不同掺土量加筋煤矸石的界面摩擦试验研究＊

杜勇立，高 礼，杨果林

（1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙 410008）

煤矸石是煤层在形成过程中与煤伴生或共生的一种坚硬岩石，随着煤矿的开采而成为煤炭生产中的副产品，据统计，中国煤矸石的排放量约为煤炭产量的15%～20%，已积存约70亿t，而且正以年排放量1.5亿t的速度增长，是中国目前最大的固体废弃物源，占全国工业废料的20%以上.全国每年除综合利用约6 000万t以外，余下矸石多采用圆锥式或沟谷倾倒式自然松散地堆放在矿井四周，不仅侵占大量的土地，而且对周围环境造成极大污染，严重影响和危害人们的生活与健康[1－5]，进入21世纪以来，特别是随着“十二五”规划对“节约型、环保型”材料的重视，人们的环境保护意识日益加强，如何综合利用煤矸石，越来越引起人们的重视.目前多数国家针对煤矸石的综合应用主要集中在工程应用方面，特别是将煤矸石作为道路基层材料用于筑路工程，这是由于路基填料对煤矸石的种类和品质没有特别的要求，对有害成分限制不严，而且煤矸石应用于路基填料具有耗渣量大、无需特殊处理及特殊技术手段的优点.随着中国高速公路建设和发展，特别是经过产煤区的高速公路，路基填筑土相当短缺，而产煤区的煤矸石却大量堆积，将煤矸石应用于路基填料已成为科研人员研究的重要课题，国外一些学者 Bulter，Michals，Solesbury等[6－8]利用不同煤矸石做现场模拟压密试验，认为煤矸石可压密程度与粒度分布特点密切相关，适当提高煤矸石中细小颗粒的含量，可以有效提高煤矸石的固结性能，改善其工程特性.目前国内已有很多学者对煤矸石的工程特性进行研究，一些成果已成功应用于实际工

程[9－12].

现代加筋技术[13]诞生于20世纪60年代，由法国工程师Henri Vidal提出，加筋技术具有强度高、成本低、对地基适应能力强、应用范围广、施工方便等诸多优点.目前在路基、挡土墙、边坡、水利、市政等领域得到广泛应用.随着科学技术的进步和材料科学的不断发展，加筋材料经历了从天然植物到帆布、金属和预制钢筋混凝土、土工合成材料的过程[14].加筋技术近年来在国内表现出良好的发展态势，在公路、铁路、水利、市政、建筑等领域已有广泛的应用需求.

国内外学者已对煤矸石路用性能进行了较多的理论分析和试验研究，但由于煤矸石颗粒的特殊性：天然煤矸石存在明显的颗粒级配缺陷，其粗大颗粒含量较大，细小颗粒含量较低，因此，传统的土工试验并不能真正体现煤矸石的工程特性.目前，国内对煤矸石加筋之后的工程特性研究不多，特别是加入不同比例的掺和土细粒对煤矸石力学特性的改善研究较少.在加筋煤矸石力学特性研究中，煤矸石与筋材的界面摩擦特性是研究的一个重要内容，关系到煤矸石加筋结构的筋材布置和设计的稳定性验算；另外，格宾网加筋煤矸石界面摩擦系数是土工设计的重要参数.本文在煤矸石界面摩擦试验的基础上，对不同掺土量加筋煤矸石的界面摩擦系数进行了研究.

1 试验材料

1.1 格宾网

本试验所采用的加筋材料是镀锌覆塑格宾网，它是一种双绞合六边形钢丝网.这种筋材是以低碳钢丝为基本材料，钢丝表面进行防腐处理，最外层用塑料包裹，以抵御煤矸石中有害成分对钢丝的腐蚀作用，这种筋材具有高强度、无蠕变、耐久性好的特点.试验所采用的格宾型号为ZNP8＊10／2.7，其基本单元见图1，生产过程采用专业设备编织成工程力学上受力合理、牢固、不易破损的六边形双绞合结构[15]，公称直径为2.7mm.

图1 双绞合六边形钢丝网基本单元Fig.1 Basic unit of twisted hexagonal steel mesh

格宾网的拉伸试验采用自制模具在钢绞丝试验机上进行，一共进行3组试验，试验结果见表1.由表1可以看出，5%延伸率对应的平均强度为12.59kN·m－1，10%延伸率对应的平均强度为29.13kN·m－1，极限抗拉强度均大于30kN·m－1，平均值为37.46kN·m－1，最大负荷对应的伸长率平均值为13.69%.

1.2 煤矸石及掺和土

试验所用的煤矸石试料取自于湖南省娄底地区杨家山矿区，掺和土取自于安邵高速公路施工现场附近的土，将煤矸石及掺和土从现场取回实验室后，依据JTG E40－2007《公路土工试验规程》，进行了一系列的常规土工试验，获得了掺和土及不同掺土量煤矸石的主要物理参数.

表1 格宾网的主要力学性能指标Tab.1 The main mechanical properties of gabion mesh

图2为不同掺土量煤矸石颗粒分析曲线，由颗粒分析曲线能够看出，湖南省娄底市杨家山煤矿煤矸石粒度分布级配较差，大粒径矸石占了相当大的比例，粒径大于5mm的颗粒含量超过80%.掺土量20%以内的煤矸石，随着掺土量增加，不均匀系数Cu逐渐变大，介于1.95～2.57；曲率系数Cc逐渐变小，介于4.69～3.02，说明随着掺土量增加，粒径分布逐渐不均匀，中间粒径颗粒逐渐减少，较小粒径颗粒逐渐增加；但掺土20%以内的煤矸石Cu＜5，Cc＞3，表明掺土20%以内的煤矸石属级配不良，不过随着掺土量增加，级配不良得以改善.

图2 不同掺土量煤矸石的颗粒分析Fig.2 Size analysis curve of coal gangue

试验过程中分别对不同掺土量（掺土分别为0%，5%，10%，20%）煤矸石进行重型击实试验，不同掺土量煤矸石含水率与干密度的关系曲线见图3.由图3可知，加入一定比例掺和土的煤矸石击实曲线变得相对平缓，说明其物理状态对含水量变化的敏感性降低，因此煤矸石掺入土之后，在现场施工过程中更有利于控制碾压时路基填料含水率为最优含水率.

表2为掺和土以及不同掺土量煤矸石的基本物理指标，其中掺和土以及不同掺土量煤矸石的液、塑限指标采用液限和塑限联合测定法测定，塑性指数为液限与塑限之差.

图3 不同掺土量煤矸石含水率与干密度的关系Fig.3 The relationship between moisture content and dry density mixed with different amount of soil

表2 不同掺土量煤矸石基本物理参数Tab.2 The characteristic of coal gangue coal with different amount of soil

由表2可知，与天然煤矸石相比，加入一定比例的掺和土后，煤矸石的最大干密度随着掺土量的增加而减小，最佳含水量随着掺土量的增加而增大；液限和塑限随着掺土量的增加而增加，塑性指数为12.9%～14.6%，满足高速公路对路基填料液塑限指标要求.

2 试验方法

试验设备采用中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室中的大型直接剪切仪，型号为TAW－800，上、下剪切盒的尺寸均为500mm×500mm×150mm，设备功能主要有粗粒土直剪试验、土与结构物的剪切试验、加筋土力学参数试验及加筋土界面摩擦试验等.能够对试样进行单向剪切试验、双向剪切试验、循环剪切试验等，设备软件能自动、实时监控试样产生的位移、应力和应变等.

根据JTG E40－2007《公路土工试验规程》，并模拟现场煤矸石路基的压实度，研究不同掺土量煤矸石在格宾网加筋情况下的界面摩擦试验.依据试验尺寸，结合现场施工实际情况，试验过程人为剔除粒径大于60mm的矸石颗粒，采用四分法取典型试料，按照试料的最优含水率配制试样，经过一个昼夜的闷料，使试料充分浸润.

在剪切盒里面制样，制样的压实度为94%，通过高度控制压实度，在剪切盒中间位置布置格宾网.制样时先按设计压实度用煤矸石或掺土煤矸石将下剪切盒填至剪切面形成土基底，再在土基座上铺设格宾网，并用自制模具及压条将格宾网固定在下剪切盒上，防止剪切过程格宾网发生滑移，见图4.

图4 铺设固定格宾网Fig.4 Laying and fixed gabion mesh

铺设固定好格宾网后，将上剪切盒用煤矸石或掺土煤矸石按压实度94%整平、夯实.装样完毕后，测量整个试样高度，确保试样压实度在94%.在剪切过程中，法向应力分别为100，200和300kPa，水平剪切速度为1mm／min，每个试验剪切位移均为80mm.由于试样剪切过程中有效抗剪面积减小，通过调整法向荷载线性变化，保证试样法向应力不变.

3 试验结果与分析

3.1 不同掺土量加筋煤矸石界面摩擦区剪应力与剪切位移之间的关系

每组不同掺土量（掺土0%，5%，10%，20%）煤矸石分别在3种不同法向应力（100kPa，200kPa，300kPa）作用下进行煤矸石与格宾网的界面摩擦试验.根据剪切位移和剪应力的关系，绘出不同掺土量煤矸石与格宾网界面摩擦试验的剪应力τ（kPa）与剪切位移ΔL（mm）之间的关系曲线，由于版面有限，本文仅绘出掺土量0%和掺土量10%加筋煤矸石的剪应力与剪切位移的关系曲线，见图5.

由图5可以看出，煤矸石与格宾网的界面摩擦试验抗剪强度随法向应力的增加而增大；剪应力与剪切位移曲线呈现非线性关系；不同法向应力作用下的剪应力τ与剪切位移ΔL之间的关系曲线变化趋势大致相同，呈现不规则的驼峰状形态，随着剪切位移增加，剪应力迅速增大，当剪切位移达到一定值时，曲线变得平缓，且大部分都出现了剪应力峰值.剪应力与剪切位移之间的关系曲线主要呈现软化型.剪切过程，部分曲线有锯齿状出现，这是由以下3方面原因造成的：

1）界面摩擦区较大的煤矸石颗粒被剪断或者剪碎瞬间，剪应力瞬间变小的缘故.

2）界面摩擦区某些煤矸石颗粒与格宾相互作用时，格宾网处于屈服阶段，剪应力会出现连续性的锯齿形.

3）界面摩擦区剪切面上的粗大矸石颗粒在剪切过程被格宾网约束，当格宾网破坏的瞬间，剪应力出现突变.

图5 不同掺土量加筋煤矸石剪应力与剪切位移关系曲线Fig.5 The shear stress－displacement curve of gabion mesh and coal gangue mixed with different amount of soil

图6～图7为试验后界面摩擦区格宾网变形情况.在剪切过程中煤矸石颗粒与格宾网相互作用，部分格宾网发生变形或者断裂，剪切面上的粗大矸石颗粒在剪切过程中被剪成细小颗粒，剪切面比较光滑.试验过程中，为了防止格宾网在剪切过程中出现滑移现象，在下剪切盒四周用模具和压条把格宾网固定，但试验过程中，仍有部分格宾网发生滑移，由此可见，剪切过程中，煤矸石颗粒和格宾网之间的相互作用力很大，在煤矸石中加入格宾网能够在很大程度上提高煤矸石受力性能.

图6 格宾网在剪切过程中发生变形Fig.6 Gabion mesh deform

图7 格宾网在剪切过程中发生滑移Fig.7 Gabion mesh slippage

3.2 不同掺土量格宾网加筋煤矸石界面摩擦区抗剪强度参数公式

国内外学者提出了多种土的抗剪强度公式，主要有库伦公式，De.Mello公式和Duncan公式等[16].针对煤矸石与格宾网在界面摩擦区的本构模型研究甚少，本文在格宾网加筋煤矸石界面摩擦试验的基础上，提出不同掺土量加筋煤矸石界面摩擦区的本构模型及模型参数，是今后对加筋煤矸石路基进行沉降计算及边坡稳定数值分析的基础.考虑到加筋煤矸石界面摩擦区含有一定量的细颗粒，且颗粒间存在一定的黏聚力，为了使拟合公式能够同时反映出界面摩擦区的黏聚力和内摩擦角，本试验采用摩尔库伦理论对界面摩擦区的抗剪强度参数进行拟合.又由于本试验试样在界面摩擦区存在格宾网，因此抗剪强度参数指标为界面摩擦区煤矸石和格宾网共有的，抗剪强度公式定义为：

式中：τsg为界面摩擦力；Csg为界面黏聚力；ψsg为界面摩擦角.

不同掺土量加筋煤矸石的抗剪强度与垂直压力的关系曲线见图8，参数拟合结果见表3.

图8 不同掺土量加筋煤矸石抗剪强度与垂直压力的关系曲线Fig.8 The relation of shear stress and normal stress

表3 不同掺土量加筋煤矸石界面摩擦区强度参数拟合表Tab.3 Parameter of shear strength coal gangue mixed with different amount of soil

图9为格宾网加筋煤矸石强度参数随掺土量的变化曲线.由表3和图9可以看出，对于加筋煤矸石，随着掺土量的增加，界面摩擦角呈现先增加再减小的趋势.试验结果表明：掺土量仅5%时的加筋煤矸石，界面内摩擦角比未掺土加筋煤矸石稍微增大.这是由于加入少量掺和土，颗粒级配得到改善，颗粒之间的“咬合力”有所增加；当掺土量为5%～20%时，随着掺土量的增加，界面内摩擦角逐渐减小，这是因为在煤矸石中掺土后，煤矸石颗粒间及煤矸石颗粒与格宾网之间的间隙增大，相互咬合不再那么紧密，接触面粗糙度降低，由于土的“润滑”作用，导致剪切面上的界面摩擦角减小.

图9 加筋煤矸石强度参数随掺土量的变化曲线Fig.9 The relationship of shear strength coal gangue mixed with different amount of soil

煤矸石的界面黏聚力在未掺土时很大，掺土后随之减小，随着掺土量增加（5%～20%），又明显增加，呈先减后增的变化趋势，主要是因为煤矸石在比较密实的状态下，颗粒间相互咬合，在剪切过程中既要克服颗粒之间本身的咬合力以及粗颗粒与筋材之间的相互作用，又要“剪断”位于剪切面上的粗颗粒；另外，加入一定量的掺和土，由于土颗粒以及煤矸石颗粒之间的“黏结作用”，导致黏聚力增大.

界面摩擦区的强度参数公式用摩尔库伦理论拟合的相关系数均在0.92以上，并且摩尔库伦理论公式能够反映出界面摩擦区颗粒之间以及颗粒与格宾网之间的黏聚力和内摩擦角，因此采用摩尔库伦理论公式拟合格宾网不同掺土量加筋煤矸石在界面摩擦区的强度参数是合适的.掺土20%的煤矸石与未掺土煤矸石相比，界面摩擦角减小13.21%，界面黏聚力增加了43.01%，因此煤矸石中掺土之后对界面摩擦区的抗剪强度有明显的改善作用.在实际工程应用中，煤矸石中加入15%～20%的掺和土，既有利于改善煤矸石的颗粒级配不良现象，又有利于更好地控制路基填料在最优含水率条件下进行碾压夯实，更重要的是，掺加15%～20%的煤矸石，对煤矸石路基的力学性能有很大的提高作用.

3.3 不同掺土量格宾网加筋煤矸石的界面摩擦因数

筋土界面摩擦特性是加筋土工程设计的重要参数[17]，通常采用筋土界面摩擦因数f来表达.筋土界面摩擦因数（似摩擦因数）f的计算方法为：

式中：τsg为界面摩擦区抗剪强度；σn为对应的法向应力.

表4为不同掺土量格宾网加筋煤矸石在不同法向应力作用下的界面摩擦因数.由表4分析可得，格宾网加筋煤矸石界面摩擦区存在着良好的界面摩擦特性，除掺土量20%，300kPa对应的界面摩擦因数小于1之外，其余不同掺土量煤矸石在不同法向应力作用下的界面摩擦因数均大于1.同一掺土量煤矸石在不同法向应力作用下，随着法向应力增加，界面摩擦因数逐渐减小.这与黄向京等[18]土工布与煤矸石之间摩擦因数介于0.86～1.5相差不大.

表4 不同掺土量加筋煤矸石在不同法向应力作用下的界面摩擦系数（压实度为94%）Tab.4 The interface friction coefficient under different normal stress of coal gangue mixed with different amount of soil

4 结 论

1）不同掺土量格宾网加筋煤矸石的界面摩擦试验中，剪应力与剪切位移曲线呈现非线性关系；不同法向应力作用下的剪应力τ与剪切位移ΔL之间的关系曲线变化趋势大致相同，呈现不规则的“驼峰”形态.

2）煤矸石与格宾网界面摩擦区的强度参数用摩尔库伦理论公式拟合是合适的，试验表明，煤矸石掺土（掺土量小于20%）之后的界面摩擦角随掺土量的增加先增加后减小，界面黏聚力先减小后增加.掺土20%煤矸石与未掺土煤矸石相比，界面摩擦角减小13.21%；界面黏聚力增加43.01%；因此实际工程中煤矸石掺土之后，不但对煤矸石的颗粒级配有很大的改善作用，对煤矸石路基或边坡的力学性能也有很大的提高作用.

3）由加筋煤矸石剪切之后的界面摩擦区可以看出，煤矸石颗粒与格宾网之间有很好的“咬合”作用，界面摩擦区煤矸石破碎以及格宾网剪切变形在一定程度上说明了加筋格宾网的加固机理，加筋格宾网加强了界面摩擦区上下方填料之间的“咬合”作用，煤矸石路基中放置格宾网之后，对于路基沉降以及边坡滑移有很好的控制作用.

4）格宾网加筋煤矸石界面摩擦区存在着良好的摩擦特性，不同掺土量煤矸石的界面摩擦因数均大于1，同一掺土量煤矸石的界面摩擦因数随法向应力增加而减小.

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