在拉拔試驗中，試驗箱的兩側(cè)應(yīng)均勻涂上潤滑油來降低整個過程中的尺寸效應(yīng)造成的數(shù)據(jù)誤差。最后，為簡化試驗流程和控制變量，在直剪試驗與拉拔試驗中，加載速度均保持一致，為2 mm/min。每組試驗結(jié)束時，操作設(shè)備系統(tǒng)記錄保存下來被測物體在整個過程中出現(xiàn)的最大拉拔力與最大剪切力，用于后續(xù)的分析與圖表繪制。

該試驗采用Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵2種材料，分別使之處于40、30、20、10 kPa的法向應(yīng)力狀態(tài)，進行直剪與拉拔試驗，共計需要進行16組試驗，具體各組方案見表1。

由表1可知，為提高每類試驗的數(shù)據(jù)可靠性，每組均需根據(jù)其試驗條件進行1～3組平行試驗，取各平行試驗的指標均值作為該組試驗指標的結(jié)果。

2 力學(xué)試驗結(jié)果分析

2.1 直剪試驗結(jié)果分析

按照第1章設(shè)計的土木格柵加筋尾礦壩力學(xué)試驗方案進行試驗后，統(tǒng)計整理數(shù)據(jù)，下面首先分析各法應(yīng)力下Paragrid格柵與HDPE-TGDG100格柵的直剪試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖3所示。

表1 土工格柵加筋尾礦壩的界面力學(xué)試驗方案Tab.1 Interface mechanics test scheme of geogrid reinforced tailings dam

圖3 直剪試驗位移與剪切力曲線統(tǒng)計Fig.3 Statistics of displacement and shear force curve of direct shear test

由圖3可知，整體上看，Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵與尾礦材料的直剪試驗曲線走勢變化大體相同，剪切力均是先隨剪切位移增加而快速增長，達到峰值后，由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所破壞，剪切力隨位移的繼續(xù)增加有小幅降低，但同等法應(yīng)力條件下，Paragrid格柵剪應(yīng)力峰值更大、達到剪應(yīng)力峰值時的位移整體更小。具體來看，Paragrid格柵與HDPE-TGDG100格柵在10、20、30、40 kPa法應(yīng)力下峰值剪切力分別在1.13、1.62、2.28、2.79 kN與0.77、1.24、1.53、1.82 kN左右，兩材料剪切力峰值分別在剪切位移8、11 mm左右時達到。

將各法向應(yīng)力值與對應(yīng)的最大剪切力代入式(1)、式(2)中，即可得到多組數(shù)據(jù)點，從而繪制得到直剪似摩擦系數(shù)、直剪界面摩擦強度與法向應(yīng)力的擬合曲線，如圖4所示。

圖4 直剪似摩擦系數(shù)、直剪界面摩擦 強度與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig.4 Relationship between direct shear quasi friction coefficient，direct shear interface friction strength and normal stress

觀察圖4(a)可知，f與σa呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵的取值范圍分別為0.75～1.34、0.51～0.83，同等數(shù)值情況下，前者的比后者大35%左右。觀察圖4(b)可知，Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵的τp與σn有明顯的線性相關(guān)性，其線性方程擬合的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，擬合效果優(yōu)良。結(jié)合摩爾—庫侖強度準則可知，Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵的似摩擦角分別為29.48°、21.02°，似黏聚力分別為7.35、4.76 kPa，前者的似摩擦角、似黏聚力分別比后者高40.25%、54.41%。

2.2 拉拔試驗結(jié)果分析

再分析各法應(yīng)力下Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵與尾礦的拉拔試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，整理后如圖5所示。

圖5 拉拔試驗位移與拉拔力曲線統(tǒng)計Fig.5 Curve statistics of displacement and pulling force in pulling test

觀察圖5可知，Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵的拉拔力均隨拉拔位移增大而增長，但前者拉拔位移達到10 mm左右時，拉拔力趨于穩(wěn)定，后者在位移達到6 mm左右后，拉拔力有一定幅度降低。然后，與直剪試驗類似，將各法向應(yīng)力值與對應(yīng)最大拉拔力代入式(1)、(2)之中，再對得出數(shù)據(jù)進行同樣處理，可以得到，Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵的拉拔似摩擦系數(shù)分別為0.56～0.97、0.52～0.91，似摩擦角分別為20.84°、19.93°，似黏聚力分別為6.25、5.97 kPa，且前者的似摩擦角、似黏聚力分別比后者高4.57%、4.69%。

綜合2.1、2.2節(jié)的分析結(jié)果可知，在直剪和拉拔試驗中，HDPE-TGDG100格柵與尾礦的界面力學(xué)指標，即似摩擦角與似黏聚力均小于Paragrid格柵與尾礦料，試驗證明，采用Paragrid格柵來加筋尾礦能取得更好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

針對尾礦壩加筋處理的土工材料選用問題，該研究選用較為常用的Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵作為試驗土工材料，研究了兩者與尾礦壩的界面力學(xué)特性，并設(shè)計了一個基于土工材料的尾礦壩加筋界面力學(xué)對比試驗。結(jié)果顯示，直剪試驗中，Paragrid格柵與HDPE-TGDG100格柵的似摩擦角分別為29.48°、21.02°，似黏聚力分別為7.35、4.76 kPa，前者的似摩擦角、似黏聚力分別比后者高40.25%、54.41%。拉拔試驗中，Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵的似摩擦角分別為20.84°、19.93°，似黏聚力分別為6.25、5.97 kPa，且前者的似摩擦角、似黏聚力分別比后者高4.57%、4.69%。

數(shù)據(jù)表明，Paragrid格柵力學(xué)性能良好，其在直剪和拉拔試驗中的界面力學(xué)指標數(shù)值均大于HDPE-TGDG100格柵的對應(yīng)值，采用Paragrid格柵來對尾礦壩進行加筋處理能取得更好的應(yīng)用效果。由于個人精力限制，該研究在Paragrid格柵的網(wǎng)格尺寸方面涉及較少，這也是后續(xù)研究需要考慮的方向。