煤矸石-土工格栅-砂层状体系的界面摩擦特性试验研究.pdf

90Industrial Construction Vol. 44， No. 4， 2014工业建筑2014 年第 44 卷第 4 期 煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的界面 摩擦特性试验研究 * 刘泽雷勇 湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201 摘要结合工程实践提出煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的加筋土结构， 通过直剪试验和拉拔试验， 测试不同法向应力下煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的筋土界面特性， 并与常规加筋土结构的筋土界面特 性进行对比。研究表明 层状加筋体系具与有常规加筋土体系相似的界面特性， 但由于砂的充填作用， 提高 了加筋层的密实度， 增大了筋土接触面， 使筋土界面强度更高， 且界面强度发挥更早; 层状加筋土体系还可以 为加筋煤矸石提供排水通道， 避免煤矸石浸水软化。 关键词煤矸石;直剪试验;拉拔试验;界面特性 DOI 10. 13204/j． gyjz201404020 TEST STUDY ON THE INTEＲFACE FＲICTION CHAＲACTEＲISTICS OF COAL GANGUE- GEOGＲID- SAND LAYEＲED SYSTEM Liu ZeLei Yong School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China AbstractBased on the engineering practice，a new type reinforced soil composed of coal gangue- geogrid- sand was put forward． By direct shear tests and pull- out tests，the interface characteristics of the layered structure in different normal stress were tested and compared with that of common type of geogrid reinforced coal gangue． The results showed that the interface properties of the layered system were similar to those of a common reinforced earth system． Due to filling effect of sand，the compactness of reinforced layer was improved and the interface between filling and reinforcement was increased，the interface strength was higher and played earlier．Moreover，the new layered reinforced system could provide drainage channels for reinforced coal gangue that could avoid softening of coal gangue． Keywordscoal gangue;direct shear test;pullout test;interfacial property * 国家自然科学基金项目 51208195 ; 浙江省交通科技项目 2013H27- 4 ; 湖南省教育厅科研项目 13C311 ; 湖南科技大学博士 科研启动基金项目 E51360 。 第一作者 刘泽， 男， 1975 年出生， 博士， 讲师。 电子信箱 csuzeliu163． com 收稿日期 2013 －08 －13 煤矸石的综合利用是近年来的热门课题， 目前 已开发有多种利用途径， 总体上可分为资源回收利 用和工程利用两类， 前者需要将混合排放的煤矸石 进行复选。考虑到复选的成本， 对大多数煤矿的煤 矸石而言， 复选后再利用的经济性并不高。随着我 国交通建设的蓬勃发展， 煤矸石在交通道路中的应 用表现出了巨大的社会经济效益［1 ］。特别在山区 道路建设中， 采用煤矸石作为路基填料， 不仅可以消 除矸石山带的安全隐患， 而且可以减少取土借方造 成的生态破坏， 节约山区宝贵而有限的耕地资源。 为了保证煤矸石路用的可靠性， 国内外的学者 对煤矸石的工程特性进行了深入的研究。姜振泉、 刘松玉等通过多种试验对煤矸石的强度特性进行研 究 ［2 －4 ］， 结果表明， 煤矸石虽有一定的缺陷但可以满 足路用的要求。贺建清通过试验发现掺加一定黏土 后煤矸石的压缩模量、 加州承载比值 CBＲ、 抗剪强 度等均有明显改善， 并在济东高速公路进行了工程 应用试验 ［5 ］。刘春荣、 张清峰等还开展了煤矸石路 用的模型试验 ［6 －8 ］。近年来， 为改善煤矸石路用时 的性能， 一些学者将加筋土技术应用到煤矸石中。 朱海龙通过大三轴试验发现加筋土工格栅对煤矸石 的强度有显著影响 ［9 ］; 黄向京、 彭立等通过直剪试 验和拉拔试验对煤矸石与土工布、 格宾网等筋材间 的界面特性进行了研究 ［10 －11 ］; 陈桂萍将煤矸石作为 煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的界面摩擦特性试验研究 刘泽， 等91 加筋土挡墙填料进行了工程应用［12 ］。 级配不良、 水稳定性差是煤矸石的主要工程缺 陷， 使得煤矸石难以达到目标压实度， 同时浸水后其 强度会降低， 与土工合成材料间的界面摩擦性能也会 下降。若在筋材的上方或下方设置一层中粗砂， 构成 煤矸石 －筋材 －砂复合体系， 充分利用砂的排水作用 和充填作用， 不仅可以减少煤矸石的浸水软化程度， 提高筋材与其周围填料的接触面， 增大界面摩擦特 性， 还可以减小煤矸石尖锐棱角对筋材的损伤， 发挥 保护作用。但这个复合加筋结构体系的界面特性如 何， 目前还缺乏相关的试验和理论研究。 本研究以煤矸石为填料， 土工格栅为筋材， 设计 并制作了煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系， 通过直 剪和拉拔试验， 对新型加筋结构体系的界面摩擦特 性展开研究。 1试验材料及方法 1. 1试验材料 试验用土工格栅为聚酯经编土工格栅， 型号为 MacGrid WG 20， 具有抗酸碱、 耐腐蚀、 低蠕变和高强 度等特点， 其力学性能见表 1。裁剪后的土工格栅 试样如图 1 所示。煤矸石取自湖南省益娄高速公路 施工现场。煤矸石从现场取回后， 进行了常规土工 试验， 获取了煤矸石的主要物理参数和颗粒级配， 见 表 2 和图 2， 煤矸石的不均匀系数 Cu为 30. 8， 曲率 系数 Cc为 1. 54。试验用砂采用标准砂。 表 1土工格栅的力学参数 Table 1Mechanic of parameters of geogrid 极限抗拉强度/ kN m －1 纵向横向 5延伸率 下最小抗拉 强度/ kN m －1 纵向极 限延伸率/ 纵向长期容 许抗拉强度/ kN m －1 ≥200 ≥30 ≥103＜12 ≥108 图 1经编土工格栅试样 Fig．1Sample of geogrid 图 2试验用煤矸石的颗粒级配 Fig．2The particle size distribution of coal gangue 表 2试验用煤矸石的主要物理特性 Table 2Physical parameters of coal gangue 液限 wL/ 塑限 wp/ 塑性指数 Ip/自由膨胀率 δef/ 最佳含水量 wop/ 最大干密度 ρdmax/ g cm －3 32. 820. 911. 9207. 02. 06 1. 2试验方法 试验采用长沙亚星数控技术有限公司生产的 TGH － 2C 微机土工合成材料直剪拉拔摩擦试验系 统。直剪试验的剪切盒为面积递减型 图 3 ， 上、 下 剪切盒的尺寸均为 300 mm 300 mm。制样时， 先 用标准砂将下剪切盒填至剪切面形成土基底， 再在 土基座上铺设并固定试验土工格栅， 然后将上剪切 盒用煤矸石按指定压实系数填满 图 3 。拉拔试验 的模型盒为整体式， 横截面尺寸 为 300 mm 300 mm， 在模型盒侧壁的一半高度处开有一条5 mm 宽的横向缝隙以便将土工格栅拔出。制样时， 先按 设计压实系数将模型盒用标准砂充填至横向缝隙所 在位置， 再铺设土工格栅， 然后将模型盒的上部用煤 矸石填满， 如图 4 所示。试样制作时， 控制煤矸石与 1压板; 2上剪切盒; 3煤矸石; 4土工格栅; 5砂; 6下剪切盒 图 3直剪试验 Fig．3Direct shear test 标准砂的压实系数均为 0. 90。试验按 JTG E50 2006公路工程土工合成材料试验规程 ［7 ］进行， 控 92工业建筑2014 年第 44 卷第 4 期 制剪切速度为 1 mm/min。先后进行不同竖向应力 50， 100， 150， 200 kPa 作用下煤矸石 － 土工格栅 － 砂的直剪和拉拔试验。为了对比， 同时还进行不加 砂的煤矸石与土工格栅直剪与拉拔试验。图 5 分别 为直剪试验时的试样制作和试验后形成的剪切面。 1压板; 2模型箱; 3煤矸石; 4土工格栅; 5砂 图 4拉拔试验 Fig． 4Pullout test a直剪前试件交界面;b直剪后剪切面 图 5直剪试验的情形 Fig．5The situation of direct shear test 2试验结果及分析 2. 1直剪试验结果及分析 图 6 为煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状加筋体系和 常规加筋体系 煤矸石 － 土工格栅 的直剪剪应 力 － 位移曲线。对比分析可知 两种加筋结构的直 剪试验曲线有相同的趋势， 各级法向应力下的直剪 剪切应力均随位移的增加而增大， 当筋、 土相对位移 达到一定值后， 剪应力趋于稳定， 大部分工况下都出 现了剪应力峰值。但相同法向应力下煤矸石 － 土工 格栅 － 砂体系的剪应力在达到稳定之前所需要的位 移较常规加筋体系小， 试验曲线的初始刚度大。主 要原因在于煤矸石的级配较差， 粗颗粒较多， 细颗粒 较少， 筋土间咬合作用明显， 但存在较多的空隙， 在 剪应力作用下颗粒易产生旋转、 破碎作用。当筋材 下方为粒径较小的砂时， 煤矸石与砂可以相互嵌入， 细砂有效填充了粗颗粒煤矸石之间的空隙， 使筋、 土 界面处的密实度增大， 增大了筋、 土间的接触面积， 使筋、 土间的界面强度发挥更早。 a煤矸石 － 土工格栅 － 砂;b煤矸石 － 土工格栅 150 kPa; 2100 kPa; 3150 kPa; 4200 kPa 图 6直剪试验的剪应力与位移曲线 Fig．6The shear stress- displacement curve of direct shear test 图7 为两种加筋体系的直剪剪应力峰值与法向 压应力的关系。两种加筋体系的界面抗剪强度均符 合莫尔 －库伦强度模型， 由最小二乘法获得的界面强 度值如表3 所示。由表3 可见 煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的界面黏聚力较常规加筋体系有明显增 大， 增加幅度达62. 5， 但界面摩擦角相差不大。 1煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系， τ 0. 958 7 σn19. 469; 2煤矸石 － 土工格栅体系， τ 0. 949 9 σn8. 900 8 图 7剪应力与法向压应力的关系曲线 Fig．7The relationship of shear stress and normal stress 筋土界面摩擦系数 f 一般为 f τsg σn 1 式中 τsg为筋土界面剪切强度; σn为法向压应力。 煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的界面摩擦特性试验研究 刘泽， 等93 表 3试验结果 Table 3The results of tests 加筋结构 直剪试验拉拔试验 界面黏 聚力/ kPa 界面摩 擦角/ 界面黏 聚力/ kPa 界面摩 擦角/ 煤矸石 － 土工格栅 － 砂19. 4743. 815. 2833. 99 煤矸石 － 土工格栅8. 943. 552. 233. 59 4 种法向压应力下两种加筋体系的筋土直剪界面 摩擦系数见图8。两种加筋体系的直剪界面摩擦系数 均在50 kPa 法向压应力时最大， 并随法向压应力增大 而减小， 但煤矸石 －土工格栅 －砂层状体系在200 kPa 法向压应力时又有所增大。4 个法向压应力下两种加 筋体系的直剪界面摩擦系数均值分别为1.10 和1.04， 层状体系的摩擦系数较普通加筋体系稍高。 1煤矸石 － 土工格栅 － 砂; 2煤矸石 － 土工格栅 图 8直剪摩擦系数对比 Fig．8The contrast of direct shear friction coefficient 可见， 在土工格栅加筋煤矸石中设置砂性保护 层或排水层可以使筋材的作用更早发挥， 并提高筋 土界面的黏聚力， 但对直剪界面摩擦角和摩擦系数 的影响较小。 2. 2拉拔试验结果及分析 图9 为两种加筋体系的拉拔试验曲线。分析可 知， 两种加筋体系的拉拔试验曲线的发展趋势基本相 同， 各法向压应力的拉拔剪应力均随拉拔位移的增大 而增大， 当位移达到一定值后， 剪应力达到峰值， 随后 剪应力出现减小并逐渐稳定， 试验曲线呈软化型。但 两种加筋体的试验曲线也表现了一些差别 各法向压 应力下煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的剪应力达 到峰值所需位移基本相同， 约为 7 cm; 而煤矸石 － 土 工格栅加筋体系各法向压应力下剪应力峰值所对应 的位移随法向压应力的增大而减小。 图 10 为两种加筋体系的拉拔试验剪应力峰值 与法向压应力的关系。由最小二乘法可获得拉拔试 验时的界面强度参数， 见表 3。与直剪试验类似， 煤 矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系的拉拔界面黏聚力较 煤矸石 － 土工格栅体系有明显增大， 增加幅度达 130. 9， 但两者的界面摩擦角相差不大。 a煤矸石 － 土工格栅 － 砂;b煤矸石 － 土工格栅 150 kPa; 2100 kPa; 3150 kPa; 4200 kPa 图 9拉拔试验曲线 Fig．9The shear stress- displacement curve of pullout test 1煤矸石 － 土工格栅 － 砂， τ 0. 673 7σn5. 283 1; 2煤矸石 － 土工格栅， τ 0. 663 6σn2. 204 图 10拉拔剪应力与法向压应力的关系曲线 Fig．10The relationship of shear stress and normal stress 1煤矸石 － 土工格栅 － 砂; 2煤矸石 － 土工格栅 图 11拉拔摩擦系数对比 Fig．11The contrast of pullout friction coefficient 图 11 为两种加筋体系筋土拉拔界面摩擦系数 的分布曲线。两者均随法向压应力的增大稍有增 大， 在150 kPa 时达到最大后又稍有减小。4 种法向 压应力下， 两种加筋体系的拉拔界面摩擦系数均值 分别为 0. 72 和 0. 68。 可见， 在土工格栅加筋煤矸石中设置砂性保护 层或排水层可以提高筋土界面的黏聚力， 但对界面 摩擦角的影响较小。 下转第 134 页 134工业建筑2014 年第 44 卷第 4 期 则的轴压短柱承载力理论计算值比较， 见表 3。 由表 3 可知， 未加固试件试验值与理论计算值 的相对偏差小于 5， 平均相对偏差为 －1. 06， 验 证了理论计算的准确性。用 BFＲP 加固的试件比理 论计算值小 14. 3 ～24. 2， 这主要是由于在试件 加载过程中钢管端部先发生断裂使得 BFＲP 丧失部 分侧向约束力， 导致试件承载能力偏低。试验结果 显示， BFＲP 加固试件比未加固试件的承载力提高 了 17. 3， 说明 BFＲP 加固能较大幅度提高钢管混 凝土结构的承载力。 表 3轴压承载力试验值与计算值对比 Table 3Comparisons of axial compressive capacity between experimental and analytical results 试件编号 轴压承载力/kN 试验值计算值 相对偏差/ GG －11 2461 198－4. 01 GG －21 2221 198－2. 00 GG －31 1641 1982. 84 B2 －11 4791 72614. 30 B2 －21 4691 72614. 90 B2 －31 4261 72617. 40 B2 －41 3081 72624. 20 3结语 对 3 个钢管混凝土试件和 4 个用 BFＲP 加固的 钢管混凝土试件进行轴压试验研究， 得到的荷载 － 位移曲线和荷载 － 应变曲线均反映了加固试件的受 压过程分为 4 个阶段 弹性阶段、 弹塑性阶段、 塑性 强化阶段和破坏阶段。试件加固后其承载力提高了 17. 3， 并且增加了试件延性。未加固试件破坏形 态是钢管中部屈曲， 核心混凝土被压碎。BFＲP 加 固试件的破坏形态是 BFＲP 断裂后钢管屈曲， 核心 混凝土被压碎。试验承载力与理论值进行比较， 未 加固试件的平均相对偏差为 －1. 06， 验证了理论 计算的准确性。而 BFＲP 加固试件比未加固试件的 承载力提高了 17. 3， 说明 BFＲP 加固能较大幅度 提高钢管混凝土结构的承载力。 参考文献 ［ 1］韩林海． 钢管混凝土结构 理论与实践［M］． 2 版． 北京 科 学出版社， 2007． ［ 2］Sakino K，Nakahara H，Morino S． Behavior of Centrally Loaded Concrete- Filled Steel- TubeShortColumns ［J］．Journalof Structural Engineering， 2004， 130 2 180 －188． ［ 3］韩林海． 钢管混凝土结构的理论与实践［J］． 工程力学， 2001 sup 226 －251． ［ 4］李竹岩． SCCC 组合柱轴压力学性能研究［D］． 沈阳 沈阳建筑 大学， 2012． ［ 5］Zhai C L，Wei Y，Li G F． Design and Application of FＲP- Steel Composite Tube Concrete Piers［J］ ．Highway，2012，1 19 83 －87． ［ 6］Karimi K，Tait M J，El- Dakhakhni W W． Analytical Modeling and Axial Load Design of a Novel FＲP- Encased Steel- Concrete CompositeColumnforVariousSlendernessＲatios ［J］． Engineering Structures， 2013， 46 526 －534． ［ 7］赵鑫． 钢管混凝土组合柱新技术研究［D］． 沈阳 沈阳建筑大 学， 2012． ［ 8］黄根来，孙志杰，王明超， 等． 玄武岩纤维及其复合材料基本力 学性能实验研究［ J］ ． 玻璃钢/复合材料， 2006， 24 1 24 －27． ［ 9］李辉． FＲP 加固钢管混凝土圆柱轴压性能研究［D］． 广州 广 东工业大学， 2013． 上接第 93 页 3结语 1 煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状加筋体系具与 有普通加筋土体系相似的界面特性， 直剪时的剪应 力 － 位移曲线为强化型， 拉拔时为软化型。 2 煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状加筋体系可以 使筋土界面强度发挥早， 提高筋土界面的黏聚力和 界面摩擦系数， 但对界面摩擦角的影响不大。 3 煤矸石 － 土工格栅 － 砂层状体系既可以利 用煤矸石与土工格栅间良好的咬合嵌固作用， 又可 以充分发挥砂的充填效果和排水性， 改善加筋煤矸 石的筋土界面特性， 避免煤矸石浸水软化。 参考文献 ［ 1］邱钰， 缪林昌， 刘松玉． 煤矸石在道路建设中的应用研究现状 及实例［J］． 公路交通科技， 2002， 19 2 1 －5. ［ 2］姜振泉，赵道辉． 煤矸石固结压密性与颗粒级配缺陷关系研 究［J］． 中国矿业大学学报， 1999， 28 3 212 －216. ［ 3］刘松玉， 邱钰， 童立元， 等． 煤矸石的强度特征试验研究［J］． 岩 石力学与工程学报， 2006， 25 1 199 －205. ［ 4］刘松玉，童立元，邱钰， 等． 煤矸石颗粒破碎及其对工程力学 特性影响研究［J］． 岩土工程学报， 2005， 27 5 505 －510. ［ 5］贺建清， 靳明， 阳军生． 掺土煤矸石的路用工程力学特性及其 填筑技术研究［J］． 土木工程学报， 2008， 41 5 87 －93. ［ 6］刘春荣， 王东权， 朱玉晓． 矿产废料煤矸石作为路基填料的试 验研究［J］． 重庆交通学院学报， 2004， 23 5 52 －54. ［ 7］张清峰， 王东权． 煤矸石地基在强夯冲击荷载作用下的物理模型 试验研究 ［ J］ ．岩石力学与工程学报， 2013， 32 5 1049 －1056. ［ 8］张清峰，王东权． 强夯法加固煤矸石地基动应力模型试验研 究［J］． 岩土工程学报， 2012， 34 6 1142 －1147. ［ 9］朱海龙，邢义川，张爱军， 等． 加筋粗粒土强度的试验研究 ［J］． 中国水利水电科学研究院学报， 2013， 11 1 41 －47. ［ 10］ 黄向京，刘泽． 煤矸石与土工布的界面摩擦特性试验研究 ［J］． 公路工程， 2012， 37 4 50 －55. ［ 11］ 彭立，黄向京，刘泽． 格宾网加筋煤矸石的直剪试验研究 ［J］． 公路工程， 2012， 37 5 83 －86. ［ 12］ 陈桂萍． 煤矸石在加筋挡墙中的应用［J］． 四川建材，2003 6 53 －56.