非飽和粉煤灰抗剪強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)及其預(yù)測(cè)

王思聰,孫德安

(上海大學(xué)土木工程系,上海200444)

中國(guó)已成為世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消耗國(guó)家之一.據(jù)統(tǒng)計(jì),2015年我國(guó)粉煤灰排放量已達(dá)到6.2億t.我國(guó)火電廠粉煤灰的氧化物組成為SiO2,Al2O3,FeO,Fe2O3,CaO等,氧化物在水中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí),生成具有一定強(qiáng)度的水硬性水化凝膠物質(zhì).粉煤灰的利用在近幾十年得到了土木工程界的廣泛關(guān)注,因粉煤灰具有用灰量大、密實(shí)度高、自重輕、路基沉降小、施工中受雨季影響小等特點(diǎn),使其在實(shí)際路基工程中被廣泛用于填筑路堤[1].大多粉煤灰路堤位于地下水位線以上,粉煤灰作為堤身材料一般處于非飽和狀態(tài).為了更有效地進(jìn)行粉煤灰路堤的設(shè)計(jì)和施工,亟需對(duì)非飽和粉煤灰的抗剪強(qiáng)度及其隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究.

在國(guó)內(nèi),已有學(xué)者對(duì)粉煤灰的非飽和特性進(jìn)行了研究.魏迎奇等[2]采用Fredlund土水特征曲線測(cè)量?jī)x研究了不同干密度、不同含水量等條件下粉煤灰的土水特性,測(cè)試了粉煤灰脫濕過(guò)程與吸濕過(guò)程的土水特征曲線.張曉龍等[3]通過(guò)不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn),研究了不同含水率下粉煤灰粉體的黏聚力和內(nèi)摩擦角,結(jié)果表明隨著含水率的增大粉煤灰的黏聚力呈減小的趨勢(shì),而含水率對(duì)粉煤灰的內(nèi)摩擦角影響較小,但也隨著含水率的增大呈減小的趨勢(shì).趙明華等[4]使用普通三軸儀進(jìn)行非飽和粉煤灰的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),得到了其總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化規(guī)律:非飽和粉煤灰的黏聚力隨含水率的增大呈先增大后減小的二次拋物線變化,內(nèi)摩擦角隨含水率的增大呈線性衰減.

在國(guó)外,Chindaprasir等[5]分析了粉煤灰細(xì)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,結(jié)果表明抗壓強(qiáng)度隨細(xì)度的增加而增大.Jang等[6]通過(guò)壓汞試驗(yàn)、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和能譜分析儀(energy disperse spectroscopy,EDS),分析研究了粉煤灰微觀結(jié)構(gòu)與其強(qiáng)度發(fā)展的關(guān)系,結(jié)果表明粉煤灰中氧化鋁與氧化硅的含量對(duì)其強(qiáng)度發(fā)展的影響比孔隙結(jié)構(gòu)的影響要大得多.

本工作對(duì)粉煤灰進(jìn)行了直剪試驗(yàn),探討了不同含水率和不同齡期對(duì)非飽和粉煤灰抗剪強(qiáng)度的影響,并從非飽和土力學(xué)的角度,將平均骨架應(yīng)力看作有效應(yīng)力,對(duì)粉煤灰的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用粉煤灰基本物理指標(biāo)如表1所示.采用比重計(jì)法對(duì)粉煤灰進(jìn)行顆粒分析,顆粒組成如表2所示.根據(jù)級(jí)配情況及塑性指數(shù)可知,試驗(yàn)用粉煤灰為低液限粉土.

表1 粉煤灰基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of the f l y-ash

表2 粉煤灰的顆粒級(jí)配Table 2 Gradation of the f l y-ash

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)分別采用壓力板法和濾紙法測(cè)量土水特征曲線,其中壓力板試驗(yàn)所用的裝置是美國(guó)GCTS公司的SWC-150土水特征壓力儀,如圖1所示.濾紙法試驗(yàn)所使用的設(shè)備包括Lock&Lock盒、Whatman No.42濾紙、精度為0.000 1 g的天平及恒溫室等.

直剪試驗(yàn)儀器采用美國(guó)Humboldt公司的HM-2560A.3F型直剪儀.該直剪儀為氣動(dòng)直剪儀,利用氣壓源對(duì)土樣施加豎向荷載,自動(dòng)化程度較高,量測(cè)精確度也較高.

圖1 GCTS公司的SWC-150土水特征壓力儀Fig.1 SWC-150 soil-water characteristics pressure instrument produced by GCTS

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 壓力板法

用千斤頂將含水率約為20%的粉煤灰壓制成干密度為1.1 g/cm3、直徑為50 mm、高度為20 mm的圓餅試樣.壓力板脫濕試驗(yàn)方法如下:首先將非飽和壓實(shí)試樣裝入GCTS土水特征壓力儀進(jìn)行飽和,飽和完畢后利用氣壓控制方式施加吸力.試驗(yàn)中吸力路徑基本上按約2倍關(guān)系逐級(jí)加載到1 250 kPa,即5→10→20→40→80→160→300→500→800→1 250 kPa.排水穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每2 h排水量不超過(guò)0.01 cm3,且每級(jí)吸力施壓時(shí)間不少于48 h.每級(jí)吸力值平衡時(shí)間需要3 d左右.

脫濕試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行吸濕試驗(yàn),吸力路徑與脫濕試驗(yàn)的吸力施加順序相反.1.3.2 濾紙法

用千斤頂壓制干密度為1.1 g/cm3的7個(gè)環(huán)刀樣,直徑和高度與壓力板試驗(yàn)用試樣一致,控制含水率范圍在10%～40%,各試樣含水率間隔約為5%.

裝樣時(shí)首先將3張烘干后的濾紙直接緊貼在試樣的底端面,中間一張濾紙用于量測(cè)土樣的基質(zhì)吸力,外側(cè)兩張濾紙用于保護(hù)中間濾紙,避免中間濾紙因直接接觸土樣而被弄臟;然后將3張濾紙和試樣放入密封容器中,土樣上方用濾網(wǎng)隔開(kāi)后再放一張濾紙;最后將密閉容器放入恒溫室內(nèi),放置兩周后測(cè)量土樣的體積、含水率及濾紙含水率.濾紙的質(zhì)量用精度為0.000 1 g的天平測(cè)量,且在開(kāi)盒及烘干后立刻稱取質(zhì)量,盡量減少因?yàn)V紙與空氣接觸而引起的含水率的變化.

試驗(yàn)使用Whatman No.42濾紙,其率定曲線方程采用Leong等[7]給出的雙線性率定曲線方程,即基質(zhì)吸力為

總吸力為式中,s為吸力(kPa),wf為濾紙的含水率(%).1.3.3 直剪試驗(yàn)

試樣的制備采用常規(guī)的環(huán)刀法,初始干密度均為1.1 g/cm3,試樣的直徑和高度分別為49.6和15.0 mm.對(duì)1組干土樣、3組初始飽和度分別為25%,50%和75%的非飽和試樣以及1組飽和試樣進(jìn)行慢剪試驗(yàn).為了考慮齡期對(duì)非飽和粉煤灰強(qiáng)度的影響,除干土樣以外,對(duì)每組試樣分別在制樣1,4,50 d后進(jìn)行一次直剪試驗(yàn),而飽和度為50%和100%的試樣還在制樣200 d后進(jìn)行了直剪試驗(yàn).直剪試驗(yàn)的豎向應(yīng)力為100,200及400 kPa,具體試驗(yàn)方案如表3所示,試驗(yàn)操作方法參考土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[8],具體試驗(yàn)步驟如下.

(1)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的含水率配制土樣.

(2)根據(jù)設(shè)定的含水率量取土樣質(zhì)量,進(jìn)行壓實(shí)制樣.

(3)將試樣放入剪切盒內(nèi),對(duì)每組3個(gè)試樣分別施加100,200,400 kPa的豎向壓力.

(4)待固結(jié)穩(wěn)定即每小時(shí)試樣豎向變形不超過(guò)0.01 mm時(shí),對(duì)每個(gè)試樣以0.02 mm/min進(jìn)行慢剪,剪切至4 mm時(shí)若出現(xiàn)強(qiáng)度峰值則停止剪切,否則剪切至6 mm停止.

一組3個(gè)試樣固結(jié)慢剪試驗(yàn)結(jié)束后可得到對(duì)應(yīng)于3個(gè)不同豎向壓力的抗剪強(qiáng)度值,從而可整理得到一組粉煤灰試樣的固結(jié)慢剪強(qiáng)度指標(biāo)c,φ.

表3 直剪試驗(yàn)清單Table 3 List of the direct shear tests

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 土水特征曲線

圖2是用壓力板法和濾紙法測(cè)得干密度大致相同(1.1 g/cm3)的壓實(shí)粉煤灰的土水特征曲線,其中曲線①和②分別為用壓力板法測(cè)得的脫濕曲線和吸濕曲線,曲線③和④分別為用濾紙法測(cè)得的基質(zhì)吸力、總吸力曲線.由圖可見(jiàn),試樣的含水率隨著吸力的增加而下降,用濾紙法測(cè)得的土水特征曲線處于用壓力板法測(cè)得的脫濕、吸濕曲線中間.由曲線①可知:當(dāng)吸力小于40 kPa時(shí),隨著吸力的增大試樣含水率w的下降并不明顯;當(dāng)吸力大于40 kPa時(shí),隨著吸力的增大試樣含水率迅速下降;當(dāng)吸力超過(guò)800 kPa時(shí),隨著吸力的增大含水率下降趨勢(shì)已經(jīng)不明顯,即含水率已趨于穩(wěn)定.根據(jù)進(jìn)氣值的定義,分析曲線①可知粉煤灰試樣的進(jìn)氣值約為30 kPa,殘余含水率約為5.5%.對(duì)比曲線①及②可知,粉煤灰的脫濕和吸濕曲線有明顯的滯回效應(yīng).

2.2 直剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

直剪試驗(yàn)得到的飽和度分別為25%,50%,75%和100%的粉煤灰在不同齡期時(shí)的抗剪強(qiáng)度如圖3所示.由圖可知,齡期為4 d時(shí)的τf-σ曲線位于齡期為1 d和10 d的τf-σ曲線之間,并且齡期為10,50,200 d的τf-σ曲線基本重合.分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,不同飽和度粉煤灰的抗剪強(qiáng)度都隨試樣齡期的增加而增大.各飽和度下試樣抗剪強(qiáng)度隨齡期的變化如圖4所示,可見(jiàn)前10 d抗剪強(qiáng)度隨齡期的增加呈上升趨勢(shì),10 d后趨于穩(wěn)定.

圖3 不同飽和度粉煤灰的抗剪強(qiáng)度Fig.3 Shear strength of f l y-ash with diあerent degrees of saturation

圖4 不同飽和度下抗剪強(qiáng)度隨齡期的變化Fig.4 Changes in shear strength with curing time at diあerent degrees of saturation

各齡期峰值強(qiáng)度隨飽和度的變化如圖5所示,圖中應(yīng)力數(shù)值為垂直壓力.由圖可知:粉煤灰在各圍壓下峰值強(qiáng)度隨飽和度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)齡期為1 d時(shí),飽和粉煤灰試樣的抗剪強(qiáng)度明顯低于干粉煤灰試樣(即飽和度為0%);當(dāng)齡期為4 d時(shí),二者的抗剪強(qiáng)度相差較小;當(dāng)齡期為10 d及以上時(shí),飽和粉煤灰試樣的抗剪強(qiáng)度則明顯高于干粉煤灰試樣.

圖5 強(qiáng)度峰值隨飽和度的變化Fig.5 Changes in peak points with diあerent degrees of saturation

不同飽和度粉煤灰在各齡期下的強(qiáng)度指標(biāo)c和φ隨齡期的變化如圖6所示,強(qiáng)度指標(biāo)值如表4所示.由圖可見(jiàn),黏聚力c隨齡期的增加而增大,并在10 d后趨于穩(wěn)定,而內(nèi)摩擦角φ也隨齡期的增加而增大,10 d后基本上變化不大.參照表4和圖6可知,非飽和粉煤灰的黏聚力隨飽和度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),而內(nèi)摩擦角除干燥狀態(tài)外隨飽和度變化不明顯.

圖6 不同飽和度下強(qiáng)度指標(biāo)隨齡期的變化Fig.6 Changes in strength indexes with curing time at diあerent degrees of saturation

表4 粉煤灰的剪切強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 Shear strength parameters of the f l y-ash

為了研究粉煤灰含水率或飽和度高低對(duì)其強(qiáng)度隨齡期變化的影響,此處引入δc/c1和δc/c2,用于評(píng)價(jià)非飽和粉煤灰黏聚力隨齡期的增長(zhǎng)率,其中c1是齡期為1 d時(shí)的黏聚力,c2為穩(wěn)定后的黏聚力,δc=c2?c1.δc/c1-Sr及δc/c2-Sr曲線如圖7所示.由圖可見(jiàn),齡期黏聚力增長(zhǎng)率隨飽和度的增加而增大,而以穩(wěn)定后的黏聚力為基準(zhǔn)時(shí),除干燥狀態(tài)外,非飽和粉煤灰的齡期黏聚力增長(zhǎng)率與飽和度關(guān)系不明顯(見(jiàn)圖7(b)).

圖7 黏聚力增長(zhǎng)率與飽和度的關(guān)系Fig.7 Increasing rates of cohesion versus degree of saturation

3 非飽和粉煤灰抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)

非飽和粉煤灰的孔隙中含空氣和水,其強(qiáng)度特性要比飽和粉煤灰復(fù)雜.目前,在確定非飽和土抗剪強(qiáng)度的方法中,簡(jiǎn)單有效的是用飽和度代替Bishop公式中的有效應(yīng)力參數(shù)χ,即

綜合考慮齡期和飽和度的強(qiáng)度預(yù)測(cè)比較復(fù)雜,為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),此處只進(jìn)行水化穩(wěn)定后非飽和粉煤灰強(qiáng)度的預(yù)測(cè).式(6)中和由穩(wěn)定狀態(tài)后的飽和粉煤灰強(qiáng)度指標(biāo)平均值來(lái)確定(=36.8 kPa,=34.4?).由于測(cè)定一條土水特征曲線的試驗(yàn)需要將近一個(gè)月的時(shí)間,因此可認(rèn)為此時(shí)粉煤灰的水化狀態(tài)已達(dá)到穩(wěn)定.利用濾紙法測(cè)得的粉煤灰基質(zhì)吸力土水特征曲線即圖2中的曲線③,可以根據(jù)不同含水率得到所對(duì)應(yīng)的吸力值.剪切試驗(yàn)中孔隙氣壓力ua為大氣壓,取0.這樣,由,σ,Sr的數(shù)值和式(6)可預(yù)測(cè)非飽和粉煤灰的強(qiáng)度,結(jié)果如圖8所示.由圖可知:當(dāng)飽和度為25%,100%時(shí),預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎相同;而當(dāng)飽和度為50%,75%時(shí),預(yù)測(cè)值略低于試驗(yàn)數(shù)據(jù).可見(jiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果基本上能反映非飽和粉煤灰強(qiáng)度隨飽和度的變化.

圖8 非飽和粉煤灰的剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig.8 Prediction of shear strength for the unsaturated f l y-ash

4 結(jié)論

(1)非飽和粉煤灰的抗剪強(qiáng)度及黏聚力隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),而內(nèi)摩擦角除干燥狀態(tài)外隨飽和度變化不明顯.

(2)與水作用后的粉煤灰的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角隨齡期的增加而逐漸增大,并在10 d后趨于穩(wěn)定.

(3)根據(jù)非飽和粉煤灰的含水率,利用濾紙法測(cè)得的土水特征曲線和以平均骨架應(yīng)力作為有效應(yīng)力的強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式,可較好地預(yù)測(cè)非飽和粉煤灰的強(qiáng)度.

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