土工格栅-尾矿复合体界面力学特性及工程推广

本文是一篇土木工程论文，本文推导了一个能够预测材任意位置拉力和位移的界面拉拔公式，以弥补试验数据测量的不足，再对筋-尾矿拉拔界面弹塑性模型的全历程进行了分析，最后推导了土工格栅加筋尾矿的本构关系，为接下来分析加筋尾矿提供了理论支持，下一步有必要在室内试验和理论分析相结合的基础上更深入探索加筋尾矿的力学特性。
1绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
尾矿作为金属矿山经选矿等处理后剩下的在现有技术条件下无法回收利用的工业废料，其堆放场地（尾矿库）的安全成为矿山安全的主要方面。尾矿库的数量和尾矿坝的高度随着矿产资源开发的进行而增长，随着尾矿坝高度的不断增加，尾矿坝的安全问题成为政府和矿山企业关注的焦点。尾矿溃坝事故造成的巨大损失已经屡见不鲜[1,2]，例如，2017年3月12日，湖北省黄石市大冶铜绿山铜铁矿尾砂库发生溃坝事故，2人死亡1人失踪。尾矿坝的稳定与安全正成为广受关注和富有挑战性的研究方向。尾矿库一旦失事，会给下游人民造成巨大灾难，确保尾矿坝的稳定与安全正日益成为广受关注和富有挑战性的研究领域。
新建尾矿库涉及到工程选址、土地利用审批、环境影响评价和基础设施建设等一些列事情，其中不仅仅关系到矿山企业的经济效益，还涉及到占用土地、安全和环境保护等一系列社会问题，因此通过工程措施解决现有尾矿库的增高扩容问题，增加其服役期限，从根本上解决尾矿库的安全问题，使经济生产和人民生活协调发展，具有显著的经济效益和深远的社会效益。
应急〔2020〕15号—《关于印发防范化解尾矿库安全风险工作方案的通知》中国家明确规定了进一步完善尾矿库安全生产责任体系，坚决遏制非不可抗力因素导致的溃坝事故。因此，如何提高其安全稳定性并在此基础上扩大尾矿库库容是工程人员十分关注的内容，把土工格栅这种新型土工合成材料运用到尾矿库筑坝工程中来，提高尾矿坝的稳定性，为尾矿库的安全提供理论依据和技术支持，就显得极具科学意义和工程需求。
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1.2国内外研究现状
1.2.1界面特性室内试验研究现状
（1）直剪拉拔试验仪器研制
近年来，筋土界面特性试验设备的研制一直就备受关注，分析筋土界面作用特性的试验仪器主要是直剪试验设备和拉拔试验设备，由于试验机理的差异，这导致使用这两种设备得到的试验结果也有很大不同[3-8]，国内外许多学者对直剪和拉拔这两种试验设备进行了大量研制和改装：C.S.Desai等[9]研制了多自由度循环直剪仪；M.Sugimoto等[10,11]研制了主要用于分析土工格栅与砂土界面作用的中型拉拔测试仪，尺寸为680 mm×300 mm×620mm，竖直加载采用了双面气囊；张嘎等[12]研制了剪切盒尺寸为250 mm×250 mm、500 mm×360 mm的大型接触面循环加载剪切试验机；徐林荣等[13]研制一套适用于研究土工格栅与膨胀土界面特性的室内模型试验装置；N.Morci等[14]通过尺寸为1700 mm×600 mm×680 mm的拉拔箱对筋土界面特性影响因素进行了拉拔试验研究；杨和平等[15]为分析土工格栅与膨胀土界面特性研制了CS-LB01大型数控土工合成材料拉拔试验系统；刘炜等[16]研制了500 mm×500 mm×400 mm大尺寸直剪仪；肖朝昀等[17]采用大尺寸直剪仪研究了HDPE土工膜与无纺土工布的界面剪切性能；陈凯等[18]利用DSJ-2型电动四联等应变直剪仪，分别进行了黏土与不同粒径砂和不同含水率砂的直剪试验；王军等[19]应用美国公司生产的ShearTracⅢ直剪仪，开展了玻璃纤维土工格栅与标准砂的室内直剪试验；高俊丽等[20]改装了现有大型拉拔剪切仪，使加载方式能够实现柔性承压和刚性承压；蔡剑韬[21]应用叠环式剪切试验机分析了土工格栅与膨胀土的界面特性；王家全等[22]研制了一台大尺寸可视直剪试验仪器，实现了直剪试验过程的可视和数据自动化采集；易富等[23]改装的拉拔设备采用万能试验机施加水平拉力，竖向荷载由砝码控制；孟凡祥等[24]研制了土工合成材料剪切仪，可进行土工合成材料直剪和拉拔试验，但其设备尺寸较小且两种试验箱底面积不同。但目前国内外还没有一种公认的标准或试验方法，所研究的设备均由不足之处：首先，试验过程的可视，可以进行界面特性的细观分析；其次，直剪试验和拉拔试验需用两种试验设备进行，不能在同一设备两种试验都能进行且试验箱底面积相同，方便进行两种试验的对比分析；最后，试验数据的读取与处理存在误差。所以，研制出新型土工合成材料直剪拉拔摩擦试验系统至关重要。
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2格栅-尾矿复合体界面特性试验研究
2.1直剪拉拔试验仪器研制
界面特性研究的定量方法主要是进行各种加筋土的试验，包括：室内试验（直剪、拉拔和三轴试验）、静力模型试验以及现场试验。本文主要研究筋-尾矿界面特性的室内试验，直剪试验是模拟摩擦作用的，比较简单易行，成果规律性较好；拉拔试验是模拟摩擦和嵌锁作用全过程的，在分析筋土界面内部稳定和相互作用时，采用拉拔试验更合适，因为拉拔试验中应力和位移是从拉拔端逐渐传递到自由端，能够全面反应土工格栅与土的相互作用机理[3]。三轴试验也是常用的室内试验方法，此时将加筋土试样当作复合体[29]。

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本试验仪器由南京华德仪器公司生产的YT1200土工合成材料直剪拉拔试验系统研制而成，该系统主要包括试验箱（直剪和拉拔）、垂直加载系统、水平加载系统、图像摄录系统和数据采集系统组成，试验设备如图2.1所示。
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2.2试验填料及筋材参数指标
2.2.1尾矿填料
试验所用尾矿砂填料来源于鞍钢矿业集团齐大山选矿厂风水沟尾矿库，为了降低砂中水分对试验结果的影响，采用干尾矿砂，含水率为3.75%，该尾矿砂具有的物理性质指标见表2.1。尾矿砂颗粒级配为：有效粒径d100.10mm，中值粒径d300.19mm，限制粒径d600.30 mm，经计算，该尾矿的不均匀系数Cu35，曲率系数Cc1.2在1～3之间，说明该尾矿属于级配不良，颗粒级配曲线如图2.3所示，具体颗粒级配见表2.2。

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3格栅-尾矿复合体界面力学模型...................................46
3.1筋土界面基本方程........................................46
3.2拉拔试验结果分析........................................54
3.3筋-尾矿拉拔界面弹塑性模型......................................55
4加筋尾矿坝影响因素敏感性分析...............................97
4.1概述.......................................97
4.2堆积坝加筋因素敏感性分析........................................99
4.3加筋对坝体稳定性的影响分析......................................104
5加筋尾矿堆积坝模型试验研究...................................108
5.1模型试验装置及材料............................108
5.2模型试验方案及步骤............................................111
5.3模型试验结果与分析........................................112
6加筋尾矿坝现场试验及工程应用
6.1现场试验方案设计
为了研究加筋尾矿堆积坝的受力、变形及工作性能，基于室内试验和模型试验的基础上，在辽宁鞍钢矿业集团齐大山选矿厂风水沟尾矿库5号副坝位置进行了土工合成材料加筋尾矿堆积坝现场试验。通过开展三种不同型式尾矿堆积坝（常规坝、格栅加筋坝、土工布加筋坝）现场原型试验，在排浆及排浆之后一段时间对尾矿坝坝体内部的孔隙水压力和土压力进行持续观测，分析筋材铺设对尾矿坝的影响及在排浆后坝体内部孔压和土压的变化规律，并将常规坝、格栅加筋坝和土工布加筋坝3个试验坝的监测数据进行对比分析。在风水沟尾矿库5号副坝进行加筋尾矿堆积坝现场试验，如图6.1所示为加筋尾矿坝现场试验的具体位置。具体的试验区边长大概15 m，在试验区开挖1 m左右的浅坑，堆筑4 m高的四周堆积坝。

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7结论及展望
7.1结论
为进一步推广土工格栅加筋尾矿结构的应用，合理诠释格栅-尾矿复合体力学特性及其工程应用，本文开展了界面特性室内试验（直剪、拉拔、三轴试验）、界面特性理论分析、加筋尾矿坝影响因素敏感性分析、加筋尾矿堆积坝模型试验及加筋尾矿坝现场试验，对土工格栅-尾矿复合体界面力学特性及工程应用进行了研究。主要结论如下：
（1）使用新研制仪器分别进行了土工格栅和土工布加筋尾矿砂的直剪和拉拔试验，分析了筋-尾矿界面宏细观特性。为了更准确的分析土工格栅加筋尾矿的效果，应该将格栅-尾矿界面摩擦作用从界面综合摩擦作用中分离出来，土工格栅加筋尾矿的合理网孔尺寸应该控制格栅-尾矿界面与剪切面面积比在0.4左右。
（2）无论是土工格栅加筋尾矿还是土工布加筋尾矿，加筋层数对抗剪强度指标似粘聚力的影响显著，对似摩擦角的影响较小，随着加筋层数增长似粘聚力均基本呈线性增大；加筋尾矿效果随加筋层数增加明显提升，但加筋层数增大到一定程度时，加筋效果开始逐渐变弱；相较土工布，土工格栅对尾矿的加筋效果更显著。
（3）给出了筋土界面拉拔公式的具体应用及分析步骤，界面拉拔公式预测结果与拉拔试验结果吻合较好，表明了所推导分析模型公式的合理性。提出的两组模型预测结果与拉拔试验数据基本吻合，验证了所提出两种弹塑性模型对筋材在拉拔界面中渐进破坏分析的有效性；新提出线性的剪应力-位移硬化和软化模型的荷载传递表达式简单，计算简便，具有很好的适用性，可用于筋土拉拔界面特性研究中。
（4）非线性四参数粘弹塑性模型能够准确模拟土工格栅在低应力水平情况下的两阶段衰减式蠕变和应力松弛变化情况，是一个在短期和长期荷载下均能适用的合理模型；考虑对应尾矿弹性和塑性状态的两阶段加筋尾矿形式，提出了粘弹塑性土工格栅加筋弹塑性尾矿的流变模型。
（5）设计L25(56)正交表进行25组计算方案，分析了加筋尾矿堆积坝安全稳定性影响因素的敏感性。敏感性排序为铺设长度(L)>筋材模量(E)>铺设间距(d)>筋-尾矿界面似粘聚力(cif)>筋-尾矿似摩擦角(φif)；显著性检验结果为铺设间距(d)和铺设长度(L)影响高度显著，弹性模量(E)和似粘聚力(cif)影响显著，似摩擦角(φif)影响不十分显著；其中，极差分析结果的加筋影响因素敏感性排序与方差分析的显著性结果一致。
参考文献（略）