矸石型復(fù)合地基樁體強度試驗設(shè)計與數(shù)值模擬研究

楊偉峰, 王　壹, 夏筱紅, 于宗仁

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州　221116;2. 東華理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 江西 南昌　330013)

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矸石型復(fù)合地基樁體強度試驗設(shè)計與數(shù)值模擬研究

楊偉峰1,2, 王壹1, 夏筱紅1, 于宗仁1

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州221116;2. 東華理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 江西 南昌330013)

針對矸石型復(fù)合地基樁體強度進(jìn)行綜合性實驗設(shè)計,通過室內(nèi)強度試驗和數(shù)值模擬研究影響煤矸石型水泥土樁復(fù)合地基應(yīng)用效能的關(guān)鍵因素——樁體強度和沉降變形,獲得了在考慮工程材料成本條件下,煤矸石型水泥土復(fù)合樁體強度的最佳水泥配比為16%～20%、最佳水灰比范圍為0.5～1.0、最佳粉灰比范圍為0.25～0.88等參數(shù)。通過數(shù)值模擬分析得出煤矸石型水泥土樁復(fù)合地基單樁和群樁體系的變形特性規(guī)律。

復(fù)合地基； 煤矸石； 強度試驗； 數(shù)值模擬

許多高校在長期的教學(xué)探索與實踐中,形成了“重視基礎(chǔ)、強化工程素養(yǎng)和設(shè)計與創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的工程專業(yè)人才培養(yǎng)新理念[1]。實驗教學(xué)主要有現(xiàn)場實踐與實驗以及室內(nèi)物理實驗,現(xiàn)場實踐與實驗因其學(xué)習(xí)場地的多變性和開放性,其教學(xué)模式有別于課堂教學(xué),但費用較高,實驗數(shù)量也很有限；而室內(nèi)物理實驗操作方便,通過大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練,在綜合性實驗設(shè)計、制作及理論應(yīng)用等方面提高參加學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力,促進(jìn)對理論知識的掌握。同時,采用計算機(jī)輔助教學(xué)手段,通過數(shù)值模擬實驗可以得到許多在常規(guī)現(xiàn)場與室內(nèi)實驗中難以觀測的重要信息[2-4]。

綜合性設(shè)計實驗教學(xué)是地質(zhì)工程教學(xué)體系中的重要組成部分,綜合性實驗有助于提高大學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新能力和實際動手能力[5]。本文以分析研究煤矸石型水泥土復(fù)合樁體強度與變形特性為著眼點,通過綜合設(shè)計,為現(xiàn)有的復(fù)合地基設(shè)計、施工項目找到一種經(jīng)濟(jì)廉價的、環(huán)保高效的復(fù)合地基材料；同時尋求一種利用煤矸石的方法,提升煤矸石的綜合利用,不僅能使煤矸石的大量堆積問題得到改善,也能為不同種類工業(yè)廢料的綜合回收利用提供參考。

1　復(fù)合地基樁體強度試驗設(shè)計

1.1試驗材料

(1) 復(fù)合樁體骨料。本試驗選用的復(fù)合樁體骨料為江蘇徐州夾河煤礦煤炭開采和加工過程中排放出的未自燃黑色煤矸石(見圖1)。它的主要巖性組分為頁巖、碳質(zhì)頁巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及少量砂巖等；主要礦物成分為黏土礦物(高嶺石、伊利石、蒙脫石)、石英、方解石、硫鐵礦及碳質(zhì)等；主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、GaO、MgO、Na2O、K2O、殘留煤及其他有機(jī)質(zhì)等。

(2) 復(fù)合樁體膠結(jié)料。試驗選用的復(fù)合樁體膠結(jié)料為水泥和粉煤灰,樁體強度激發(fā)劑為石灰(Ca(OH)2)。水泥選用普通425#硅酸鹽水泥,石灰需用消石灰粉末,粉煤灰選用《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596—91)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的II 級灰標(biāo)準(zhǔn)粉煤灰,其物理性能和化學(xué)成分見表1。

圖1　夾河煤礦未自燃黑矸石

表1　試驗選用粉煤灰物理性能及化學(xué)成分表

1.2試驗方案設(shè)計

(1) 矸石骨料粉碎和篩分。因煤矸石材料存在級配缺陷,如果煤矸石骨料的顆粒太粗,則膠結(jié)料不能有效地填充粗大矸石骨料顆粒間的空隙,形成的矸石復(fù)合樁體密實性和均勻性較差,強度較低；如果煤矸石骨料的顆粒太細(xì),容易密實但是不能形成有效骨架,因而形成的矸石復(fù)合樁體力學(xué)性能差而且收縮大,強度也較低。

依據(jù)目前關(guān)于復(fù)合地基骨料級配和混凝土骨料級配的研究成果[6-9],為了取得最佳的矸石材料級配,以便獲得最大的矸石復(fù)合樁體強度,煤矸石粗骨料(5～20 mm)與細(xì)骨料(2.5～5 mm)按體積比 2∶1 配置效果最好,并且通過這種配比其密度與完整性均較好。

因此,首先對煤矸石粗大顆粒進(jìn)行人工粉碎,再過孔徑為20 mm和5 mm的篩子進(jìn)行一級篩分,其后把篩分出的粒徑小于5 mm的矸石顆粒過5 mm和2.5 mm的篩子進(jìn)行二級篩分,最后把兩級篩分(見圖2)篩選出的煤矸石粗骨料(5～20 mm)與細(xì)骨料(2.5～5 mm)進(jìn)行按體積比 2∶1均勻混合,取得本次試驗所用的煤矸石骨料顆粒(見圖3)。

圖2　矸石顆粒篩分

圖3　試驗煤矸石顆粒

(2) 試驗配比分組與設(shè)計。依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55—2011),試驗統(tǒng)一采用相同的煤矸石骨料配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%),然后按不同膠結(jié)料配比、不同激發(fā)劑配比、不同水灰比、不同粉灰比把試驗材料分為2個大組——不加激發(fā)劑石灰的為Ⅰ組和加激發(fā)劑石灰的為Ⅱ組。Ⅰ組分為7個小組,分別配以相同比例的煤矸石骨料70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),再配以不同比例的膠結(jié)料,通過控制加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水得到不同比例的水灰比；最后通過不同水泥膠結(jié)料配比、不同水灰比、不同粉灰比、不同養(yǎng)護(hù)齡期(3、7、14、28 d)的煤矸石型水泥土復(fù)合樁體無側(cè)限抗壓強度值變化規(guī)律來分析最佳配比。Ⅱ組分為6個小組,采用Ⅰ組中的一個小組(Ⅰ-2)的配比分別摻加6組不同激發(fā)劑石灰量,最后通過相同養(yǎng)護(hù)齡期的不同石灰量(包括Ⅰ-2小組)的煤矸石型水泥土復(fù)合樁體無側(cè)限抗壓強度值變化規(guī)律來分析最佳的激發(fā)劑石灰量。

(3) 煤矸石型水泥土模塊的制作與養(yǎng)護(hù)。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)關(guān)于模塊制作的規(guī)定,本次試驗采用標(biāo)準(zhǔn)方法制作尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)煤矸石型水泥土復(fù)合模塊。把各組混合好的材料注入磨具盒,并分3～4層進(jìn)行搗實,制成第Ⅰ組設(shè)計的不加石灰激發(fā)劑的煤矸石型水泥土模塊,每個養(yǎng)護(hù)齡期制作3塊模塊,Ⅰ組分7小組共制作84塊模塊；摻入適量石灰激發(fā)劑的Ⅱ組分為6小組共制作72塊模塊,按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)規(guī)定送入建筑構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3、7、14、28 d 4個齡期。

(4) 模塊的無側(cè)限抗壓試驗。抗壓試驗采用的儀器為WES-1000D數(shù)顯式液壓萬能試驗機(jī)系統(tǒng),加載速率定為0.4 MPa/s,目標(biāo)極限載荷為1 000 kN。對不同齡期模塊進(jìn)行測試,記錄每塊模塊的抗壓強度值。繪制強度變化曲線,探索在考慮成本和施工周期條件下的最優(yōu)煤矸石復(fù)合樁體強度配比。

1.3試驗結(jié)果分析

圖4　水泥配比與強度的關(guān)系

(1) 繪制的Ⅰ組7個小組的煤矸石型水泥土復(fù)合模塊單軸抗壓強度隨水泥質(zhì)量比的強度變化曲線見圖4。由圖4可以看出,總體趨勢為煤矸石型水泥土復(fù)合模塊的強度隨水泥配比的增加而變大；當(dāng)水泥配比為4%～8%時,4個齡期曲線的斜率較小,即模塊的強度增長速率較慢；水泥配比為8%～12%時,4個齡期曲線的斜率變大,模塊的強度增長速率加快；水泥配比為12%～16%時,4個齡期曲線的斜率又變小,模塊的強度增長速率減慢；水泥配比為16%～20%時,4個齡期曲線的斜率再次變大,模塊的強度增長速率再次增快；最后水泥配比大于20%時,模塊的強度增長速率又再次減慢。由此變化規(guī)律可以得到:在考慮材料成本的條件下,本次試驗得出的水泥最優(yōu)配比為16%～20%。

(2) 繪制的Ⅱ組6個小組的煤矸石型水泥土復(fù)合模塊單軸抗壓強度隨激發(fā)劑石灰配比的強度變化曲線見圖5。

圖5　石灰配比與強度的關(guān)系

從圖5可以看出,Ⅱ-1—Ⅱ-6的6個小組的模塊強度相比Ⅰ-2小組的模塊強度變化范圍不大,除Ⅱ-5外的Ⅱ組其他小組的模塊強度均小于Ⅰ-2小組,只有Ⅱ-5小組的模塊強度大于Ⅰ-2小組,4個齡期的模塊均呈現(xiàn)此規(guī)律,所以本次試驗建議激發(fā)劑石灰的最佳配比為2.5%。

(3) 繪制的Ⅱ組的6個小組及Ⅰ組第2個小組(Ⅰ-2)的煤矸石型水泥土復(fù)合模塊單軸抗壓強度隨齡期的強度變化曲線見圖6。

圖6　齡期與強度的關(guān)系

從圖6可以看出,隨著齡期的增長,Ⅱ組的模塊強度呈增長趨勢,前14 d的增長速率較快,14～28 d增長速率較慢,同時也可以清楚地看到除了Ⅱ-5小組的模塊強度大于Ⅰ-2的模塊強度外,Ⅱ組的其他小組均比Ⅰ-2的模塊強度小,更加說明了在材料成本允許下,可以選擇激發(fā)劑配比為2.5%的Ⅱ-5小組,在需要控制材料成本的條件下,可以不加入石灰激發(fā)劑,

也能得到較理想的煤矸石型水泥土復(fù)合地基樁體強度。

2　數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是研究剛性樁復(fù)合地基受力變形特性的有效手段[10-12],可以不受現(xiàn)場試驗條件、場地復(fù)雜性、資金問題所帶來的困難和限制。

2.1計算模型的建立

模擬工程以北京惠新里某場區(qū)高層住宅樓擬設(shè)計的煤矸石樁復(fù)合地基為例。煤矸石樁樁長10.40 m,樁徑400 mm,樁間距1.50 m,采用正方形布樁,褥墊層厚度200 mm,基礎(chǔ)埋置深度12.50 m,荷載390 kPa。模擬空間為20.00 m×14.00 m(水平長度×深度)。對單樁和群樁分別進(jìn)行了模擬。材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2,樁體材料性質(zhì)采用試驗獲得的強度參數(shù)。

表2　材料的物理力學(xué)參數(shù)

模型的邊界條件,采取Y-Z平面應(yīng)力應(yīng)變模型,模型周側(cè)限制其水平位移,即沿Y方向的位移被約束；模型底板限制其豎直位移,即沿Z方向的位移被約束；模型周側(cè)和底板的交匯點限制其雙向位移。群樁模型圖見7。

圖7　群樁模型圖

2.2煤矸石樁復(fù)合地基模擬變形分析

煤矸石樁復(fù)合地基的豎向位移情況, 可以通過褥墊層的豎向位移沉降分析獲得,褥墊層材料的流動補償,使樁土之間的應(yīng)力分別達(dá)到調(diào)節(jié)和平衡,使復(fù)合地基的承載力提高、沉降量降低。

通過分級荷載(100、150、200、250、300、350、400 kN/m)加載后計算得到各級荷載的沉降變形曲線見圖8。由圖8知,在對單樁和群樁的分別模擬中,群樁更能接近實際,沉降量較小。圖8反映樁體和樁間土的整體沉降效果,從圖上可以看出群樁的沉降比單樁的要小得多,其整體性更好,反映了煤矸石樁復(fù)合地基更能夠控制沉降的效果。

圖8　單樁與群樁褥墊層的豎向位移沉降曲線圖

3　結(jié)論

(1) 通過綜合性設(shè)計實驗,學(xué)生在實驗設(shè)計、制作及理論應(yīng)用等方面得到了提高,增強了動手能力和創(chuàng)新能力,促進(jìn)了對專業(yè)理論知識的掌握。

(2) 在煤矸石型水泥土樁體強度研究中,通過設(shè)計不同膠結(jié)料配比、激發(fā)劑配比、水灰比、粉灰比等參數(shù),進(jìn)行了4個齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的無側(cè)限抗壓強度試驗,獲得了在考慮工程材料成本條件下的影響煤矸石型水泥土復(fù)合樁體強度的最佳水泥配比為16%～20%,最佳水灰比范圍為0.5～1.0,最佳粉灰比范圍為0.25～0.88等參數(shù),為實際煤矸石型水泥土樁復(fù)合地基工程中提供了參考。

(3) 通過數(shù)值模擬分析得出了煤矸石型水泥土樁復(fù)合地基單樁和群樁體系的變形特性規(guī)律。學(xué)生由此掌握了運用數(shù)值模型解決工程實際問題,為后期進(jìn)行數(shù)值實驗計算的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

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Study on strength test design and numerical simulation of coal gangue type composite foundation pile

Yang Weifeng1,2, Wang Yi1, Xia Xiaohong1, Yu Zongren1

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2. School of Civil and Architecture Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

According to the coal gangue type composite foundation pile strength, a comprehensive experimental design is undertaken. Through strength tests and numerical simulation, the key factors affecting the property of the of coal gangue type composite foundation pile, such as pile strength and settlement, are studied and analyzed. In consideration of the conditions of economic cost of construction materials , some parameters of this composite foundation pile strength are obtained. The optimal cement ratio is from 16% to 20%, the optimal water-cement ratio is in the range of 0.5 to 1.0, and the optimal powder-cement ratio is in the range of 0.25 to 0.88. The deformation characteristics of single and group piles system of composite foundation are obtained by numerical simulation.

composite foundation; coal gangue; strength test; numerical simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.009

實驗技術(shù)與方法

2015- 09- 20修改日期:2015- 11- 10

中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)課題項目(2013G17)；江西省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項目(JXYJG-2015-100)

楊偉峰(1974—),男,內(nèi)蒙古赤峰,博士,教授,從事巖土工程、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè)方向的教學(xué)與科研.

E-mail:yangwf888@163.com

G642.0；TU47

A

1002-4956(2016)3- 0030- 04