高志剛，馮友德，張博文，張 晴，韓新磊，徐 展

（1.黑龍江龍興國(guó)際資源開發(fā)集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新）

引言

土工袋技術(shù)憑借其良好的承載能力、穩(wěn)定性、抗震性現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于擋土墻、地基加固、圍堰堤壩、防震處理、井下回填等領(lǐng)域中，土工袋可利用外力荷載下袋的張力約束袋內(nèi)土體，從而提高袋內(nèi)土體整體強(qiáng)度。近年來，松元崗等[1]研究開發(fā)了土工袋加固地基的新技術(shù)，用離散元單元法模擬了土袋加固地基的模型試驗(yàn)得到的顆粒間接觸力分布。陳爽[2]采用了室內(nèi)大型剪切系統(tǒng)進(jìn)行土工袋單元體系列循環(huán)剪切試驗(yàn)，研究了土工袋單元體的袋內(nèi)材料填充率、豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)變等因素對(duì)其動(dòng)力特性的影響。李一雷[3]等通過通過室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，進(jìn)行5 種不同土工袋排列方式加固邊坡的加載破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)縱橫層間交錯(cuò)排列滑裂面最深、坡體承載力最大，效果最好。Pang[4]等為解決矸石充填墻變形不均勻、巷道側(cè)支護(hù)難以大規(guī)模推廣的問題，建立了袋裝矸石破壞力學(xué)模型，推導(dǎo)了矸石編織袋縱向外載荷與橫向外載荷的力學(xué)作用關(guān)系。

研究袋體間的摩擦直接決定了堆疊體的穩(wěn)定性，土工袋摩擦特性主要受砂、土工袋及接觸界面方式間相互作用的影響。土工袋材料由經(jīng)線和緯線穿梭編織而成的土工布，其表面凹凸不平，當(dāng)土工袋堆疊時(shí)，土工袋在袋體材料接觸面上形成嵌鎖結(jié)構(gòu)增加土體的穩(wěn)定性。本文開展袋與石墨尾礦的直剪和拉拔試驗(yàn)、袋與袋錯(cuò)縫堆疊、袋與袋無縫堆疊、控制袋與袋的經(jīng)緯向的接觸方式條件下的界面摩擦試驗(yàn)，研究結(jié)果為沿空留巷袋裝石墨尾礦堆疊體穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。

1 袋與尾礦砂的界面摩擦性能

1.1 試驗(yàn)材料性質(zhì)

石墨尾礦取自黑龍江省蘿北縣，通過直剪試驗(yàn)得出石墨尾礦粘聚力c 為0 kpa，內(nèi)摩擦角φ為24.63°。土工袋為黑色聚丙烯材料，單位面積質(zhì)量為200 g/m2、尺寸為20×20 cm，經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為41 kN/m，緯向斷裂強(qiáng)力為30 kN/m，斷裂伸長(zhǎng)率為18%。

1.2 試驗(yàn)過程

本文采用YT1200 型土工合成材料直剪拉拔試驗(yàn)?zāi)Σ料到y(tǒng)，試驗(yàn)參考《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》SL/T325-1999，設(shè)置2 種方案：(1) 土工袋與石墨尾礦的直剪試驗(yàn)，將土工袋由硅酸銅膠膠水粘貼在直剪小車上24 h，放上直剪盒后填充石墨尾礦，預(yù)壓后進(jìn)行4 組50、100、150、200 kPa 不 同 法 向 應(yīng) 力 下2 mm/min 的橫向速度的直剪試驗(yàn)；(2) 土工袋與石墨尾礦的拉拔試驗(yàn)，將拉拔盒固定后填充并夯實(shí)石墨尾礦至拉拔箱的拉拔縫處，放置土工袋后用夾具夾緊，使夾具與拉拔縫位于同一水平面，土工袋從拉拔縫處伸出部分后填充等量的石墨尾礦，預(yù)壓后進(jìn)行4 組50、100、150、200 kPa 不同法向應(yīng)力下2 mm/min 的橫向速度的直剪試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

袋與砂的直剪試驗(yàn)中，不同法向應(yīng)力下的應(yīng)力-位移曲線如圖1(a)所示，根據(jù)不同法向應(yīng)力下的峰值拉力，以法向應(yīng)力為橫軸、最大剪應(yīng)力為縱軸，由摩爾庫(kù)倫定律得到圖1(c)所示的τ-σ曲線圖。從圖1(a)中可知，垂直應(yīng)力越大，峰值拉力和對(duì)應(yīng)的位移也越大，石墨尾礦砂在剪應(yīng)力的作用下需要達(dá)到平衡的時(shí)間也越長(zhǎng)，剪應(yīng)力在達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定。從圖1(c)中可以得到，土工袋與石墨尾礦砂的似粘聚力為2.75 kpa，摩擦角為19.84°。方案2 在不同法向應(yīng)力下的應(yīng)力- 位移曲線如圖1(b)所示，同理得到圖1(c)所示的τ-σ曲線圖，從圖1(b)可看出不同法向應(yīng)力下的拉拔試驗(yàn)曲線隨位移的增大緩慢達(dá)到峰值，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1(c)中拉拔摩擦強(qiáng)度與法向應(yīng)力也呈線性相關(guān)，符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，土工袋拉拔的似粘聚力為3.505 6 kpa，似摩擦角為17.32°。

圖1 拉力- 位移曲線圖和拉拔應(yīng)力- 垂直應(yīng)力圖

直剪試驗(yàn)測(cè)得似粘聚力為2.75 kPa，似內(nèi)摩擦角為19.84°；拉拔試驗(yàn)測(cè)得似粘聚力為3.505 6 kPa，似內(nèi)摩擦角為17.32°。袋與砂的直剪試驗(yàn)和砂的直剪試驗(yàn)相比，似粘聚力增加了2.75 kPa，似內(nèi)摩擦角減小了4.79°；袋的拉拔試驗(yàn)與砂的直剪試驗(yàn)對(duì)比，似粘聚力增加3.505 6 kPa，似內(nèi)摩擦角減小了7.31°；袋與砂的直剪似摩擦系數(shù)比拉拔似摩擦系數(shù)略大，由于似粘聚力在筋土界面作用中占主導(dǎo)作用，且經(jīng)緯線編織的凹凸不平與石墨尾礦產(chǎn)生嵌固效果，使袋與砂形成加筋土結(jié)構(gòu)。加筋土結(jié)構(gòu)是各向異性的復(fù)合材料，在垂直應(yīng)力的作用下，尾礦發(fā)生側(cè)向移動(dòng)，土工袋會(huì)對(duì)尾礦滑移產(chǎn)生摩擦阻力，限制土體的側(cè)向移動(dòng)，加筋土的強(qiáng)度與土體的抗剪強(qiáng)度、土體與袋的摩擦系數(shù)、袋的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。

2 袋與袋的堆疊摩擦試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證土工袋堆疊方式對(duì)穩(wěn)定性的影響，設(shè)定了兩種堆疊方案，方案1：將土工袋三層無錯(cuò)縫堆疊，試驗(yàn)填充度為95%，試驗(yàn)時(shí)施加的垂直應(yīng)力為50、100、150、200 kPa；橫向加載速度設(shè)為2 mm/min。方案2：將土工袋底部?jī)蓪?，上部中間一層進(jìn)行錯(cuò)縫堆疊，試驗(yàn)時(shí)施加的垂直應(yīng)力為50、100、150、200 kPa，橫向加載速度設(shè)為2 mm/min。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

堆疊摩擦試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，從圖2(a)中可看出，隨著位移的增加，水平拉力近似線性增長(zhǎng)至某一峰值后下降，隨后緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定，隨著垂直應(yīng)力的增加，峰值拉力和位移都隨之增加。從圖2(c)中可以得到無縫堆疊下的似粘聚力為2.325 kPa，似摩擦角為8.698°。從圖2(b)可以看出隨著位移的增加，水平拉力呈近似線性增長(zhǎng)，并趨于穩(wěn)定。從圖2(c)中可以得到土工袋在錯(cuò)縫堆疊的似粘聚力為2.056 kPa，似摩擦角為14.305°。與無錯(cuò)縫排列的相比，嵌縫堆疊摩擦更難滑動(dòng)，其摩擦作用更強(qiáng)。

圖2 土工袋堆疊摩擦試驗(yàn)結(jié)果

3 袋與袋的接觸界面摩擦試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證袋裝石墨尾礦堆疊體接觸界面方式對(duì)堆疊體穩(wěn)定性的影響，參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123-2019 開展了土工袋的拉拔摩擦試驗(yàn)，設(shè)定三個(gè)土工袋無縫堆疊，固定上層和底層，施加垂直應(yīng)力，對(duì)中層的袋體施加水平拉力，接觸界面根據(jù)經(jīng)緯向設(shè)定為：經(jīng)- 經(jīng)- 經(jīng)、經(jīng)- 緯- 經(jīng)、緯- 緯- 緯、緯- 經(jīng)-緯。土工袋采用30 cm×30 cm，填充度90%，垂直應(yīng)力為50、100、150、200 kPa，水平拉力加載速度為2 mm/min。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)，若誤差在10%以內(nèi)則取平均值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 為四種不同接觸界面的法向壓力與拉拔應(yīng)力的關(guān)系圖，可以看出，經(jīng)- 經(jīng)- 經(jīng)、經(jīng)- 緯- 經(jīng)、緯- 緯- 緯、緯- 經(jīng)- 緯型堆疊體似粘聚力分別為7.294 4、0.191 67、3.233 4、0.786 11 kPa，似摩擦角依次為20.522°、23.586°、22.44°、25.833°，經(jīng)緯交替接觸的土工袋似粘聚力會(huì)明顯降低，四種接觸界面堆疊方式下緯- 經(jīng)- 緯型內(nèi)摩擦角最大、即緯- 經(jīng)-緯型土工袋穩(wěn)定性最大。

圖3 土工袋界面接觸摩擦試驗(yàn)結(jié)果

圖3 表明：土工袋的界面摩擦特性符合摩爾- 庫(kù)倫定律，界面摩擦由似粘聚力和似內(nèi)摩擦角決定且主要由似摩擦角提供；拉拔試驗(yàn)中，界面摩擦力由界面滑動(dòng)摩擦力和界面咬合摩擦力提供，前者由界面材質(zhì)決定，后者由嵌鎖咬合作用決定。在界面接觸土工袋嵌合體拉拔過程中，嵌合處經(jīng)緯向相互接觸咬合，形成拉拔阻擋，若使土工袋發(fā)生位移，需克服經(jīng)向間的阻力完成界面處經(jīng)向上的上坡與下坡，且垂直應(yīng)力越大，咬合越緊，所需克服的阻力越大。由于不同袋體材料經(jīng)緯線編織工藝不同，不同袋體間所克服的阻力也就不一樣。經(jīng)緯線的嵌合使土工袋的穩(wěn)定性更高，在滑動(dòng)摩擦力不變的情況下，界面強(qiáng)度隨著嵌鎖咬合力的增大而增大。

4 結(jié)論

（1） 石墨尾礦與土工袋拉力- 位移關(guān)系中表現(xiàn)出了明顯的非線性特征，隨著豎向壓力的增加，水平拉力到達(dá)峰值拉力的位移越大，隨后水平拉力降低呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì)；土工布與石墨尾礦的加筋效果會(huì)增強(qiáng)石墨尾礦土體的強(qiáng)度。（2） 袋裝石墨尾礦之間的界面摩擦特性符合摩爾- 庫(kù)倫定律，相較于無縫堆疊的土工袋，錯(cuò)峰堆疊的土工袋之間的摩擦作用更強(qiáng)，堆疊體穩(wěn)定性更好。（3） 土工袋接觸界面對(duì)拉拔位移-剪應(yīng)力曲線形態(tài)影響顯著，且影響規(guī)律與其對(duì)模袋材料界面剪切特性類似，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比分析，土工袋界面接觸方式緯- 經(jīng)- 緯型排列方式最佳。