土工格柵加筋尾礦壩的界面力學特性研究

羅敏杰，付智龍，王冬梅

(1.中國瑞林工程技術股份有限公司，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，國內對各種礦產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，其結構可能并不穩(wěn)定，堆放地容易發(fā)生尾礦潰壩等事故，造成人員財產損失[3-5]。國內外學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特性、單項加筋材料的力學特性、加筋材料的耐久性能等方面[6]。從多種土工材料的力學特性角度著手并結合尾礦壩界面力學試驗進行的研究還較少，需要進行關注。

1 研究方案設計

1.1 儀器系統設計

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

試驗中用到的儀器為土工合成料直剪與拉拔試驗設備系統。選用此種設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、數據采集監(jiān)測一體化等優(yōu)點[10-13]。系統主要組成部件有數據采集系統、圖像采集系統、豎向加載系統、水平加載系統、試驗箱[14]。下面依次對該設備系統的各部件進行設計。先說數據采集系統，在于材料接觸的對應部位設有所需的傳感器，其在實驗中將力學信號收集并轉換為電信號傳輸給控制面板。控制面板需要與水平加載系統、豎向加載系統連接，用以及時顯示出計算處理后的試驗結果數據，并具有一定程度上能自定義的數據可視化功能，從而實現對試驗中材料力學性能數據的實時監(jiān)控。當數據異常或試驗過程出現異常時，能及時命令設備系統停止試驗或快速分析原因并反饋顯示出來。另外，數據采集系統應與計算機相連接，以便保存試驗數據與節(jié)省設備本身的內存空間。

設備的圖像采集系統包含光源發(fā)生部、精密視頻顯微鏡、支架[15]。其通過細觀量測技術來對圖像進行采集與計算，且該系統直接與計算機連接，用以快速傳輸處理好的圖像數據[16-17]。豎向加載系統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。該豎向加載系統的施壓范圍為0～200 kPa。水平加載系統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]。該套設備應配備有直剪、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。上直剪箱的側面中央開口、內徑尺寸分別為200 mm×50 mm、320 mm×320 mm×160 mm。而拉拔試驗箱的前后中央開口、內徑尺寸分別為300 mm×10 mm、320 mm×320 mm×230 mm，其設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在與窄縫等高位置處。另外，2種試驗箱的開口處內側均應安裝厚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某土建材料供應商處取得，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、內摩擦角33.5°。該尾礦砂填料的顆粒級配曲線如圖2所示。

結合圖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

根據以上數據可計算出，尾礦顆粒的曲率系數為1.2，處于1～3，不均勻系數為3.1<5.0，數據證明，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，該試驗中選用國內某土建材料供應商提供的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。縱向抗拉強度≥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；縱向網孔凈空尺寸400～450 mm；橫向網孔凈空尺寸40～45 mm。

結合(GB/T 50290—2014)《土工合成材料應用技術規(guī)范》對應內容可知，該試驗所選用的2種土工合成材料均符合國家質量標準，可以用于試驗。

1.3 力學試驗方案設計

設計該土工格柵加筋尾礦壩界面力學試驗方案之前，需要先闡述清楚方案所依據的直剪與拉拔試驗原理。業(yè)內常用界面似摩擦系數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為對應的法向應力。即界面似摩擦系數f可以由界面摩擦強度與對應法向應力的比值求得。

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，設定其上表面與下表面的剪應力是均勻分布在表面上的，而且該剪應力滿足平衡條件，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，經測量計算得出其值為0.09 m2。

在不同的法向應力作用之下進行多次直剪與拉拔試驗，統計試驗數據，即可整理繪制出界面摩擦強度τp與對應法向應力σn的關系曲線，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求得，后者即為線性擬合回歸方程的函數形式對應截距大小。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，試驗箱的兩側應均勻涂上潤滑油來降低整個過程中的尺寸效應造成的數據誤差。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。每組試驗結束時，操作設備系統記錄保存下來被測物體在整個過程中出現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據可靠性，每組均需根據其試驗條件進行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果。

2 力學試驗結果分析

2.1 直剪試驗結果分析

按照第1章設計的土木格柵加筋尾礦壩力學試驗方案進行試驗后，統計整理數據，下面首先分析各法應力下Paragrid格柵與HDPE-TGDG100格柵的直剪試驗結果數據，如圖3所示。

表1 土工格柵加筋尾礦壩的界面力學試驗方案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，由于材料內部結構有所破壞，剪切力隨位移的繼續(xù)增加有小幅降低，但同等法應力條件下，Paragrid格柵剪應力峰值更大、達到剪應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。

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

圖4 直剪似摩擦系數、直剪界面摩擦 強度與法向應力的關系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呈現負相關關系，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有明顯的線性相關性，其線性方程擬合的相關系數均大于0.9，擬合效果優(yōu)良。結合摩爾—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 拉拔試驗結果分析

再分析各法應力下Paragrid格柵、HDPE-TGDG100格柵與尾礦的拉拔試驗結果數據，整理后如圖5所示。

圖5 拉拔試驗位移與拉拔力曲線統計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，將各法向應力值與對應最大拉拔力代入式(1)、(2)之中，再對得出數據進行同樣處理，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)的分析結果可知，在直剪和拉拔試驗中，HDPE-TGDG100格柵與尾礦的界面力學指標，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用效果。

3 結論

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特性，并設計了一個基于土工材料的尾礦壩加筋界面力學對比試驗。結果顯示，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%。

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