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格宾网加筋煤矸石的直剪试验研究

时间:2017-02-13 14:05 作者:晟江格宾网www.gabionchang.com 点击:

[摘 要]以格宾网为筋材,以不同压实度的煤矸石为填料,进行了加筋煤矸石的直剪试验,获得了不同压实度煤矸石与格宾网间的直剪摩擦系数。试验结果表明: 煤矸石与格宾网的直剪剪应力和位移的关系为非线性,剪应力峰值随法向应力的增加而增大,直剪试验曲线呈稳态型。格宾网与煤矸石的直剪界面强度随煤矸石压实度的增加而增大,符合莫尔库仑强度型; 格宾网与煤矸石间有较好的拉拔摩擦特性,直剪摩擦系数大于 1; 加筋格宾网后,煤矸石的直剪强度得到了提高,主要是通过提高内摩擦角来实现的。

1、概述:
    煤矸石是煤炭生产加工过程中产生的废弃物,是我国最大的固体废弃物源。目前我国煤矸石已累计堆存了约 45 亿 t,每年还会新产生煤矸石 3 ~ 3. 5亿 t。煤矸石的大量堆积不仅会占用大量土地,而且会污染大气和水体,对矿区的生态环境造成极大的破坏 。国内对煤矸石综合利用主要有资源回收利用和工程利用两种途径,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,对我国的煤矸石进行复选利用很不经济。因此,我国现存的绝大多数煤矸石更适合于用作公路、铁路填料。目前已有很多学者对煤矸石的工程特性进行了研究,一些研究成果也得到了成功应用 。
    加筋土技术 是上世纪六十年代由法国工程师 Henri Vidal 提出,具有强度高、适应性广、成低本、施工简便等诸多优点,目前在公路、铁路、水利、市政等领域得到广泛应。一些学者和工程技术人员尝试着将加筋土技术与煤矸石相结合,修建了加筋煤矸石挡墙,取得显著的经济、社会和环境效益 。
    在加筋土工程中,筋土界面摩擦特性是一个重要内容,关系到加筋土结构的筋材布设和稳定性验算。目前对煤矸石与筋材的界面摩擦特性研究还不多见。本文以煤矸石为填料,经编土工格栅为筋材,通过不同压实度煤矸石与经编土工格栅的直剪和拉拔试验,研究了煤矸石与经编土工格栅间的界面摩擦特性。

2、试验材料:
2. 1、格宾网:
    格宾网( 双绞合六边形钢丝网) 是由马克菲尔 公司生产的一种新型的土工合成材料,近年来在国 图 1 格宾网内有较多的应用。试验用格宾网的型号为 ZNP8* Figure 1 gabion mesh10 /2. 7,由低碳钢丝经机器编织而成,钢丝直径为 2. 7 mm,表面采用了镀锌覆塑的防腐工艺,有高强 度、无蠕变、耐久性好等特点,5% 延伸率时的强度为 21. 2 kN /m,极限强度为 21. 2 kN /m。图 1 为根据 剪切盒尺寸裁剪后的试样。
 
2. 2 、煤矸石:
   试验用填料为取自益娄高速公路施工现场的煤 矸石。将煤矸石从现场取回后,进行了常规土工试 验,获得了煤矸石的颗粒级配和主要物理参数,见图 图 2 试验用煤矸石的颗粒级配
    表 1 试验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 /% 塑性指数 Ip 自由膨胀率 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、试验方法:
    试验以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进行。该系统采用电子传感器技术、步进电机减速传动技术、机械杠杆砝码( 恒压) 加载技术、计算机信息处理技术开发的全自动试验设备,可用于土工合成材料直剪摩擦和拉拔摩擦试验。
    直剪试验的剪切盒为面积递减型,上下剪切盒的尺寸均为 300 mm × 300 mm,制样时先按设计压实度用煤矸石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布,然后将上剪切盒按设计压实度用煤矸石填满。试验按《试验规
 
[7] 进行,控制剪切速度为 1 mm /min。
程》
 
4、试验结果与分析:
4. 1、格宾网加筋煤矸石的直剪试验:

    先 后 进 行 4 种 法 向 应 力 ( 50、100、150、200 kPa) 作用下、3 种压实度( 85% 、90% 、93% ) 煤矸石与格宾网的直剪试验。图 3 和图 4 分别为试样
图 1	格宾网

图 1 格宾网
图 2	试验用煤矸石的颗粒级配
图 2 试验用煤矸石的颗粒级配
图3试样制作  图4试验形成的剪切面
图3试样制作  图4试验形成的剪切面
制作的情形和试验形成的剪切面。
    试验获得了 3 种压实度( 85% 、90% 、93% ) 的煤矸石与格宾网的直剪剪应力 - 位移曲线。图 5 ~图 7 为各工况的直剪剪应力 - 位移曲线和相应的剪应力 - 法向应力之间的关系曲线。对比分析可知:
    不同法向应力作用下格宾网与不同压实度煤矸石间的直剪位移与剪应力曲线变化趋势大致相同: 当剪切位移达到一定值时,曲线变得很平缓,且大部分都出现了剪应力峰值。随着法向应力的增大,抗剪强度达到峰值所需要的位移增大; 但随着压实度的增大,相同法向应力下,抗剪强度达到峰值所需要的位移减小。
图 5  格宾网与煤矸石的直剪试验的剪应力 —位移曲线
图 5  格宾网与煤矸石的直剪试验的剪应力 —位移曲线
   三种压实度煤矸石加筋格宾网直剪的剪应力峰值与法向应下的关系如图 6 所示。可见,煤矸石加筋格宾网的界面强度为莫尔库仑型,可通过线性拟合获得其界面强度参数,如表 2 所示。分析可知:界面强度随压实度的增加非线性增大,但两个参数的变化趋势有所不同。界面粘聚力的增幅在压实度从 85% 增加到 90% 时较压实度由 90% 增加到 93%时大( 见图 7) ,而界面摩擦角的变化刚好相反,其增度在压实度由 90% 增加到 93% 时大( 见图 8) 。
图 6	剪应力峰值 —法向应力的关系

图 6 剪应力峰值 —法向应力的关系

图 7	界面粘聚力与压实度的关系

图 7 界面粘聚力与压实度的关系
  表 2 直剪试验结果  
Table 2  the results of direct shear tests
     
压实度 /% 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
图 8	界面摩擦角与压实度的关系
图 8 界面摩擦角与压实度的关系
筋土界面摩擦特性是加筋土工程设计的重要参数,通常采用筋土界面摩擦系数( 似摩擦系数) f 来表达。筋土界面摩擦系数( 似摩擦系数) f 的计算方法为:
τsg ( 1)
f =
σn
式中: τsg 为筋土界面剪切强度,σn 为法向应力。
   根据式( 1) 可计算各工况下煤矸石加筋格宾网的筋土界面摩擦系数。3 种压实度煤矸石的筋土界面摩擦系数与法向应力的关系见图 9。分析可知:
   煤矸石与格宾网间有着良好的界面摩擦特性,各工况下的界面摩擦系数均大于 1; 除 93% 压实度、150 kPa 条件外,同一压实度时低法向应下的界面摩擦系数大于高法向应下的界面摩擦系数,即随法向应力增大非线性减小。
图 9	不同法向压力下的摩擦系数  Figure 9	the friction coefficient under different normal stress

图 9 不同法向压力下的摩擦系数
 
Figure 9 the friction coefficient under different normal stress

4. 2、未加筋煤矸石的直剪试验为了便于对比分析,试验时采用同样的方法对不加土工合成材料、压实度为 90% 素煤矸石也进行直剪试验,试验直剪位移 - 剪应力的曲线见图 10。由 4 个法向应力下的剪应力峰值与法向应力的关系可获得 90% 压实度煤矸石剪切强度为 css =25. 1 kPa,φss = 36. 09°。
图 10	素煤矸石的直剪剪应力 —位移曲线
图 10 素煤矸石的直剪剪应力 —位移曲线
与相同压实度的加筋煤矸石直剪结果对比可知,在煤矸石中设置双绞合钢丝后,剪切面的抗剪强度得到了提高,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远大于界面粘聚力的增幅。说明,格宾网主要是通过加筋位剪切面上下方填料间的咬合嵌固作用来发挥作用的。
 
5、结论:
 
① 煤矸石与格宾网的直剪剪应力和位移的关系为非线性,剪应力峰值随法向应力的增加而增大,直剪试验曲线呈稳态型。
 
② 试验获得了不同压实度煤矸石与格宾网间的界面强度参数。筋土界面强度随煤矸石压实度的增加而增大,但界面粘聚力和界面摩擦角的变化趋势有所不同。
 
③ 煤矸石与格宾网间有着良好的界面摩擦特性,各工况下的界面摩擦系数均大于 1; 界面摩擦系数随法向应力增大非线性减小 。
 
④ 加筋格宾网后,煤矸石的直剪强度得到提高,其机理主要是加强了位剪切面上下方填料间的咬合嵌固作用。

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