褶皱情况下土工织物尾砂界面的剪切性状

林 海，汤善科，夏燕钦，周 强

(1.南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 330031； 2.江西省尾矿库工程安全重点实验室，江西 南昌 330031)

金属、非金属矿山开采冶炼后剩下大量的尾砂，尾砂的处置及资源化利用关乎区域经济发展和环境保护，一直以来也是困扰人们的难题。尽管尾砂的利用途径在不断拓展[1]，高产量和产速使得尾矿库堆存仍为处理尾砂的主要型式。目前我国现存尾矿库数目巨大，大量由尾砂根据上游法堆筑而成的库区仍存在较大的潜在风险，溃坝灾害防治措施和极端情况下的应急预案值得深入探索[2-8]。近些年来，随着土工合成材料在岩土及水利工程中的推广应用，其在尾矿库新建、扩建和加固工程中拥有可观前景，尾砂模袋筑坝法为最典型示例[9-14]。另外，尾砂作为堆积料也拥有在各类岩土工程中应用的潜在价值，而提升其在边坡和填方工程中的自稳能力将极大地增强其工程应用潜力[15]。

尾砂不同于一般砂土，根据物理研磨或化学浸泡等冶炼过程不同其粒径级配表现中较大的差异，许多尾砂还会表现出一定的黏聚力[16]。尾砂的力学性质会随粒径、含水率、矿种等因素而产生一定的差异，细粒尾砂的抗剪强度要显著低于粗粒尾砂[17-19]。利用土工合成材料的加筋作用和分层加速固结作用，模袋筑坝法这一新型工艺很好地解决了细粒尾砂上游式筑坝难的问题[20-24]。由于细粒尾砂的透水性显著弱于粗粒尾砂，且其会在土工织物接触面上形成较密实的防水层，这种不均匀的半透水边界会进一步限制固结排水过程[25,26]。采用土工织物进行充填时，排水边界会影响土工织物袋子的受力和变形[27]，可以自然分析得到尾砂充填袋的最终变形很可能存在不均匀性。如果采用土工织物进行大量干燥尾砂的灌袋堆填则会产生更多的不均匀或褶皱变形。

尾砂与土工织物间的界面抗剪能力直接影响到灌砂模袋的极限堆填高度和边坡抗滑稳定性，揭示不均匀变形(含褶皱)情况下土工织物/尾砂界面剪切性状有利于工程人员评价土工织物与尾砂共同应用时的安全性。本文利用改进的直剪试验方法研究铜/钨尾砂分别与编织/无纺土工织物接触时的界面剪切特性，探讨土工织物褶皱的长度和方向等特点土工织物/尾砂界面剪切强度的定量影响，为模袋法工程应用及安全分析提供参考和依据。

1 试验介绍

1.1 试验材料

本次试验所用的铜、钨尾砂试样均来自现场尾矿库调研取样，具体分别取自江西瑞昌市武山铜矿和赣州市崇义县新安子钨锡矿尾矿库。尾砂试样的颗粒级配曲线如图1所示，考虑到取样位置造成尾砂粒径的不均匀性等可能会对剪切试验结果造成一定影响，将取回的铜尾砂和钨尾砂进行了级配筛选。土工织物/尾砂界面剪切试验中分别采用了粒径具有代表性的细粒铜尾砂(d<0.075 mm)和粗粒钨尾砂(d= 0.25～0.5 mm)。参照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)测得铜尾砂试样的土粒比重为2.91，钨尾砂试样的土粒比重为2.72，尾砂试样的其他物理性质和微观分析可参照文献[18]。界面剪切试验采用的土工织物为当前岩土工程中常见的编织型土工布和无纺型土工布，材料由长沙建益新材料有限公司提供，土工织物试样的物理和力学指标如表1所示。

表1 土工织物试样的物理和力学性质指标Table1 Physical and mechanical properties of geotextile samples

1.2 试验方法

剪切试验的开展采用应变控制式直接剪切仪，土工织物的背面固定直接影响到试验结果的合理性[28]，本次试验通过在下剪切盒中放置专门加工的固定块来实现土工织物的背面固定。如图2所示，放置于下剪切盒中的固定块为通过加工制作圆柱形木块并在其中均匀打入稍长的钢钉制成，木块表面钢钉露出的尺寸约为0.5 mm。前期预备试验已证实本文土工织物的固定方式是行之有效的。试验研究考虑不同土工织物类型、不同尾砂种类、土工织物的褶皱长度和方向等因素对界面剪切强度的影响。为了能够将土工织物/尾砂界面剪切强度特性与尾砂剪切强度特性建立联系，尾砂试样统一制备成20%的含水率状态。为了定量化分析土工织物褶皱对界面剪切特性的影响，定义褶皱方向与剪切方向一致时称其为正向褶皱，反之则成为反向褶皱。含褶皱土工织物界面剪切试验分别考虑褶皱方向与剪切方向相向和相反两种情况，褶皱宽度采用预先设定的10 mm和30 mm两种情况(如图3)。

图3 土工织物褶皱形式Fig.3 Layout of the geotextile wrinkle

1.3 试验步骤

首先，加工制作下剪切盒专用土工织物固定块，如图2所示将固定块放入下剪切盒就位。从同一卷土工织物上剪下所需尺寸的若干试样，其中不含褶皱的土工织物尺寸长度与下剪切盒外尺寸相同，宽度与剪切盒内尺寸相同。褶皱土工织物试样的起皱位置设定为中部，褶皱延伸方向与剪切方向垂直，褶皱宽度即为试样重叠部分的宽度(如图3所示)。为确保整个剪切过程中土工织物背面的良好固定，将土工织物与固定块和下剪切盒接触位置涂抹了一层环氧树脂胶水，轻压24 h后固定完全成型(图2)。至此，土工织物的背面实现了完全固定，而褶皱部分可以在剪切过程中自由移动，仅根据褶皱方向由上部压力作用使其倒向一方。

尾砂试样采用重塑土标准土工试验方法进行制备，将现场取回的足量铜尾砂和钨尾砂放入105℃烘箱中12 h以上，然后将烘干尾砂过分别进行筛分后得出足够的细粒铜尾砂(d<0.075 mm)和粗粒钨尾砂(d= 0.25～0.5 mm)试样备用。将铜、钨尾砂按20%含水率计算加入所需水量后搅拌均匀，密封12 h以上待尾砂试样充分湿润均匀后使用。土工织物试样制备完成后，将上剪切盒就位并把制备好的尾砂试样加入上剪切盒中。施加法向压力后允许尾砂试样固结沉降稳定后再进行剪切。由于土工织物沿剪切方向的长度大于上下剪切盒的接触面，因此在整个剪切过程中土工织物与尾砂试样的接触面都不变，从而避免了面积修正问题。

考虑到土工织物在模袋筑坝方法中可能遇到的压力环境，本次直剪试验的法向压力条件分别为25 kPa、50 kPa、100 kPa和200 kPa。由于尾砂的渗透系数较大，界面剪切试验统一采取标准土工直剪试验中的快剪速率，即0.8 mm/min。试验过程中每0.2 mm记录一次剪应力，直至试验剪切位移达6 mm时停止试验。

2 试验结果

2.1 土工织物/尾砂界面剪切特性

无纺土工布/铜尾砂、无纺土工布/钨尾砂、编织土工布/铜尾砂和编织土工布/钨尾砂界面的剪切应力位移关系如图4所示。各界面的剪切应力随剪切位移的增大而增大，即使剪切达到6 mm的大位移，各法向应力情况下4种不同界面均未出现明显峰值剪切强度。4种土工织物/尾砂界面的剪切应力位移曲线表现为与尾砂试样类似的“硬化型”。在4种不同法向应力情况下，无纺土工布与尾砂的界面抗剪应力明显强于编织土工布与尾砂的界面抗剪应力，说明无纺土工布的与尾砂的界面摩擦要高于编织土工布与尾砂界面。对铜、钨2种尾砂试样对比发现，钨尾砂与土工织物的界面剪切应力多数情况下大于铜尾砂/土工织物界面。

图4 土工织物/尾砂界面剪切应力位移关系Fig.4 Shear stress-displacement relationship of geotextile/tailings interfaces

尽管各界面剪切应力位移曲线中均未出现明显峰值强度，为了更好地对比分析4种土工织物/尾砂界面的剪切强度，选取位移为6 mm时对应的剪切应力作为峰值强度并绘制界面剪切强度包线。拟合分析得到的铜尾砂/无纺土工布、铜尾砂/编织土工布、钨尾砂/无纺土工布和钨尾砂/编织土工布4种界面的峰值剪切黏聚力仅分别为1.25 kPa、5.88 kPa、1.55 kPa和4.38 kPa。可以看出，4种土工织物/尾砂界面的剪切黏聚力均很小，为了能够更加简便和直观地分析对比不同界面的剪切性状，后续分析忽略黏聚力分量的影响并将界面剪切摩擦角作为评价剪切强度的主要参数。四种土工织物/尾砂界面过原点拟合得到的峰值强度包线如图5所示。

图5 土工织物/尾砂界面剪切峰值强度包线Fig.5 Peak shear strength envelopes of geotextile/tailings interfaces

编织土工布/铜尾砂界面的峰值摩擦角为17.8°，而无纺土工布/铜尾砂界面的峰值摩擦角为24.8°，编织土工布相对于无纺土工布与铜尾砂的界面摩擦角减少了7.0°。类似地，编织土工布相对于无纺土工布与钨尾砂的界面峰值摩擦角减少了7.1°。铜尾砂/编织土工布界面相对于钨尾砂/编织土工织物界面的峰值摩擦角减少了1.7°，铜尾砂/无纺土工布界面相对于钨尾砂/无纺土工布界面的峰值摩擦角减少了1.8°。

2.2 土工织物褶皱情况下与铜尾砂的界面剪切特性

不同褶皱方向和宽度情况下，无纺土工布/铜尾砂界面和编织土工布/铜尾砂界面的剪切应力位移关系分别如图6和图7所示。从不同褶皱情况下的土工织物/铜尾砂剪切应力位移曲线型式可以看出，褶皱宽度和方向的改变都没有使得“硬化型”曲线型式发生改变。然而，褶皱的存在以及褶皱方向和宽度对土工织物/铜尾砂的抗剪能力造成不可忽略的影响。从图6可以明显地看到，正向褶皱会较显著地增强无纺土工布与铜尾砂的界面抗剪能力，并且增强效果随褶皱宽度的增加而增大。但在反向褶皱的情况下，1 cm宽度的反向褶皱会使得界面剪切强度有一定程度减小，3 cm宽度的反向褶皱情况却使得界面剪切强度增大。对于编织土工布/铜尾砂界面，绝大多数情况下正向褶皱和反向褶皱都使得界面剪切强度增大。只有在法向应力100kPa、反向1cm褶皱情况下相较于无褶皱情况界面剪切强度减小(图7)。

图6 含褶皱无纺土工布/铜尾砂界面剪切应力位移关系Fig.6 Shear stress-displacement relationship of wrinkled nonwoven geotextile/copper tailings interface

图7 含褶皱编织土工布/铜尾砂界面剪切应力位移关系Fig.7 Shear stress-displacement relationship of wrinkled woven geotextile/copper tailings interface

鉴于不同土工织物褶皱情况下土工织物/铜尾砂界面峰值强度拟合得到的黏聚力分量都比较小，忽略黏聚力分量后拟合得到的土工织物/铜尾砂界面剪切强度包线如图8所示。拟合得到不同褶皱情况下，无纺土工布/铜尾砂界面和编织土工布/铜尾砂界面的峰值摩擦角详见表2。无纺土工布/铜尾砂界面的峰值摩擦角在正向1 cm褶皱、正向3 cm褶皱和反向3 cm褶皱情况下相较于无褶皱情况分别增加了3.7°、8.4°和 1.1°，唯独反向1 cm褶皱情况时界面摩擦角相较于无褶皱情况较小了7.6°。编织土工布/铜尾砂界面在4种褶皱情况下的摩擦角均有一定的增大，正向1 cm褶皱、正向3 cm褶皱、反向1 cm褶皱和反向3 cm褶皱情况相较于无褶皱情况，摩擦角分别增加了6.2°、4.6°、6.9°和 4.1°。

图8 褶皱情况下的土工织物/铜尾砂界面剪切峰值强度包线Fig.8 Peak shear strength envelopes of geotextile/copper tailings interface with wrinkles

表2 含褶皱土工织物/铜尾砂界面剪切峰值摩擦角Table2 Shear peak friction angle of geotextile/copper tailings interfaces with wrinkles

3 分析与讨论

从前面土工织物/尾砂界面剪切试验结果可以发现，平面情况下无纺土工布与尾砂的界面摩擦性状要显著优于编织土工布/尾砂界面。土工织物与尾砂的界面剪切强度与尾砂剪切强度会表现出一定的相关性，同种土工织物/尾砂界面与尾砂的剪切强度之比相对稳定[29]。无纺土工布/铜尾砂界面和无纺土工布/钨尾砂界面的剪切峰值摩擦角分别为24.8°和26.6°，而相应铜尾砂和钨尾砂的剪切内摩擦角分别为31.7°和34.1°，无纺土工布/铜尾砂界面和无纺土工布/钨尾砂界面的抗剪能力分别相当于铜尾砂和钨尾砂剪切强度的74.8%和74.0%。编织土工布/铜尾砂界面和编织土工布/钨尾砂界面的剪切峰值摩擦角分别为17.8°和19.5°，编织土工布/铜尾砂界面和编织土工布/钨尾砂界面的抗剪能力分别相当于铜尾砂和钨尾砂剪切强度的52.0%和52.3%。可见，平面情况下土工织物与尾砂界面的抗剪能力主要取决于土工织物的类型和尾砂的抗剪强度。

尾砂模袋筑坝工程和垃圾填埋场等实际中，液态尾砂的排水固结或垃圾体的降解等原因产生不均匀变形，使得土工织物与尾砂等散体材料界面产生局部褶皱，褶皱的尺寸和方向等因素往往存在较大的不确定性。即使本文研究对土工织物褶皱的尺寸和方向进行了较严格的控制，所得试验结果仍然难以找到好的定量规律。例如，无纺土工布/铜尾砂界面剪切强度在正向1 cm褶皱、正向3 cm褶皱、反向1 cm褶皱和反向3 cm褶皱情况下相当于铜尾砂抗剪强度的88.0%、106.0%、50.1%和79.0%。褶皱大都使得无纺土工布/铜尾砂界面抗剪强度提升，但提升的幅度难以定量化。反向1 cm褶皱引起无纺土工布/铜尾砂界面强度的降低可能由于剪切过程中土工布发生滑移引起的渐进破坏影响。编织土工布/铜尾砂界面剪切强度在不同褶皱方向和宽度情况下都拥有不同程度的提升。综合来看，褶皱情况下的土工织物/尾砂界面抗剪能力会得到一定提升，因此采用平面情况下土工织物/尾砂界面剪切性状用于工程边坡稳定分析是偏于保守的。但正由于褶皱情况下使得土工织物界面摩擦力一定程度提升，在工程中对土工织物内累计的拉伸应力可能会增加，工程人员应对此引起注意。

4 结语

本文利用改进的直剪仪进行了无纺土工布/铜尾砂、编织土工布/铜尾砂、无纺土工布/钨尾砂和编织土工布/钨尾砂4种界面的剪切试验，并且开展了土工织物预留不同褶皱方向和宽度情况时的无纺土工布/铜尾砂和编织土工布/铜尾砂界面剪切试验，分析揭示了土工织物与尾砂的界面剪切性状，以及土工织物褶皱对土工织物/尾砂界面剪切强度的影响。具体得出以下几点主要结论：

(1) 土工织物/尾砂界面的剪切应力位移曲线都表现为硬化型，界面剪切强度与无纺织物的种类和尾砂类型有关。无纺土工布与尾砂界面的剪切强度要显著高于编织型土工布，土工织物/尾砂界面剪切强度会随着尾砂抗剪强度的增加而增加。

(2) 土工织物/尾砂界面剪切强度随法向应力线性增长，土工织物的种类是影响界面剪切强度的最重要因素。无纺土工布/尾砂界面剪切强度相当于74.4%左右的尾砂抗剪强度，而编织土工布/尾砂界面剪切强度相当于52.2%左右的尾砂抗剪强度。

(3) 土工织物褶皱大部分情况都会增强土工织物/尾砂界面的剪切强度，然而因褶皱产生的界面强度增幅具有不确定性。本次试验除1 cm反向褶皱时观察到无纺土工布/铜尾砂界面强度的有些许降低外，其余褶皱情况下的无纺土工布/铜尾砂界面剪切强度增长5%～32%。