袋装石墨尾矿界面摩擦性能研究

高志刚，冯友德，张博文，张 晴，韩新磊，徐 展

（1.黑龙江龙兴国际资源开发集团有限公司，黑龙江 哈尔滨；2.辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新）

引言

土工袋技术凭借其良好的承载能力、稳定性、抗震性现已被广泛应用于挡土墙、地基加固、围堰堤坝、防震处理、井下回填等领域中，土工袋可利用外力荷载下袋的张力约束袋内土体，从而提高袋内土体整体强度。近年来，松元岗等[1]研究开发了土工袋加固地基的新技术，用离散元单元法模拟了土袋加固地基的模型试验得到的颗粒间接触力分布。陈爽[2]采用了室内大型剪切系统进行土工袋单元体系列循环剪切试验，研究了土工袋单元体的袋内材料填充率、竖向应力、剪切应变等因素对其动力特性的影响。李一雷[3]等通过通过室内物理模型试验，进行5 种不同土工袋排列方式加固边坡的加载破坏试验，发现纵横层间交错排列滑裂面最深、坡体承载力最大，效果最好。Pang[4]等为解决矸石充填墙变形不均匀、巷道侧支护难以大规模推广的问题，建立了袋装矸石破坏力学模型，推导了矸石编织袋纵向外载荷与横向外载荷的力学作用关系。

研究袋体间的摩擦直接决定了堆叠体的稳定性，土工袋摩擦特性主要受砂、土工袋及接触界面方式间相互作用的影响。土工袋材料由经线和纬线穿梭编织而成的土工布，其表面凹凸不平，当土工袋堆叠时，土工袋在袋体材料接触面上形成嵌锁结构增加土体的稳定性。本文开展袋与石墨尾矿的直剪和拉拔试验、袋与袋错缝堆叠、袋与袋无缝堆叠、控制袋与袋的经纬向的接触方式条件下的界面摩擦试验，研究结果为沿空留巷袋装石墨尾矿堆叠体稳定性提供参考依据。

1 袋与尾矿砂的界面摩擦性能

1.1 试验材料性质

石墨尾矿取自黑龙江省萝北县，通过直剪试验得出石墨尾矿粘聚力c 为0 kpa，内摩擦角φ为24.63°。土工袋为黑色聚丙烯材料，单位面积质量为200 g/m2、尺寸为20×20 cm，经向断裂强力为41 kN/m，纬向断裂强力为30 kN/m，断裂伸长率为18%。

1.2 试验过程

本文采用YT1200 型土工合成材料直剪拉拔试验摩擦系统，试验参考《土工合成材料测试规程》SL/T325-1999，设置2 种方案：(1) 土工袋与石墨尾矿的直剪试验，将土工袋由硅酸铜胶胶水粘贴在直剪小车上24 h，放上直剪盒后填充石墨尾矿，预压后进行4 组50、100、150、200 kPa 不 同 法 向 应 力 下2 mm/min 的横向速度的直剪试验；(2) 土工袋与石墨尾矿的拉拔试验，将拉拔盒固定后填充并夯实石墨尾矿至拉拔箱的拉拔缝处，放置土工袋后用夹具夹紧，使夹具与拉拔缝位于同一水平面，土工袋从拉拔缝处伸出部分后填充等量的石墨尾矿，预压后进行4 组50、100、150、200 kPa 不同法向应力下2 mm/min 的横向速度的直剪试验。

1.3 试验结果分析

袋与砂的直剪试验中，不同法向应力下的应力-位移曲线如图1(a)所示，根据不同法向应力下的峰值拉力，以法向应力为横轴、最大剪应力为纵轴，由摩尔库伦定律得到图1(c)所示的τ-σ曲线图。从图1(a)中可知，垂直应力越大，峰值拉力和对应的位移也越大，石墨尾矿砂在剪应力的作用下需要达到平衡的时间也越长，剪应力在达到峰值后趋于稳定。从图1(c)中可以得到，土工袋与石墨尾矿砂的似粘聚力为2.75 kpa，摩擦角为19.84°。方案2 在不同法向应力下的应力- 位移曲线如图1(b)所示，同理得到图1(c)所示的τ-σ曲线图，从图1(b)可看出不同法向应力下的拉拔试验曲线随位移的增大缓慢达到峰值，拉拔试验的剪切力峰值均随着法向应力增大而增大。图1(c)中拉拔摩擦强度与法向应力也呈线性相关，符合摩尔-库伦强度准则，土工袋拉拔的似粘聚力为3.505 6 kpa，似摩擦角为17.32°。

图1 拉力- 位移曲线图和拉拔应力- 垂直应力图

直剪试验测得似粘聚力为2.75 kPa，似内摩擦角为19.84°；拉拔试验测得似粘聚力为3.505 6 kPa，似内摩擦角为17.32°。袋与砂的直剪试验和砂的直剪试验相比，似粘聚力增加了2.75 kPa，似内摩擦角减小了4.79°；袋的拉拔试验与砂的直剪试验对比，似粘聚力增加3.505 6 kPa，似内摩擦角减小了7.31°；袋与砂的直剪似摩擦系数比拉拔似摩擦系数略大，由于似粘聚力在筋土界面作用中占主导作用，且经纬线编织的凹凸不平与石墨尾矿产生嵌固效果，使袋与砂形成加筋土结构。加筋土结构是各向异性的复合材料，在垂直应力的作用下，尾矿发生侧向移动，土工袋会对尾矿滑移产生摩擦阻力，限制土体的侧向移动，加筋土的强度与土体的抗剪强度、土体与袋的摩擦系数、袋的抗拉强度有关。

2 袋与袋的堆叠摩擦试验

2.1 试验过程

为了验证土工袋堆叠方式对稳定性的影响，设定了两种堆叠方案，方案1：将土工袋三层无错缝堆叠，试验填充度为95%，试验时施加的垂直应力为50、100、150、200 kPa；横向加载速度设为2 mm/min。方案2：将土工袋底部两层，上部中间一层进行错缝堆叠，试验时施加的垂直应力为50、100、150、200 kPa，横向加载速度设为2 mm/min。

2.2 试验结果分析

堆叠摩擦试验结果如图2 所示，从图2(a)中可看出，随着位移的增加，水平拉力近似线性增长至某一峰值后下降，随后缓慢增长并趋于稳定，随着垂直应力的增加，峰值拉力和位移都随之增加。从图2(c)中可以得到无缝堆叠下的似粘聚力为2.325 kPa，似摩擦角为8.698°。从图2(b)可以看出随着位移的增加，水平拉力呈近似线性增长，并趋于稳定。从图2(c)中可以得到土工袋在错缝堆叠的似粘聚力为2.056 kPa，似摩擦角为14.305°。与无错缝排列的相比，嵌缝堆叠摩擦更难滑动，其摩擦作用更强。

图2 土工袋堆叠摩擦试验结果

3 袋与袋的接触界面摩擦试验

3.1 试验过程

为了验证袋装石墨尾矿堆叠体接触界面方式对堆叠体稳定性的影响，参考《土工试验方法标准》GB/T 50123-2019 开展了土工袋的拉拔摩擦试验，设定三个土工袋无缝堆叠，固定上层和底层，施加垂直应力，对中层的袋体施加水平拉力，接触界面根据经纬向设定为：经- 经- 经、经- 纬- 经、纬- 纬- 纬、纬- 经-纬。土工袋采用30 cm×30 cm，填充度90%，垂直应力为50、100、150、200 kPa，水平拉力加载速度为2 mm/min。为减小实验误差，每组进行三组平行实验，若误差在10%以内则取平均值。

3.2 试验结果分析

图3 为四种不同接触界面的法向压力与拉拔应力的关系图，可以看出，经- 经- 经、经- 纬- 经、纬- 纬- 纬、纬- 经- 纬型堆叠体似粘聚力分别为7.294 4、0.191 67、3.233 4、0.786 11 kPa，似摩擦角依次为20.522°、23.586°、22.44°、25.833°，经纬交替接触的土工袋似粘聚力会明显降低，四种接触界面堆叠方式下纬- 经- 纬型内摩擦角最大、即纬- 经-纬型土工袋稳定性最大。

图3 土工袋界面接触摩擦试验结果

图3 表明：土工袋的界面摩擦特性符合摩尔- 库伦定律，界面摩擦由似粘聚力和似内摩擦角决定且主要由似摩擦角提供；拉拔试验中，界面摩擦力由界面滑动摩擦力和界面咬合摩擦力提供，前者由界面材质决定，后者由嵌锁咬合作用决定。在界面接触土工袋嵌合体拉拔过程中，嵌合处经纬向相互接触咬合，形成拉拔阻挡，若使土工袋发生位移，需克服经向间的阻力完成界面处经向上的上坡与下坡，且垂直应力越大，咬合越紧，所需克服的阻力越大。由于不同袋体材料经纬线编织工艺不同，不同袋体间所克服的阻力也就不一样。经纬线的嵌合使土工袋的稳定性更高，在滑动摩擦力不变的情况下，界面强度随着嵌锁咬合力的增大而增大。

4 结论

（1） 石墨尾矿与土工袋拉力- 位移关系中表现出了明显的非线性特征，随着竖向压力的增加，水平拉力到达峰值拉力的位移越大，随后水平拉力降低呈现平稳的趋势；土工布与石墨尾矿的加筋效果会增强石墨尾矿土体的强度。（2） 袋装石墨尾矿之间的界面摩擦特性符合摩尔- 库伦定律，相较于无缝堆叠的土工袋，错峰堆叠的土工袋之间的摩擦作用更强，堆叠体稳定性更好。（3） 土工袋接触界面对拉拔位移-剪应力曲线形态影响显著，且影响规律与其对模袋材料界面剪切特性类似，经试验对比分析，土工袋界面接触方式纬- 经- 纬型排列方式最佳。