基于颗粒流程序的加筋尾矿剪切应变带宏细观分析

2022-04-15金洪松于汇泽杜常博

长江科学院院报 2022年4期

易富，金洪松，于汇泽，杜常博，于犇

(1.辽宁工程技术大学建筑与交通学院，辽宁阜新 123000； 2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000；3.长春高新建设开发有限公司，长春 130000)

1 研究背景

在当前工程技术条件下，矿产资源的开发利用大多会留下一些难以解决的问题，尾矿库溃坝一旦发生，极大程度地威胁了附近居民的生命及财产的安全。在尾矿库筑坝过程中，由于用地资源的限制，几乎没有可以直接利用的尾矿库，为了满足尾矿的不断排放，通常采用土工格栅加固的方法对尾矿坝进行增高，增高后尾矿坝的稳定性对于尾矿库是否安全运行具有重大意义。

Vidal[1]首次提出了加筋土技术的新理念并成功应用于工程中，为加筋土的发展提供了基础性的理论依据。加筋土技术理论到国内加筋土技术的兴起，土工合成材料应用于挡土墙、边坡、路堤、堤岸、港口等众多工程建设中，大都表现出良好的应用效果，土工合成材料在不同的工程中主要起到加筋、防渗、反滤等作用。在加筋方面，筋土之间相互作用特性的研究成果能为实际工程中土工合成材料的应用提供有力依据[2-4]。为探究土工合成材料与各类土之间的界面特性，通常采用直剪试验、拉拔试验、三轴压缩试验、循环剪切试验进行研究[5-6]，众多学者取得了许多基础性的有益成果。如Liao等[7]开展拉拔试验定量研究了筋材与土直剪的摩擦力和横肋的阻力大小；赵晓龙等[8]对不同土工布加筋层数的粗颗粒土试样进行常规三轴固结排水剪切试验，探讨试样加筋层数对粗颗粒土变形、强度特性的影响；张利阳等[9]通过室内拉拔试验，分析竖向压强、含水率和拉拔速率3个试验条件对土工织物-尾矿界面摩擦界面的影响；黄文彬等[10]基于拉拔和直剪试验研究了剪切速率对筋-土界面特性和吹填砂强度特性的影响规律及机制，同时探讨了不同填料界面、筋材类型的加筋效果；刘飞禹等[11]进行了砂土与土工格栅的单剪、循环剪切及循环剪切后的单剪试验，主要研究了密实度、剪切速率对于筋土界面剪切特性及填料体变特性的影响规律；研究土与结构物接触面的力学特性，对现有的大型直剪仪进行改造；杨鑫等[12]对砂土与不同混凝土类型接触面的应力-应变曲线及其破坏形式进行分析；郑俊杰等[13]通过对三向土工格栅沿拉拔方向断面的位移进行量测，分析了格栅拉伸应变、筋-土相对位移、界面摩阻力分布及格栅变形与破坏模式，并分别从峰值剪切强度和残余剪切强度2个方面对筋-土界面强度参数和表观摩擦系数的变化规律进行了探讨；朱顺然等[14]针对土工合成材料界面特性试验易受试验装置影响的特点，采用大型叠环式剪切仪进行土工织物与砂土的界面剪切试验。傅克贤等[15]为了探索纳米黏土的力学性能及作用机理，建立纳米黏土体系，分别进行了纳米黏土、纳米黏土改性尾矿砂的直接剪切力学试验，为研究筋土界面细观结构演化并定量评价格栅摩擦特性对加筋性能的影响提供了开创性的工程价值。朱品竹等[16]计算分析了静动力条件下现阶段和后期扩容后的尾矿库运行的稳定性；张超等[17]为解决尾砂安全筑坝与井下充填之间的矛盾，开展了粒径对尾矿强度及坝体稳定性影响的研究。

上述研究虽在加筋材料与加筋土力学特性研究方面取得了较多进展，但在加筋材料剪切应变带影响范围方面研究较少。本文针对尾矿堆积坝抗滑移稳定性问题，利用土工格栅加固尾矿坝加坡，通过加筋尾矿直剪试验的研究，利用颗粒流程序(Partical Flow Code, PFC)离散元建立相似剪切模型；根据颗粒运动位移云图选取合理的观测点，采用数码可视化设备进行连续拍摄，分析试验中不同含水率尾矿与格栅接触界面的剪切应变带影响规律，计算剪切应变带的影响范围，为加筋尾矿坝界面特性、材料特性以及土工格栅布置间距等提供重要的理论依据。

2 直剪试验

2.1 试验设备

采用YT1200土工合成材料直剪拉拔试验摩擦系统，该系统采用气泵加压，法向应力可精确到正负0.5 kPa。该设备主要由试验箱、垂直加载系统、水平拉力系统和数码可视化设备组成。直剪试验箱分为上直剪箱和下直剪小车，上直剪箱净空尺寸为300 mm×300 mm×150 mm，由4块钢板焊接而成，板厚为10 mm，侧面在钢板处安装100 mm×50 mm的光学玻璃用于高清摄像头的实时观测，如图1所示。

图1 直剪试验设备Fig.1 Direct shear test equipment

2.2 试验材料

试验所用尾矿砂取自辽宁省鞍山市鞍钢矿业集团齐大山选矿厂，经实验室测得天然含水率为7%，尾矿砂干密度为1 600 kg/m3。由筛分试验结果可算得不均匀系数CU=4.8和曲率系数CC=0.8，通过与级配是否良好的参考值进行比较,可知该尾矿砂属级配不良砂，尾矿砂级配曲线如图2所示。试验所用加筋材料为成本低、透水性好、强度较好的玻璃纤维双向拉伸土工格栅(EGA30)，如图3所示，其性能指标见表1。

图2 尾矿砂级配曲线Fig.2 Grading curve oftailings sand图3 试验所用土工格栅Fig.3 Geogrid for test

表1 土工合成材料性能参数Table 1 Performance parameters of geosynthetics

2.3 试验原理及试验步骤

2.3.1 试验原理

尾矿砂含水率和上覆荷载对直剪试验的结果影响显著，为了研究试验中含水率与上覆荷载这2个关键的影响因素，在天然含水率的基础上另取3种含水率作为平行试验，拟定设计方案见表2。在控制面板上设定好统一的剪切速率为2 mm/min，在室内直剪试验过程中，试设备可自动实时记录水平剪切力-剪切位移曲线数据。

表2 试验设计方案Table 2 Test design scheme

由于直剪箱的尺寸为300 mm×300 mm×150 mm(长×宽×高)，箱内的尾矿砂自重可忽略不计，直接计算试验系统设定的上覆荷载数值即可。

描述加筋土界面摩擦特性的定量指标——摩擦系数f是一个重要参数，尾矿砂与土格栅的f应由试验确定。直剪试验的f由式(1)计算。

(1)

式中：Tmax为试验峰值水平拉力(kN)；τmax为峰值剪切应力(kPa)；σ为上覆荷载(kPa)；A为土工格栅在试验箱中的接触面积(0.09 m2)。

根据不同的上覆荷载数值与峰值剪切应力按式(2)进行线性拟合，可得到加筋尾矿界面中土工格栅与尾矿砂之间的表观黏聚力以及界面摩擦角。

τmax=σtanφ+c。

(2)

式中：c为表观黏聚力(kPa)；φ为界面摩擦角(°)。

各含水率的尾矿砂密度可按式(3)计算,即

(3)

式中：ρ为尾矿砂的密度(kg/m3)；m为尾矿砂与水的总质量(kg)；m1为尾矿砂的质量(kg)；m2为水的质量(kg)；V为尾矿砂与水的总体积(m3)。

2.3.2 试验步骤

(1)开启数码可视化设备并连接电脑，调节摄像头至图像清晰。

(2)将下直剪小车推到轨道制定位置，将土工格栅与小车表面牢固粘结。

(3)将所选用的填料分层填入试验箱，装填到大概距试验箱上边缘3 cm。

(4)打开主机电源，在控制面板上设定好上覆荷载、剪切速率的参数，打开空气压缩机用来提供压力，将加压板降到填料上，等达到设定的荷载时，按下开始试验按钮即可试验。

3 直剪试验宏观分析

不同尾矿砂含水率在相同荷载条件下，剪应力峰值比较接近，故以7%含水率直剪试验曲线为例，如图4所示。由图4可知：上覆荷载与剪应力成正比例关系，试验曲线增长速度逐渐降低，峰值位移出现在20～25 mm之间，上覆荷载增大，峰值剪切位移也逐渐增大。试验所用土工格栅粘结在直剪小车上，可忽略土工格栅的拉伸变形，剪应力峰值后会略有降低并稳定在一个数值上下浮动；尾矿砂重度大于水分子，尾矿砂含水率为3%、7%、11%和15%，尾矿的密度等幅减小2.2%，水分子浸入尾矿砂中，填补了颗粒间部分缝隙，表观黏聚力逐渐增大；随着含水率的逐渐增大，界面摩擦角先增大后减小，当含水率增大超过最优含水率时，过量的水起到了润滑的作用，不利于尾矿砂的稳定。各组直剪试验结果见表3。

图4 尾矿砂含水率为7%时的直剪试验曲线Fig.4 Direct shear test curves with water contentof 7% of tailings sand

表3 各组直剪试验结果Table 3 Direct shear test results of each group

4 直剪试验细观分析

4.1 PFC剪切模型建立

直剪试验模型采用PFC离散元软件中二维剪切试验模型，二维剪切试验模型由8个墙体单元和2个翼墙单元组成，内部尾矿砂与土工格栅均由球体单元生成，通过分别赋予颗粒不同力学参数以区分土工格栅与尾矿砂，模型尺寸与试验设备尺寸同为30 cm×30 cm。为了便于观察尾矿砂在直剪试验过程中的运动规律，将模型分为12个区域，如图5所示。

图5 PFC剪切试验模型Fig.5 PFC shear test model

4.2 模型剪切试验分析

在研究尾矿砂直剪试验细观力学参数计算时，宏观力学参数也以室内直剪试验得到的参数为主，通过PFC建立剪切试验模型，设置不同的力学参数以区分尾矿砂和土工格栅，使模型剪切试验与实际室内直剪试验各个条件尽可能一致，以减少模型剪切试验所带来的误差。数值试验中由于尾矿砂颗粒太小，计算机不能进行运算，通过调整颗粒大小以确保CU和CC都不会改变其等级，级配曲线如图6所示。

图6 数值试验与筛分试验级配曲线Fig.6 Grading curves of numerical test and screeningtest

调整后的d10=1.2 mm，d30=2.4 mm，d60=5.8 mm，CU=4.833，CC=0.828，仍为级配不良砂；根据上覆荷载的大小调整模型中伺服围压的大小，在模型直剪试验开始前，室内剪切试验不同含水率尾矿的密度、表观黏聚力、内摩擦角及摩擦系数可通过式(1)—式(3)计算得出，将各宏观力学参数代入到PFC命令流中，经运算得到法向刚度kn和切向刚度ks等细观力学参数，应用到PFC剪切模型中，通过精确调整试验各力学参数，使得PFC剪切模拟曲线结果更接近不同含水率尾矿室内直剪试验曲线的实际数值。

在数值模拟中仅有应力-应变曲线，将剪应力与试验箱底面积相乘转换为剪切力，与模型剪切试验剪切力结果对比分析。由于不同的含水率在相同上覆荷载的作用下，数值计算结果比较接近，所以仅用尾矿砂含水率为7%的4个模型剪切试验曲线为例，如图7所示。

图7 尾矿砂含水率为7%的室内试验与模型试验结果Fig.7 Laboratory test result and model test result witha moisture content of 7% of tailings sand

剪切盒上部12号区域位移变化最为明显，故选取12号区域进行细观无标点量测分析，根据位移云图可知，上覆荷载为100 kPa时，在剪切盒中位移影响最明显，故选取上覆荷载为100 kPa进行剪切带影响范围分析，如图8所示。

图8 剪切带影响范围云图Fig.8 Nephogram of influence area of shear zone

4.3 无标点量测结果分析

利用数码可视化设备对数值模拟12号区域实时观测，对尾矿砂距离土工格栅接触面10、20、50 mm处设置3个观测点，分别对试验开始前和试验结束后观测点处尾矿砂的位移变化规律图像进行拍摄和对比分析，分析剪切应变带的影响规律。以上覆荷载为100 kPa、含水率7%的试验前后位移变化图像为例，如图9所示。不同含水率尾矿砂距离土工格栅接触面10、20、50 mm观测点处的位移变化数值见表4。

表4 各含水率尾矿砂在试验中最大位移Table 4 Maximum displacement of tailings sand withvaried water content in the test

图9 各观测点位移变化量Fig.9 Displacement variation of each observation point

在研究土工格栅与尾矿接触面的摩擦特性时，4种不同含水率的尾矿砂在试验过程中，随着观测点距离土工格栅位置逐渐增大，尾矿砂的位移变化也逐渐减小，最后趋近于0，剪切位移变化规律呈线性关系，可通过计算来确定试验中剪切应变带的具体数值，如图10所示。

图10 观测点位移线性拟合曲线Fig.10 Linear fitting curves ofdisplacement at observation points

可根据线性拟合方程，求出参数a、b的数值，当水平位移为0时，利用拟合方程可求出零位移点到土工格栅接触面的距离即剪切应变带影响范围，见表5。

表5 剪切应变带在试验中最大影响范围Table 5 Maximum influence range of shear strainzone in the test

5 讨论

5.1 试验现象分析

在室内直剪试验中，土工格栅粘结固定在直剪小车表面，小车表面光滑摩擦力可忽略不计，尾矿砂在上覆荷载作用下充分压实与土工格栅紧密接触。对直剪小车施加水平应力，土工格栅通过摩擦力带动试验箱中尾矿颗粒运动，接近土工格栅的尾矿颗粒运动距离较大，向远端方向尾矿颗粒运动距离逐渐减小。据此可推断出加筋尾矿界面存在剪切应变带，超出剪切应变带范围的尾矿将不受土工格栅移动的影响产生水平位移，不同含水率的尾矿砂剪切应变带的距离可为土工格栅加筋尾矿工程应用提供重要的理论依据。