摻粉煤灰壓實黃土環(huán)剪試驗研究

溫明星，駱亞生，劉紫韋，陳柯君

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2．中建三局集團有限公司西北分公司，西安 710065）

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摻粉煤灰壓實黃土環(huán)剪試驗研究

溫明星1，2，駱亞生1，劉紫韋1，陳柯君1

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2．中建三局集團有限公司西北分公司，西安 710065）

摘 要：為了探究摻粉煤灰壓實黃土殘余強度特性，采用HJ－1型環(huán)剪儀對不同含水率和不同粉煤灰摻量條件下的黃土進行試驗研究。結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增大，土樣最大干密度近似呈線性減小，而最優(yōu)含水率近似呈線性增加；平衡含水率以下，殘余強度與摻灰量呈負相關(guān)，平衡含水率以上，殘余強度與摻灰量呈正相關(guān)。在工程應(yīng)用中，可以考慮用適量粉煤灰處理較濕土，以達到降低土體自重，同時增強殘余強度的目的。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；黃土；環(huán)剪試驗；平衡含水率；殘余強度

1 研究背景

粉煤灰作為燃煤火電廠的次生產(chǎn)物，排放量巨大并且逐年增加［1］，大量粉煤灰的排放對國民經(jīng)濟建設(shè)和生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，粉煤灰的綜合利用已經(jīng)成為一個普遍關(guān)注的問題［2］。解決這一問題的辦法很多，譬如把粉煤灰作為填筑材料［3］或利用粉煤灰進行筑壩［4］等就是有效消納粉煤灰的方法。粉煤灰在許多方面具有優(yōu)良的工程性質(zhì)，在工程應(yīng)用中也得到了較大發(fā)展，但由于缺乏必要的黏聚力，滲透性過大，對工程的安全運行造成不利影響［1－4］。把砂性的粉煤灰和黏土按照一定比例混合，按這種方法可得到工程性質(zhì)良好的混合土料［5－7］，對有效消納粉煤灰和保證工程安全均具有積極意義。為了加快粉煤灰綜合利用研究，同時改善其缺陷，本文選擇黃土與粉煤灰進行混合，形成摻灰黃土。

摻灰黃土作為一種新型混合土料，可被用來筑路和筑壩［7］。高邊坡路基和壩基的邊坡穩(wěn)定性又是工程上普遍關(guān)注的問題，有關(guān)學(xué)者研究表明［8－11］殘余抗剪強度是控制邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)。所以，對摻灰黃土殘余強度方面進行研究，有助于促進粉煤灰在高邊坡路基和壩基工程中的應(yīng)用。

能夠獲取殘余強度的儀器有很多，但由于環(huán)剪儀具有剪切面不變、法向應(yīng)力恒定、剪切位移可以無限大等優(yōu)點而被認為是測定殘余強度的一種較好的儀器［12］。鑒于此，筆者采用環(huán)剪儀對摻粉煤灰壓實黃土進行試驗研究，探究不同含水率和粉煤灰摻量下強度特性，以期為實際工程提供參考。

2 試驗材料、設(shè)備與方法

2．1 試驗材料

本試驗所用材料是黃土與粉煤灰按照一定質(zhì)量比拌合而成的混合土料，其比例分別為：10∶0，9∶1，8∶2，7∶3。黃土取自陜西涇陽某磚廠，取土深度約4．0 m，屬晚更新世Q3黃土。實測其天然含水率為16．2%，天然干密度為1．28 g／cm3，相對密度為2．71，天然孔隙比為1．14。粉煤灰取自于咸陽渭河電廠儲灰場。試驗黃土和粉煤灰的物理性質(zhì)指標分別見表1和表2。

表1　試驗黃土基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of loess specimen

2．2 試驗設(shè)備

本試驗所用試驗儀器是由江蘇溧陽永昌工程實驗儀器廠生產(chǎn)的HJ－1型環(huán)剪儀，主要由動力系統(tǒng)、法向加載系統(tǒng)、土樣剪切系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)4部分組成，通過3個變速箱的調(diào)節(jié)可以設(shè)定45種剪切速率，如圖1所示。試驗土樣為100 mm（外徑）× 60 mm（內(nèi)徑）×20 mm（高）的空心圓環(huán)重塑試樣，試樣底面積為5 026．5 mm2，平均直徑81．7 mm，如圖2所示。

圖1　HJ－1型環(huán)剪儀Fig．1 Ring shear apparatus HJ－1

HJ－1型環(huán)剪儀試驗的直接成果為一系列的扭矩M和時間節(jié)點T。同時，有關(guān)專家普遍認為法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ在整個試樣剪切面上平均分布［12］。經(jīng)過計算可以得出剪應(yīng)力τ和剪切位移S，即：

式中：r1，r2分別為環(huán)形試樣的內(nèi)半徑和外半徑（mm）；v為剪切角速率（°／min）。

圖2　試樣尺寸及受力示意圖Fig．2 Sketch of sample size and force diagram of sample

2．3 研究方法

本試驗包括擊實試驗和環(huán)剪試驗。擊實試驗采用中華人民共和國行業(yè)標準SL237—1999《土工試驗規(guī)程》規(guī)定的標準擊實試驗進行。擊實試驗的目的包括2方面：一是找到不同粉煤灰摻量條件下土料的最大干密度和最優(yōu)含水率，為環(huán)剪試驗提供必要的參數(shù)；二是測定最大干密度、最優(yōu)含水率與粉煤灰摻量的關(guān)系。

以不同粉煤灰摻量下90%的最大干密度作為環(huán)剪試驗的干密度。環(huán)剪試驗采用v＝2．304°／min的剪切速率，在法向應(yīng)力分別為100，200，300，400 kPa作用下，控制含水率和粉煤灰摻量進行試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3．1 摻灰量對土最大干密度ρdmax和最優(yōu)含水率wop的影響

圖3繪制了不同粉煤灰摻量下黃土的標準擊實曲線，圖4是粉煤灰摻量對最大干密度和最優(yōu)含水率的影響關(guān)系曲線。

圖3　不同粉煤灰摻量下黃土擊實曲線Fig．3 Compaction curves of loess in the presence of different fly ash proportions

圖4　粉煤灰摻量與最優(yōu)含水率、最大干密度關(guān)系曲線Fig．4 Variations of optimum moisture content and maximum dry density with blending ratio of fly ash

由圖3和圖4可以看出：隨著粉煤灰摻量的增大，摻灰黃土最大干密度減小，最優(yōu)含水率增大，并近似呈線性變化。由于純粉煤灰的比重比較小，所以摻灰黃土的最大干密度隨粉煤灰摻量的增加呈減小趨勢。30%粉煤灰摻量的黃土最大干密度比純黃土最大干密度降低約13．8%，所以用摻適量粉煤灰的黃土修筑高路堤、修建大壩等構(gòu)筑物可以降低自重，減小自重應(yīng)力。隨著粉煤灰摻量的增加，最優(yōu)含水率提高，30%粉煤灰摻量的黃土最優(yōu)含水率比純黃土最優(yōu)含水率提高17．6%，所以在處理較濕黃土?xí)r可以考慮摻加適當(dāng)量的粉煤灰，以降低黃土對水的敏感性。

3．2 抗剪強度與含水率的關(guān)系

圖5為不同含水率土樣殘余剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系曲線。表3為對圖5進行線性擬合后反算得出的殘余摩擦角和殘余黏聚力。

由圖5可知，相同法向應(yīng)力作用下，隨著含水率的增大，試樣的殘余抗剪強度減小，且近似呈線性變化。由表3可知，隨著含水率的增大，殘余摩擦角和殘余黏聚力均減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一是因為隨著含水率的增大，土中膠結(jié)物被逐漸溶解，黏聚力變小；二是隨著含水率的增大，土顆粒表層水膜變厚，摩擦力變小；三是在剪切過程中，土顆粒定向排列逐漸形成，由于剪切擾動，土中水逐漸向剪切面附近運移，摩擦力進一步減小。

圖5　不同含水率下殘余剪應(yīng)力－法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig．5 Relationship between residual shear strength and normal stress under different moisture contents

表3　殘余強度指標Table 3 Indexes of residual strength under different moisture contents

3．3 抗剪強度與粉煤灰摻量的關(guān)系

圖6（a）至圖6（d）為4種含水率條件下粉煤灰摻量不同時剪應(yīng)力－剪切位移關(guān)系曲線。圖7為殘余剪應(yīng)力與土樣含水率的關(guān)系曲線。

圖6　不同粉煤灰摻量下試樣剪應(yīng)力－剪切位移關(guān)系曲線Fig．6 Curves of shear stress vs．shear displacement under different blending ratios of fly ash

圖7　不同粉煤灰摻量的試樣殘余剪應(yīng)力－含水率關(guān)系曲線Fig．7 Curves of residual shear strength vs．moisture content under different blending ratios of fly ash

由圖6可知，粉煤灰0摻量的黃土在含水率為15%和17%時，試樣剪應(yīng)力跨過峰值強度后出現(xiàn)一定程度的衰減，屬于應(yīng)變軟化型；含水率為20%和23%時，試樣抗剪強度逐漸增強，最后趨于穩(wěn)定，屬于應(yīng)變硬化型。有關(guān)學(xué)者研究表明［13］，土的抗剪強度由3部分組成：黏聚分量、剪脹分量、摩擦分量。在較小含水率情況下，初始剪切時，剪應(yīng)力中黏聚分量和剪脹分量相對比較大，隨著剪切位移的繼續(xù)增大，黏聚分量和剪脹分量急劇減小，所以剪應(yīng)力出現(xiàn)衰減。摻粉煤灰的土樣不管在低含水率還是高含水率情況下，在剪切過程均不出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，這是由于粉煤灰的摻入，黏聚分量因土顆粒間黏聚作用遭到部分破壞而降低，剪應(yīng)力主要由摩擦分量組成，所以剪應(yīng)力不出現(xiàn)衰減，峰值強度即為殘余強度。

由圖7可知，當(dāng)含水率為15%時，隨著粉煤灰摻量的增大，試樣殘余強度逐漸減??；含水率為17%時，不同粉煤灰摻量的試樣殘余強度相近；含水率為20%和23%時，隨著粉煤灰摻量的增大，試樣殘余強度逐漸增大。粉煤灰在含水率不同的情況下，起到不同的作用。含水率較小時，粉煤灰摻量與殘余強度呈負相關(guān)關(guān)系；含水率較大時，粉煤灰摻量與殘余強度呈正相關(guān)關(guān)系。

3．4 粉煤灰作用機理探究

粉煤灰是煤粉中不燃物因受到高溫作用而部分熔融，同時由于其表面張力的作用而形成的大量細小球形顆粒，平均粒徑大于黃土。觀察剪切面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率為15%時，剪切面附近的粉煤灰顆粒松散，多處于游離狀態(tài)；含水率為20%和23%時，剪切面附近粉煤灰顆粒與黏土顆粒相互黏結(jié)，粉煤灰顆粒處于被約束狀態(tài)。

游離的粉煤灰顆粒在剪切面充當(dāng)滾珠作用，摩擦方式主要為滾動摩擦；被約束的粉煤灰顆粒摩擦方式主要為滑動摩擦。摻灰黃土剪應(yīng)力中的摩擦分量主要由滾動摩擦分量和滑動摩擦分量組成。隨著粉煤灰摻量的增大，相當(dāng)于剪切面附近滾珠數(shù)增多，所以滾動摩擦分量與粉煤灰摻量呈負相關(guān)關(guān)系。粉煤灰顆粒平均粒徑大于黃土顆粒，內(nèi)摩擦角大于黃土，所以滑動摩擦分量與粉煤灰摻量呈正相關(guān)關(guān)系。含水率較小時，滾動摩擦分量占主導(dǎo)地位，殘余強度隨著摻灰量的增大而減小；含水率較大時，滑動摩擦分量占主導(dǎo)地位，殘余強度隨摻灰量的增大而增大。含水率為17%附近時，起負作用的滾動摩擦分量和起正作用的滑動摩擦分量達到均衡，所以不同摻灰量的試樣殘余強度相差不大。為便于描述，該含水率稱之為平衡含水率。

4 結(jié) 論

利用HJ－1型環(huán)剪儀對不同含水率不同粉煤灰摻量的黃土試樣進行試驗，研究摻粉煤灰壓實黃土抗剪強度特性，得出以下結(jié)論：

（1）對不同粉煤灰摻量的黃土進行標準擊實試驗，摻灰黃土最大干密度隨粉煤灰摻量的增大而近似呈線性減小，最優(yōu)含水率隨近似呈線性增大。工程上可考慮用適量粉煤灰處理較濕土，以降低土的自重和土對水的敏感性。

（2）對相同粉煤灰摻量不同含水率的試樣進行試驗，研究發(fā)現(xiàn)，低含水率、低法向應(yīng)力條件下，土樣在剪切過程中易于出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。隨著含水率的增大，土樣的殘余黏聚力和殘余摩擦角逐漸降低，抗剪強度降低。

（3）對不同粉煤灰摻量的摻灰黃土試樣進行試驗，研究發(fā)現(xiàn)，摻灰黃土殘余強度摩擦分量主要由滾動摩擦分量和滑動摩擦分量組成。滾動摩擦分量與摻灰量呈負相關(guān)，滑動摩擦分量與摻灰量呈正相關(guān)。平衡含水率以下，殘余強度隨摻灰量的增大而減小；平衡含水率以上，殘余強度隨摻灰量的增大而增大。所以在筑壩工程中，處理較濕土?xí)r，可以向土中摻入適當(dāng)比例的粉煤灰，以增強其抗剪強度。

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（編輯：姜小蘭）

Ring Shear Test of Compacted Loess Blended with Fly Ash

WEN Ming?xing1，2，LUO Ya?sheng1，LIU Zi?wei1，CHEN Ke?jun1
（1．College of Water Resources and Architecture Engineering，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China；2．Northwest Branch of China Construction 3th Engineering Bureau，Xi’an 710065，China）

Abstract：In order to explore the residual strength characteristics of compacted loess blended with fly ash，and pro?vide reference for engineering practice，we carry out experimental research on loess by using HJ?1 ring shear appa?ratus in the presence of different moisture contents and blending ratios of fly ash．The results showed that 1）with the increase of blending ratio of fly ash，the maximum dry density linearly decreases，whereas the optimum moisture content linearly increases；2）if moisture content is below equilibrium moisture content，the relation between resid?ual strength and blending ratio of fly ash shows tendency of negative correlation，otherwise，the relation shows tend?ency of positive correlation．In actual projects，we can treat wet soil with suitable proportions of fly ash to reduce the self weight of soil and to improve residual strength．

Key words：fly ash；loess；ring shear test；equilibrium moisture content；residual strength

作者簡介：溫明星（1988－），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為黃土力學(xué)與工程，（電話）15291681629（電子信箱）819042895＠qq．com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51178392）

收稿日期：2014－12－15；修回日期：2015－01－10

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0070－05