加筋尾细砂三轴压缩试验研究
2011-01-11冯美生王来贵王凤江
冯美生,王来贵,王凤江
(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000;2.山西大同大学 土木工程系,山西 大同 037003;3.秦皇岛冶金设计研究总院,河北 秦皇岛 066001)
加筋尾细砂三轴压缩试验研究
冯美生1,2,王来贵1,王凤江3
(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000;2.山西大同大学 土木工程系,山西 大同 037003;3.秦皇岛冶金设计研究总院,河北 秦皇岛 066001)
分别对含筋层数为1、2、4层的尾矿细砂进行三轴压缩试验.2层以下加筋时,土工织物对尾矿砂的横向变形约束作用较小,尾细砂均表现为剪切破坏特征;在2到4层增强时,尾细砂表现为拉应力破坏特征;拉破坏条件下和剪切滑移破坏条件下,均发现加筋后的尾矿,内聚力随加筋层数非线性增大,而内摩擦角基本不变.定义了增强效果系数,层数与该系数呈非线性关系.轴向应变小于5%~8%时,尾矿砂处于弹性变形阶段,轴向应变大于8%时,出现弹塑性耦合变形.
尾细砂;三轴试验;抗剪强度;土工织物
0 引言
目前细粒尾矿库工程中应用较多的加固方法为加筋式池填法[1],其具体的施工方法为:在干滩面上铺设土工织物——按照设计坡度修筑拦挡小坝 ——按池填法往子坝和拦挡坝之间放矿,达到设计高度后,又重新铺设土工织物,重复前面的工序.采用这些措施的主要作用是:铺设土工织物,提高坝体的稳定性;修筑拦挡小坝,改变干滩面的坡度,同时使尾矿粗颗粒更好地沉积在坝前.因此国内外很多学者[2-5]研究了加筋材料对基体材料细粒尾矿砂变形及强度特性影响的课题,可为以上的工程实践提供参考依据.
1 筋材土工织物的断裂强度
断裂强度是指试样在拉伸至断裂时单位宽度所受的力(N/m或k N/m).采用聚丙烯编织布作为增强试验材料,进行加筋尾矿砂的三轴压缩性质测试.采用青岛麻纺织厂生产的聚丙烯A2050型机织土工布进行试验,此类土工布厚度0.880 mm,每平方米质量250 g.为测求上述机织土工织物的拉伸试验模型参数,采用宽度为200 mm的试验样品进行了8个样品的拉伸性能试验[6-7],试验操作遵循《公路土工合成材料试验规范》(JTJ/T060-98),拉伸试验曲线见图1(P145).根据试验结果,对应2%的拉伸应变,土工布的平均拉伸强度为12 k N/m,相应的割线模量为681.8 MPa.拉伸应变15%对应的平均拉伸强度为40 k N/m,相应的割线模量为303 MPa.
2 加筋细尾砂压缩试验概况
试验采用尾细砂[8]做试料,试样成型干密度为1 710 kg/m3.由于加筋土结构对水的作用相当敏感,正常工作条件下应处于非饱和状态[9-10],故试验采用固结不排水的非饱和试验.三轴压缩试样直径D为61.8 mm,高度H为125 mm,体积1 500 cm3.试验前,将土工织物剪成直径为61.8 mm的圆盘形状,按等间距水平铺设在砂样中间.加载速率为1 mm/min,剪切过程中关闭排水阀,剪切到主应力差峰值出现或达到15%轴向应变时,试验结束.试验分别取加筋层数为1,2,4.
3 增强尾矿砂的变形性质
3.1 增强尾细砂变形特性
对同一试样,不同围压条件下,随围压的不断增大,由于尾矿砂试样颗粒重新排列对变形曲线的影响逐渐减弱.大致在围压达到300 k Pa以后,轴向应变达到5%后,各试样的应力应变曲线非线性较明显.图2至图4给出了尾细砂增强后的应力应变关系曲线.各曲线在主应力差达到峰值后,多存在稳定的变形发展过程.当仅铺设一层织物时,其变形曲线近似驼峰曲线,应力应变曲线有软化性质,体积先缩后胀.随铺设层数的增大,变形曲线近似双曲线,具有应变硬化特征,体积变形为压缩剪胀型.
分析主应力差和轴向应变的关系曲线,大致在围压100 kPa以下时,曲线的特征和纯尾矿砂相似.此时,试样的侧向变形由土工织物和尾矿砂之间的摩擦阻力与围压共同约束,随着上述约束作用的增强,试样将发生剪切破坏.当围压大于100 kPa时,曲线呈应变硬化特征.在硬化阶段呈直线变化,并一直延续到拉筋断裂.
图1 机织布的拉伸试验曲线Fig.1 Geotextile tension test curve
图2 尾细砂应力应变曲线(一层增强)Fig.2 Stress-strain curve of tailing fine sand(one layer)
图3 尾细砂应力应变曲线(二层增强)Fig.3 Stress-strain curve of tailing fine sand(two layer)
图4 尾细砂应力应变曲线(四层增强)Fig.4 Stress-strain curve of tailing fine sand(four layer)
3.2 变形过程分析
轴向荷载作用初期,对应围压较小,尾矿砂呈逐渐压密趋势,尾矿砂试样处于内部结构调整状态,试样内的应力分布比较均匀,应力应变曲线表现为纯尾矿砂的变形规律,即应力应变曲线的线性部分.随着轴向应变的不断增大,尾矿砂颗粒的嵌固作用增强,在压实后相对的变位困难,延缓了变形的进程,土工织物对试样侧向变形的约束作用增强.首先在试样边缘局部位置出现尾矿砂的侧向膨胀现象,表明试样边缘出现了局部剪切破坏.上述现象表明,界面的剪切破坏首先是从边缘开始的,即边缘处剪应力集中程度较高,并率先达到最大值.
由于围压愈高,体积缩小量愈大,因此,在低围压下筋材可以较早地发挥作用,表现为不同围压下主应力差和轴向应变的不同变化规律.在增强层数较少的情况下,土工织物对尾矿砂的约束作用减弱,增强范围之外的尾矿砂有较大的侧向膨胀,只有达到很大竖向变形时,土工织物才会达到断裂应变(大于20%).在增强层数较多的情况下,土工织物对尾矿砂土体的约束作用增强,使得尾矿砂强度提高.而在土工织物约束尾矿砂侧向膨胀的同时,尾矿砂的增强作用也相应增强.土工织物抗拉强度提高后,随增强层数增多,土工织物对尾矿砂的侧向约束作用增强,试样的体积膨胀就越小,增强效果也越大.
4 增强尾矿砂的强度特征
图5给出了纯尾矿砂和增强尾矿砂的强度曲线.增强尾细砂的强度曲线近乎和未增强时的强度曲线平行,说明在增强尾矿砂的强度理论中假设内摩擦角不变是有根据的.其中,对应1、2层增强,其强度曲线和未增强时的强度曲线交于小主应力(围压)轴,按增强尾矿砂的强度理论进行解释,可理解为在2层增强以下时,土工织物对尾矿砂的横向变形约束作用较小,尾细砂表现为剪切破坏特征;在2-4层增强时,尾细砂表现为拉应力破坏特征.有关增强前、增强后尾矿砂的抗剪强度参数试验结果列于表1中.
图5 尾细砂的强度曲线Fig.5 Intensity curve of tailing fine sand
表1 增强尾细砂抗剪强度试验结果Table1 Shear strength result of reinforced tailing sand
5 增强效果分析
为评价增强作用对尾矿砂抗剪强度的影响,引入强度增强效果系数的概念.定义强度增强效果系数ησ为增强尾矿砂破坏时的主应力差(σ1-σ3和纯尾矿砂破坏时的主应力差(σ1-σ3)f的比值,即:
按上述公式计算的增强效果系数列于表2中.将增强尾矿砂破坏时的轴向应变和纯尾矿砂破坏时的轴向应变的比值定义为应变增强效果系数,围压300 kPa条件下应变增强效果系数见表2.
表2 围压300 kPa时的强度及应变的增强效果系数Table 2 The coefficient of the enhanced action at 300 kPa
可见,随增强层数的增加,土工织物间距逐渐减小,相邻两层增强的相互作用明显增强,从而有效约束了尾矿砂的侧向变形,提高了抗剪强度.
图6给出了围压300 k Pa时尾细砂随土工织物铺设密度增加而产生的变形曲线.从变形曲线可以发现,在轴向应变小于5%时,尾矿砂基本处于弹性变形阶段,土工织物对其强度的影响不大;在轴向应变大于5%~8%时,随土工织物铺设层数的增加,主应力差逐渐提高,在变形达到极限强度时,开始出现弹塑性耦合变形,土工织物的轴向变形也逐渐增大,产生拉断破坏现象.增强尾矿砂在极限强度后出现明显的应变软化现象,表明其变形刚度小于零,变形进入不稳定阶段.因此,增强尾矿砂的强度校核应采用和变形相一致的准则,对于坝坡的长期稳定性问题,应采用其残余强度指标进行分析计算.
图6 尾细砂主应力差和增强层数的关系Fig.6 Curve of fine sand’s principal stress difference with deferent laye
6 结语
压缩试验尽管获得了很多有用的信息,但由于试验模型尺寸的限制,不同类型的土工筋材的物理特性、力学特性、水力特性、耐久性的差异,以及试验条件与实际工况的差异,评价筋材对尾细砂增强效果的研究还值得深入.
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Triaxial Compression Test on Multilayer Reinforced Tailing Fine Sand
FENG Mei-sheng1,2,WANG Lai-gui1,WANG Feng-jiang3
(1.Collegeofmechanicsandengineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China;2.Departmentofcivilengineering,ShanxiDatongUniversity,Datong037003,China;3.QinghuangdaoResearchInstituteofMetallurgyDesign,Qinhuangdao066001,China)
Tiaxial compression tests are made with different number of geotexile to the tailing fine sand.when 1 or 2 layers,the geotexile has a little restraint on the sand’s lateral deformation and the failure mode is shear failure.when 4 or more layers,the failure mode is tensile failure.Under the two failure modes,the existence of reinforced material can influence the cohesion force which is nonlinear increase with the layer’s number,but not the inner friction angle.It defined the coefficient of the enhanced action which has a nonlinear rise according to the layer’s number.When axial strain below 5%~8%,the sand is at the elastic distortion stage,but elasto-plasticity stage when more 8%.
tailings fine sand;triaxial compression test;shear strength;geotextile
TU447
A
2011-09-30
国家自然科学基金面上项目(50434020)
冯美生(1980-),男,博士研究生,主要从事环境岩土力学及地质灾害治理方面的研究.E-mail:daokedaoke@163.com