不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石的殘余強度試驗研究

楊果林，高禮，杜勇立,

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南 長沙，410008)

土體的殘余強度可以定義為大剪切位移條件下，剪切面的穩(wěn)定摩阻力。它是土體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系過峰值點后的穩(wěn)定應(yīng)力。當(dāng)擋土墻或邊坡發(fā)生滑動時，滑動面上的剪應(yīng)力比土體峰值抗剪強度小，Skempton[1]對該問題進(jìn)行了詳細(xì)論述，認(rèn)為發(fā)生這種現(xiàn)象的一個最重要原因就是殘余強度問題。擋土墻或者邊坡發(fā)生滑動后，滑面保持殘余變形和抵抗外部荷載的能力出現(xiàn)減弱，滑動面上的強度只有殘余強度，因此，當(dāng)邊坡或擋土墻發(fā)生滑動時，邊坡的穩(wěn)定性基本上由土體的殘余強度決定。如果對擋土墻或邊坡的穩(wěn)定性計算時，僅僅采用峰值抗剪強度，勢必會降低擋土墻或邊坡的安全系數(shù)。因此，研究滑坡體在大剪切位移條件下的殘余強度參數(shù)，對于擋土墻或滑坡穩(wěn)定性分析與治理，揭示滑坡發(fā)生機制以及邊坡漸進(jìn)式破壞模式等具有重要的意義[2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于殘余強度對滑坡的影響進(jìn)行了大量研究并應(yīng)用于滑坡穩(wěn)定性分析[3?9]。但關(guān)于煤矸石的殘余強度研究不多，特別是加筋煤矸石殘余強度特征研究較少。目前常用的測試殘余強度的方法主要包括單級剪切試驗、預(yù)剪試驗和多級剪切試驗。單級剪切試驗是在試樣固結(jié)后，只有一級有效固結(jié)壓力或法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切；預(yù)剪是指試樣固結(jié)后，剪切試驗前先快速剪切，形成剪切面，然后緩慢剪切，其優(yōu)點是能夠很快達(dá)到殘余強度；而多級剪切試驗是指試樣在較低方向應(yīng)力下固結(jié)剪切達(dá)到殘余強度后，再加載至下一級有效法向應(yīng)力，固結(jié)后繼續(xù)剪切，如此反復(fù)[10]。王順等[7]指出，預(yù)剪試驗和多級剪切試驗得到的殘余強度偏大應(yīng)該首選單級剪切試驗測試滑帶土殘余強度指標(biāo)。煤矸石是煤層在形成過程中與煤伴生或共生的一種堅硬巖石，隨著煤礦開采而成為煤炭生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，主要包括掘進(jìn)井巷時排出的煤矸石、選煤排出的煤矸石和露天采煤產(chǎn)生的剝離煤矸石。煤矸石是我國目前最大的固體廢棄物源，占全國工業(yè)廢料的20%以上，嚴(yán)重影響和危害人們的生活與健康[11?13]，進(jìn)入21世紀(jì)以來，特別是隨著“十二五”規(guī)劃對“節(jié)約型、環(huán)保型”材料的重視，人們對環(huán)境保護意識日益加強，如何綜合利用煤矸石，越來越引起人們的重視。目前，世界各地多數(shù)國家針對煤矸石的綜合應(yīng)用主要集中在工程應(yīng)用方面，特別是將煤矸石作為道路基層材料用于筑路工程。但在煤矸石路基及邊坡設(shè)計和分析中，很少考慮煤矸石的殘余強度以及煤矸石峰值強度與殘余強度的關(guān)系，對加筋煤矸石殘余強度的研究更少。現(xiàn)代加筋技術(shù)[14]誕生于20世紀(jì)60年代，具有強度高、成本低、應(yīng)用范圍廣、施工方便等諸多優(yōu)點。加筋格賓網(wǎng)作為一種新型加筋材料，2005年以來廣泛應(yīng)用于國內(nèi)水利、公路、鐵路、市政、建筑等行業(yè)的各類加筋支擋結(jié)構(gòu)中，取得了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益[15]，在各個加筋支擋結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。國內(nèi)外學(xué)者對煤矸石路用性能已進(jìn)行較多的理論分析和試驗研究，但對煤矸石加筋之后的工程特性研究不多。在加筋煤矸石工程中，加筋煤矸石的殘余強度特性是研究的重要內(nèi)容，關(guān)系到加筋煤矸石路基、邊坡設(shè)計及其穩(wěn)定性分析。目前，國內(nèi)對加筋煤矸石的殘余強度研究較少，為此，本文作者針對不同摻土量(0%，5%，10%和20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))煤矸石在最優(yōu)含水量和一定壓實度條件下的殘余強度進(jìn)行試驗分析，并驗證用摩爾庫侖理論擬合格賓網(wǎng)加筋煤矸石殘余強度的適用性。

1 試驗材料及試驗設(shè)備

1.1 煤矸石及摻和土

試驗所用的煤矸石填料取自于湖南省婁底地區(qū)楊家山附近煤矸石山，摻和土取自于該地區(qū)安邵高速公路施工現(xiàn)場附近的黏土，將煤矸石及摻和土從現(xiàn)場取回實驗室后，根據(jù)公路土工試驗規(guī)程(JTG E40?2007)，進(jìn)行一系列的常規(guī)土工試驗，獲得煤矸石及不同摻土量煤矸石的主要物理參數(shù)。

表1所示為試驗所用煤矸石及摻和土的化學(xué)成分試驗分析結(jié)果。分析表1可知：湖南婁底地區(qū)的煤矸石化學(xué)成分(SiO2+Al2O3+ Fe2O3+CaO+MgO)的活性質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過75%，是一種典型的堿性礦渣，經(jīng)水解碾壓后，在一定溫度下，可產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，產(chǎn)生部分碳酸鈣并形成板體，燒損量低于10%，因此，該地區(qū)的煤矸石性能比較穩(wěn)定，適合做路基填料。該地區(qū)摻和土的化學(xué)組成成分與煤矸石大致相同，摻和后不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，用該摻和土改善煤矸石的路用性能是可行的。

表1 煤矸石及摻和土化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of coal gangue and admixture soil %

圖 1所示為不同摻土量(0%，5%，10%，20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))煤矸石顆粒分析曲線。從圖1可見：湖南省婁底地區(qū)煤矸石級配較差，大粒徑矸石含量較高，粒徑大于5 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過80%；摻土煤矸石隨著摻土量增加，細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，粒度分布不均勻現(xiàn)象減小，因此，通過摻加少量黏土來減小煤矸石顆粒級配不良問題很有必要。

表2所示為不同摻土量(摻土0%，5%，10%，20%)煤矸石的最優(yōu)含水率和最大干密度以及液、塑限指標(biāo)，其中液塑限試驗采用液限和塑限聯(lián)合測定法測定。由表2可知：與天然煤矸石相比，摻入一定比例的土后，煤矸石的最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最佳含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著摻土量的增加而增大；液、塑限隨著摻土量的增加而增加。

圖1 不同摻土量煤矸石的顆粒分析曲線Fig. 1 Size distribution curve of coal gangue mixed with different contents of soil

表2 不同摻土量煤矸石基本物理參數(shù)Table 2 Parameters of coal gangue coal with different amounts of soil

1.2 格賓網(wǎng)

本試驗所采用的加筋材料是鍍鋅覆塑雙絞合六邊形格賓網(wǎng)，這種筋材是以低碳鋼絲為基本材料，鋼絲表面做鍍鋅層進(jìn)行防腐處理，最外層用塑料包裹，以抵御煤矸石中有害物質(zhì)對鋼絲的腐蝕作用，具有強度高、無蠕變、耐久性強的特點。試驗所采用的覆塑格賓網(wǎng)型號為 ZNP8*10/2.7，生產(chǎn)過程采用專業(yè)設(shè)備編織成工程力學(xué)上受力合理、牢固不易破損的六邊形雙絞合結(jié)構(gòu)[16]，六邊形網(wǎng)孔長×寬為8 cm×10 cm，筋材直徑為2.7 mm。圖2所示為試驗根據(jù)剪切盒尺寸剪好的雙絞線六邊形格賓網(wǎng)。

試驗測得該格賓網(wǎng) 5%延伸率對應(yīng)的平均強度為13.01 kN/m，10%延伸率對應(yīng)的平均強度為 25.28 kN/m，極限抗拉強度平均值為33.83 kN/m，最大負(fù)荷對應(yīng)的伸長率平均值為12.90%。

圖2 雙絞線六邊形格賓網(wǎng)Fig. 2 Twisted pair hexagonal Gabion mesh

1.3 界面摩擦試驗試驗設(shè)備

本試驗采用采用的試驗設(shè)備為中南大學(xué)高速鐵路工程實驗室中的大型直接剪切試驗儀，型號TAW?800，主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 大型直剪儀主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of direct shear apparatus

該直剪設(shè)備采用電子傳感器技術(shù)、步進(jìn)電機減速傳動技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)開發(fā)的全自動試驗設(shè)備，可用于粗粒土直剪試驗、土與結(jié)構(gòu)物的剪切試驗以加筋土力學(xué)參數(shù)試驗，能夠?qū)υ嚇邮┘訂蜗蚣羟?、雙向剪切、循環(huán)剪切等。本試驗根據(jù)雙絞線六邊形格賓網(wǎng)加固需要，自行設(shè)計、加工一套模具和壓條用于固定格賓網(wǎng)，防止格賓網(wǎng)在剪切過程中發(fā)生滑移。

2 試驗過程

依據(jù)公路土工試驗規(guī)程(JTG E40—2007)，并模擬安邵高速公路婁底段煤矸石路基施工現(xiàn)場的壓實度，研究煤矸石及不同摻土量煤矸石在加筋及未加筋情況下的界面摩擦試驗。探究不同摻土量加筋煤矸石的殘余強度。

根據(jù)國內(nèi)外專家學(xué)者的統(tǒng)計研究[17]，粗粒土試樣尺寸與試料粒徑之間的合理關(guān)系為：D≥5dmax(其中D為試樣尺寸，dmax為試料最大粒徑)。本次試驗中試樣直徑與試驗料粒徑即采用此關(guān)系。在試驗過程中，人為剔除粒徑大于60 mm的煤矸石顆粒，采用四分法取典型試料，按照試樣的最優(yōu)含水量配制試料，用塑料膜密封并經(jīng)過1晝夜悶料，使試料充分浸潤。在剪切盒里面制樣，制樣的壓實度為94%，通過高度控制壓實度，在剪切盒中間位置布置格賓網(wǎng)。制樣時，先按設(shè)計壓實度用煤矸石或摻土煤矸石將下剪切盒填至剪切面形成下層剪切面，再在剪切面上鋪設(shè)覆塑格賓網(wǎng)，用自制模具及壓條把格賓網(wǎng)固定在下剪切盒上，如圖3所示。

圖3 用模具和壓條固定后的格賓網(wǎng)Fig. 3 Fixed Gabion mesh

鋪設(shè)固定好格賓網(wǎng)后，再將上剪切盒用煤矸石或摻土煤矸石填滿，控制94%的壓實度進(jìn)行整平、夯實。試料裝樣完畢后，吊入大型直接剪切儀。為更好地測得加筋煤矸石的殘余強度，試驗采用單級剪切試驗，即試樣固結(jié)后，每個試樣只在一級有效固結(jié)壓力或法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切。在剪切過程中，相同摻土量試樣的法向應(yīng)力分別取為100，200和300 kPa，水平剪切速度為1 mm/min；為測得每組試樣峰值之后的殘余強度，在大剪切位移條件下進(jìn)行單級剪切試驗。每個試樣水平方向的剪切位移為80 mm。由于試樣剪切過程中有效抗剪面積減小，為使加筋煤矸石試樣剪切過程法向應(yīng)力不變，法向荷載隨抗剪面積減小而減小。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 格賓網(wǎng)加筋煤矸石剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

不同摻土量(0%，5%，10%和 20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))加筋煤矸石分別在3種法向應(yīng)力(100，200和300 kPa)作用下進(jìn)行煤矸石與格賓網(wǎng)的界面摩擦試驗。根據(jù)剪切位移與剪應(yīng)力的關(guān)系，繪出不同摻土量加筋煤矸石剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線。本文僅繪出摻土量為5%和20%加筋煤矸石的剪應(yīng)力τ與剪切位移ΔL之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同摻土量加筋煤矸石的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線Fig. 4 Shear stress?displacement curve of Gabion mesh and coal gangun mixed with different contents of soil

從圖4可見煤矸石與格賓網(wǎng)的界面摩擦試驗抗剪強度隨法向應(yīng)力的增加而增大，不同法向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力τ與剪切位移ΔL之間的關(guān)系曲線變化趨勢大致相同，曲線主要呈現(xiàn)軟化型；殘余強度隨有效法向應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)剪切位移大于40 mm之后，殘余強度趨于穩(wěn)定。殘余強度與峰值強度相差不大。這是由于煤矸石粗顆粒較軟，在夯實和剪切過程容易破碎，并且煤矸石中含有一定量的細(xì)顆粒，在剪切過程中，煤矸石顆粒之間以及煤矸石與筋材之間的“咬合”作用不會隨著剪切位移增加而大幅度減小，即使剪切過程出現(xiàn)輕微的剪脹作用，加筋煤矸石的峰值強度與峰值之后的殘余強度相差較小。

表4所示為不同摻土量煤矸石在不同法向應(yīng)力作用下的峰值強度與殘余強度結(jié)果。從表4可見：不同法向應(yīng)力作用下的加筋煤矸石殘余強度與峰值強度相比，衰減量較小，均小于25%；法向應(yīng)力越大，衰減量越小。不同摻土量(0%，5%，10%和20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))加筋煤矸石在300 kPa法向應(yīng)力作用下，殘余強度與峰值強度相比，衰減量的平均值僅為3.40%。

表4 不同摻土量煤矸石峰值強度與殘余強度結(jié)果Table 4 Sesults of peak strength and residual strength mixed with different amounts of soil

圖5 未加筋煤矸石剪應(yīng)力τ與剪切位移ΔL之間的關(guān)系曲線Fig. 5 Shear stress?displacement curve of coal gangun

表5 未加筋煤矸石峰值抗剪強度與殘余強度試驗結(jié)果Table 5 Results of peak strength and residual strength

3.2 未加筋煤矸石剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

未加筋煤矸石在 3種法向應(yīng)力(100，200和 300 kPa)作用下進(jìn)行直剪試驗。不加筋煤矸石在不同法向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力τ與剪切位移ΔL之間的關(guān)系曲線如圖5所示。表5所示為峰值抗剪強度與殘余強度的試驗結(jié)果。

由圖5和表5可知：未加筋煤矸石抗剪強度隨法向應(yīng)力增加而增加，剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線趨近于雙曲線，不同法向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線大致相同，曲線呈現(xiàn)軟化型；殘余強度隨法向應(yīng)力增加而增大，當(dāng)剪切位移大于45 mm之后，殘余強度趨于穩(wěn)定，殘余強度與峰值強度相差不大，在3種法向應(yīng)力(100，200和300 kPa)作用下，殘余強度的衰減量介于10%～15%之間，并且法向應(yīng)力越大，衰減量越小。這是由于煤矸石中含有少量細(xì)顆粒，而且煤矸石粗顆粒較軟，在剪切面上容易破碎，所以，即使剪切過程出現(xiàn)“剪脹”作用，峰值強度與峰值后的殘余強度相差不大。從圖5與圖4對比可見：未加筋煤矸石出現(xiàn)峰值強度所需要的剪切位移較小，因此，加筋之后有利于加強煤矸石路基在發(fā)生滑坡情況下的穩(wěn)定性。對比表5與表4可以發(fā)現(xiàn)：未加筋的煤矸石殘余強度的衰減量與加筋煤矸石相比有所增大，特別是在較高法向應(yīng)力作用下，未加筋煤矸石的衰減量與加筋煤矸石相比，衰減量增大較多。因此，煤矸石中加入格賓網(wǎng)，對煤矸石殘余強度的提高是非常明顯的。

劉文彬等[3]指出，殘余強度是影響巖石彈?脆?塑性的重要因素，殘余強度越高，巖石越容易表現(xiàn)為塑性，巖石所承受的峰值載荷也越高；不同摻土量加筋煤矸石的殘余強度與峰值強度相比相差不大，殘余強度較高；因此，煤矸石路基發(fā)生破壞時容易表現(xiàn)為塑性破壞，這增加了煤矸石路基破壞的可預(yù)見性。

3.3 格賓網(wǎng)加筋煤矸石殘余強度參數(shù)

國內(nèi)外學(xué)者提出多種土的抗剪強度公式，主要有庫侖公式、De.Mello公式、Duncan公式等[18]。針對加筋煤矸石殘余強度的本構(gòu)模型研究甚少，本文在加筋煤矸石界面摩擦試驗的基礎(chǔ)上，提出加筋煤矸石殘余強度的本構(gòu)模型及強度參數(shù)，為今后煤矸石路堤及路基的設(shè)計、施工以及煤矸石邊坡穩(wěn)定性驗算提供依據(jù)?？紤]到不同摻土量加筋煤矸石在剪切面存在一定數(shù)量的細(xì)顆粒，并且顆粒間存在一定的黏聚力，為使擬合公式能夠同時反應(yīng)出黏聚力和摩擦角，本文對煤矸石殘余強度參數(shù)采用庫侖摩爾理論進(jìn)行擬合。由于本試驗在界面摩擦區(qū)存在格賓網(wǎng)，因此，殘余強度由煤矸石及格賓網(wǎng)共同決定的，殘余強度的本構(gòu)模型公式定義為：

式中：τs為廣義摩擦力；cs為廣義黏聚力；ψs為廣義摩擦角。

不同摻土量加筋煤矸石的殘余抗剪強度與垂直壓力的關(guān)系曲線如圖6所示，參數(shù)擬合結(jié)果如表6所示。圖7所示為加筋煤矸石殘余強度參數(shù)隨摻土量的變化曲線。

由表6和圖7可見：對于格賓網(wǎng)加筋煤矸石填料，隨著摻土量的增加，殘余強度參數(shù)中的廣義內(nèi)摩擦角隨摻土量的增加而減小，這是由于隨著摻土量的增加，煤矸石顆粒之間以及煤矸石與格賓網(wǎng)之間的間距變大，顆粒之間以及顆粒與格賓網(wǎng)之間的“咬合力”降低，剪切面上的粗糙度下降，由于土的“潤滑”作用，導(dǎo)致殘余抗剪強度的廣義摩擦角減小。

殘余強度參數(shù)中的廣義黏聚力隨著摻土量的增加而增大，這是隨著摻土量增加(摻土 20%以內(nèi))，煤矸石的顆粒級配不斷得到改善，加筋煤矸石在比較密實的狀態(tài)下，顆粒之間相互咬合，在大位移剪切過程中，既要克服顆粒之間本身的“咬合力”以及粗顆粒與筋材之間的相互作用，又要“剪斷”位于剪切面上的粗顆粒，導(dǎo)致黏聚力增大。賀建清等[19]指出，當(dāng)煤矸石填料中摻土過多，煤矸石就會呈現(xiàn)黏性土的某些特征，其黏聚力更接近黏土的黏聚力。

圖6 不同摻土量加筋煤矸石殘余強度與垂直壓力的關(guān)系曲線Fig. 6 Relationship between residual stress and normal stress with different contents of soil

圖7 加筋煤矸石殘余強度參數(shù)隨不同摻土量變化的曲線Fig. 7 Relationship between residual strength coal gangun mixed with different contents of soil

表6 不同摻土量加筋煤矸石殘余強度參數(shù)擬合表(壓實度94%)Table 6 Parameter of residual strength coal gangun mixed with different amounts of soil

加筋煤矸石的殘余強度模型用摩爾庫侖理論模擬的相關(guān)系數(shù)均在0.92以上，并且?guī)靵瞿柪碚摴侥軌蚍从吵黾羟羞^程中煤矸石顆粒之間以及顆粒與格賓網(wǎng)之間的廣義黏聚力以和廣義摩擦角，因此，采用摩爾庫侖理論公式模擬加筋煤矸石及摻土煤矸石在界面摩擦區(qū)的強度參數(shù)是合適的。摻土20%的煤矸石與未摻土煤矸石相比，殘余強度的廣義摩擦角減小16.85%，廣義黏聚力增加149.98%，因此，在實際工程中，煤矸石中摻加適量的黏土，對于煤矸石路基的力學(xué)特性改善非常有用。試驗表明，摻土量介于15%～20%比較合適，這樣，在廣義黏聚力增加很大的情況下，廣義內(nèi)摩擦角減小不多。而且可以改善煤矸石的顆粒級配，對加筋煤矸石的殘余強度提高有明顯的作用。

4 結(jié)論

(1) 在不同摻土量下，格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，不同摻土量煤矸石的剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系曲線大致相似，呈現(xiàn)軟化型；當(dāng)剪切位移大于40 mm以后，殘余抗剪強度趨于穩(wěn)定，殘余強度與剪切位移的關(guān)系曲線為直線型。

(2) 法向應(yīng)力越大，峰值抗剪強度和殘余抗剪強度也越大，殘余強度衰減量隨著法向應(yīng)力的增加而減小，但加筋煤矸石的殘余抗剪強度與峰值抗剪強度相比相差不大。在進(jìn)行煤矸石填料穩(wěn)定性分析、防治設(shè)計時，采用煤矸石的殘余強度指標(biāo)更符合工程實際。

(3) 未加筋煤矸石與加筋煤矸石相比，加筋煤矸石峰值抗剪強度出現(xiàn)的剪切位移比未加筋煤矸石的大，因此，加筋煤矸石的塑性變形能力得到有效提高。加筋煤矸石殘余強度的衰減量與未加筋煤矸石殘余強度衰減量相比，減少較多，因此，加筋煤矸石有利于煤矸石殘余強度的提高。

(4) 加筋煤矸石的殘余強度用摩爾庫侖理論擬合是合適的，隨著摻土量增加，格賓網(wǎng)加筋煤矸石殘余強度的廣義摩擦角逐漸減小，廣義黏聚力逐漸增加，摻土20%加筋煤矸石與未摻土加筋煤矸石相比，廣義黏聚力增加149.98%，廣義摩擦角僅降低16.85%，因此，在煤矸石中摻加一定比例的黏土，對于格賓網(wǎng)加筋煤矸石的殘余強度提高是非常有利的。

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