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第 23 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 23(3)：426429 2004 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2004 2002 年 10 月 24 日收到初稿，2002 年 12 月 9 日收到修改稿。*高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目。作者 尹光志 简介：男，42 岁，博士，1982 年毕业于重庆大学采矿工程系，现任教授、博士生导师、院长、西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点试验室主任，主要从事矿业工程和岩土力学方面的教学与科研工作。E-mail：GZY。土工合成材料与细粒尾矿界面 作用特性的试验研究土工合成材料与细粒尾矿界面 作用特性的试验研究*尹光志1，2 张东明1，2 魏作安2，3 万 玲1 黄 滚1，2 (1重庆大学资源及环境科学学院 重庆 400044)(2重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点试验室 重庆 400044)(3南昌有色冶金设计研究院 南昌 330002)摘要摘要 以有色金属铜矿的细粒尾矿为加筋填料土，利用拉拔试验，研究土工合成材料(加筋带和土工格栅)在填料土不同密实度、含水量及垂直荷载作用下，土工合成材料与填料土的界面作用特性，以及细粒尾矿加筋的作用机理。关键词关键词 土力学，界面作用特性，细粒尾矿，土工合成材料，拉拔试验 分类号分类号 TD 824.7，TU 472 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000-6915(2004)03-0426-04 TESTING STUDY ON INTERACTION CHARACTERISTICS BETWEEN FINE GRAINED TAILINGS AND GEOSYNTHETICS Yin Guangzhi1，2，Zhang Dongming1，2，Wei Zuoan2，3，Wan Ling1，Huang Gun1，2(1College of Resource and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing 400044 China)(2Key Laboratory of Exploitation of Southwest Resources and Environmental Hazards Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044 China)(3Nanchang Engineering and Research Institute of Non-ferrous Metal，Nanchang 330002 China)Abstract Nonferrous copper ore tailing is used as reinforced filler soil in this paper.The interaction characteristics between fine-grained tailings and geosynthetics in different density，moisture content and vertical load are researched by pulling out test.At the same time，the reinforcement mechanism of fine-grained tailings is studied.Key words soil mechanics，interaction characteristics，fine grained tailings，geosynthetics，pulling out test 1 前前 言言 在加筋土工程中，土工合成材料与填料土的界面作用特性直接决定加筋土工程的稳定性，并且二者之间的界面作用特性是关键的技术指标1。国外许多学者利用直剪试验和拉拔试验研究土工合成材料与填料土的界面作用特性，填料土为粗砂、粘土和粉煤灰。国内许多学者利用直剪试验和拉拔试验研究了国产土工合成材料与填料土的界面作用特性，其填料土为粗砂、粘土和石灰粉煤灰1，2。尾矿是一种特殊的人工土石，它与一般工程上的砂土在颗粒组成、物理力学性质等方面存在很大差异，尤其是细粒尾矿差异更明显。国内外每年尾矿的堆积量在不断增加，而尾矿堆积坝主要是以水力冲填、自然沉积的方式形成，所以，如何改善尾第 23 卷 第 3 期 尹光志等.土工合成材料与细粒尾矿界面作用特性的试验研究 427 矿堆积坝的稳定性，提高堆积坝的高度，一直倍受关注。本文以细粒尾矿作为填料土，利用拉拔试验研究土工合成材料加筋带和土工格栅在填料土不同密实度、含水量及垂直荷载作用下，土工合成材料与填料土的界面作用特性及细粒尾矿加筋的作用机理。为把土工合成材料应用于细粒尾矿堆积坝中，以提高细粒尾矿堆积坝高度和稳定性作一些尝试。2 细粒尾矿的颗粒组成细粒尾矿的颗粒组成 一般尾矿以矿浆状态排放到尾矿库内，进行堆放处理；尾矿库通常利用有利地形，围筑堤坝，形成一定的容积，将尾矿排入其中；为此修筑的堤坝和尾矿堆积坝合而形成的坝体总称为尾矿坝。我国每年排弃的尾矿近 3108 t，需占地面积约 20 km2。土的性质取决于各种不同粒组的相对含量3。尾矿土与一般工程用土存在差异的根源主要是在颗粒组分上。粒度级配曲线是尾矿物理特性的另一种表达方式4。一般而言，尾矿平均粒径 dcp0.03 mm，粒径0.019 mm 的含量50%，+0.074 mm 的含量10%，+0.037 mm 的含量30%的尾矿称为细粒尾矿5。本次试验的填料土样(细粒尾矿)取自大红山铜矿龙都尾矿库。经测定，其平均粒径 dcp=0.025 mm0.03 mm，粒径0.019 mm 的含量为 54%50%，+0.074 mm 的含量为 3.50%10%，+0.037 mm 的含量为 20%30%，具体颗粒组成见表 1。该矿的全尾矿与入库细粒尾矿的颗粒组成曲线见图 1。表表 1 实际入库铜尾矿的粒径组成实际入库铜尾矿的粒径组成 Table 1 Actual sizes of fine grain tailings 粒径/mm 比例/%0.074 3.50 0.0740.037 16.50 0.0370.018 26.00 0.0180.01 28.00 0.01 26.00 由图 1 可算出，全尾矿的不均匀系数 Cu=5.15，曲率系数 Cc=1.21；细粒尾矿的不均匀系数 Cu=8.0，曲率系数 Cc=1.84，二者均属于级配良好的土。3 拉拔试验及结果拉拔试验及结果 3.1 试验原理试验原理 图 1 细粒尾矿组成粒径曲线 Fig.1 Curves of fine grain tailings size 拉拔试验能更好地反映加筋材料在填料中的实际工作状态6。如图 2，拉拔试验是对埋在填料土中的加筋材料(筋带或格栅等)施以拉拔力，将加筋材料从填料土中拔出或拔动，用以测定加筋材料与填料土之间的摩擦等界面作用特性。图 2 拉拔试验原理示意图 Fig.2 Principle of pulling out test 3.2 土工合成材料土工合成材料 土工合成材料为重庆永固实业有限公司生产的CATT 双向复合土工格栅和 CAT 复合拉筋带，材料的规格和性能指标见表 2，3。3.3 试验装置试验装置 拉拔试验装置：试验槽尺寸为 600 mm500 mm 300 mm(长宽高)，采用 10 mm 厚的钢板焊接而成；垂直荷载采用液压千斤顶加压；水平拉拔 表表 2 土工合成材料拉筋带的规格和性能指标土工合成材料拉筋带的规格和性能指标 Table 2 Type and technical indexes of geo-belt 型号 规格/mmmm破断拉力/kN 极限抗拉 强度/MPa 破断伸长率/%单位长度/mkg1CAT30015A301.55.0 110 3.0 15.0 施加拉力 Tf 施加正应力 v 试验槽 筋料 土样 428 岩石力学与工程学报 2004年 表表 3 土工合成材料土工格栅的规格和性能指标土工合成材料土工格栅的规格和性能指标 Table 3 Type and technical indexes of geo-grid 每延米拉伸 屈服力/kNm1 屈服伸 长率%2%伸长率时拉 伸力/kNm1 规格尺寸/mmmm 型号 纵向 横向 纵向 横向纵向 横向 网格筋带CATT30 30 30 3 3 27 27 120120201.5 采用经改装的AG-I250压力机(日本Autograph公司生产的，精度为 1m)施加，由计算机自动按设定的参数(移动速度、位移量、拉力等)进行控制和记录，可以连续施加拉力，试验装置如图 3。图 3 拉拔试验装置 Fig.3 Equipment of pulling out test 3.4 试验结果试验结果 试验中，拉拔速度为 2 mm/min，细粒尾矿含水状况为稍湿和很湿两种；垂直荷载v为 20，30，40，50 kPa 四种情况；加筋材料为筋带和格栅(2 纵 4 肋)两种。根据试验所得到的数据，按下面的公式(1)和(2)7计算土工合成材料与填料土(细粒尾矿)的似摩擦系数，计算结果见表 4。blTfvf*2=(1)式中：*f为似摩擦系数，fT为测得的加筋带被拔出或拔动的最大拉力(kN)，b为加筋带宽度(m)，l为加筋带在填料土中的埋置长度(m)，v为加筋带的法向压应力(kPa)。可由下式算得v：hp+=v (2)式中：p为填料上施加的法向压力在加筋材料上产生的法向压应力(kPa)，为加筋材料上的填料重度(kN/m3)，h为加筋材料上的填料高度(m)。与粘土、粗砂等填料土试验结果1相比，它们 表表 4 不同工况下的似摩擦系数值不同工况下的似摩擦系数值 Table 4 Results of apparent friction coefficients in different cases 抗剪强度 似摩擦系数 v/kPa含水率w/%c/kPa/()加筋带 格栅 23.870.196 0.1660.22035.870.193/44.200.195/54.2010.0510.5410143440 0.209/24.820.177 0.1460.20636.82 0.118/45.150.187/54.9824.5125.2647533.536 0.205/试验拉拔时未作足够停留压实。之间的差异很大。从图 4 可以知道，在拉拔试验中，筋带的受力比较清晰，其拉拔力与位移曲线呈单峰状态，如图 4(a)，一般分为 3 个阶段：(1)OA区段，该段为筋带拉紧段，拉拔力fT随着筋带拉紧慢慢增大，即曲线呈单边上升阶段，筋带与尾矿的界面作用力为静摩擦力，A点为全过程的高峰；(2)AB区段，拉拔力fT随着筋带的拉动，呈单边下降，坡度较陡，筋带与尾矿的界面作用力由静摩擦力转为动摩擦力；(3)BC区段，曲线呈单边下降，坡度较缓，筋带与尾矿的界面作用力为残余动摩擦力，由于筋带已拉动了一段距离，筋带界面周围的尾矿颗粒已发生松动，形成一个通道，它们之间的作用力比较小，曲线比较平缓。同时，从表 4 和图 4(b)，(c)可以看出，v越大土料越密实，拉拔力越大，似摩擦系数越大；含水量越高，拉拔力越小，似摩擦系数越小。这一规律与其他类填料土相同。土工格栅的受力比较复杂，如图 4(d)，土工格栅在拉出滑移过程中，除了受到填料土与纵筋和横肋的表面摩擦力外，还有填料土对横肋的阻挡力，该阻挡力与格栅的滑移距离、正应力v、填料土的组成、密度、横肋的厚度等关系密切。格栅在开始拉动阶段，横肋在纵筋的带动下，水平挤压、切割土体，横肋和纵筋的位移基本一致，拉拔力基本以界面摩擦力为主；随着位移的增大，横肋前面的土体越挤越密实，对横肋的阻挡力也越来越大，使得横肋靠拉动方向一侧向上(或下)偏转、翘起，这时阻挡力增加更快，拉拔力受横肋控制，以横肋的阻挡力为主；最后，随着位移的继续，横肋与纵筋的交叉节点脱离，格栅破坏，这时拉拔力慢慢减小，第 23 卷 第 3 期 尹光志等.土工合成材料与细粒尾矿界面作用特性的试验研究 429 (a)筋带拉拔力与位移典型曲线 (b)不同v条件下筋带拉拔力与位移曲线 (c)不同含水量条件下筋带拉拔力与位移曲线 (d)土工格栅拉拔力与位移曲线 图 4 细粒尾矿与土工合成材料的拉拔试验曲线 Fig.4 Curves of pulling out test for fine-grained tailings and geo-synthetics 以界面摩擦力为主。4 结结 论论(1)首次以尾矿作填料土进行拉拔试验，研究尾矿与土工合成材料的界面作用特性，取得良好效果，该成果可为尾矿坝和类似工程的加固提供参考。(2)筋带与尾矿的作用比较清晰，其拉拔力-位移曲线呈单峰状，一般分 3 个阶段：受静摩擦的拉紧阶段、动摩擦的滑动阶段、残余动摩擦的拉动阶段。(3)土工合成材料与尾矿的似摩擦系数等界面作用特性与尾矿的密实度、含水量等关系密切，密度越大，似摩擦系数越大；含水量越高，似摩擦系数越小。(4)土工格栅与细粒尾矿界面作用比较复杂，在其被拉出滑移过程中，除了纵筋和横肋的表面摩擦阻力外，还有横肋阻挡力。横肋阻挡力与格栅的滑移距离、正应力v、填料土的性质等关系密切。(5)以尾矿作填料和以粘土、粗砂等作填料相比较，它们与土工合成材料的界面作用特性，既有相同的规律，也有差异很大的方面。其中，尾矿与加筋体的摩擦系数值0.25，而其他类工程土的摩擦系数0.257。造成此差异的主要原因是由于尾矿属于单粒结构，颗粒比较细，粒径比较小，颗粒之间的咬合力较小。只要加筋体一拉动，与加筋体表面接触的尾矿颗粒就会滑动或转动，造成与加筋体表面摩擦镶嵌力比较小。所以，针对具体加筋工程而言，应通过试验来确定相关参数。参参 考考 文文 献献 1 吴景海，陈 环，王玲娟等.土工合成材料与土界面作用特性的研究J.岩土工程学报，2001，23(1)：8993 2 袁 磊，董筱波.废弃物填埋场土工合成材料与土界面特性试验J.西部探矿工程，2002，(2)：3436 3 冯国栋.土力学M.北京：水利电力出版社，1986 4 祝玉学，戚国庆，鲁兆明等.尾矿库工程分析与管理M.北京：冶金工业出版社，1999 5 陈守义.浅议上游法细粒尾矿堆坝问题J.岩土力学，1995，16(3)：7076 6 何光春.加筋土工程设计与施工M.北京：人民交通出版社，2000 7 中华人民共和国交通行业标准编写组.公路加筋工程设计规范(JTJ015-91)S.北京：人民交通出版社，1999 1土料含水量 w=10.05%，v=23.90 kPa 2土料含水量 w=24.84%，v=24.84 kPa o