土工格栅加筋尾矿坝的界面力学特性研究

罗敏杰，付智龙，王冬梅

(1.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330031； 2.马克菲尔(长沙)新型支档科技开发有限公司，湖南 长沙 410699)

随着工业的快速发展，国内对各种矿产的开采需求也增长迅猛，而矿场在采矿完毕后，会面临尾矿处理问题[1-2]。尾矿若不能被合适地处理，而是被随意堆放弃置，其结构可能并不稳定，堆放地容易发生尾矿溃坝等事故，造成人员财产损失[3-5]。国内外学者针对该问题进行了大量研究，然而其中大多均集中于尾矿料的物理与力学特性、单项加筋材料的力学特性、加筋材料的耐久性能等方面[6]。从多种土工材料的力学特性角度着手并结合尾矿坝界面力学试验进行的研究还较少，需要进行关注。

1 研究方案设计

1.1 仪器系统设计

界面的力学特性研究主要是围绕对加筋土的多种试验进行的，其中室内试验的结果对该材料在实际应用中的力学性能有重要指导作用[7-9]。因此该研究集中于尾矿坝的室内试验进行，其中室内试验具体指直剪、拉拔试验。下面先对试验中所使用到的仪器设备进行设计与选取。

试验中用到的仪器为土工合成料直剪与拉拔试验设备系统。选用此种设备是因为其具有直剪与拉拔试验通用、加载控制方便、支持试验过程图像记录、数据采集监测一体化等优点[10-13]。系统主要组成部件有数据采集系统、图像采集系统、竖向加载系统、水平加载系统、试验箱[14]。下面依次对该设备系统的各部件进行设计。先说数据采集系统，在于材料接触的对应部位设有所需的传感器，其在实验中将力学信号收集并转换为电信号传输给控制面板。控制面板需要与水平加载系统、竖向加载系统连接，用以及时显示出计算处理后的试验结果数据，并具有一定程度上能自定义的数据可视化功能，从而实现对试验中材料力学性能数据的实时监控。当数据异常或试验过程出现异常时，能及时命令设备系统停止试验或快速分析原因并反馈显示出来。另外，数据采集系统应与计算机相连接，以便保存试验数据与节省设备本身的内存空间。

设备的图像采集系统包含光源发生部、精密视频显微镜、支架[15]。其通过细观量测技术来对图像进行采集与计算，且该系统直接与计算机连接，用以快速传输处理好的图像数据[16-17]。竖向加载系统通过反力装置使连接压力传感器的气缸给被测物体施加竖直向下的均布荷载[18]。气缸选用30L型号的空气压缩机，承压板长宽均为295 mm，板厚10 mm。该竖向加载系统的施压范围为0～200 kPa。水平加载系统则选用连接拉力传感器的拉压电机，其可以给被测物品施加0～7 mm/min的定加速度[19]。该套设备应配备有直剪、拉拔2种试验箱，其运行状态如图1所示。由图1可知，直剪试验箱由下直剪小车和上直剪箱组成，被测物体在试验中被固定于下直剪小车上。上直剪箱的侧面中央开口、内径尺寸分别为200 mm×50 mm、320 mm×320 mm×160 mm。而拉拔试验箱的前后中央开口、内径尺寸分别为300 mm×10 mm、320 mm×320 mm×230 mm，其设置有供被测物取出的窄缝，试验时被测物，即筋材需要水平铺设在与窄缝等高位置处。另外，2种试验箱的开口处内侧均应安装厚10 mm的高强度玻璃，用于研究者拍摄与观察被测物的受力变形过程[20-21]。

图1 直剪、拉拔试验箱的工作状态示意Fig.1 Working state diagram of direct shear and pull-out test box

1.2 材料选用

试验中涉及的材料有尾矿填料、土工合成材料，其中尾矿砂填料从国内某土建材料供应商处取得，材料含水率3.80%、重度17.5 kN/m3、变形模量31、泊松比0.25、黏聚力1、内摩擦角33.5°。该尾矿砂填料的颗粒级配曲线如图2所示。

结合图2分析可知，该尾矿填料颗粒粒径在1.18～0.60 mm、0.6～0.3 mm、0.30～0.15 mm、0.150～0.075 mm、小于0.075 mm范围的质量比例分别为6.95%、30.64%、41.77%、13.82%、4.61%，则该尾矿砂材料的限制粒径、中值粒径、有效粒径分别为0.31、0.18、0.11 mm。

图2 尾矿砂填料的级配曲线Fig.2 Grading curve of tailings sand filler

根据以上数据可计算出，尾矿颗粒的曲率系数为1.2，处于1～3，不均匀系数为3.1<5.0，数据证明，所选尾矿填料符合要求。

再看试验所用的土工合成材料，考虑到加筋工程对土工合成材料的性能要求，该试验中选用国内某土建材料供应商提供的Paragrid单向聚酯纤维纤塑土工格栅、HDPE-TGDG100高密度聚乙烯土工格栅2种材料。

(1)HDPE-TGDG100高密度聚乙烯土工格栅。纵向抗拉强度≥100 kN/m；纵向2%伸长率时的拉伸强度29 kN/m；纵向5%伸长率时的拉伸强度55 kN/m；纵向标称伸长率≤10%；屈服伸长率≤12%；极限蠕变强度39 kN/m；炭黑含量≥2%。

(2)Paragrid 单向聚酯纤维纤塑土工格栅。纵向抗拉强度≥200 kN/m；纵向2%伸长率时的拉伸强度≥42 kN/m；纵向5%伸长率时的拉伸强度≥106 kN/m；纵向标称伸长率≤9%；连接点极限分离力≥300 N；纵向网孔净空尺寸400～450 mm；横向网孔净空尺寸40～45 mm。

结合(GB/T 50290—2014)《土工合成材料应用技术规范》对应内容可知，该试验所选用的2种土工合成材料均符合国家质量标准，可以用于试验。

1.3 力学试验方案设计

设计该土工格栅加筋尾矿坝界面力学试验方案之前，需要先阐述清楚方案所依据的直剪与拉拔试验原理。业内常用界面似摩擦系数来表达筋土之间的界面作用特性，其计算方法见式(1)

(1)

式中，τp为直剪或拉拔时的界面摩擦强度；σn为对应的法向应力。即界面似摩擦系数f可以由界面摩擦强度与对应法向应力的比值求得。

再分析式(1)中界面摩擦强度τp的计算方式，试验过程中，当土工格栅快要被拉拔出来时，设定其上表面与下表面的剪应力是均匀分布在表面上的，而且该剪应力满足平衡条件，则界面摩擦强度τp可通过式(2)计算得到。

(2)

式中，Td1、Td2分别为筋材受到的最大剪切力与最大拉拔力；Aif为筋材埋入试验箱的总面积大小，经测量计算得出其值为0.09 m2。

在不同的法向应力作用之下进行多次直剪与拉拔试验，统计试验数据，即可整理绘制出界面摩擦强度τp与对应法向应力σn的关系曲线，对该曲线进行线性拟合，即可确定出似摩擦角φif和似黏聚力cif，前者可通过线性拟合回归方程的斜率的反正切函数求得，后者即为线性拟合回归方程的函数形式对应截距大小。此两者被作为直剪、拉拔的界面强度指标使用。试验中，采用分层压实法进行装砂，以确保各组试验中尾矿砂的密实度相同。另外，在拉拔试验中，试验箱的两侧应均匀涂上润滑油来降低整个过程中的尺寸效应造成的数据误差。最后，为简化试验流程和控制变量，在直剪试验与拉拔试验中，加载速度均保持一致，为2 mm/min。每组试验结束时，操作设备系统记录保存下来被测物体在整个过程中出现的最大拉拔力与最大剪切力，用于后续的分析与图表绘制。

该试验采用Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅2种材料，分别使之处于40、30、20、10 kPa的法向应力状态，进行直剪与拉拔试验，共计需要进行16组试验，具体各组方案见表1。

由表1可知，为提高每类试验的数据可靠性，每组均需根据其试验条件进行1～3组平行试验，取各平行试验的指标均值作为该组试验指标的结果。

2 力学试验结果分析

2.1 直剪试验结果分析

按照第1章设计的土木格栅加筋尾矿坝力学试验方案进行试验后，统计整理数据，下面首先分析各法应力下Paragrid格栅与HDPE-TGDG100格栅的直剪试验结果数据，如图3所示。

表1 土工格栅加筋尾矿坝的界面力学试验方案Tab.1 Interface mechanics test scheme of geogrid reinforced tailings dam

图3 直剪试验位移与剪切力曲线统计Fig.3 Statistics of displacement and shear force curve of direct shear test

由图3可知，整体上看，Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅与尾矿材料的直剪试验曲线走势变化大体相同，剪切力均是先随剪切位移增加而快速增长，达到峰值后，由于材料内部结构有所破坏，剪切力随位移的继续增加有小幅降低，但同等法应力条件下，Paragrid格栅剪应力峰值更大、达到剪应力峰值时的位移整体更小。具体来看，Paragrid格栅与HDPE-TGDG100格栅在10、20、30、40 kPa法应力下峰值剪切力分别在1.13、1.62、2.28、2.79 kN与0.77、1.24、1.53、1.82 kN左右，两材料剪切力峰值分别在剪切位移8、11 mm左右时达到。

将各法向应力值与对应的最大剪切力代入式(1)、式(2)中，即可得到多组数据点，从而绘制得到直剪似摩擦系数、直剪界面摩擦强度与法向应力的拟合曲线，如图4所示。

图4 直剪似摩擦系数、直剪界面摩擦 强度与法向应力的关系Fig.4 Relationship between direct shear quasi friction coefficient，direct shear interface friction strength and normal stress

观察图4(a)可知，f与σa呈现负相关关系，Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅的取值范围分别为0.75～1.34、0.51～0.83，同等数值情况下，前者的比后者大35%左右。观察图4(b)可知，Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅的τp与σn有明显的线性相关性，其线性方程拟合的相关系数均大于0.9，拟合效果优良。结合摩尔—库仑强度准则可知，Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅的似摩擦角分别为29.48°、21.02°，似黏聚力分别为7.35、4.76 kPa，前者的似摩擦角、似黏聚力分别比后者高40.25%、54.41%。

2.2 拉拔试验结果分析

再分析各法应力下Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅与尾矿的拉拔试验结果数据，整理后如图5所示。

图5 拉拔试验位移与拉拔力曲线统计Fig.5 Curve statistics of displacement and pulling force in pulling test

观察图5可知，Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅的拉拔力均随拉拔位移增大而增长，但前者拉拔位移达到10 mm左右时，拉拔力趋于稳定，后者在位移达到6 mm左右后，拉拔力有一定幅度降低。然后，与直剪试验类似，将各法向应力值与对应最大拉拔力代入式(1)、(2)之中，再对得出数据进行同样处理，可以得到，Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅的拉拔似摩擦系数分别为0.56～0.97、0.52～0.91，似摩擦角分别为20.84°、19.93°，似黏聚力分别为6.25、5.97 kPa，且前者的似摩擦角、似黏聚力分别比后者高4.57%、4.69%。

综合2.1、2.2节的分析结果可知，在直剪和拉拔试验中，HDPE-TGDG100格栅与尾矿的界面力学指标，即似摩擦角与似黏聚力均小于Paragrid格栅与尾矿料，试验证明，采用Paragrid格栅来加筋尾矿能取得更好的应用效果。

3 结论

针对尾矿坝加筋处理的土工材料选用问题，该研究选用较为常用的Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅作为试验土工材料，研究了两者与尾矿坝的界面力学特性，并设计了一个基于土工材料的尾矿坝加筋界面力学对比试验。结果显示，直剪试验中，Paragrid格栅与HDPE-TGDG100格栅的似摩擦角分别为29.48°、21.02°，似黏聚力分别为7.35、4.76 kPa，前者的似摩擦角、似黏聚力分别比后者高40.25%、54.41%。拉拔试验中，Paragrid格栅、HDPE-TGDG100格栅的似摩擦角分别为20.84°、19.93°，似黏聚力分别为6.25、5.97 kPa，且前者的似摩擦角、似黏聚力分别比后者高4.57%、4.69%。

数据表明，Paragrid格栅力学性能良好，其在直剪和拉拔试验中的界面力学指标数值均大于HDPE-TGDG100格栅的对应值，采用Paragrid格栅来对尾矿坝进行加筋处理能取得更好的应用效果。由于个人精力限制，该研究在Paragrid格栅的网格尺寸方面涉及较少，这也是后续研究需要考虑的方向。