非饱和粉煤灰抗剪强度的时间效应及其预测

王思聪,孙德安

(上海大学土木工程系,上海200444)

中国已成为世界上最大的煤炭生产和消耗国家之一.据统计,2015年我国粉煤灰排放量已达到6.2亿t.我国火电厂粉煤灰的氧化物组成为SiO2,Al2O3,FeO,Fe2O3,CaO等,氧化物在水中发生化学反应时,生成具有一定强度的水硬性水化凝胶物质.粉煤灰的利用在近几十年得到了土木工程界的广泛关注,因粉煤灰具有用灰量大、密实度高、自重轻、路基沉降小、施工中受雨季影响小等特点,使其在实际路基工程中被广泛用于填筑路堤[1].大多粉煤灰路堤位于地下水位线以上,粉煤灰作为堤身材料一般处于非饱和状态.为了更有效地进行粉煤灰路堤的设计和施工,亟需对非饱和粉煤灰的抗剪强度及其随时间的变化规律进行研究.

在国内,已有学者对粉煤灰的非饱和特性进行了研究.魏迎奇等[2]采用Fredlund土水特征曲线测量仪研究了不同干密度、不同含水量等条件下粉煤灰的土水特性,测试了粉煤灰脱湿过程与吸湿过程的土水特征曲线.张晓龙等[3]通过不固结不排水三轴压缩试验,研究了不同含水率下粉煤灰粉体的黏聚力和内摩擦角,结果表明随着含水率的增大粉煤灰的黏聚力呈减小的趋势,而含水率对粉煤灰的内摩擦角影响较小,但也随着含水率的增大呈减小的趋势.赵明华等[4]使用普通三轴仪进行非饱和粉煤灰的抗剪强度试验,得到了其总应力强度指标随含水率的变化规律:非饱和粉煤灰的黏聚力随含水率的增大呈先增大后减小的二次抛物线变化,内摩擦角随含水率的增大呈线性衰减.

在国外,Chindaprasir等[5]分析了粉煤灰细度与抗压强度的关系,结果表明抗压强度随细度的增加而增大.Jang等[6]通过压汞试验、红外光谱仪、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和能谱分析仪(energy disperse spectroscopy,EDS),分析研究了粉煤灰微观结构与其强度发展的关系,结果表明粉煤灰中氧化铝与氧化硅的含量对其强度发展的影响比孔隙结构的影响要大得多.

本工作对粉煤灰进行了直剪试验,探讨了不同含水率和不同龄期对非饱和粉煤灰抗剪强度的影响,并从非饱和土力学的角度,将平均骨架应力看作有效应力,对粉煤灰的抗剪强度进行了预测.

1 试验概况

1.1 试验材料

试验用粉煤灰基本物理指标如表1所示.采用比重计法对粉煤灰进行颗粒分析,颗粒组成如表2所示.根据级配情况及塑性指数可知,试验用粉煤灰为低液限粉土.

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

表2 粉煤灰的颗粒级配Table 2 Gradation of the f l y-ash

1.2 试验仪器

本试验分别采用压力板法和滤纸法测量土水特征曲线,其中压力板试验所用的装置是美国GCTS公司的SWC-150土水特征压力仪,如图1所示.滤纸法试验所使用的设备包括Lock&Lock盒、Whatman No.42滤纸、精度为0.000 1 g的天平及恒温室等.

直剪试验仪器采用美国Humboldt公司的HM-2560A.3F型直剪仪.该直剪仪为气动直剪仪,利用气压源对土样施加竖向荷载,自动化程度较高,量测精确度也较高.

图1 GCTS公司的SWC-150土水特征压力仪Fig.1 SWC-150 soil-water characteristics pressure instrument produced by GCTS

1.3 试验方法

1.3.1 压力板法

用千斤顶将含水率约为20%的粉煤灰压制成干密度为1.1 g/cm3、直径为50 mm、高度为20 mm的圆饼试样.压力板脱湿试验方法如下:首先将非饱和压实试样装入GCTS土水特征压力仪进行饱和,饱和完毕后利用气压控制方式施加吸力.试验中吸力路径基本上按约2倍关系逐级加载到1 250 kPa,即5→10→20→40→80→160→300→500→800→1 250 kPa.排水稳定标准为每2 h排水量不超过0.01 cm3,且每级吸力施压时间不少于48 h.每级吸力值平衡时间需要3 d左右.

脱湿试验结束后进行吸湿试验,吸力路径与脱湿试验的吸力施加顺序相反.1.3.2 滤纸法

用千斤顶压制干密度为1.1 g/cm3的7个环刀样,直径和高度与压力板试验用试样一致,控制含水率范围在10%～40%,各试样含水率间隔约为5%.

装样时首先将3张烘干后的滤纸直接紧贴在试样的底端面,中间一张滤纸用于量测土样的基质吸力,外侧两张滤纸用于保护中间滤纸,避免中间滤纸因直接接触土样而被弄脏;然后将3张滤纸和试样放入密封容器中,土样上方用滤网隔开后再放一张滤纸;最后将密闭容器放入恒温室内,放置两周后测量土样的体积、含水率及滤纸含水率.滤纸的质量用精度为0.000 1 g的天平测量,且在开盒及烘干后立刻称取质量,尽量减少因滤纸与空气接触而引起的含水率的变化.

试验使用Whatman No.42滤纸,其率定曲线方程采用Leong等[7]给出的双线性率定曲线方程,即基质吸力为

总吸力为式中,s为吸力(kPa),wf为滤纸的含水率(%).1.3.3 直剪试验

试样的制备采用常规的环刀法,初始干密度均为1.1 g/cm3,试样的直径和高度分别为49.6和15.0 mm.对1组干土样、3组初始饱和度分别为25%,50%和75%的非饱和试样以及1组饱和试样进行慢剪试验.为了考虑龄期对非饱和粉煤灰强度的影响,除干土样以外,对每组试样分别在制样1,4,50 d后进行一次直剪试验,而饱和度为50%和100%的试样还在制样200 d后进行了直剪试验.直剪试验的竖向应力为100,200及400 kPa,具体试验方案如表3所示,试验操作方法参考土工试验标准[8],具体试验步骤如下.

(1)根据试验设定的含水率配制土样.

(2)根据设定的含水率量取土样质量,进行压实制样.

(3)将试样放入剪切盒内,对每组3个试样分别施加100,200,400 kPa的竖向压力.

(4)待固结稳定即每小时试样竖向变形不超过0.01 mm时,对每个试样以0.02 mm/min进行慢剪,剪切至4 mm时若出现强度峰值则停止剪切,否则剪切至6 mm停止.

一组3个试样固结慢剪试验结束后可得到对应于3个不同竖向压力的抗剪强度值,从而可整理得到一组粉煤灰试样的固结慢剪强度指标c,φ.

表3 直剪试验清单Table 3 List of the direct shear tests

2 试验结果及分析

2.1 土水特征曲线

图2是用压力板法和滤纸法测得干密度大致相同(1.1 g/cm3)的压实粉煤灰的土水特征曲线,其中曲线①和②分别为用压力板法测得的脱湿曲线和吸湿曲线,曲线③和④分别为用滤纸法测得的基质吸力、总吸力曲线.由图可见,试样的含水率随着吸力的增加而下降,用滤纸法测得的土水特征曲线处于用压力板法测得的脱湿、吸湿曲线中间.由曲线①可知:当吸力小于40 kPa时,随着吸力的增大试样含水率w的下降并不明显;当吸力大于40 kPa时,随着吸力的增大试样含水率迅速下降;当吸力超过800 kPa时,随着吸力的增大含水率下降趋势已经不明显,即含水率已趋于稳定.根据进气值的定义,分析曲线①可知粉煤灰试样的进气值约为30 kPa,残余含水率约为5.5%.对比曲线①及②可知,粉煤灰的脱湿和吸湿曲线有明显的滞回效应.

2.2 直剪试验结果及分析

直剪试验得到的饱和度分别为25%,50%,75%和100%的粉煤灰在不同龄期时的抗剪强度如图3所示.由图可知,龄期为4 d时的τf-σ曲线位于龄期为1 d和10 d的τf-σ曲线之间,并且龄期为10,50,200 d的τf-σ曲线基本重合.分析试验数据可知,不同饱和度粉煤灰的抗剪强度都随试样龄期的增加而增大.各饱和度下试样抗剪强度随龄期的变化如图4所示,可见前10 d抗剪强度随龄期的增加呈上升趋势,10 d后趋于稳定.

图3 不同饱和度粉煤灰的抗剪强度Fig.3 Shear strength of f l y-ash with diあerent degrees of saturation

图4 不同饱和度下抗剪强度随龄期的变化Fig.4 Changes in shear strength with curing time at diあerent degrees of saturation

各龄期峰值强度随饱和度的变化如图5所示,图中应力数值为垂直压力.由图可知:粉煤灰在各围压下峰值强度随饱和度的增加呈先增大后减小的趋势;当龄期为1 d时,饱和粉煤灰试样的抗剪强度明显低于干粉煤灰试样(即饱和度为0%);当龄期为4 d时,二者的抗剪强度相差较小;当龄期为10 d及以上时,饱和粉煤灰试样的抗剪强度则明显高于干粉煤灰试样.

图5 强度峰值随饱和度的变化Fig.5 Changes in peak points with diあerent degrees of saturation

不同饱和度粉煤灰在各龄期下的强度指标c和φ随龄期的变化如图6所示,强度指标值如表4所示.由图可见,黏聚力c随龄期的增加而增大,并在10 d后趋于稳定,而内摩擦角φ也随龄期的增加而增大,10 d后基本上变化不大.参照表4和图6可知,非饱和粉煤灰的黏聚力随饱和度的增加呈先增大后减小的趋势,而内摩擦角除干燥状态外随饱和度变化不明显.

图6 不同饱和度下强度指标随龄期的变化Fig.6 Changes in strength indexes with curing time at diあerent degrees of saturation

表4 粉煤灰的剪切强度指标Table 4 Shear strength parameters of the f l y-ash

为了研究粉煤灰含水率或饱和度高低对其强度随龄期变化的影响,此处引入δc/c1和δc/c2,用于评价非饱和粉煤灰黏聚力随龄期的增长率,其中c1是龄期为1 d时的黏聚力,c2为稳定后的黏聚力,δc=c2−c1.δc/c1-Sr及δc/c2-Sr曲线如图7所示.由图可见,龄期黏聚力增长率随饱和度的增加而增大,而以稳定后的黏聚力为基准时,除干燥状态外,非饱和粉煤灰的龄期黏聚力增长率与饱和度关系不明显(见图7(b)).

图7 黏聚力增长率与饱和度的关系Fig.7 Increasing rates of cohesion versus degree of saturation

3 非饱和粉煤灰抗剪强度的预测

非饱和粉煤灰的孔隙中含空气和水,其强度特性要比饱和粉煤灰复杂.目前,在确定非饱和土抗剪强度的方法中,简单有效的是用饱和度代替Bishop公式中的有效应力参数χ,即

综合考虑龄期和饱和度的强度预测比较复杂,为了简单起见,此处只进行水化稳定后非饱和粉煤灰强度的预测.式(6)中和由稳定状态后的饱和粉煤灰强度指标平均值来确定(=36.8 kPa,=34.4◦).由于测定一条土水特征曲线的试验需要将近一个月的时间,因此可认为此时粉煤灰的水化状态已达到稳定.利用滤纸法测得的粉煤灰基质吸力土水特征曲线即图2中的曲线③,可以根据不同含水率得到所对应的吸力值.剪切试验中孔隙气压力ua为大气压,取0.这样,由,σ,Sr的数值和式(6)可预测非饱和粉煤灰的强度,结果如图8所示.由图可知:当饱和度为25%,100%时,预测值与试验数据几乎相同;而当饱和度为50%,75%时,预测值略低于试验数据.可见预测结果基本上能反映非饱和粉煤灰强度随饱和度的变化.

图8 非饱和粉煤灰的剪切强度预测Fig.8 Prediction of shear strength for the unsaturated f l y-ash

4 结论

(1)非饱和粉煤灰的抗剪强度及黏聚力随含水率的增加呈先增大后减小的趋势,而内摩擦角除干燥状态外随饱和度变化不明显.

(2)与水作用后的粉煤灰的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随龄期的增加而逐渐增大,并在10 d后趋于稳定.

(3)根据非饱和粉煤灰的含水率,利用滤纸法测得的土水特征曲线和以平均骨架应力作为有效应力的强度预测公式,可较好地预测非饱和粉煤灰的强度.

参考文献:

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[4]赵明华,王海波,张玲,等.非饱和粉煤灰抗剪强度试验研究[J].水文地质工程地质,2014,41(2):57-61.

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[8]中华人民共和国水利部.GB/T50123—1999土工试验方法标准[S].北京:中国计划出版社,1999.