文摘

适当的回填体的剪切强度测定用于填补沉降是恢复沉降和稳定性分析的基础材料。本研究开发了一种抗剪强度计算模型为回填体粘着摩擦理论引入剪切强度分析。在实验室进行直接剪切试验来验证该方法。测试结果表明,抗剪强度计算方法基于粘着摩擦理论可以计算颗粒之间的实际接触面积的变化的测试样本进行剪切和估计峰值抗剪强度。实际接触面积分为两个部分,即粘附接触面积一个_rm和接触面积减少造成的剪切位移,这表现出最大值一个_征求。剪切强度值计算了该方法比实验值小,和他们之间的分歧与岩石比例增加回填的身体。理论和实验之间的差异与岩石的抗剪强度值增加晶粒尺寸。理论计算的结果,结合实验室实验的结果,可以提供支持的正确确定回填体的抗剪强度。

1。介绍

采动沉陷已经占到总数的50%在中国开采引起的地质灾害,受灾面积314765嗯²。这种情况引起了广泛的关注和要求有效的塌陷区土地复垦1,2]。传统上,矿山沉陷区域作为矿山固体废物处置场所。近年来,新方法回收下沉地区,如充填沉陷区域与周围岩石炸山或滤饼的尾矿和转换这些地区尾矿池,出现(3,4]。这些方法有效平息理由免费从矿业的影响(这表明没有采矿活动发生在底层阶层),但不适合消退,仍受到采矿活动在底层阶层(5- - - - - -7]。在矿山废石和尾矿广西制造成糊状填补沉降面积,在一个活跃的状态。所需的填补大约500万米³。考虑到本地区受开采影响,合理的力学性能回填体成功修复发挥重要作用。

现有的研究调查填充的沉陷区域的力学性能主要通过实验室实验和数值模拟,因为沉降地区往往是危险的。爱死你的研究和史密斯的机械性能浪费rock-tailing混合物排入沉降面积表示,谷物在这个混合物之间的内摩擦角随矸石比例(8]。威克兰和威尔逊[9)调查了self-consolidation tailing-waste岩石的混合物在不同混合比例通过使用一个模拟装置。混合物进行了相对较快self-consolidation浪费rock-to-tailing比率时5:1。田et al。10)评估了粉比例块填充的沉降面积Jinshandian铁矿和已有流发生的概率。结果表明,用水泥砖和废石的混合物来填补沉降面积可以确保安全。田et al。11]发现土石混合往往是强烈的摇滚内容和强度的增加,和它的力学性能主要取决于土壤混合物中当岩石比例小于40%。

原位抗剪强度的理论研究应该进行填充,因为实验的数据不能反映他们的机械性能。填充材料填充沉降区域是典型的颗粒材料广泛的颗粒大小,及其抗剪强度主要取决于颗粒之间的摩擦(12- - - - - -14]。粘着摩擦理论是一个重要的依据explaning土壤和岩石抗剪强度的形成机理15]。霍恩(16和书法家17]分析之间的关系提供了宏观剪切和粒间摩擦的优势。太阳et al。18]研究了矸石含量和粒度的影响抗剪强度的沉陷区域填充和解释填补的形成剪切强度的基础上粘着摩擦理论。然而,他们未能提供抗剪强度计算模型。通等。19]开发了飞机结构抗剪强度的计算方法的基础上粘着摩擦理论,证明了该方法比强度降低的方法更可靠。在目前的研究中,抗剪强度的计算模型的基础上构建了沉降区域填充胶摩擦理论。然后,使用该模型进行理论计算,并进行了验证实验。本研究旨在找到一种合理的方法确定填充用于恢复的剪切强度减弱。

力链网络可以形成粒状材料,如土壤和岩石,将部队当他们受到外部负载。考虑到颗粒之间的力量之间在这个网络明显高于谷物以外这个网络,颗粒材料的宏观剪切强度取决于颗粒之间的摩擦强度在力链网络(15,20.,21]。的研究(15)表明,颗粒材料的宏观剪切强度取决于颗粒之间的摩擦。填充用于沉降区域通常由混合废石和尾矿。CT扫描的混合样本包含不同矸石比例(图1)表明,废石和尾矿颗粒随机分布的样本,和是一个典型的颗粒复合填充范围广泛的晶粒大小。这种情况表明,填充的剪切强度取决于颗粒之间的摩擦强度在它18,22,23]。

2。理论

2.1。粘着摩擦理论

粘着摩擦理论指出,土壤和岩石的摩擦强度本质上是一个分子的行为在物理学中,粗糙度是一个固有的对象的所有表面质量不管他们的平滑度,以及表面之间的接触发生在microbulges分散(图2)。一开始,当两个表面接触,microbulges体验造成相当大的压力正常的力量之间的表面。后接触应力达到屈服强度 ,microbulges体验塑性变形。像其他小microbulges逐渐接触,表面之间的接触面积持续增加直到合力在接触点达到零。在这一点上,公司粘附microbulges之间发生接触。对理想弹塑性材料,实际总接触面积之间的可塑性变形microbulges粒子表面可以表示为 。颗粒间的摩擦的产品是和摩擦强度 ,在哪里 。

粘附摩擦的经典理论只考虑实际的接触面积,但忽略了造成的实际接触面积的增加接触的物体之间的相对滑动。修改后的粘着摩擦理论指出,法向力和摩擦会导致microbulges增长,产量和胶接触节点和实际接触面积可以写成 在哪里α是通过实验确定系数,通常大于1和9。的系数α通常是受材料特性的影响,截面形状,和其他因素,通常根据经验选择。

2.2。回填土的抗剪强度理论的身体

太阳et al。12,18,24]研究回填体的抗剪强度机理基础上修改后的粘着摩擦理论。晶粒尺寸的变化和矸石的比例和外部压力导致实际接触面积变化之间回填体的颗粒,颗粒间的摩擦强度,和宏观回填体的抗剪强度。因此,实际接触面积的变化时应首先考虑回填的身体构造剪切强度模型。

2.2.1。回填体的实际接触面积的变化进行剪切

实际的剪切面之间的接触面积远小于名义面积明显的剪切面吗 。公式(1)表明,起源于之间的粘附摩擦剪切平面填充和随剪切位移。分为胶接触面积和接触面积减少造成的剪切位移, 。 , ,和分别是由(19] 在哪里剪切位移,λ修改后的粘着摩擦系数( ,在这剪切时剪切位移应力超过剪切屈服强度,= 20 mm),α通常是一个系数(α= 9)。

2.2.2。根据粘着摩擦理论抗剪强度的确定

粘着摩擦理论指出,接触节点的剪切面处于塑性状态时,回填体进行剪切。在一个恒定的垂直应力,剪切面之间的摩擦实际接触面积成正比 。之间的摩擦剪切飞机时达到高峰到达 ,说明这一点的剪切强度可以回填体的最大抗剪强度。因此,让=点 在应力-应变曲线回填的身体,可以获得以下关系:

的导数关于提供了

让 提供了

的表达不能获得的初始值条件公式(7)不可用。在此基础上,使用相关测量数据在公式(7)获得点 满足 。然后, 点评价,以确定满足条件的点, 。在这一点上,达到最大,剪切面之间的摩擦力量达到峰值,和相应的抗剪强度,即粘附摩擦强度 ,是获得。

3所示。实验

3.1。直接剪切试验

一个小修改直剪仪是用来测试填充样本。样品直径6.18厘米和5.0厘米高度得到矿山尾矿和废石。废石颗粒剪切强度有重要影响(25],所以矸石粉分成三组的片段,晶粒大小的−20日−−10毫米,分别。考虑剪切单元的有限大小,超大矸石处理通过等效替换,确保连续分布的颗粒大小。

在这项实验中,混合物样品含有10%,20%,30%,和40%的废石是由混合的废石和尾矿粒度水,和质量浓度范围从81%到83%。准备酱倒进模具直径6.2厘米和5.0厘米高。样品在室温下完全风干后,他们被释放的模具直接剪切试验。直接剪切试验期间,垂直压力100,200,300,和400 kPa先后应用于每个样本,和横向剪切应力迅速应用到剪切破坏发生在每个样本(图3)。

3.2。测试结果

直接剪切试验对12组样本。表1显示了测试结果和图4显示了一些样品的剪切stress-shear应变曲线。样品的剪切强度增加而增加的垂直压力。随着矸石的比例增加,抗剪强度开始下降然后上升,和最小值时达到矸石比例是20%或30%。内聚力不断下降,而且内摩擦角逐渐增加。在同一矸石比例,增加矸石粒度增加了抗剪强度,内聚力和内摩擦角。

抗剪强度通常包含两个组件,即粘附和摩擦的优势。计算结果表明,摩擦强度占大约80%的回填体的抗剪强度和抗剪强度的主要组件。样品含有30%矸石粒度的−20毫米显示381.31 kPa的摩擦强度,这是相当于总剪切强度的87.52%。

4所示。结果与讨论

试验的数据代入上述公式计算接触面积变化和抗剪强度和抗剪强度的理论和实验值进行了比较。

4.1。实际接触面积的回填的身体

剪切位移的关系 , ,和利用实验数据导出了从测试(在矸石粒度−20毫米,矸石比例为30%,和垂直应力是400 kPa)和应力-应变曲线的相关数据为公式(2),(3)和(4),如图5。

提出了图5,胶接触面积与剪切位移增加,增长率开始下降时接近0.3厘米²。接触面积减少造成的剪切位移与剪切位移增加。增加的速率相对较低时剪切位移小于1.5毫米,开始成长剪切位移超过1.5毫米。实际的接触面积增加然后减少剪切位移和最大在展出 。抗剪强度达到了顶峰 ,和相应的抗剪强度通过计算被认为是身体的最大抗剪强度回填。

4.2。抗剪强度计算

后一个_征求决心,粘附摩擦的强度计算使用公式(7)。然后,抗剪强度之间的关系和实际接触面积得到使用的实验数据测试(废石的粒度是−20毫米,矸石比例为30%,和垂直应力是100年,200年,300年和400 kPa)公式,如图6。

提出了图6,样品展示了理论粘附摩擦强度为141.9,218.7,288.1,和415.6 kPa, 92.7%, 91.5%, 85.23%,和95.3%的最大剪切强度的实验值,分别在矸石粒度−20毫米,矸石比例为30%,和垂直应力是100,200,300和400 kPa。因此,粘附摩擦强度的计算值小于相应的抗剪强度的实验值。

4.3。影响因素的理论粘附摩擦强度

填充用于恢复平息土地是一个典型的类型的颗粒复合材料制成的废石和尾矿。的变异模式的理论和实验值之间的差别粘附摩擦强度不同样本之间不同的混合比例。如图7,抗剪强度的理论值接近实验值矸石比例比较低的时候,和他们之间的分歧与矸石的增加比例增加。垂直压力和理论抗剪强度之间的关系并没有表现出一种明显的模式。随着矸石粒径的增加,理论和实验结果之间的差异表现出持续增长,及其与垂直压力的关系没有表现出一个模式,如图8。

结果表明,提出的抗剪强度计算方法基于粘着摩擦理论适用于均匀粒状材料,和使用该方法的计算值接近实验结果。考虑到剪切强度的理论值比实验值小,他们可以用于实际应用,以确保稳定的原位沉降区域填充。

5。结论

在这项研究中,回填体的抗剪强度计算方法用于填补沉降区域开发的基础上粘着摩擦理论,和一个验证实验是在实验室里进行的。理论计算结果与实验结果进行比较。本研究提出了以下结论:(1)实际接触面积一个_r分为两个部分,即胶接触面积一个_rm和接触面积减少造成的剪切位移,一个_rb。实际接触面积一个_r表现出一个最大值一个_征求,抗剪强度达到了顶峰。然后,通过计算获得的相应的抗剪强度是考虑回填体的最大抗剪强度。(2)抗剪强度计算的值基于粘着摩擦理论是小于从实验室获得的实验。抗剪强度的理论值接近实验值,当废石比例很低,和他们之间的分歧与矸石的增加比例增加。增加矸石粒度增加理论和实验结果之间的差异。(3)抗剪强度计算模型基于粘着摩擦理论适用于均匀混合物。该模型可以用来估计的最大抗剪强度原位填充和相关计算分析。

本研究提出了一种理论计算方法的初步探讨填充用于恢复的剪切强度减弱。尽管进一步修正和改进是必要的,这一研究可以提供新的见解的理论抗剪强度与范围广泛的材料晶粒尺寸,如浪费rock-tailing混合物。理论计算的结果,结合实验室实验的结果,可以提供支持适当的剪切强度的测定填充用于恢复消退的土地。

在这项研究中仍存在一些不足,需要改进。首先,大量的实验进行改进理论模型;其次,现场原位试验进行弥补缺点的小规模测试;最后,等参数的影响,大量的矸石补充说,废石颗粒的大小,和剪切速率剪切强度进行了研究。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Lei刘魏太阳设计实验;张魏太阳和Shengyou进行实验;金鑫李分析实验结果;刘Weidong分析数据和开发分析工具;和魏太阳和Lei刘写的手稿。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号。51964023,51964023,51864023)。