不同摻土量加筋煤矸石的界面摩擦試驗(yàn)研究

杜勇立+高禮+楊果林

文章編號(hào)：16742974(2014)04005407

收稿日期：20130506

基金項(xiàng)目：國(guó)家交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目（2010353343290）；湖南省交通科技項(xiàng)目(200908)

作者簡(jiǎn)介：杜勇立（1973-），男，湖南雙峰人，中南大學(xué)博士研究生，高級(jí)工程師

通訊聯(lián)系人，E-mail:15111000544@139.com

摘要：為了獲得不同摻土量加筋煤矸石界面摩擦特性，以鍍鋅覆塑格賓網(wǎng)為筋材，以不同摻土量煤矸石為填料，按最優(yōu)含水率配制試料，控制94%的壓實(shí)度制樣，進(jìn)行了大型直剪試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：加筋煤矸石在界面摩擦區(qū)剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系為非線性的，界面摩擦區(qū)的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增大而增加.摻土量在20%以內(nèi)的加筋煤矸石，界面摩擦強(qiáng)度參數(shù)隨摻土量的增加呈現(xiàn)有規(guī)律性的變化，界面黏聚力隨摻土量的增加先減小后增加，界面內(nèi)摩擦角隨摻土量的增加先增加后減小．加筋煤矸石的強(qiáng)度參數(shù)公式用摩爾庫(kù)倫理論擬合是合適的，其參數(shù)公式不僅能反映煤矸石顆粒之間以及煤矸石與筋材之間的黏聚力，而且能獲得較好的相關(guān)系數(shù).

關(guān)鍵詞：加筋；煤矸石；界面摩擦試驗(yàn)；強(qiáng)度參數(shù)公式；摩爾庫(kù)倫理論；界面摩擦因數(shù)



中圖分類號(hào)：U416．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

ExperimentalStudyoftheInterfaceFrictionCharacteristicsbetween

CoalGangueandReinforcementwithDifferentQualitiesofSoil



DUYongli1,2,GAOLi1,YANGGuolin1



(1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniv,Changsha,Hunan410075,China;

2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstitute,Changsha,Hunan410008,China)

Abstract:Inordertoobtaintheinterfacefrictioncharacteristicsbetweenreinforcementandcoalganguemixedwithdifferentqualitiesofsoli,largesheartestswerecarriedout.Thetestusedgabionmeshgalvanizedandcoveredwithplastics.Thefillerwascoalganguemixedwithdifferentqualitiesofsoilandpreparedwiththeoptimummoisturecontent.Thesamplescontrolledthecompactionof94%.Theresultsshowedthattherelationshipbetweenshearstressanddisplacementontheinterfacefrictionandcoalgangueandreinforcementwasnonlinear,andtheshearstressontheinterfacefrictionincreasedwiththeincreaseofnormalstress.Theparametersoftheinterfacefrictionstrengthchangedregularlywiththeincreaseintheamountofsoilwhenthemixedsoilwaslessthan20%.Whenthemixedsoilincreased,theinterfacecohesiondecreasedfirstandthenincreased,buttheinterfacefrictionanglefirstincreasedandthendecreased.ThestrengthparametersofthecoalganguemixedwithreinforcementconformedtothetheoreticalformualMohr.Theformulanotonlyreflectsthecohensionbetweencoalgangueandreinforcement,butalsohasabettercorrelationcoefficient.

Keywords:reinforcement;coalgangue;interfaceandcoefficienttests;strengthparametersformula;mohrcoulombstrengththeory;interfacialfrictioncoeffient



煤矸石是煤層在形成過(guò)程中與煤伴生或共生的一種堅(jiān)硬巖石，隨著煤礦的開(kāi)采而成為煤炭生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)煤矸石的排放量約為煤炭產(chǎn)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(zhǎng)，是中國(guó)目前最大的固體廢棄物源，占全國(guó)工業(yè)廢料的20%以上.全國(guó)每年除綜合利用約6000萬(wàn)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(duì)周?chē)h(huán)境造成極大污染，嚴(yán)重影響和危害人們的生活與健康［1-5］，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，特別是隨著“十二五”規(guī)劃對(duì)“節(jié)約型、環(huán)保型”材料的重視，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益加強(qiáng)，如何綜合利用煤矸石，越來(lái)越引起人們的重視.目前多數(shù)國(guó)家針對(duì)煤矸石的綜合應(yīng)用主要集中在工程應(yīng)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(duì)煤矸石的種類和品質(zhì)沒(méi)有特別的要求，對(duì)有害成分限制不嚴(yán)，而且煤矸石應(yīng)用于路基填料具有耗渣量大、無(wú)需特殊處理及特殊技術(shù)手段的優(yōu)點(diǎn).隨著中國(guó)高速公路建設(shè)和發(fā)展，特別是經(jīng)過(guò)產(chǎn)煤區(qū)的高速公路，路基填筑土相當(dāng)短缺，而產(chǎn)煤區(qū)的煤矸石卻大量堆積，將煤矸石應(yīng)用于路基填料已成為科研人員研究的重要課題，國(guó)外一些學(xué)者Bulter，Michals，Solesbury等[6-8]利用不同煤矸石做現(xiàn)場(chǎng)模擬壓密試驗(yàn)，認(rèn)為煤矸石可壓密程度與粒度分布特點(diǎn)密切相關(guān)，適當(dāng)提高煤矸石中細(xì)小顆粒的含量，可以有效提高煤矸石的固結(jié)性能，改善其工程特性.目前國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者對(duì)煤矸石的工程特性進(jìn)行研究，一些成果已成功應(yīng)用于實(shí)際工程[9-12].

現(xiàn)代加筋技術(shù)[13]誕生于20世紀(jì)60年代，由法國(guó)工程師HenriVidal提出，加筋技術(shù)具有強(qiáng)度高、成本低、對(duì)地基適應(yīng)能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn).目前在路基、擋土墻、邊坡、水利、市政等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和材料科學(xué)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(yù)制鋼筋混凝土、土工合成材料的過(guò)程[14].加筋技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)表現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在公路、鐵路、水利、市政、建筑等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用需求.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)煤矸石路用性能進(jìn)行了較多的理論分析和試驗(yàn)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(jí)配缺陷，其粗大顆粒含量較大，細(xì)小顆粒含量較低，因此，傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)并不能真正體現(xiàn)煤矸石的工程特性.目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(xì)粒對(duì)煤矸石力學(xué)特性的改善研究較少.在加筋煤矸石力學(xué)特性研究中，煤矸石與筋材的界面摩擦特性是研究的一個(gè)重要內(nèi)容，關(guān)系到煤矸石加筋結(jié)構(gòu)的筋材布置和設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性驗(yàn)算；另外，格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面摩擦系數(shù)是土工設(shè)計(jì)的重要參數(shù)．本文在煤矸石界面摩擦試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同摻土量加筋煤矸石的界面摩擦系數(shù)進(jìn)行了研究.

1試驗(yàn)材料

1.1格賓網(wǎng)

本試驗(yàn)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(jìn)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(duì)鋼絲的腐蝕作用，這種筋材具有高強(qiáng)度、無(wú)蠕變、耐久性好的特點(diǎn).試驗(yàn)所采用的格賓型號(hào)為ZNP8*10/2.7,其基本單元見(jiàn)圖1，生產(chǎn)過(guò)程采用專業(yè)設(shè)備編織成工程力學(xué)上受力合理、牢固、不易破損的六邊形雙絞合結(jié)構(gòu)[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.1Basicunitoftwistedhexagonalsteelmesh

格賓網(wǎng)的拉伸試驗(yàn)采用自制模具在鋼絞絲試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，一共進(jìn)行3組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可以看出，5%延伸率對(duì)應(yīng)的平均強(qiáng)度為12.59kN?m-1，10%延伸率對(duì)應(yīng)的平均強(qiáng)度為29.13kN?m-1，極限抗拉強(qiáng)度均大于30kN?m-1，平均值為37.46kN?m-1，最大負(fù)荷對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率平均值為13.69%.

1.2煤矸石及摻和土

試驗(yàn)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(chǎng)附近的土，將煤矸石及摻和土從現(xiàn)場(chǎng)取回實(shí)驗(yàn)室后，依據(jù)JTGE40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》,進(jìn)行了一系列的常規(guī)土工試驗(yàn)，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(xué)性能指標(biāo)

Tab.1Themainmechanicalpropertiesofgabionmesh

性能

指標(biāo)

長(zhǎng)度

/mm

寬度

/mm

2%伸

長(zhǎng)率的

拉伸力

/（kN?

m-1）

5%伸

長(zhǎng)率的

拉伸力

/（kN?

m-1）

10%伸

長(zhǎng)率的

拉伸力

/（kN?

m-1）

拉伸

強(qiáng)度

/（kN?

m-1）

最大負(fù)

荷下

伸長(zhǎng)率

/%

第1組

360

320

4.37

9.67

26.43

38.97

15.43

第2組

350

320

5.62

10.14

24.09

34.34

14.48

第3組

460

320

8.13

17.96

36.88

39.06

11.15

平均值

390

320

6.04

12.59

29.13

37.46

13.69

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(jí)配較差，大粒徑矸石占了相當(dāng)大的比例，粒徑大于5mm的顆粒含量超過(guò)80%.摻土量20%以內(nèi)的煤矸石，隨著摻土量增加，不均勻系數(shù)Cu逐漸變大，介于1.95~2.57；曲率系數(shù)Cc逐漸變小，介于4.69~3.02，說(shuō)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(nèi)的煤矸石Cu＜5，Cc＞3，表明摻土20%以內(nèi)的煤矸石屬級(jí)配不良，不過(guò)隨著摻土量增加，級(jí)配不良得以改善.

粒徑/mm

圖2不同摻土量煤矸石的顆粒分析

Fig.2Sizeanalysiscurveofcoalgangue

試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)不同摻土量（摻土分別為0%，5%，10%，20%）煤矸石進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，不同摻土量煤矸石含水率與干密度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3.由圖3可知，加入一定比例摻和土的煤矸石擊實(shí)曲線變得相對(duì)平緩，說(shuō)明其物理狀態(tài)對(duì)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(chǎng)施工過(guò)程中更有利于控制碾壓時(shí)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(biāo)，其中摻和土以及不同摻土量煤矸石的液、塑限指標(biāo)采用液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定，塑性指數(shù)為液限與塑限之差.

含水率/%

圖3不同摻土量煤矸石含水率與干密度的關(guān)系



Fig.3Therelationshipbetweenmoisturecontentanddry

densitymixedwithdifferentamountofsoil



表2不同摻土量煤矸石基本物理參數(shù)

Tab.2Thecharacteristicofcoalganguecoal

withdifferentamountofsoil

摻土量

最佳

含水量

ω0/%

最大干密度

ρd/

（g?cm-3）

液限

WP



/%

塑限WL



/%

塑性指數(shù)

I(xiàn)P/%

摻和土

14.08

1.810

38.2

24.8

13.4

煤矸石

5.84

2.270

29.9

16.8

13.1

摻土5%

煤矸石

6.23

2.227

31.6

17.0

14.6

摻土10%

煤矸石

6.39

2.172

32.4

19.3

13.1

摻土20%

煤矸石

10.40

2.041

34.1

21.2

12.9

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(duì)路基填料液塑限指標(biāo)要求.

2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室中的大型直接剪切儀，型號(hào)為T(mén)AW800，上、下剪切盒的尺寸均為500mm×500mm×150mm，設(shè)備功能主要有粗粒土直剪試驗(yàn)、土與結(jié)構(gòu)物的剪切試驗(yàn)、加筋土力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)及加筋土界面摩擦試驗(yàn)等.能夠?qū)υ嚇舆M(jìn)行單向剪切試驗(yàn)、雙向剪切試驗(yàn)、循環(huán)剪切試驗(yàn)等，設(shè)備軟件能自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控試樣產(chǎn)生的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等.

根據(jù)JTGE40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》,并模擬現(xiàn)場(chǎng)煤矸石路基的壓實(shí)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(yàn).依據(jù)試驗(yàn)尺寸，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，試驗(yàn)過(guò)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(guò)一個(gè)晝夜的悶料，使試料充分浸潤(rùn).

在剪切盒里面制樣，制樣的壓實(shí)度為94%，通過(guò)高度控制壓實(shí)度，在剪切盒中間位置布置格賓網(wǎng).制樣時(shí)先按設(shè)計(jì)壓實(shí)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(shè)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(guò)程格賓網(wǎng)發(fā)生滑移,見(jiàn)圖4.



圖4鋪設(shè)固定格賓網(wǎng)

Fig.4Layingandfixedgabionmesh

鋪設(shè)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(shí)度94%整平、夯實(shí).裝樣完畢后，測(cè)量整個(gè)試樣高度，確保試樣壓實(shí)度在94%.在剪切過(guò)程中，法向應(yīng)力分別為100，200和300kPa，水平剪切速度為1mm/min，每個(gè)試驗(yàn)剪切位移均為80mm.由于試樣剪切過(guò)程中有效抗剪面積減小，通過(guò)調(diào)整法向荷載線性變化，保證試樣法向應(yīng)力不變.

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1不同摻土量加筋煤矸石界面摩擦區(qū)剪應(yīng)力與

剪切位移之間的關(guān)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(yīng)力（100kPa，200kPa，300kPa）作用下進(jìn)行煤矸石與格賓網(wǎng)的界面摩擦試驗(yàn).根據(jù)剪切位移和剪應(yīng)力的關(guān)系，繪出不同摻土量煤矸石與格賓網(wǎng)界面摩擦試驗(yàn)的剪應(yīng)力τ（kPa）與剪切位移ΔL(mm)之間的關(guān)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(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5.

由圖5可以看出，煤矸石與格賓網(wǎng)的界面摩擦試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增加而增大;剪應(yīng)力與剪切位移曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系;不同法向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力τ與剪切位移ΔL之間的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)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(yīng)力迅速增大，當(dāng)剪切位移達(dá)到一定值時(shí)，曲線變得平緩，且大部分都出現(xiàn)了剪應(yīng)力峰值.剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系曲線主要呈現(xiàn)軟化型.剪切過(guò)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(yīng)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(shí)，格賓網(wǎng)處于屈服階段，剪應(yīng)力會(huì)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(guò)程被格賓網(wǎng)約束，當(dāng)格賓網(wǎng)破壞的瞬間，剪應(yīng)力出現(xiàn)突變.

剪切位移/mm(a)摻土0%

剪切位移/mm(b)摻土10%

圖5不同摻土量加筋煤矸石剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

Fig.5Theshearstressdisplacementcurve

ofgabionmeshandcoalganguemixed

withdifferentamountofsoil



圖6~圖7為試驗(yàn)后界面摩擦區(qū)格賓網(wǎng)變形情況.在剪切過(guò)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(guò)程中被剪成細(xì)小顆粒，剪切面比較光滑.試驗(yàn)過(guò)程中，為了防止格賓網(wǎng)在剪切過(guò)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(yàn)過(guò)程中，仍有部分格賓網(wǎng)發(fā)生滑移，由此可見(jiàn)，剪切過(guò)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(guò)程中發(fā)生變形



Fig.6Gabionmeshdeform



圖7格賓網(wǎng)在剪切過(guò)程中發(fā)生滑移

Fig.7Gabionmeshslippage



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(qiáng)度參數(shù)公式

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種土的抗剪強(qiáng)度公式，主要有庫(kù)倫公式，De.Mello公式和Duncan公式等[16].針對(duì)煤矸石與格賓網(wǎng)在界面摩擦區(qū)的本構(gòu)模型研究甚少，本文在格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面摩擦試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出不同摻土量加筋煤矸石界面摩擦區(qū)的本構(gòu)模型及模型參數(shù)，是今后對(duì)加筋煤矸石路基進(jìn)行沉降計(jì)算及邊坡穩(wěn)定數(shù)值分析的基礎(chǔ).考慮到加筋煤矸石界面摩擦區(qū)含有一定量的細(xì)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(shí)反映出界面摩擦區(qū)的黏聚力和內(nèi)摩擦角，本試驗(yàn)采用摩爾庫(kù)倫理論對(duì)界面摩擦區(qū)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行擬合.又由于本試驗(yàn)試樣在界面摩擦區(qū)存在格賓網(wǎng)，因此抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)為界面摩擦區(qū)煤矸石和格賓網(wǎng)共有的，抗剪強(qiáng)度公式定義為：

τsg=Csg+σntanψsg．(1)

式中：τsg為界面摩擦力；Csg為界面黏聚力；ψsg為界面摩擦角.

不同摻土量加筋煤矸石的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線見(jiàn)圖8，參數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)表3.

垂直壓力P/kPa（a）摻土0%加筋煤矸石

垂直壓力P/kPa(b)摻土5%加筋煤矸石

垂直壓力P/kPa(c)摻土10%加筋煤矸石

垂直壓力P/kPa(d)摻土20%加筋煤矸石

圖8不同摻土量加筋煤矸石抗剪強(qiáng)度

與垂直壓力的關(guān)系曲線



Fig.8Therelationofshearstress

andnormalstress



表3不同摻土量加筋煤矸石界面摩擦區(qū)

強(qiáng)度參數(shù)擬合表

Tab.3Parameterofshearstrengthcoalganguemixed

withdifferentamountofsoil

摻土量

/%

干密度

/（g?cm-3）

強(qiáng)度參數(shù)

界面黏聚力

Csg/kPa

界面摩擦角

ψsg/（°）

相關(guān)系數(shù)R2

0

2.270

66.51

44.59

0.923

5

2.227

52.79

48.53

0.957

10

2.172

82.43

42.32

0.931

20

2.014

95.12

38.70

0.926

圖9為格賓網(wǎng)加筋煤矸石強(qiáng)度參數(shù)隨摻土量的變化曲線.由表3和圖9可以看出，對(duì)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(shì).試驗(yàn)結(jié)果表明：摻土量?jī)H5%時(shí)的加筋煤矸石，界面內(nèi)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(jí)配得到改善，顆粒之間的“咬合力”有所增加；當(dāng)摻土量為5%~20%時(shí)，隨著摻土量的增加，界面內(nèi)摩擦角逐漸減小，這是因?yàn)樵诿喉肥袚酵梁螅喉肥w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(rùn)滑”作用，導(dǎo)致剪切面上的界面摩擦角減小.

摻土量/%

圖9加筋煤矸石強(qiáng)度參數(shù)隨摻土量的變化曲線



Fig.9Therelationshipofshearstrengthcoalgangue

mixedwithdifferentamountofsoil

煤矸石的界面黏聚力在未摻土?xí)r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(shì)，主要是因?yàn)槊喉肥诒容^密實(shí)的狀態(tài)下，顆粒間相互咬合，在剪切過(guò)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(jié)作用”，導(dǎo)致黏聚力增大.

界面摩擦區(qū)的強(qiáng)度參數(shù)公式用摩爾庫(kù)倫理論擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.92以上，并且摩爾庫(kù)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(nèi)摩擦角，因此采用摩爾庫(kù)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(qiáng)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(duì)界面摩擦區(qū)的抗剪強(qiáng)度有明顯的改善作用.在實(shí)際工程應(yīng)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(jí)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(jìn)行碾壓夯實(shí)，更重要的是，摻加15%~20%的煤矸石，對(duì)煤矸石路基的力學(xué)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(shè)計(jì)的重要參數(shù)[17]，通常采用筋土界面摩擦因數(shù)f來(lái)表達(dá).筋土界面摩擦因數(shù)(似摩擦因數(shù))f的計(jì)算方法為:

f=τsgσn．(2)

式中：τsg為界面摩擦區(qū)抗剪強(qiáng)度；σn為對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力.

表4為不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石在不同法向應(yīng)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(duì)應(yīng)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(yīng)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(yīng)力作用下，隨著法向應(yīng)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(yīng)力作用下的界面摩擦系數(shù)（壓實(shí)度為94%）

Tab.4Theinterfacefrictioncoefficientunder

differentnormalstressofcoalganguemixed

withdifferentamountofsoil

摻土量

/%

干密度

/（g?cm-3）

垂直壓力

/kPa

抗剪強(qiáng)度

/kPa

界面摩擦

系數(shù)

0

2.270

100

200

300

136.83

263.37

305.58

1.37

1.32

1.02

5

2.227

100

200

300

136.75

267.02

327.83

1.37

1.34

1.09

10

2.172

100

200

300

148.65

263.91

305.61

1.49

1.32

1.0220

2.014

100

200

300

153.45

257.02

292.72

1.53

1.29

0.98

4結(jié)論

1）不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石的界面摩擦試驗(yàn)中，剪應(yīng)力與剪切位移曲線呈現(xiàn)非線性關(guān)系;不同法向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力τ與剪切位移ΔL之間的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)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(qiáng)度參數(shù)用摩爾庫(kù)倫理論公式擬合是合適的，試驗(yàn)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(shí)際工程中煤矸石摻土之后，不但對(duì)煤矸石的顆粒級(jí)配有很大的改善作用，對(duì)煤矸石路基或邊坡的力學(xué)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(shuō)明了加筋格賓網(wǎng)的加固機(jī)理，加筋格賓網(wǎng)加強(qiáng)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(duì)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(yīng)力增加而減小.

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