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    格賓網加筋煤矸石的直剪試驗研究

    時間:2017-02-13 14:05:58 | 來源:晟江格賓網 | 作者:晟江格賓網 575

    [摘 要]以格賓網為筋材,以不同壓實度的煤矸石為填料,進行了加筋煤矸石的直剪試驗,獲得了不同壓實度煤矸石與格賓網間的直剪摩擦系數。試驗結果表明: 煤矸石與格賓網的直剪剪應力和位移的關系為非線性,剪應力峰值隨法向應力的增加而增大,直剪試驗曲線呈穩態型。格賓網與煤矸石的直剪界面強度隨煤矸石壓實度的增加而增大,符合莫爾庫侖強度型; 格賓網與煤矸石間有較好的拉拔摩擦特性,直剪摩擦系數大于 1; 加筋格賓網后,煤矸石的直剪強度得到了提高,主要是通過提高內摩擦角來實現的。

    1、概述:
        煤矸石是煤炭生產加工過程中產生的廢棄物,是我國最大的固體廢棄物源。目前我國煤矸石已累計堆存了約 45 億 t,每年還會新產生煤矸石 3 ~ 3. 5億 t。煤矸石的大量堆積不僅會占用大量土地,而且會污染大氣和水體,對礦區的生態環境造成極大的破壞 。國內對煤矸石綜合利用主要有資源回收利用和工程利用兩種途徑,前者需要將混合排放的煤矸石進行復選,考慮到復選的成本,對我國的煤矸石進行復選利用很不經濟。因此,我國現存的絕大多數煤矸石更適合于用作公路、鐵路填料。目前已有很多學者對煤矸石的工程特性進行了研究,一些研究成果也得到了成功應用 。
        加筋土技術 是上世紀六十年代由法國工程師 Henri Vidal 提出,具有強度高、適應性廣、成低本、施工簡便等諸多優點,目前在公路、鐵路、水利、市政等領域得到廣泛應。一些學者和工程技術人員嘗試著將加筋土技術與煤矸石相結合,修建了加筋煤矸石擋墻,取得顯著的經濟、社會和環境效益 。
        在加筋土工程中,筋土界面摩擦特性是一個重要內容,關系到加筋土結構的筋材布設和穩定性驗算。目前對煤矸石與筋材的界面摩擦特性研究還不多見。本文以煤矸石為填料,經編土工格柵為筋材,通過不同壓實度煤矸石與經編土工格柵的直剪和拉拔試驗,研究了煤矸石與經編土工格柵間的界面摩擦特性。

    2、試驗材料:
    2. 1、格賓網:
        格賓網( 雙絞合六邊形鋼絲網) 是由馬克菲爾 公司生產的一種新型的土工合成材料,近年來在國 圖 1 格賓網內有較多的應用。試驗用格賓網的型號為 ZNP8* Figure 1 gabion mesh10 /2. 7,由低碳鋼絲經機器編織而成,鋼絲直徑為 2. 7 mm,表面采用了鍍鋅覆塑的防腐工藝,有高強 度、無蠕變、耐久性好等特點,5% 延伸率時的強度為 21. 2 kN /m,極限強度為 21. 2 kN /m。圖 1 為根據 剪切盒尺寸裁剪后的試樣。
     
    2. 2 、煤矸石:
       試驗用填料為取自益婁高速公路施工現場的煤 矸石。將煤矸石從現場取回后,進行了常規土工試 驗,獲得了煤矸石的顆粒級配和主要物理參數,見圖 圖 2 試驗用煤矸石的顆粒級配
        表 1 試驗用煤矸石的主要物理特性    
        Table 1  the characteristics of coal gangue    
               
    液限 ωL  20 /% 塑限 ωp /% 塑性指數 Ip 自由膨脹率 δef /% 最佳含水量 ωop /% 最大干密度 ρdmax / ( g·cm  3 )
    32. 8 20. 9 11. 9 20 7. 0   2. 06

    3、試驗方法:
        試驗以長沙亞星數控技術有限公司生產的TGH - 2C 微機土工合成材料直剪拉拔摩擦試驗系統進行。該系統采用電子傳感器技術、步進電機減速傳動技術、機械杠桿砝碼( 恒壓) 加載技術、計算機信息處理技術開發的全自動試驗設備,可用于土工合成材料直剪摩擦和拉拔摩擦試驗。
        直剪試驗的剪切盒為面積遞減型,上下剪切盒的尺寸均為 300 mm × 300 mm,制樣時先按設計壓實度用煤矸石將下剪切盒填至剪切面形成土基底,再在土基座上鋪設并固定試驗土工布,然后將上剪切盒按設計壓實度用煤矸石填滿。試驗按《試驗規
     
    [7] 進行,控制剪切速度為 1 mm /min。
    程》
     
    4、試驗結果與分析:
    4. 1、格賓網加筋煤矸石的直剪試驗:

        先 后 進 行 4 種 法 向 應 力 ( 50、100、150、200 kPa) 作用下、3 種壓實度( 85% 、90% 、93% ) 煤矸石與格賓網的直剪試驗。圖 3 和圖 4 分別為試樣
    圖 1	格賓網

    圖 1 格賓網
    圖 2	試驗用煤矸石的顆粒級配
    圖 2 試驗用煤矸石的顆粒級配
    圖3試樣制作  圖4試驗形成的剪切面
    圖3試樣制作  圖4試驗形成的剪切面
    制作的情形和試驗形成的剪切面。
        試驗獲得了 3 種壓實度( 85% 、90% 、93% ) 的煤矸石與格賓網的直剪剪應力 - 位移曲線。圖 5 ~圖 7 為各工況的直剪剪應力 - 位移曲線和相應的剪應力 - 法向應力之間的關系曲線。對比分析可知:
        不同法向應力作用下格賓網與不同壓實度煤矸石間的直剪位移與剪應力曲線變化趨勢大致相同: 當剪切位移達到一定值時,曲線變得很平緩,且大部分都出現了剪應力峰值。隨著法向應力的增大,抗剪強度達到峰值所需要的位移增大; 但隨著壓實度的增大,相同法向應力下,抗剪強度達到峰值所需要的位移減小。
    圖 5  格賓網與煤矸石的直剪試驗的剪應力 —位移曲線 圖 5  格賓網與煤矸石的直剪試驗的剪應力 —位移曲線
       三種壓實度煤矸石加筋格賓網直剪的剪應力峰值與法向應下的關系如圖 6 所示。可見,煤矸石加筋格賓網的界面強度為莫爾庫侖型,可通過線性擬合獲得其界面強度參數,如表 2 所示。分析可知:界面強度隨壓實度的增加非線性增大,但兩個參數的變化趨勢有所不同。界面粘聚力的增幅在壓實度從 85% 增加到 90% 時較壓實度由 90% 增加到 93%時大( 見圖 7) ,而界面摩擦角的變化剛好相反,其增度在壓實度由 90% 增加到 93% 時大( 見圖 8) 。
    圖 6	剪應力峰值 —法向應力的關系

    圖 6 剪應力峰值 —法向應力的關系

    圖 7	界面粘聚力與壓實度的關系

    圖 7 界面粘聚力與壓實度的關系
      表 2 直剪試驗結果  
    Table 2  the results of direct shear tests
         
    壓實度 /% 界面粘聚力 /kPa 界面摩擦角 / ( °)
           
    85   22. 76 41. 68
    90   25. 94 42. 11
    93   26. 32 43. 88
    圖 8	界面摩擦角與壓實度的關系
    圖 8 界面摩擦角與壓實度的關系
    筋土界面摩擦特性是加筋土工程設計的重要參數,通常采用筋土界面摩擦系數( 似摩擦系數) f 來表達。筋土界面摩擦系數( 似摩擦系數) f 的計算方法為:
    τsg ( 1)
    f =
    σn
    式中: τsg 為筋土界面剪切強度,σn 為法向應力。
       根據式( 1) 可計算各工況下煤矸石加筋格賓網的筋土界面摩擦系數。3 種壓實度煤矸石的筋土界面摩擦系數與法向應力的關系見圖 9。分析可知:
       煤矸石與格賓網間有著良好的界面摩擦特性,各工況下的界面摩擦系數均大于 1; 除 93% 壓實度、150 kPa 條件外,同一壓實度時低法向應下的界面摩擦系數大于高法向應下的界面摩擦系數,即隨法向應力增大非線性減小。
    圖 9	不同法向壓力下的摩擦系數  Figure 9	the friction coefficient under different normal stress

    圖 9 不同法向壓力下的摩擦系數
     
    Figure 9 the friction coefficient under different normal stress

    4. 2、未加筋煤矸石的直剪試驗為了便于對比分析,試驗時采用同樣的方法對不加土工合成材料、壓實度為 90% 素煤矸石也進行直剪試驗,試驗直剪位移 - 剪應力的曲線見圖 10。由 4 個法向應力下的剪應力峰值與法向應力的關系可獲得 90% 壓實度煤矸石剪切強度為 css =25. 1 kPa,φss = 36. 09°。
    圖 10	素煤矸石的直剪剪應力 —位移曲線
    圖 10 素煤矸石的直剪剪應力 —位移曲線
    與相同壓實度的加筋煤矸石直剪結果對比可知,在煤矸石中設置雙絞合鋼絲后,剪切面的抗剪強度得到了提高,其中界面粘聚力增加 3. 35% ,界面摩擦角增加 16. 68% ,界面摩擦角的增大幅度遠大于界面粘聚力的增幅。說明,格賓網主要是通過加筋位剪切面上下方填料間的咬合嵌固作用來發揮作用的。
     
    5、結論:
     
    ① 煤矸石與格賓網的直剪剪應力和位移的關系為非線性,剪應力峰值隨法向應力的增加而增大,直剪試驗曲線呈穩態型。
     
    ② 試驗獲得了不同壓實度煤矸石與格賓網間的界面強度參數。筋土界面強度隨煤矸石壓實度的增加而增大,但界面粘聚力和界面摩擦角的變化趨勢有所不同。
     
    ③ 煤矸石與格賓網間有著良好的界面摩擦特性,各工況下的界面摩擦系數均大于 1; 界面摩擦系數隨法向應力增大非線性減小 。
     
    ④ 加筋格賓網后,煤矸石的直剪強度得到提高,其機理主要是加強了位剪切面上下方填料間的咬合嵌固作用。




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