郭 明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450001)

0 前 言

土工格柵作為土工合成材料的一種，由于其良好的工程特性已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加筋結(jié)構(gòu)工程中[1-4]。眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者[5-12]通過(guò)拉拔摩擦試驗(yàn)和直剪摩擦試驗(yàn)研究了滌綸纖維經(jīng)編土工格柵、塑料土工格柵等多種類型的土工格柵與不同的回填材料之間的界面摩擦特性。分析了土工格柵的受力特性，剪應(yīng)力隨位移的變化規(guī)律，試驗(yàn)過(guò)程中力學(xué)效應(yīng)規(guī)律的轉(zhuǎn)移變化以及拉拔直剪摩擦試驗(yàn)結(jié)果的影響因素等。但對(duì)土工格柵耐高溫、抗凍融特性的研究較少。

深部煤礦的開采建設(shè)會(huì)遇到高溫問(wèn)題、在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)修建鐵路樁基等會(huì)遇到低溫問(wèn)題。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，土工格柵的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在高溫條件下使用土工格柵時(shí)必須考慮其耐高溫的能力，在嚴(yán)寒條件下，必須考慮其抗凍融的能力。若溫度條件對(duì)土工格柵強(qiáng)度蠕變特性等造成了重要的影響，則同樣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的工程事故，所以進(jìn)行耐高溫和抗凍融試驗(yàn)同樣具有重要的實(shí)踐意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

1)試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)采用MDM-5型土工合成材料綜合測(cè)定儀。垂直荷載采用高精度調(diào)壓閥和滾動(dòng)隔膜汽缸組成的閉環(huán)反饋穩(wěn)壓系統(tǒng)施加，由精密壓力表測(cè)度；水平荷載采用應(yīng)變控制加荷方式，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)變速箱均勻施加，最大拉力10 kN，由拉壓力傳感器測(cè)度；數(shù)據(jù)采集由單片微機(jī)控制，采樣速度10次/s，自動(dòng)判斷峰值。

2)試驗(yàn)材料。試驗(yàn)用超強(qiáng)柔性土工格柵采用高強(qiáng)度、高模量、低蠕變的聚合長(zhǎng)絲纖維經(jīng)緯向整體編織而成，選用高強(qiáng)樹脂合成纖維為原料，采用經(jīng)編定向結(jié)構(gòu)，織物中的經(jīng)緯向相互間無(wú)彎曲狀態(tài)，交叉點(diǎn)用高強(qiáng)纖維長(zhǎng)絲針織捆綁結(jié)合起來(lái)，形成牢固的結(jié)合點(diǎn)，充分發(fā)揮其力學(xué)性能，在其表面涂覆一層可阻燃導(dǎo)靜電的涂層。

該系列土工格柵的抗拉強(qiáng)度為100～1 000 kN/m，本試驗(yàn)選取抗拉強(qiáng)度分別為200、400、600 kN/m三種規(guī)格的材料進(jìn)行試驗(yàn)，分別命名為格柵1、格柵2以及格柵3。三種型號(hào)的土工格柵的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 土工格柵性能指標(biāo)

2 抗高溫試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

沿著400 kN土工格柵的縱向取一根材料，并將其平均劈裂成五根，分別編號(hào)為A1、B1、C1、D1、E1；A2、B2、C2、D2、E2。將每根試樣平均分成3段，分別進(jìn)行不做任何處理?xiàng)l件下的抗拉試驗(yàn)，(110±2)℃烘箱烘烤14 d條件下的抗拉實(shí)驗(yàn)，(110±2)℃烘箱烘烤28 d條件下的抗拉實(shí)驗(yàn)，分別記錄其斷裂伸長(zhǎng)和斷裂強(qiáng)力，然后計(jì)算其斷裂伸長(zhǎng)率保持率及斷裂強(qiáng)力保持率，以研究高溫條件下400 kN高強(qiáng)度聚酯纖維網(wǎng)抗高溫性能。

2.2 試驗(yàn)步驟

從樣品上剪取三組試樣，一組試樣用(110±2)℃烘箱烘烤14 d，一組烘烤28 d，一組用作對(duì)照樣。每組包括5組試樣。分別用貼紙標(biāo)記之后用托盤盛裝，放入ZhB101-2電熱鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置烤箱溫度為110℃，烘烤14 d之后取出第一組試樣，在室溫中冷卻后用MDM-5電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定拉伸性能，采用100 mm/min的拉伸速率。烘烤28 d后取出第二組試樣，最后在室溫下干燥冷卻。采用100 mm/min的拉伸速率，記錄其斷裂伸長(zhǎng)和斷裂強(qiáng)力，并與未處理試樣進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其斷裂伸長(zhǎng)率保持率和斷裂強(qiáng)力保持率。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 耐高溫分析結(jié)果

由表2可知：①該材料在高溫處理后，斷裂伸長(zhǎng)率均會(huì)增大，即材料的伸縮性能均會(huì)增強(qiáng)，但斷裂伸長(zhǎng)率在高溫處理14 d后增加程度，比高溫處理28 d的增長(zhǎng)程度大。即材料延展性在高溫處理后會(huì)有些許增加。然而在處理28 d后強(qiáng)度會(huì)降低，但整體延展性能會(huì)增加。②該材料在高溫處理14 d后斷裂強(qiáng)力有個(gè)增長(zhǎng)過(guò)程，但是到高溫處理28 d時(shí)，斷裂強(qiáng)力又下降了，說(shuō)明該材料在高溫處理后斷裂強(qiáng)力有個(gè)增長(zhǎng)而后下降的過(guò)程，在這之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，是材料強(qiáng)度最大的時(shí)刻。③該材料在高溫作用下，具有良好的延展性和耐高溫性，非常適合在煤礦等高地?zé)岘h(huán)境中使用。

3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

沿著400 kN土工格柵的縱向取一根材料，并將其平均劈裂成6根，分別編號(hào)為A1、B1、C1、D1、E1、F1；A2、B2、C2、D2、E2、F2。將每一根試樣平均分成三段，分別進(jìn)行不做任何處理?xiàng)l件下的抗拉試驗(yàn)、-30℃冷柜中凍融循環(huán)50次的抗拉實(shí)驗(yàn)、凍融循環(huán)100次的抗拉實(shí)驗(yàn)，分別記錄其斷裂伸長(zhǎng)和斷裂強(qiáng)力，然后計(jì)算其斷裂伸長(zhǎng)率保持率及斷裂強(qiáng)力保持率，以研究?jī)鋈谘h(huán)下高強(qiáng)度聚酯纖維網(wǎng)抗凍性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

從樣品上剪取三組試樣，一組試樣在-30℃條件下凍融循環(huán)50次，一組試樣100次，一組用作對(duì)照。每組包括6組試樣。分別放入澳柯瑪無(wú)氟寬帶變溫冷柜中，設(shè)置冷柜溫度為-30℃，在托盤中放入200 mL純凈水，使試樣完全浸沒(méi)在水中，冷凍4 h后，取出試樣，在室溫中融化4 h，完全融化后記作一個(gè)循環(huán)。然后放入冷柜中冷藏，以此往復(fù)50個(gè)循環(huán)，待試樣干燥后，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。另一組做100次凍融循環(huán)，在室溫中干燥后用MDM-5電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定拉伸性能，采用100 mm/min的拉伸速率，記錄其斷裂伸長(zhǎng)和斷裂強(qiáng)力，并與未處理試樣的斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)力進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其斷裂伸長(zhǎng)率保持率和斷裂強(qiáng)力保持率。

3.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 耐凍融分析結(jié)果

由表3可知：①該材料在低溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)處理后，斷裂伸長(zhǎng)率均會(huì)增大，即材料的延展性能均會(huì)增強(qiáng)，且斷裂伸長(zhǎng)率隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加；②該材料在低溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)處理后，斷裂強(qiáng)力均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)減小，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，斷裂強(qiáng)力逐漸下降，但是下降的幅度很小，幾乎保持不變。說(shuō)明該材料在低溫狀態(tài)下凍融循環(huán)處理后對(duì)材料本身的強(qiáng)度影響不大；③該材料在低溫作用下，具有良好的延展性和耐低溫性，非常適合在低溫環(huán)境中使用。

4 工程應(yīng)用

興隆莊煤礦7304綜放工作面位于七采區(qū)中部，東北部為7305綜放工作面(已回采)，西南部為7303設(shè)計(jì)工作面，切眼至井田邊界與東灘礦相鄰，停采線至五采采空區(qū)55 m。工作面走向長(zhǎng)度1 317～1407 m，傾斜長(zhǎng)度234.8 m。煤層平均厚度8.50 m。煤層傾角2°～12°。采高為3.5 m，放煤高度5.0 m。工作面回撤方式采用煤機(jī)刷幫擴(kuò)出通道回撤，支架撤除采用整架撤出。

7304綜放工作面停采造條件時(shí)使用本次試驗(yàn)用高強(qiáng)度土工格柵所制柔性網(wǎng)(見圖1)，產(chǎn)品尺寸:80 m×17.5 m，型號(hào)：JD PET 400×400RS、單塊重量4 t，考慮到運(yùn)輸條件，使用3塊在井下搭接，該規(guī)格網(wǎng)片經(jīng)緯向拉伸強(qiáng)度為400KN/m，網(wǎng)孔大小為2.0×3.0 cm。

圖1 7304工作面柔性網(wǎng)展開現(xiàn)場(chǎng)圖

柔性網(wǎng)的特點(diǎn)為：①整體鋪設(shè)效果好，沒(méi)有二次聯(lián)網(wǎng)，鋪設(shè)平整，回撤支架時(shí)扇形帶基本上沒(méi)有漏渣，掉包現(xiàn)象；②柔性網(wǎng)縱橫向條帶寬，護(hù)表面積大，對(duì)頂板浮煤的兜護(hù)能力強(qiáng)，避免了撤架時(shí)架前浮煤清理任務(wù)重的缺點(diǎn)；③柔性網(wǎng)延伸率小，抽架后，能夠有效地整體維護(hù)采空區(qū)側(cè)浮矸，抽架時(shí)控制了浮矸隨架遷移現(xiàn)象。

在綜采面末采鋪網(wǎng)階段使用柔性網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)安全、高效、快速回撤。

5 結(jié) 論

1)該種規(guī)格的土工格柵隨著荷載的增加試樣的伸長(zhǎng)值有所提高，但伸長(zhǎng)量均非常小。該材料具有低蠕變特性，耐久性良好。

2)該材料在高溫及低溫作用下，具有良好的延展性和耐高溫耐低溫性，非常適合在高地?zé)峄虻蜏丨h(huán)境中使用。

3)該系列的土工格柵已成功在兗州興隆莊煤礦推廣使用，取得了較好的工程應(yīng)用效果。

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