不同掺土量格宾网加筋煤矸石的残余强度试验研究

杨果林，高礼，杜勇立,

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；2. 湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙，410008)

土体的残余强度可以定义为大剪切位移条件下，剪切面的稳定摩阻力。它是土体应力—应变关系过峰值点后的稳定应力。当挡土墙或边坡发生滑动时，滑动面上的剪应力比土体峰值抗剪强度小，Skempton[1]对该问题进行了详细论述，认为发生这种现象的一个最重要原因就是残余强度问题。挡土墙或者边坡发生滑动后，滑面保持残余变形和抵抗外部荷载的能力出现减弱，滑动面上的强度只有残余强度，因此，当边坡或挡土墙发生滑动时，边坡的稳定性基本上由土体的残余强度决定。如果对挡土墙或边坡的稳定性计算时，仅仅采用峰值抗剪强度，势必会降低挡土墙或边坡的安全系数。因此，研究滑坡体在大剪切位移条件下的残余强度参数，对于挡土墙或滑坡稳定性分析与治理，揭示滑坡发生机制以及边坡渐进式破坏模式等具有重要的意义[2]。目前，国内外学者关于残余强度对滑坡的影响进行了大量研究并应用于滑坡稳定性分析[3−9]。但关于煤矸石的残余强度研究不多，特别是加筋煤矸石残余强度特征研究较少。目前常用的测试残余强度的方法主要包括单级剪切试验、预剪试验和多级剪切试验。单级剪切试验是在试样固结后，只有一级有效固结压力或法向应力下进行剪切；预剪是指试样固结后，剪切试验前先快速剪切，形成剪切面，然后缓慢剪切，其优点是能够很快达到残余强度；而多级剪切试验是指试样在较低方向应力下固结剪切达到残余强度后，再加载至下一级有效法向应力，固结后继续剪切，如此反复[10]。王顺等[7]指出，预剪试验和多级剪切试验得到的残余强度偏大应该首选单级剪切试验测试滑带土残余强度指标。煤矸石是煤层在形成过程中与煤伴生或共生的一种坚硬岩石，随着煤矿开采而成为煤炭生产中的副产品，主要包括掘进井巷时排出的煤矸石、选煤排出的煤矸石和露天采煤产生的剥离煤矸石。煤矸石是我国目前最大的固体废弃物源，占全国工业废料的20%以上，严重影响和危害人们的生活与健康[11−13]，进入21世纪以来，特别是随着“十二五”规划对“节约型、环保型”材料的重视，人们对环境保护意识日益加强，如何综合利用煤矸石，越来越引起人们的重视。目前，世界各地多数国家针对煤矸石的综合应用主要集中在工程应用方面，特别是将煤矸石作为道路基层材料用于筑路工程。但在煤矸石路基及边坡设计和分析中，很少考虑煤矸石的残余强度以及煤矸石峰值强度与残余强度的关系，对加筋煤矸石残余强度的研究更少。现代加筋技术[14]诞生于20世纪60年代，具有强度高、成本低、应用范围广、施工方便等诸多优点。加筋格宾网作为一种新型加筋材料，2005年以来广泛应用于国内水利、公路、铁路、市政、建筑等行业的各类加筋支挡结构中，取得了良好的经济、社会和环境效益[15]，在各个加筋支挡结构中被广泛应用，表现出良好的发展态势。国内外学者对煤矸石路用性能已进行较多的理论分析和试验研究，但对煤矸石加筋之后的工程特性研究不多。在加筋煤矸石工程中，加筋煤矸石的残余强度特性是研究的重要内容，关系到加筋煤矸石路基、边坡设计及其稳定性分析。目前，国内对加筋煤矸石的残余强度研究较少，为此，本文作者针对不同掺土量(0%，5%，10%和20%，质量分数)煤矸石在最优含水量和一定压实度条件下的残余强度进行试验分析，并验证用摩尔库仑理论拟合格宾网加筋煤矸石残余强度的适用性。

1 试验材料及试验设备

1.1 煤矸石及掺和土

试验所用的煤矸石填料取自于湖南省娄底地区杨家山附近煤矸石山，掺和土取自于该地区安邵高速公路施工现场附近的黏土，将煤矸石及掺和土从现场取回实验室后，根据公路土工试验规程(JTG E40−2007)，进行一系列的常规土工试验，获得煤矸石及不同掺土量煤矸石的主要物理参数。

表1所示为试验所用煤矸石及掺和土的化学成分试验分析结果。分析表1可知：湖南娄底地区的煤矸石化学成分(SiO2+Al2O3+ Fe2O3+CaO+MgO)的活性质量分数超过75%，是一种典型的碱性矿渣，经水解碾压后，在一定温度下，可产生火山灰反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，产生部分碳酸钙并形成板体，烧损量低于10%，因此，该地区的煤矸石性能比较稳定，适合做路基填料。该地区掺和土的化学组成成分与煤矸石大致相同，掺和后不会发生化学反应，因此，用该掺和土改善煤矸石的路用性能是可行的。

表1 煤矸石及掺和土化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of coal gangue and admixture soil %

图 1所示为不同掺土量(0%，5%，10%，20%，质量分数)煤矸石颗粒分析曲线。从图1可见：湖南省娄底地区煤矸石级配较差，大粒径矸石含量较高，粒径大于5 mm颗粒质量分数超过80%；掺土煤矸石随着掺土量增加，细颗粒质量分数增加，粒度分布不均匀现象减小，因此，通过掺加少量黏土来减小煤矸石颗粒级配不良问题很有必要。

表2所示为不同掺土量(掺土0%，5%，10%，20%)煤矸石的最优含水率和最大干密度以及液、塑限指标，其中液塑限试验采用液限和塑限联合测定法测定。由表2可知：与天然煤矸石相比，掺入一定比例的土后，煤矸石的最大干密度随着掺土量的增加而减小，最佳含水质量分数随着掺土量的增加而增大；液、塑限随着掺土量的增加而增加。

图1 不同掺土量煤矸石的颗粒分析曲线Fig. 1 Size distribution curve of coal gangue mixed with different contents of soil

表2 不同掺土量煤矸石基本物理参数Table 2 Parameters of coal gangue coal with different amounts of soil

1.2 格宾网

本试验所采用的加筋材料是镀锌覆塑双绞合六边形格宾网，这种筋材是以低碳钢丝为基本材料，钢丝表面做镀锌层进行防腐处理，最外层用塑料包裹，以抵御煤矸石中有害物质对钢丝的腐蚀作用，具有强度高、无蠕变、耐久性强的特点。试验所采用的覆塑格宾网型号为 ZNP8*10/2.7，生产过程采用专业设备编织成工程力学上受力合理、牢固不易破损的六边形双绞合结构[16]，六边形网孔长×宽为8 cm×10 cm，筋材直径为2.7 mm。图2所示为试验根据剪切盒尺寸剪好的双绞线六边形格宾网。

试验测得该格宾网 5%延伸率对应的平均强度为13.01 kN/m，10%延伸率对应的平均强度为 25.28 kN/m，极限抗拉强度平均值为33.83 kN/m，最大负荷对应的伸长率平均值为12.90%。

图2 双绞线六边形格宾网Fig. 2 Twisted pair hexagonal Gabion mesh

1.3 界面摩擦试验试验设备

本试验采用采用的试验设备为中南大学高速铁路工程实验室中的大型直接剪切试验仪，型号TAW−800，主要技术参数如表3所示。

表3 大型直剪仪主要技术参数Table 3 Main technical parameters of direct shear apparatus

该直剪设备采用电子传感器技术、步进电机减速传动技术、计算机信息处理技术开发的全自动试验设备，可用于粗粒土直剪试验、土与结构物的剪切试验以加筋土力学参数试验，能够对试样施加单向剪切、双向剪切、循环剪切等。本试验根据双绞线六边形格宾网加固需要，自行设计、加工一套模具和压条用于固定格宾网，防止格宾网在剪切过程中发生滑移。

2 试验过程

依据公路土工试验规程(JTG E40—2007)，并模拟安邵高速公路娄底段煤矸石路基施工现场的压实度，研究煤矸石及不同掺土量煤矸石在加筋及未加筋情况下的界面摩擦试验。探究不同掺土量加筋煤矸石的残余强度。

根据国内外专家学者的统计研究[17]，粗粒土试样尺寸与试料粒径之间的合理关系为：D≥5dmax(其中D为试样尺寸，dmax为试料最大粒径)。本次试验中试样直径与试验料粒径即采用此关系。在试验过程中，人为剔除粒径大于60 mm的煤矸石颗粒，采用四分法取典型试料，按照试样的最优含水量配制试料，用塑料膜密封并经过1昼夜闷料，使试料充分浸润。在剪切盒里面制样，制样的压实度为94%，通过高度控制压实度，在剪切盒中间位置布置格宾网。制样时，先按设计压实度用煤矸石或掺土煤矸石将下剪切盒填至剪切面形成下层剪切面，再在剪切面上铺设覆塑格宾网，用自制模具及压条把格宾网固定在下剪切盒上，如图3所示。

图3 用模具和压条固定后的格宾网Fig. 3 Fixed Gabion mesh

铺设固定好格宾网后，再将上剪切盒用煤矸石或掺土煤矸石填满，控制94%的压实度进行整平、夯实。试料装样完毕后，吊入大型直接剪切仪。为更好地测得加筋煤矸石的残余强度，试验采用单级剪切试验，即试样固结后，每个试样只在一级有效固结压力或法向应力下进行剪切。在剪切过程中，相同掺土量试样的法向应力分别取为100，200和300 kPa，水平剪切速度为1 mm/min；为测得每组试样峰值之后的残余强度，在大剪切位移条件下进行单级剪切试验。每个试样水平方向的剪切位移为80 mm。由于试样剪切过程中有效抗剪面积减小，为使加筋煤矸石试样剪切过程法向应力不变，法向荷载随抗剪面积减小而减小。

3 试验结果与分析

3.1 格宾网加筋煤矸石剪应力与剪切位移关系曲线

不同掺土量(0%，5%，10%和 20%，质量分数)加筋煤矸石分别在3种法向应力(100，200和300 kPa)作用下进行煤矸石与格宾网的界面摩擦试验。根据剪切位移与剪应力的关系，绘出不同掺土量加筋煤矸石剪应力与剪切位移的关系曲线。本文仅绘出掺土量为5%和20%加筋煤矸石的剪应力τ与剪切位移ΔL之间的关系曲线，如图4所示。

图4 不同掺土量加筋煤矸石的剪应力与剪切位移的关系曲线Fig. 4 Shear stress−displacement curve of Gabion mesh and coal gangun mixed with different contents of soil

从图4可见煤矸石与格宾网的界面摩擦试验抗剪强度随法向应力的增加而增大，不同法向应力作用下的剪应力τ与剪切位移ΔL之间的关系曲线变化趋势大致相同，曲线主要呈现软化型；残余强度随有效法向应力的增大而增大，当剪切位移大于40 mm之后，残余强度趋于稳定。残余强度与峰值强度相差不大。这是由于煤矸石粗颗粒较软，在夯实和剪切过程容易破碎，并且煤矸石中含有一定量的细颗粒，在剪切过程中，煤矸石颗粒之间以及煤矸石与筋材之间的“咬合”作用不会随着剪切位移增加而大幅度减小，即使剪切过程出现轻微的剪胀作用，加筋煤矸石的峰值强度与峰值之后的残余强度相差较小。

表4所示为不同掺土量煤矸石在不同法向应力作用下的峰值强度与残余强度结果。从表4可见：不同法向应力作用下的加筋煤矸石残余强度与峰值强度相比，衰减量较小，均小于25%；法向应力越大，衰减量越小。不同掺土量(0%，5%，10%和20%，质量分数)加筋煤矸石在300 kPa法向应力作用下，残余强度与峰值强度相比，衰减量的平均值仅为3.40%。

表4 不同掺土量煤矸石峰值强度与残余强度结果Table 4 Sesults of peak strength and residual strength mixed with different amounts of soil

图5 未加筋煤矸石剪应力τ与剪切位移ΔL之间的关系曲线Fig. 5 Shear stress−displacement curve of coal gangun

表5 未加筋煤矸石峰值抗剪强度与残余强度试验结果Table 5 Results of peak strength and residual strength

3.2 未加筋煤矸石剪应力与剪切位移关系曲线

未加筋煤矸石在 3种法向应力(100，200和 300 kPa)作用下进行直剪试验。不加筋煤矸石在不同法向应力作用下的剪应力τ与剪切位移ΔL之间的关系曲线如图5所示。表5所示为峰值抗剪强度与残余强度的试验结果。

由图5和表5可知：未加筋煤矸石抗剪强度随法向应力增加而增加，剪应力与剪切位移的关系曲线趋近于双曲线，不同法向应力作用下的剪应力与剪切位移关系曲线大致相同，曲线呈现软化型；残余强度随法向应力增加而增大，当剪切位移大于45 mm之后，残余强度趋于稳定，残余强度与峰值强度相差不大，在3种法向应力(100，200和300 kPa)作用下，残余强度的衰减量介于10%～15%之间，并且法向应力越大，衰减量越小。这是由于煤矸石中含有少量细颗粒，而且煤矸石粗颗粒较软，在剪切面上容易破碎，所以，即使剪切过程出现“剪胀”作用，峰值强度与峰值后的残余强度相差不大。从图5与图4对比可见：未加筋煤矸石出现峰值强度所需要的剪切位移较小，因此，加筋之后有利于加强煤矸石路基在发生滑坡情况下的稳定性。对比表5与表4可以发现：未加筋的煤矸石残余强度的衰减量与加筋煤矸石相比有所增大，特别是在较高法向应力作用下，未加筋煤矸石的衰减量与加筋煤矸石相比，衰减量增大较多。因此，煤矸石中加入格宾网，对煤矸石残余强度的提高是非常明显的。

刘文彬等[3]指出，残余强度是影响岩石弹−脆−塑性的重要因素，残余强度越高，岩石越容易表现为塑性，岩石所承受的峰值载荷也越高；不同掺土量加筋煤矸石的残余强度与峰值强度相比相差不大，残余强度较高；因此，煤矸石路基发生破坏时容易表现为塑性破坏，这增加了煤矸石路基破坏的可预见性。

3.3 格宾网加筋煤矸石残余强度参数

国内外学者提出多种土的抗剪强度公式，主要有库仑公式、De.Mello公式、Duncan公式等[18]。针对加筋煤矸石残余强度的本构模型研究甚少，本文在加筋煤矸石界面摩擦试验的基础上，提出加筋煤矸石残余强度的本构模型及强度参数，为今后煤矸石路堤及路基的设计、施工以及煤矸石边坡稳定性验算提供依据。考虑到不同掺土量加筋煤矸石在剪切面存在一定数量的细颗粒，并且颗粒间存在一定的黏聚力，为使拟合公式能够同时反应出黏聚力和摩擦角，本文对煤矸石残余强度参数采用库仑摩尔理论进行拟合。由于本试验在界面摩擦区存在格宾网，因此，残余强度由煤矸石及格宾网共同决定的，残余强度的本构模型公式定义为：

式中：τs为广义摩擦力；cs为广义黏聚力；ψs为广义摩擦角。

不同掺土量加筋煤矸石的残余抗剪强度与垂直压力的关系曲线如图6所示，参数拟合结果如表6所示。图7所示为加筋煤矸石残余强度参数随掺土量的变化曲线。

由表6和图7可见：对于格宾网加筋煤矸石填料，随着掺土量的增加，残余强度参数中的广义内摩擦角随掺土量的增加而减小，这是由于随着掺土量的增加，煤矸石颗粒之间以及煤矸石与格宾网之间的间距变大，颗粒之间以及颗粒与格宾网之间的“咬合力”降低，剪切面上的粗糙度下降，由于土的“润滑”作用，导致残余抗剪强度的广义摩擦角减小。

残余强度参数中的广义黏聚力随着掺土量的增加而增大，这是随着掺土量增加(掺土 20%以内)，煤矸石的颗粒级配不断得到改善，加筋煤矸石在比较密实的状态下，颗粒之间相互咬合，在大位移剪切过程中，既要克服颗粒之间本身的“咬合力”以及粗颗粒与筋材之间的相互作用，又要“剪断”位于剪切面上的粗颗粒，导致黏聚力增大。贺建清等[19]指出，当煤矸石填料中掺土过多，煤矸石就会呈现黏性土的某些特征，其黏聚力更接近黏土的黏聚力。

图6 不同掺土量加筋煤矸石残余强度与垂直压力的关系曲线Fig. 6 Relationship between residual stress and normal stress with different contents of soil

图7 加筋煤矸石残余强度参数随不同掺土量变化的曲线Fig. 7 Relationship between residual strength coal gangun mixed with different contents of soil

表6 不同掺土量加筋煤矸石残余强度参数拟合表(压实度94%)Table 6 Parameter of residual strength coal gangun mixed with different amounts of soil

加筋煤矸石的残余强度模型用摩尔库仑理论模拟的相关系数均在0.92以上，并且库仑摩尔理论公式能够反映出剪切过程中煤矸石颗粒之间以及颗粒与格宾网之间的广义黏聚力以和广义摩擦角，因此，采用摩尔库仑理论公式模拟加筋煤矸石及掺土煤矸石在界面摩擦区的强度参数是合适的。掺土20%的煤矸石与未掺土煤矸石相比，残余强度的广义摩擦角减小16.85%，广义黏聚力增加149.98%，因此，在实际工程中，煤矸石中掺加适量的黏土，对于煤矸石路基的力学特性改善非常有用。试验表明，掺土量介于15%～20%比较合适，这样，在广义黏聚力增加很大的情况下，广义内摩擦角减小不多。而且可以改善煤矸石的颗粒级配，对加筋煤矸石的残余强度提高有明显的作用。

4 结论

(1) 在不同掺土量下，格宾网加筋煤矸石界面剪应力与剪切位移之间的关系为非线性关系，不同掺土量煤矸石的剪应力与剪切位移之间的关系曲线大致相似，呈现软化型；当剪切位移大于40 mm以后，残余抗剪强度趋于稳定，残余强度与剪切位移的关系曲线为直线型。

(2) 法向应力越大，峰值抗剪强度和残余抗剪强度也越大，残余强度衰减量随着法向应力的增加而减小，但加筋煤矸石的残余抗剪强度与峰值抗剪强度相比相差不大。在进行煤矸石填料稳定性分析、防治设计时，采用煤矸石的残余强度指标更符合工程实际。

(3) 未加筋煤矸石与加筋煤矸石相比，加筋煤矸石峰值抗剪强度出现的剪切位移比未加筋煤矸石的大，因此，加筋煤矸石的塑性变形能力得到有效提高。加筋煤矸石残余强度的衰减量与未加筋煤矸石残余强度衰减量相比，减少较多，因此，加筋煤矸石有利于煤矸石残余强度的提高。

(4) 加筋煤矸石的残余强度用摩尔库仑理论拟合是合适的，随着掺土量增加，格宾网加筋煤矸石残余强度的广义摩擦角逐渐减小，广义黏聚力逐渐增加，掺土20%加筋煤矸石与未掺土加筋煤矸石相比，广义黏聚力增加149.98%，广义摩擦角仅降低16.85%，因此，在煤矸石中掺加一定比例的黏土，对于格宾网加筋煤矸石的残余强度提高是非常有利的。

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