袋裝石墨尾礦界面摩擦性能研究

高志剛，馮友德，張博文，張 晴，韓新磊，徐 展

（1.黑龍江龍興國際資源開發集團有限公司，黑龍江 哈爾濱；2.遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新）

引言

土工袋技術憑借其良好的承載能力、穩定性、抗震性現已被廣泛應用于擋土墻、地基加固、圍堰堤壩、防震處理、井下回填等領域中，土工袋可利用外力荷載下袋的張力約束袋內土體，從而提高袋內土體整體強度。近年來，松元崗等[1]研究開發了土工袋加固地基的新技術，用離散元單元法模擬了土袋加固地基的模型試驗得到的顆粒間接觸力分布。陳爽[2]采用了室內大型剪切系統進行土工袋單元體系列循環剪切試驗，研究了土工袋單元體的袋內材料填充率、豎向應力、剪切應變等因素對其動力特性的影響。李一雷[3]等通過通過室內物理模型試驗，進行5 種不同土工袋排列方式加固邊坡的加載破壞試驗，發現縱橫層間交錯排列滑裂面最深、坡體承載力最大，效果最好。Pang[4]等為解決矸石充填墻變形不均勻、巷道側支護難以大規模推廣的問題，建立了袋裝矸石破壞力學模型，推導了矸石編織袋縱向外載荷與橫向外載荷的力學作用關系。

研究袋體間的摩擦直接決定了堆疊體的穩定性，土工袋摩擦特性主要受砂、土工袋及接觸界面方式間相互作用的影響。土工袋材料由經線和緯線穿梭編織而成的土工布，其表面凹凸不平，當土工袋堆疊時，土工袋在袋體材料接觸面上形成嵌鎖結構增加土體的穩定性。本文開展袋與石墨尾礦的直剪和拉拔試驗、袋與袋錯縫堆疊、袋與袋無縫堆疊、控制袋與袋的經緯向的接觸方式條件下的界面摩擦試驗，研究結果為沿空留巷袋裝石墨尾礦堆疊體穩定性提供參考依據。

1 袋與尾礦砂的界面摩擦性能

1.1 試驗材料性質

石墨尾礦取自黑龍江省蘿北縣，通過直剪試驗得出石墨尾礦粘聚力c 為0 kpa，內摩擦角φ為24.63°。土工袋為黑色聚丙烯材料，單位面積質量為200 g/m2、尺寸為20×20 cm，經向斷裂強力為41 kN/m，緯向斷裂強力為30 kN/m，斷裂伸長率為18%。

1.2 試驗過程

本文采用YT1200 型土工合成材料直剪拉拔試驗摩擦系統，試驗參考《土工合成材料測試規程》SL/T325-1999，設置2 種方案：(1) 土工袋與石墨尾礦的直剪試驗，將土工袋由硅酸銅膠膠水粘貼在直剪小車上24 h，放上直剪盒后填充石墨尾礦，預壓后進行4 組50、100、150、200 kPa 不 同 法 向 應 力 下2 mm/min 的橫向速度的直剪試驗；(2) 土工袋與石墨尾礦的拉拔試驗，將拉拔盒固定后填充并夯實石墨尾礦至拉拔箱的拉拔縫處，放置土工袋后用夾具夾緊，使夾具與拉拔縫位于同一水平面，土工袋從拉拔縫處伸出部分后填充等量的石墨尾礦，預壓后進行4 組50、100、150、200 kPa 不同法向應力下2 mm/min 的橫向速度的直剪試驗。

1.3 試驗結果分析

袋與砂的直剪試驗中，不同法向應力下的應力-位移曲線如圖1(a)所示，根據不同法向應力下的峰值拉力，以法向應力為橫軸、最大剪應力為縱軸，由摩爾庫倫定律得到圖1(c)所示的τ-σ曲線圖。從圖1(a)中可知，垂直應力越大，峰值拉力和對應的位移也越大，石墨尾礦砂在剪應力的作用下需要達到平衡的時間也越長，剪應力在達到峰值后趨于穩定。從圖1(c)中可以得到，土工袋與石墨尾礦砂的似粘聚力為2.75 kpa，摩擦角為19.84°。方案2 在不同法向應力下的應力- 位移曲線如圖1(b)所示，同理得到圖1(c)所示的τ-σ曲線圖，從圖1(b)可看出不同法向應力下的拉拔試驗曲線隨位移的增大緩慢達到峰值，拉拔試驗的剪切力峰值均隨著法向應力增大而增大。圖1(c)中拉拔摩擦強度與法向應力也呈線性相關，符合摩爾-庫倫強度準則，土工袋拉拔的似粘聚力為3.505 6 kpa，似摩擦角為17.32°。

圖1 拉力- 位移曲線圖和拉拔應力- 垂直應力圖

直剪試驗測得似粘聚力為2.75 kPa，似內摩擦角為19.84°；拉拔試驗測得似粘聚力為3.505 6 kPa，似內摩擦角為17.32°。袋與砂的直剪試驗和砂的直剪試驗相比，似粘聚力增加了2.75 kPa，似內摩擦角減小了4.79°；袋的拉拔試驗與砂的直剪試驗對比，似粘聚力增加3.505 6 kPa，似內摩擦角減小了7.31°；袋與砂的直剪似摩擦系數比拉拔似摩擦系數略大，由于似粘聚力在筋土界面作用中占主導作用，且經緯線編織的凹凸不平與石墨尾礦產生嵌固效果，使袋與砂形成加筋土結構。加筋土結構是各向異性的復合材料，在垂直應力的作用下，尾礦發生側向移動，土工袋會對尾礦滑移產生摩擦阻力，限制土體的側向移動，加筋土的強度與土體的抗剪強度、土體與袋的摩擦系數、袋的抗拉強度有關。

2 袋與袋的堆疊摩擦試驗

2.1 試驗過程

為了驗證土工袋堆疊方式對穩定性的影響，設定了兩種堆疊方案，方案1：將土工袋三層無錯縫堆疊，試驗填充度為95%，試驗時施加的垂直應力為50、100、150、200 kPa；橫向加載速度設為2 mm/min。方案2：將土工袋底部兩層，上部中間一層進行錯縫堆疊，試驗時施加的垂直應力為50、100、150、200 kPa，橫向加載速度設為2 mm/min。

2.2 試驗結果分析

堆疊摩擦試驗結果如圖2 所示，從圖2(a)中可看出，隨著位移的增加，水平拉力近似線性增長至某一峰值后下降，隨后緩慢增長并趨于穩定，隨著垂直應力的增加，峰值拉力和位移都隨之增加。從圖2(c)中可以得到無縫堆疊下的似粘聚力為2.325 kPa，似摩擦角為8.698°。從圖2(b)可以看出隨著位移的增加，水平拉力呈近似線性增長，并趨于穩定。從圖2(c)中可以得到土工袋在錯縫堆疊的似粘聚力為2.056 kPa，似摩擦角為14.305°。與無錯縫排列的相比，嵌縫堆疊摩擦更難滑動，其摩擦作用更強。

圖2 土工袋堆疊摩擦試驗結果

3 袋與袋的接觸界面摩擦試驗

3.1 試驗過程

為了驗證袋裝石墨尾礦堆疊體接觸界面方式對堆疊體穩定性的影響，參考《土工試驗方法標準》GB/T 50123-2019 開展了土工袋的拉拔摩擦試驗，設定三個土工袋無縫堆疊，固定上層和底層，施加垂直應力，對中層的袋體施加水平拉力，接觸界面根據經緯向設定為：經- 經- 經、經- 緯- 經、緯- 緯- 緯、緯- 經-緯。土工袋采用30 cm×30 cm，填充度90%，垂直應力為50、100、150、200 kPa，水平拉力加載速度為2 mm/min。為減小實驗誤差，每組進行三組平行實驗，若誤差在10%以內則取平均值。

3.2 試驗結果分析

圖3 為四種不同接觸界面的法向壓力與拉拔應力的關系圖，可以看出，經- 經- 經、經- 緯- 經、緯- 緯- 緯、緯- 經- 緯型堆疊體似粘聚力分別為7.294 4、0.191 67、3.233 4、0.786 11 kPa，似摩擦角依次為20.522°、23.586°、22.44°、25.833°，經緯交替接觸的土工袋似粘聚力會明顯降低，四種接觸界面堆疊方式下緯- 經- 緯型內摩擦角最大、即緯- 經-緯型土工袋穩定性最大。

圖3 土工袋界面接觸摩擦試驗結果

圖3 表明：土工袋的界面摩擦特性符合摩爾- 庫倫定律，界面摩擦由似粘聚力和似內摩擦角決定且主要由似摩擦角提供；拉拔試驗中，界面摩擦力由界面滑動摩擦力和界面咬合摩擦力提供，前者由界面材質決定，后者由嵌鎖咬合作用決定。在界面接觸土工袋嵌合體拉拔過程中，嵌合處經緯向相互接觸咬合，形成拉拔阻擋，若使土工袋發生位移，需克服經向間的阻力完成界面處經向上的上坡與下坡，且垂直應力越大，咬合越緊，所需克服的阻力越大。由于不同袋體材料經緯線編織工藝不同，不同袋體間所克服的阻力也就不一樣。經緯線的嵌合使土工袋的穩定性更高，在滑動摩擦力不變的情況下，界面強度隨著嵌鎖咬合力的增大而增大。

4 結論

（1） 石墨尾礦與土工袋拉力- 位移關系中表現出了明顯的非線性特征，隨著豎向壓力的增加，水平拉力到達峰值拉力的位移越大，隨后水平拉力降低呈現平穩的趨勢；土工布與石墨尾礦的加筋效果會增強石墨尾礦土體的強度。（2） 袋裝石墨尾礦之間的界面摩擦特性符合摩爾- 庫倫定律，相較于無縫堆疊的土工袋，錯峰堆疊的土工袋之間的摩擦作用更強，堆疊體穩定性更好。（3） 土工袋接觸界面對拉拔位移-剪應力曲線形態影響顯著，且影響規律與其對模袋材料界面剪切特性類似，經試驗對比分析，土工袋界面接觸方式緯- 經- 緯型排列方式最佳。