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(duì)各種礦產(chǎn)的開采需求也增長迅猛，而礦場(chǎng)在采礦完畢后，會(huì)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(cái)產(chǎn)損失[3-5]。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該問題進(jìn)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(xiàng)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(yàn)進(jìn)行的研究還較少，需要進(jìn)行關(guān)注。

1 研究方案設(shè)計(jì)

1.1 儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

界面的力學(xué)特性研究主要是圍繞對(duì)加筋土的多種試驗(yàn)進(jìn)行的，其中室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)該材料在實(shí)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(yàn)進(jìn)行，其中室內(nèi)試驗(yàn)具體指直剪、拉拔試驗(yàn)。下面先對(duì)試驗(yàn)中所使用到的儀器設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)與選取。

試驗(yàn)中用到的儀器為土工合成料直剪與拉拔試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)。選用此種設(shè)備是因?yàn)槠渚哂兄奔襞c拉拔試驗(yàn)通用、加載控制方便、支持試驗(yàn)過程圖像記錄、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)一體化等優(yōu)點(diǎn)[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(yàn)箱[14]。下面依次對(duì)該設(shè)備系統(tǒng)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。先說數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在于材料接觸的對(duì)應(yīng)部位設(shè)有所需的傳感器，其在實(shí)驗(yàn)中將力學(xué)信號(hào)收集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給控制面板。控制面板需要與水平加載系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)連接，用以及時(shí)顯示出計(jì)算處理后的試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)中材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)數(shù)據(jù)異?；蛟囼?yàn)過程出現(xiàn)異常時(shí)，能及時(shí)命令設(shè)備系統(tǒng)停止試驗(yàn)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(jì)算機(jī)相連接，以便保存試驗(yàn)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(xì)觀量測(cè)技術(shù)來對(duì)圖像進(jìn)行采集與計(jì)算，且該系統(tǒng)直接與計(jì)算機(jī)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(cè)物體施加豎直向下的均布荷載[18]。氣缸選用30L型號(hào)的空氣壓縮機(jī)，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(jī)，其可以給被測(cè)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(yàn)箱，其運(yùn)行狀態(tài)如圖1所示。由圖1可知，直剪試驗(yàn)箱由下直剪小車和上直剪箱組成，被測(cè)物體在試驗(yàn)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(yàn)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(cè)物取出的窄縫，試驗(yàn)時(shí)被測(cè)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(yàn)箱的開口處內(nèi)側(cè)均應(yīng)安裝厚10 mm的高強(qiáng)度玻璃，用于研究者拍攝與觀察被測(cè)物的受力變形過程[20-21]。

圖1 直剪、拉拔試驗(yàn)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(yàn)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(jí)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(jí)配曲線Fig.2 Grading curve of tailings sand filler

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計(jì)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(yàn)所用的土工合成材料，考慮到加筋工程對(duì)土工合成材料的性能要求，該試驗(yàn)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?？v向抗拉強(qiáng)度≥100 kN/m；縱向2%伸長率時(shí)的拉伸強(qiáng)度29 kN/m；縱向5%伸長率時(shí)的拉伸強(qiáng)度55 kN/m；縱向標(biāo)稱伸長率≤10%；屈服伸長率≤12%；極限蠕變強(qiáng)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(qiáng)度≥200 kN/m；縱向2%伸長率時(shí)的拉伸強(qiáng)度≥42 kN/m；縱向5%伸長率時(shí)的拉伸強(qiáng)度≥106 kN/m；縱向標(biāo)稱伸長率≤9%；連接點(diǎn)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(duì)應(yīng)內(nèi)容可知，該試驗(yàn)所選用的2種土工合成材料均符合國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可以用于試驗(yàn)。

1.3 力學(xué)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)該土工格柵加筋尾礦壩界面力學(xué)試驗(yàn)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(yàn)原理。業(yè)內(nèi)常用界面似摩擦系數(shù)來表達(dá)筋土之間的界面作用特性，其計(jì)算方法見式(1)

(1)

式中，τp為直剪或拉拔時(shí)的界面摩擦強(qiáng)度；σn為對(duì)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(qiáng)度與對(duì)應(yīng)法向應(yīng)力的比值求得。

再分析式(1)中界面摩擦強(qiáng)度τp的計(jì)算方式，試驗(yàn)過程中，當(dāng)土工格柵快要被拉拔出來時(shí)，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(qiáng)度τp可通過式(2)計(jì)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(yàn)箱的總面積大小，經(jīng)測(cè)量計(jì)算得出其值為0.09 m2。

在不同的法向應(yīng)力作用之下進(jìn)行多次直剪與拉拔試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可整理繪制出界面摩擦強(qiáng)度τp與對(duì)應(yīng)法向應(yīng)力σn的關(guān)系曲線，對(duì)該曲線進(jìn)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(duì)應(yīng)截距大小。此兩者被作為直剪、拉拔的界面強(qiáng)度指標(biāo)使用。試驗(yàn)中，采用分層壓實(shí)法進(jìn)行裝砂，以確保各組試驗(yàn)中尾礦砂的密實(shí)度相同。另外，在拉拔試驗(yàn)中，試驗(yàn)箱的兩側(cè)應(yīng)均勻涂上潤滑油來降低整個(gè)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(yàn)流程和控制變量，在直剪試驗(yàn)與拉拔試驗(yàn)中，加載速度均保持一致，為2 mm/min。每組試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，操作設(shè)備系統(tǒng)記錄保存下來被測(cè)物體在整個(gè)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(yàn)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(jìn)行直剪與拉拔試驗(yàn)，共計(jì)需要進(jìn)行16組試驗(yàn)，具體各組方案見表1。

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

2 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

按照第1章設(shè)計(jì)的土木格柵加筋尾礦壩力學(xué)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)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(yàn)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(yàn)方案Tab.1 Interface mechanics test scheme of geogrid reinforced tailings dam

圖3 直剪試驗(yàn)位移與剪切力曲線統(tǒng)計(jì)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(yàn)曲線走勢(shì)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(dá)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(dá)到剪應(yīng)力峰值時(shí)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(shí)達(dá)到。

將各法向應(yīng)力值與對(duì)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(diǎn)，從而繪制得到直剪似摩擦系數(shù)、直剪界面摩擦強(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(qiáng)度準(zhǔn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，整理后如圖5所示。

圖5 拉拔試驗(yàn)位移與拉拔力曲線統(tǒng)計(jì)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(dá)到10 mm左右時(shí)，拉拔力趨于穩(wěn)定，后者在位移達(dá)到6 mm左右后，拉拔力有一定幅度降低。然后，與直剪試驗(yàn)類似，將各法向應(yīng)力值與對(duì)應(yīng)最大拉拔力代入式(1)、(2)之中，再對(duì)得出數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)中，HDPE-TGDG100格柵與尾礦的界面力學(xué)指標(biāo)，即似摩擦角與似黏聚力均小于Paragrid格柵與尾礦料，試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(jì)了一個(gè)基于土工材料的尾礦壩加筋界面力學(xué)對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，直剪試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)中的界面力學(xué)指標(biāo)數(shù)值均大于HDPE-TGDG100格柵的對(duì)應(yīng)值，采用Paragrid格柵來對(duì)尾礦壩進(jìn)行加筋處理能取得更好的應(yīng)用效果。由于個(gè)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。