垃圾焚燒爐渣混合土大型直剪試驗(yàn)研究

范 廣，肖衡林，馬 強(qiáng)，王 盼，崔孟雷，胡慶文

(湖北工業(yè)大學(xué) 巖土與地下工程研究所，武漢 430068)

垃圾焚燒爐渣混合土大型直剪試驗(yàn)研究

范 廣，肖衡林，馬 強(qiáng)，王 盼，崔孟雷，胡慶文

(湖北工業(yè)大學(xué) 巖土與地下工程研究所，武漢 430068)

底渣為城市生活垃圾焚燒后的產(chǎn)物，具有砂性材料的性質(zhì)，可作為路基的填料。為研究其抗剪性能，將其與黏土進(jìn)行混合，分別在兩種壓實(shí)度和4種黏土含量下進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果得到了8種底渣混合土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。試驗(yàn)結(jié)果表明：① 壓實(shí)后的底渣具有良好的抗剪性能，隨著底渣含量的增加，底渣混合土的抗剪強(qiáng)度增加，黏聚力下降，內(nèi)摩擦角增加；② 隨著壓實(shí)度的增加，底渣的抗剪性能增加，黏聚力明顯增加，內(nèi)摩擦角有所下降。

底渣；底渣混合土；壓實(shí)度；黏土含量；大型直剪試驗(yàn)

1 研究背景

垃圾焚燒爐渣(簡(jiǎn)稱底渣)為垃圾焚燒發(fā)電廠爐床直接排除的殘?jiān)?，以及過(guò)熱器和省煤器排出的灰渣[1]，徐謙等[2-3]研究結(jié)果表明底渣可作為路基填料，但存在級(jí)配不良問(wèn)題。將底渣和黏土進(jìn)行一定比例的混合，既改善了黏土力學(xué)性能，又可為底渣資源化利用提供一種新的途徑。

在直剪試驗(yàn)中，影響土體抗剪指標(biāo)的因素主要有土的密實(shí)度、含水率和土的粗細(xì)顆粒組成等。宋繼宏等[4]對(duì)剔除部分超徑塊石后相同含水率3種不同干密度的巖堆體進(jìn)行室內(nèi)大直剪試驗(yàn)，模擬巖堆土體松散、天然狀態(tài)和密實(shí)3種工況，得出其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ隨干密度的增大而增加；魏厚振等[5]對(duì)蔣家溝礫石土采用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)兩用大型剪切儀進(jìn)行不同含水率的直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明：礫石土的c值隨含水率的增加急劇減小，φ值在含水率由5.35%增加到7.07%時(shí)有所增加，而后φ值隨含水率的增加而減小；鄧通發(fā)等[6]對(duì)井睦高速工程現(xiàn)場(chǎng)的原狀土-砂混合土篩選出粗細(xì)粒組后將其按不同比例混合，對(duì)混合后的黏質(zhì)土-砂混合土進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，得出隨含砂量的增加，c值減小，φ值增大，隨含水率的增加，c值減小，φ值先增加后減小。以上文獻(xiàn)都論證了土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與3種因素的關(guān)系，土體抗剪性能一般隨干密度的增加而增加，隨粗顆粒含量的增加，c值減小，φ值增大。論文以底渣混合土為研究對(duì)象，對(duì)不同壓實(shí)度和不同混合比例的底渣混合土進(jìn)行室內(nèi)大型直接剪切試驗(yàn)，得出各種條件下底渣混合土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，將其作為工程填料時(shí)可提供參考。

2 試驗(yàn)土樣及方案

2.1 試驗(yàn)土樣及其土工特性

試驗(yàn)用底渣取自武漢某垃圾焚燒發(fā)電廠，底渣中粒徑在2～60 mm土的質(zhì)量占總質(zhì)量的49.4%，可知底渣為砂類土，礫類土和砂類土統(tǒng)稱為粗粒土，故底渣屬于粗粒土[7]。其平均粒徑d50=2.0 mm，不均勻系數(shù)Cu=10.39，曲率系數(shù)Cc=0.63，為級(jí)配不良土。試驗(yàn)用黏土取自湖北工業(yè)大學(xué)校內(nèi)一基坑開(kāi)挖工程棄土堆置場(chǎng)地，土由雜填土、黏土和粉質(zhì)黏土組成，土的黏聚力c=9.0～35.0 kPa,內(nèi)摩擦角φ=6.0°～16.0°。

將底渣與黏土按一定比例混合，進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，可得不同配比底渣混合土的最大干密度和最優(yōu)含水率如表1。可知隨著黏土含量的增加，底渣混合土的最大干密度先增加后減少，底渣與黏土比例分別為4∶1，3∶1，2∶1時(shí)底渣混合土能獲得較大的最大干密度。較大干密度的土樣往往具有較好的力學(xué)性能，分別對(duì)純底渣、4∶1底渣混合土、3∶1底渣混合土和2∶1底渣混合土進(jìn)行大直剪試驗(yàn)；擬將混合土作為路基中路床部位的填料，而該部位填料的壓實(shí)度一般為94%和96%，故試驗(yàn)時(shí)對(duì)4種土樣分別匹配94%和96%的壓實(shí)度。

表1 底渣混合土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Compaction test results of soil mixed with bottom ash from municipal solid waste incineration

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)儀器為成都東華卓越研制的ZY50-2G大型直剪壓縮兩用儀，由主機(jī)和測(cè)量操作控制系統(tǒng)2大部分組成。直剪儀主機(jī)主要由安裝有垂直、水平加載油缸的封閉框式主機(jī)架、上下剪切盒、下剪切盒位移滾動(dòng)機(jī)構(gòu)、透水板、傳力板、開(kāi)縫環(huán)、開(kāi)縫滾柱等組成。測(cè)量系統(tǒng)由垂直、水平載荷傳感器以及二次數(shù)字顯示儀表、垂直、水平位移計(jì)等組成。主機(jī)部分如圖1。

直剪部分試樣尺寸為φ504.6 mm×400 mm，可以較好地克服試驗(yàn)時(shí)的尺寸效應(yīng)，通過(guò)控制每層需夯實(shí)土樣的質(zhì)量獲得指定的密度；剪切時(shí)，固定上剪盒通過(guò)液壓油缸推動(dòng)下剪盒，使土體發(fā)生剪切位移。對(duì)不同摻土量、不同壓實(shí)度的底渣混合土在最優(yōu)含水率時(shí)進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，分別施加200,400,600,800 kPa的垂直荷載，固結(jié)穩(wěn)定后，進(jìn)行剪切，剪切位移達(dá)到試樣直徑的10%～15%時(shí)，終止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 剪應(yīng)力-位移關(guān)系及曲線特征機(jī)理

3.1.1 剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線

底渣混合土在最優(yōu)含水率下不同比例、不同壓實(shí)度的剪應(yīng)力-剪切位移如圖2。由圖2可知：①純底渣的抗剪強(qiáng)度高于摻有黏土的底渣混合土，隨著黏土比例的增加，底渣混合土的抗剪強(qiáng)度降低；②相同含水率和底渣黏土比值的底渣混合土，96%壓實(shí)度時(shí)抗剪強(qiáng)度高于94%；③純底渣在剪切時(shí)存在峰值，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，摻有黏土的底渣混合土無(wú)明顯峰值，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化形式[8-10]。

圖2 底渣混合土的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between shear stress and displacement of soil mixed with bottom ash

3.1.2 不同條件對(duì)剪應(yīng)力-位移曲線特征的影響

底渣混合土含粗粒土較多，一般粗粒土整體孔隙率較大，在剪切過(guò)程中剪切面上的顆粒重新排列，部分粗顆粒被磨細(xì)，小顆粒進(jìn)入粗顆粒形成的孔隙中，剪應(yīng)力隨位移的增大而增加。土體在剪切的過(guò)程中，可分為線性增加階段和非線性平穩(wěn)收斂階段[11]，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈雙曲線形。若在剪切過(guò)程中出現(xiàn)剪脹，土體的鑲嵌咬合力會(huì)增大，使剪應(yīng)力出現(xiàn)峰值；隨著剪切位移的繼續(xù)增加，剪脹效果減小，咬合效果下降，剪應(yīng)力下降，在垂直壓力的限制下顆粒逐漸接觸緊密，曲線進(jìn)入平穩(wěn)收斂階段，剪應(yīng)力-位移關(guān)系整體表現(xiàn)為應(yīng)變軟化形式。

剪應(yīng)力-位移曲線是否出現(xiàn)峰值與剪切時(shí)剪切面附近的剪脹效應(yīng)有較大關(guān)聯(lián)。試驗(yàn)土樣在壓實(shí)度較大的條件下，顆粒的重排列效果較差，剪應(yīng)力的變化由顆粒間的鑲嵌咬合力變化引起。純底渣為級(jí)配不良土，在壓實(shí)條件下進(jìn)行剪切，顆粒間相互填充效果較差，會(huì)出現(xiàn)剪脹，使顆粒間的鑲嵌咬合力增加，相應(yīng)的出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值。土樣愈密實(shí)，顆粒填充可能性愈小，剪脹效應(yīng)愈強(qiáng)，峰值效果愈明顯。圖2中的(a)和(b)圖，壓實(shí)度為96%時(shí)的剪應(yīng)力-位移曲線峰值較94%壓實(shí)度明顯，與上述結(jié)果相符。同種土樣，垂直應(yīng)力愈小，曲線的峰值效果明顯。垂直應(yīng)力對(duì)土樣的剪脹效應(yīng)具有一定的抑制作用。垂直應(yīng)力較小時(shí)，對(duì)剪脹效應(yīng)的抑制效果較小，土樣的剪脹效果較強(qiáng)，曲線的峰值效果較明顯。此外，較大的垂直應(yīng)力使顆粒更易被擠碎磨細(xì)，顆粒間的相互填充也會(huì)削弱剪脹效應(yīng)。圖2中，在小垂直應(yīng)力下的峰值較大垂直應(yīng)力明顯，也與上述相符。

對(duì)于底渣和黏土混合后的底渣混合土，剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)明顯峰值。底渣混合土相比純底渣級(jí)配有所改善。底渣混合土中存在較多的細(xì)顆粒，在剪切的過(guò)程中，更容易發(fā)生顆粒的重新排列。混合后，混合土中存在較多的土團(tuán)，這些土團(tuán)由為未混合均勻的黏土團(tuán)和土-底渣團(tuán)粒組成，在垂直壓力和剪切的作用下更易被擠碎磨細(xì)，體積有所減小。較多的細(xì)顆粒和被磨細(xì)的顆粒更易與土粒填充，減弱剪脹效應(yīng)，使混合土的剪應(yīng)力-位移曲線無(wú)明顯峰值。

3.2 抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3.2.1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及不同條件的影響

由直剪儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件處理后，可得不同條件下混合土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值如表2。由表2可知，底渣混合土的黏聚力c隨底渣含量的增加逐漸減小，內(nèi)摩擦角φ隨底渣含量增加逐漸增加。相同含量的底渣混合土，黏聚力c隨壓實(shí)度的增加而增大，內(nèi)摩擦角φ隨壓實(shí)度的增加而減少。通過(guò)對(duì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，可以獲得黏土含量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系如圖3。

在底渣混合土中，隨著黏土含量的增加，土體的黏性顆粒增多，土顆粒間的膠結(jié)作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為底渣混合土的黏聚力增強(qiáng)。內(nèi)摩擦角的大小對(duì)應(yīng)剪切

表2 不同條件下黏聚力c和內(nèi)摩擦角φTable 2 Cohesions and internal friction angles under different conditions

圖3 底渣混合土黏土含量與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系Fig.3 Relationship between clay content and shear strength indexes of the bottom ash mixed with soil

面摩阻系數(shù)的大小，黏土在剪切時(shí)對(duì)土顆粒有一定潤(rùn)滑作用，底渣混合土中黏土含量愈多，黏土的潤(rùn)滑作用愈大，也減少了底渣所占比重，從而減少土體的鑲嵌作用，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小。

對(duì)于壓實(shí)后的底渣混合土，土體的黏聚力與顆粒間的鑲嵌咬合力有很大關(guān)系。壓實(shí)度較高的土體，顆粒間鑲嵌得較為緊密，表現(xiàn)為土體的黏聚力較大。壓實(shí)度由94%增加到96%時(shí)，土體的黏聚力有較大增幅，增加接近兩倍?？芍?，壓實(shí)度為底渣混合土黏聚力的一個(gè)較為敏感的影響因素。內(nèi)摩擦角與剪切面的粗糙程度有關(guān)。隨著壓實(shí)度的增加，土體的內(nèi)摩擦角略有減少，為剪切面的摩擦系數(shù)略有減少，剪切面的粗糙程度下降?？芍?，壓實(shí)度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響小于其對(duì)黏聚力的影響。

在圖3中，對(duì)底渣混合土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和黏土含量關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，得出不同黏土含量下底渣混合土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，可為實(shí)際工程運(yùn)用提供參考。

3.2.2 抗剪強(qiáng)度及不同條件的影響

由圖2可知，在試驗(yàn)所選法向應(yīng)力下，壓實(shí)度為96%和94%的底渣均能獲得較高的抗剪強(qiáng)度，表明壓實(shí)后的底渣具有較好的抗剪性能。在相同法向應(yīng)力下，隨著摻黏土量的增加，底渣混合土的抗剪強(qiáng)度有所降低，但整體處于較高的抗剪水平。

底渣混合土在剪切時(shí)，抗剪強(qiáng)度由黏聚力和摩阻力組成，摩阻力與剪切面的垂直應(yīng)力和粗糙程度有關(guān)，黏聚力由土體的膠結(jié)作用和靜電引力效應(yīng)引起的黏結(jié)力和壓實(shí)土的鑲嵌咬合的鎖合力組成。隨著底渣混合土中黏土含量的增加，土體的黏結(jié)力增加，起骨架作用的底渣比例減少，鎖合力下降，土體的粗糙程度也下降，摩阻力下降。底渣混合土的黏聚力對(duì)壓實(shí)度十分敏感，表明壓實(shí)后的土體抗剪能力中鎖合力占較大比例。在相同法向應(yīng)力下，土體黏結(jié)力的增加對(duì)抗剪能力的增大效應(yīng)不及鎖合力和摩阻力的下降，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度隨黏土比例的增加而降低。

相同比例的底渣混合土，抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增加而增大。壓實(shí)度越大的土體，顆粒間的鎖合力越大，剪切面的粗糙度較低，摩阻力較小。鎖合力的增加與摩阻力的減小相疊加，總體表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度增加。

4 結(jié) 論

(1) 壓實(shí)后的底渣的抗剪性能較好，94%和96%的壓實(shí)度下均能得到較高的抗剪強(qiáng)度，其剪應(yīng)力-剪切位移曲線均存在較明顯峰值。

(2) 在相同法向應(yīng)力下，底渣混合土隨著底渣比例的增加，擊實(shí)性能減小，抗剪強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，剪切時(shí)剪應(yīng)力隨剪切位移逐漸增加，剪應(yīng)力-位移曲線無(wú)明顯峰值。

(3) 隨著底渣混合土中底渣含量的增加，其黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增加。

(4) 隨著壓實(shí)度的增加，底渣混合土的黏聚力明顯增加，內(nèi)摩擦角有所下降。

(5) 底渣和黏土混合后，隨著底渣含量的增加，抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。因此，從抗剪性能來(lái)說(shuō)，底渣和黏土混合后，改良土具有較好的抗剪性能，且能實(shí)現(xiàn)底渣的資源化利用。

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(編輯：王 慰)

Large Direct Shear Test of Soil Mixed with Bottom Ashfrom Municipal Solid Waste Incineration

FAN Guang, XIAO Heng-lin, MA Qiang, WANG Pan, CUI Meng-lei, HU Qing-wen

(Institute of Geotechnical Engineering and Underground Construction,Hubei University of Technology, Wuhan 430068，China)

Bottom ash, as a product of municipal solid waste incineration, similiar to sand soil, can be used as filling material in subgrade. In order to explore the shear strength indexes of the bottom ash, we mixed the bottom ash with clay of different contents and carried out indoor large direct shear tests under two different degrees of compaction. Through the tests, we obtained the values of cohesion and internal friction angle of eight kinds of mixed soils. Results show that 1) compacted bottom ash has good shear resistant ability, and with the increasing of bottom ash content, shear strength and internal friction angle increased, while cohesion decreased; 2) with the increasing of compactness, shear resistant ability increased, cohesion obviously increased, but internal friction angle decreased a little.

bottom ash from municipal solid waste incineration; soil mixed with bottom ash; compactness; clay content; large direct shear test

2015-09-24；

2015-10-30

湖北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2012FFA035)；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(T201605)；湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才項(xiàng)目(BSQD12054)

范 廣(1991-)，男，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程，(電話)13429818030(電子信箱)821132220@qq.com。

作者簡(jiǎn)介：肖衡林(1977-)，男，湖南衡陽(yáng)人，教授，博士，主要從事光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)及環(huán)境巖土工程方面教學(xué)與科研工作，(電話)18971670600(電子信箱)xiao-henglin@163.com。

10.11988/ckyyb.20150812

2017,34(3):111-114

TU411

A

1001-5485(2017)03-0111-04