易 富，杜常博，王政宇，于 犇

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

近年來，筋土界面特性試驗(yàn)設(shè)備的研制備受關(guān)注，分析筋土界面作用特性的試驗(yàn)儀器主要是直剪試驗(yàn)設(shè)備和拉拔試驗(yàn)設(shè)備，由于試驗(yàn)機(jī)理的差異，導(dǎo)致使用這兩種設(shè)備得到的試驗(yàn)結(jié)果也有很大不同[1-3]。張嘎等[4]得出直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)都不能完整反映筋土界面作用特性，但二者可相互補(bǔ)充；劉文白等[5]認(rèn)為拉拔試驗(yàn)在土工格柵與土相對位移較大時(shí)能反映實(shí)際情況，而直剪試驗(yàn)卻在位移較小時(shí)能反映實(shí)際情況；史旦達(dá)等[6]對比單、雙向土工格柵加筋工況，認(rèn)為單向格柵加筋時(shí)的直剪和拉拔曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，而雙向格柵加筋的兩種試驗(yàn)曲線一般表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。

國內(nèi)外許多學(xué)者對直剪和拉拔這兩種試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了大量研制和改裝。S.C.Desai 等[7]研制了多自由度循環(huán)直剪儀；M.Sugimoto 等[8-9]研制了主要用于分析土工格柵與砂土界面作用的中型拉拔測試儀，尺寸為680 mm×300 mm×620 mm，豎直加載采用了雙面氣囊；張嘎等[10]研制了剪切盒尺寸為250 mm×250 mm、500 mm×360 mm 的大型接觸面循環(huán)加載剪切試驗(yàn)機(jī)；徐林榮等[11]研制一套適用于研究土工格柵與膨脹土界面特性的室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置；N.Morci 等[12]利用尺寸為1 700 mm×600 mm×680 mm 的拉拔箱對筋土界面特性影響因素進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)研究；楊和平等[13]為分析土工格柵與膨脹土界面特性研制了CS-LB01 大型數(shù)控土工合成材料拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)；劉煒等[14]研制了500 mm×500 mm×400 mm 大尺寸直剪儀；肖朝昀等[15]采用大尺寸直剪儀研究了HDPE 土工膜與無紡?fù)凉げ嫉慕缑婕羟行阅?；陳凱等[16]利用DSJ-2 型電動四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀，分別進(jìn)行了黏土與不同粒徑砂和不同含水率砂的直剪試驗(yàn)；王軍等[17]應(yīng)用美國公司生產(chǎn)的ShearTracⅢ直剪儀，開展了玻璃纖維土工格柵與標(biāo)準(zhǔn)砂的室內(nèi)直剪試驗(yàn)；高俊麗等[18]改裝了現(xiàn)有大型拉拔剪切儀，使加載方式能夠?qū)崿F(xiàn)柔性承壓和剛性承壓；蔡劍韜[19]應(yīng)用疊環(huán)式剪切試驗(yàn)機(jī)分析了土工格柵與膨脹土的界面特性；王家全等[20]研制了一臺大尺寸可視直剪試驗(yàn)儀器，實(shí)現(xiàn)了直剪試驗(yàn)過程的可視和數(shù)據(jù)自動化采集；易富等[21]改裝的拉拔設(shè)備采用萬能試驗(yàn)機(jī)施加水平拉力，豎向荷載由砝碼控制；孟凡祥等[22]研制了土工合成材料剪切儀，可進(jìn)行土工合成材料直剪和拉拔試驗(yàn)，但其設(shè)備尺寸較小且兩種試驗(yàn)箱底面積不同。

目前國內(nèi)外尚無一種公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)方法，所研究設(shè)備均存在不足之處：首先，試驗(yàn)過程無法可視，無法進(jìn)行界面特性的細(xì)觀分析；其次，直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)需用兩種試驗(yàn)設(shè)備分別進(jìn)行，無法在同一設(shè)備上進(jìn)行兩種試驗(yàn)，且兩種試驗(yàn)箱底面積不相同，不利于兩種試驗(yàn)的對比分析；最后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取與處理存在誤差。所以，為了更方便地在同一設(shè)備上開展直剪拉拔試驗(yàn)并進(jìn)行對比分析，研制出一種新型土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)至關(guān)重要。

1 試驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)儀器由南京華德儀器公司生產(chǎn)的YT1200 土工合成材料直剪拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)改制而成，在現(xiàn)有儀器的基礎(chǔ)上改進(jìn)了試驗(yàn)箱的尺寸，可方便兩種試驗(yàn)的對比分析，增加了圖像攝錄系統(tǒng)，可進(jìn)行試驗(yàn)過程細(xì)觀分析。該系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)箱(直剪和拉拔)、垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、圖像攝錄系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.1 試驗(yàn)箱

本儀器設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn)箱，直剪試驗(yàn)箱和拉拔試驗(yàn)箱，如圖2 所示。直剪試驗(yàn)箱分為上直剪箱(圖2左)和下直剪小車，試驗(yàn)時(shí)土工合成材料固定在下直剪小車上，上直剪箱內(nèi)徑為300 mm×300 mm×150 mm(長×寬×高)，在上直剪箱側(cè)面中央開口200 mm×50 mm 尺寸大?。焕卧囼?yàn)箱(圖2 右)內(nèi)徑為300 mm×300 mm×220 mm，在試驗(yàn)箱前后正中開300 mm×10 mm 窄縫，供土工合成材料的引出，試驗(yàn)時(shí)筋材水平鋪設(shè)在試驗(yàn)箱的窄縫高度位置，在拉拔箱側(cè)面中央開口200 mm×90 mm 大??；在直剪試驗(yàn)箱和拉拔試驗(yàn)箱的開口處內(nèi)側(cè)粘上10 mm 厚的鋼化有機(jī)玻璃，便于觀測試驗(yàn)過程中筋材的變形并拍攝照片，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中筋土界面的可視化。

圖2 儀器試驗(yàn)箱組成Fig.2 Test cases

1.2 豎向加載系統(tǒng)

豎向加載系統(tǒng)由帶壓力傳感器的氣缸通過反力裝置施加上覆壓力，氣缸為30 L 的空氣壓縮機(jī)，在氣壓加載系統(tǒng)頂部有一塊295 mm×295 mm×10 mm大小的承壓板，可均勻施加0～200 kPa 范圍內(nèi)上覆壓力。

1.3 水平加載系統(tǒng)

水平加載系統(tǒng)采用速率可控的帶拉力傳感器拉壓電機(jī)，可為試驗(yàn)施加0～5 mm/min 范圍內(nèi)恒定加載速度并測量試驗(yàn)力。

1.4 圖像攝錄系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)由奧斯微AO-3M140 視頻視顯微鏡、專用光源及支架組成，采用細(xì)觀測量技術(shù)采集分析處理筋土界面圖像；圖像采集系統(tǒng)直接與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行圖像的采集與初步處理。

1.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本試驗(yàn)機(jī)設(shè)有控制面板(圖1)，左側(cè)控制面板與豎向加載系統(tǒng)相連，可進(jìn)行上覆壓力的設(shè)定，右側(cè)控制面板與水平加載系統(tǒng)相連，可將試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)地反映在顯示屏上，實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便試驗(yàn)出現(xiàn)問題后及時(shí)分析或停止；試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)自動采集保存，試驗(yàn)機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，在試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)可導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

1.6 試驗(yàn)儀器的特點(diǎn)

相較于國內(nèi)外其他類似直剪拉拔設(shè)備，本文研制的土工合成材料直剪拉拔試驗(yàn)系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)。

a.直剪與拉拔兩用，兩種試驗(yàn)箱底面面積相同，可方便開展不同工況的直剪與拉拔試驗(yàn)，并進(jìn)行對比分析，這是本設(shè)備相較于其他同類設(shè)備具備的一個(gè)顯著的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

b.試驗(yàn)箱由具有一定剛度的鋼板和受力時(shí)不變形的有機(jī)玻璃組成，可避免試驗(yàn)時(shí)邊界效應(yīng)的影響，尤其對于直剪試驗(yàn)來說，試驗(yàn)箱的尺寸比同類試驗(yàn)箱尺寸大，對尺寸效應(yīng)有一定減小，而拉拔試驗(yàn)裝置的尺寸效應(yīng)可通過潤滑側(cè)壁和控制筋材長寬比來減少這一影響。

c.加載系統(tǒng)控制方便。在豎直方向上，采用氣壓加載系統(tǒng)控制試驗(yàn)設(shè)備的豎向加載，便于荷載的控制和卸載，可以對試驗(yàn)箱內(nèi)的填料施加不同的恒定上覆壓力；在水平方向上，由拉壓電機(jī)控制水平加載的恒定速度，可設(shè)定不同的加載速度。

d.試驗(yàn)過程可視化。在試驗(yàn)箱側(cè)面開口處安裝視頻顯微鏡，對整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行攝錄，獲得直剪與拉拔試驗(yàn)過程中筋土界面區(qū)域填料顆粒位移及細(xì)觀參數(shù)的變化規(guī)律。

e.數(shù)據(jù)采集自動化。試驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動采集，保證了試驗(yàn)的高效及結(jié)果的準(zhǔn)確性。

f.試驗(yàn)儀器一體化。整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備除圖像攝錄系統(tǒng)外統(tǒng)一安裝在一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺上，使拉壓電機(jī)作用在試驗(yàn)箱的力和反力裝置產(chǎn)生在試驗(yàn)箱的反作用力相互抵消，便于試驗(yàn)控制及減少試驗(yàn)誤差。

2 試驗(yàn)裝置的應(yīng)用

通過試驗(yàn)研究筋–尾礦的界面特性有助于指導(dǎo)加筋尾礦的設(shè)計(jì)與施工。為了檢驗(yàn)新改制試驗(yàn)設(shè)備的可靠性與實(shí)用性，使用該儀器分別進(jìn)行了土工格柵與土工布加筋尾礦砂的直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)原理

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在土工合成材料即被拉出時(shí)，假定筋材表面剪應(yīng)力均勻分布且滿足平衡條件，計(jì)算直剪和拉拔界面摩擦強(qiáng)度[20]：

式中τf1、τf2為直剪、拉拔摩擦強(qiáng)度，kPa；Td1、Td2為筋材受到的最大剪應(yīng)力、最大拉拔力，kN；A為筋材在直剪或拉拔試驗(yàn)箱內(nèi)的面積，即為試驗(yàn)箱底面積，經(jīng)計(jì)算A=0.09m2。

直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)均在不同法向應(yīng)力σn作用下進(jìn)行，可繪制出τf-σn曲線并進(jìn)行線性擬合，當(dāng)曲線符合莫爾–庫倫定律時(shí)，由此可確定出直剪或拉拔試驗(yàn)的界面參數(shù)似黏聚力c和似摩擦角φ。

筋土之間的相互作用特性可以用筋土界面似摩擦系數(shù)f描述，一般為界面摩擦強(qiáng)度τf與對應(yīng)法向應(yīng)力σn的比值：

2.2 尾礦填料及土工合成材料參數(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)所用尾礦砂填料來源于內(nèi)蒙古包頭市大中股份有限公司的尾礦庫，密度為1.83 g/cm3，含水率為3.75%。該尾礦砂具有的物理性質(zhì)指標(biāo)為：有效粒徑d10=0.10 mm，中值粒徑d30=0.19 mm，限制粒徑d60=0.30mm，不均勻系數(shù)Cu=3＜5，曲率系數(shù)Cc=1.2，說明該尾礦砂屬于級配不良，具體顆粒級配見表1。

表1 尾礦砂顆粒級配Table 1 Grain gradation of tailings

如圖 3 所示，試驗(yàn)采用的土工合成材料為TGSG35 雙向拉伸塑料土工格柵(圖3 左)和短纖針刺土工布(圖3 右)，這兩種土工合成材料在各種加筋工程中有較好的應(yīng)用效果，具體加筋材料參數(shù)見表2。

圖3 試驗(yàn)所用土工合成材料Fig.3 The geosynthetic used in test

表2 土工合成材料性能參數(shù)Table 2 The technology parameters of geosynthetics

2.3 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)在土工格柵和土工布上進(jìn)行直剪和拉拔試驗(yàn)，法向應(yīng)力取10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa，兩種試驗(yàn)共計(jì)16 組。為了降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性，每組試驗(yàn)進(jìn)行1～3 組平行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，以尾礦砂的密度控制試驗(yàn)槽的裝砂量，并在裝砂過程中分層壓實(shí)，保證每組試驗(yàn)的密實(shí)度相同；同時(shí)，在拉拔試驗(yàn)箱兩側(cè)均勻涂上潤滑油以減少試驗(yàn)過程的尺寸效應(yīng)；直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)速度均設(shè)定為2 mm/min，試驗(yàn)嚴(yán)格參照J(rèn)TG E 50—2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》[23]進(jìn)行。

2.4 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

a.直剪界面宏觀特性

圖4 土工格柵和土工布的直剪試驗(yàn)曲線Fig.4 Direct shear test curves of geogrids and geotextiles

圖4 為不同法向應(yīng)力下土工格柵和土工布與尾礦的直剪試驗(yàn)結(jié)果。由圖4 可知，土工格柵和土工布與尾礦的直剪試驗(yàn)曲線變化規(guī)律基本一致，剪切力首先隨著剪切位移增大而增大，達(dá)到峰值后剪切力基本穩(wěn)定(圖4b 中試驗(yàn)曲線在較大法向應(yīng)力下土工布與下直剪小車發(fā)生滑落導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)束，但不影響試驗(yàn)結(jié)果的分析)；直剪試驗(yàn)曲線的總體規(guī)律都是在剪切位移達(dá)到10 mm 前，剪切力增長較快，隨后逐漸減緩，且法向應(yīng)力越大，剪切力達(dá)到的峰值越大。

根據(jù)式(1)計(jì)算可得直剪摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力的變化關(guān)系，如圖5 所示。從圖可以發(fā)現(xiàn)，土工格柵和土工布的直剪摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力都有很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都在97%以上，驗(yàn)證了該儀器直剪試驗(yàn)的可靠性；圖5 中的線性擬合公式根據(jù)摩爾–庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可得土工格柵和土工布與尾礦的界面參數(shù)，其中似黏聚力分別為7.36 kPa、4.78 kPa，似摩擦角分別為29.57°、20.96°；土工格柵計(jì)算得到的界面參數(shù)均比土工布的界面參數(shù)大，其中似黏聚力相差54%，似摩擦角相差41.1%，由此可知，直剪試驗(yàn)條件下筋材網(wǎng)孔的有無對筋–尾礦界面參數(shù)似黏聚力和似摩擦角均有較大影響。

圖5 直剪摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationship between direct shear friction strength and normal stress

根據(jù)式(3)可計(jì)算得到直剪似摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力變化關(guān)系，如圖6 所示。由圖6 可知，土工格柵和土工布的直剪似摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力均呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，隨著法向應(yīng)力的增大，似摩擦系數(shù)減小，且減小速度逐漸減緩；土工格柵的直剪似摩擦系數(shù)介于 0.74～1.32，土工布的直剪似摩擦系數(shù)介于0.49～0.82，相同法向應(yīng)力條件下，土工格柵的直剪似摩擦系數(shù)比土工布的約大56%。

b.直剪界面細(xì)觀特性

試驗(yàn)過程中采用視頻顯微鏡在可視玻璃窗口前方拍攝直剪筋–尾礦界面區(qū)域內(nèi)尾礦顆粒的運(yùn)動狀態(tài)，圖7 顯示土工格柵在法向應(yīng)力20 kPa 作用下的直剪界面尾礦顆粒運(yùn)動變化。由圖7 可知，尾礦顆粒在筋–尾礦直剪界面處主要表現(xiàn)為平移形式，對比圖中標(biāo)志顆粒1 和顆粒2 可發(fā)現(xiàn)，越靠近界面處的顆粒位移越大；在剪切過程中隨著界面區(qū)域內(nèi)顆粒的運(yùn)動，區(qū)域外的細(xì)小顆粒會逐漸向界面內(nèi)運(yùn)動。

圖6 直剪似摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig.6 Relationship between direct shear pseudo-friction coefficient and normal stress

圖7 直剪界面尾礦顆粒運(yùn)動狀態(tài)變化(法向應(yīng)力20 kPa)Fig.7 Motion state of tailing particles at direct shear interface

根據(jù)圖像分析軟件可求得直剪過程中的細(xì)觀系數(shù)，孔隙率為孔隙所占的像素點(diǎn)數(shù)目除以整個(gè)直剪界面區(qū)域的像素點(diǎn)總數(shù)的百分比(非填料真實(shí)孔隙率，為界面區(qū)域的細(xì)觀孔隙率)[24]，而統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)每一填料顆粒的平均接觸數(shù)目認(rèn)定為平均接觸數(shù)。圖8 為土工格柵在不同法向應(yīng)力下直剪界面區(qū)域內(nèi)細(xì)觀參數(shù)孔隙率和平均接觸數(shù)的變化規(guī)律。由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，剛開始剪切過程中，顆粒從原來的位置發(fā)生平移，尾礦體發(fā)生剪漲現(xiàn)象，使得細(xì)觀孔隙率增大，平均接觸數(shù)減小，當(dāng)剪切過程處于相對穩(wěn)定狀態(tài)后，顆粒被壓密，導(dǎo)致孔隙率降低，平均接觸數(shù)增多；但由于尾礦屬于不良級配，顆粒比較均勻，導(dǎo)致在試驗(yàn)時(shí)細(xì)觀孔隙率和平均接觸數(shù)隨剪切位移的變化不明顯。進(jìn)一步分析可得到，細(xì)觀參數(shù)與宏觀變量之間的關(guān)系，隨著宏觀變量法向應(yīng)力的增加，細(xì)觀參數(shù)孔隙率減小，平均接觸數(shù)增加，而反映在宏觀上的現(xiàn)象為填料顆粒被壓密，筋材需要克服的阻力增大，從而導(dǎo)致剪切力隨著法向應(yīng)力的增加而增加，當(dāng)剪切力達(dá)到峰值平穩(wěn)后，細(xì)觀參數(shù)也開始趨于穩(wěn)定。

圖8 直剪界面區(qū)域細(xì)觀參數(shù)的變化規(guī)律Fig.8 Variation rule of mesoscopic parameters in direct shear interface region

2.5 拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析

a.拉拔界面宏觀特性分析

不同法向應(yīng)力下土工格柵和土工布與尾礦的拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。在圖9 中，不同法向應(yīng)力下土工格柵與尾礦的拉拔試驗(yàn)曲線隨拉拔位移的增大緩慢達(dá)到峰值，而土工布的拉拔試驗(yàn)曲線中，拉拔力隨著拉拔位移增大迅速達(dá)到峰值后明顯下降。對比圖4 可以看出，直剪和拉拔試驗(yàn)的剪切力峰值均隨著法向應(yīng)力增大而增大。

圖9 土工格柵和土工布的拉拔試驗(yàn)曲線Fig.9 Pull-out test curves of geogrids and geotextiles

根據(jù)式(2)和式(3)分別計(jì)算得到拉拔摩擦強(qiáng)度和拉拔似摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力變化關(guān)系，如圖10、圖11 所示。在圖10 中，土工格柵和土工布的拉拔摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力也呈線性相關(guān)，符合摩爾–庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，相關(guān)系數(shù)都在92%以上，驗(yàn)證了該儀器拉拔試驗(yàn)的可靠性。根據(jù)摩爾–庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，由圖10 中的線性擬合公式可得土工格柵和土工布與尾礦的界面參數(shù)似黏聚力分別為10.22 kPa、6.08 kPa，似摩擦角分別為21.31°、19.85°，土工格柵計(jì)算得到的界面參數(shù)也都比土工布的界面參數(shù)大，其中似黏聚力相差68.1%，似摩擦角相差7.4%，由此可知，拉拔試驗(yàn)條件下筋材網(wǎng)孔的有無對筋–尾礦界面參數(shù)似黏聚力的影響較為顯著，對似摩擦角的影響較小。圖11 中土工格柵和土工布的拉拔似摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力均呈負(fù)指數(shù)相關(guān)，土工格柵的拉拔似摩擦系數(shù)介于0.63～1.31，土工布的拉拔似摩擦系數(shù)介于0.51～0.88，相同法向應(yīng)力條件下，土工格柵的拉拔似摩擦系數(shù)要比土工布的約大36%。

圖10 拉拔摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig.10 Relationship between pull-out friction strength and normal stress

圖11 拉拔似摩擦系數(shù)與法向應(yīng)力的關(guān)系Fig.11 Relationship between pull-out pseudo-friction coefficient and normal stress

b.拉拔界面細(xì)觀特性

土工格柵在法向應(yīng)力為20 kPa 作用下的拉拔界面尾礦顆粒運(yùn)動狀態(tài)如圖12 所示。由圖12 可知，尾礦顆粒在筋–尾礦拉拔界面區(qū)域內(nèi)主要表現(xiàn)為平移形式，對比顆粒1 和顆粒2 可發(fā)現(xiàn)，越靠近界面處的顆粒位移越大，在界面區(qū)域外上面的尾礦顆粒比界面區(qū)域外下面的運(yùn)動明顯，且在拉拔過程中界面區(qū)域外上面的細(xì)小顆粒會逐漸向界面內(nèi)運(yùn)動。

圖12 拉拔界面尾礦顆粒運(yùn)動狀態(tài)變化(法向應(yīng)力20 kPa)Fig.12 Variation of motion state of tailing particles at pull-out interface

土工格柵在拉拔界面區(qū)域內(nèi)不同法向應(yīng)力下孔隙率和平均接觸數(shù)的變化規(guī)律如圖 13 所示。由圖13 可以發(fā)現(xiàn)，在拉拔過程中由于尾礦屬于不良級配，顆粒比較均勻，使得試驗(yàn)時(shí)細(xì)觀孔隙率和平均接觸數(shù)隨拉拔位移的變化不明顯；尾礦體剛開始會發(fā)生剪漲現(xiàn)象，使得細(xì)觀孔隙率增大和平均接觸數(shù)減小，拉拔達(dá)到相對穩(wěn)定顆粒會被壓密，孔隙率降低，平均接觸數(shù)增多。隨著宏觀變量法向應(yīng)力增加，細(xì)觀參數(shù)孔隙率減小，平均接觸數(shù)增加，當(dāng)拉拔力達(dá)到峰值平穩(wěn)后，細(xì)觀參數(shù)也開始趨于穩(wěn)定，反映在宏觀上的現(xiàn)象就是填料顆粒被壓密，筋材需要克服的阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致拉拔力隨著法向應(yīng)力的增加而增加。

圖13 拉拔界面區(qū)域細(xì)觀參數(shù)的變化規(guī)律Fig.13 Variation rule of mesoscopic parameters in pull-out interface region

2.6 兩種試驗(yàn)結(jié)果的對比分析

表3 為直剪和拉拔兩種試驗(yàn)結(jié)果的對比情況。由表3 可知，兩種試驗(yàn)條件下，土工格柵與尾礦的界面參數(shù)(似黏聚力和似摩擦角)和似摩擦系數(shù)均分別比對應(yīng)土工布與尾礦的界面參數(shù)及似摩擦系數(shù)大，土工格柵加筋尾礦的效果更理想；對于土工格柵和土工布，由拉拔試驗(yàn)計(jì)算得到的界面參數(shù)似黏聚力均比直剪試驗(yàn)得到的似黏聚力大，其中土工格柵的似黏聚力相差38.9%，土工布的似黏聚力相差27.2%，但拉拔試驗(yàn)得到的似摩擦角卻比直剪試驗(yàn)得到的小，其中土工格柵的似摩擦角相差38.7%，土工布的似摩擦角幾乎相同。由此，直剪和拉拔兩種試驗(yàn)種類對于土工格柵加筋尾礦界面參數(shù)似黏聚力和似摩擦角的影響都比較顯著，而試驗(yàn)種類對于土工布加筋尾礦界面參數(shù)似黏聚力的影響顯著，對似摩擦角的影響較小，造成這種現(xiàn)象的原因是直剪和拉拔兩種試驗(yàn)機(jī)理不同及土工格柵獨(dú)特的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對于尾礦的咬合和鑲嵌作用[3]。

從兩種試驗(yàn)得到的土工格柵細(xì)觀參數(shù)孔隙率和平均接觸數(shù)的數(shù)值關(guān)系可以看出，拉拔試驗(yàn)得到的細(xì)觀參數(shù)均比直剪試驗(yàn)的細(xì)觀參數(shù)稍大，考慮到似黏聚力在筋土界面作用中占主導(dǎo)作用[25]，這樣從細(xì)觀上也驗(yàn)證了得到的宏觀界面參數(shù)變化關(guān)系。

表3 直剪和拉拔試驗(yàn)的結(jié)果對比Table 3 Comparison of results of direct shear and pull-out tests

結(jié)合以上分析可知，土工格柵對加筋尾礦的效果更理想，這是由于其特有的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)對尾礦顆粒的鑲嵌和咬合作用，但土工格柵網(wǎng)孔尺寸的確定有待進(jìn)一步研究。由于直剪和拉拔兩種試驗(yàn)機(jī)理不同，在加筋尾礦工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況充分考慮筋材在加筋尾礦中所處的位置，合理判斷出是屬于直剪摩擦還是拉拔摩擦，從而選取合適的試驗(yàn)方法及界面參數(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)論

a.改制了一臺用于加筋土界面特性宏細(xì)觀分析可視化試驗(yàn)儀器，該儀器可開展土工合成材料與填料的直剪和拉拔試驗(yàn)，尤其是對于兩種試驗(yàn)的對比分析，能夠獲得較為可靠的試驗(yàn)力–位移曲線和界面細(xì)觀參數(shù)分析圖。該儀器相較其他同類產(chǎn)品具有優(yōu)點(diǎn)：①直剪與拉拔試驗(yàn)的對比分析；② 大尺寸試驗(yàn)箱；③控制方便的豎向和水平加載系統(tǒng)；④ 試驗(yàn)過程可視化；⑤ 數(shù)據(jù)采集自動化；⑥ 試驗(yàn)儀器一體化。

b.兩種試驗(yàn)條件下，由于土工格柵特有的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生對尾礦顆粒的鑲嵌和咬合作用，土工格柵與尾礦的界面參數(shù)(似黏聚力和似摩擦角)以及似摩擦系數(shù)均比對應(yīng)土工布與尾礦的界面參數(shù)及似摩擦系數(shù)大，土工格柵加筋尾礦的效果更理想；同時(shí)直剪和拉拔兩種試驗(yàn)對于土工格柵加筋尾礦界面參數(shù)似黏聚力和似摩擦角及似摩擦系數(shù)的影響都比較顯著，而試驗(yàn)種類對于土工布加筋尾礦界面參數(shù)似黏聚力的影響顯著，對似摩擦角的影響較小。

c.尾礦砂顆粒在筋–尾礦界面區(qū)域主要表現(xiàn)為平移形式，越靠近界面處的顆粒位移越大，在試驗(yàn)過程中區(qū)域上面的細(xì)小顆粒會逐漸向界面區(qū)域內(nèi)運(yùn)動；隨著宏觀變量法向應(yīng)力的增加，細(xì)觀參數(shù)孔隙率減小，平均接觸數(shù)增加，反映在宏觀上的現(xiàn)象就是填料顆粒被壓密，筋材需要克服的阻力增大。