加筋粉煤灰的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

郭艷飛，駱亞生，周 康，王兆朋

(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)

加筋粉煤灰的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

郭艷飛，駱亞生，周 康，王兆朋

(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)

為探求加筋層數(shù)、含水率、圍壓對(duì)粉煤灰變形強(qiáng)度的影響，在不同含水率、不同圍壓條件下，采用PY-10型平面應(yīng)變儀對(duì)不同加筋層數(shù)的粉煤灰進(jìn)行平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，研究其應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同加筋層數(shù)、不同圍壓、不同含水率條件下，粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為硬化型；隨著加筋層數(shù)的增加，或含水率的降低，或圍壓的增大，粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有著不同程度的提高；增加加筋層數(shù)、增大圍壓、降低含水率，可有效減小粉煤灰的變形，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

加筋粉煤灰；平面應(yīng)變；加筋層數(shù)；變形強(qiáng)度

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕到的細(xì)灰，是燃煤火電廠排出的固體廢物，已成為當(dāng)前數(shù)量較大的工業(yè)廢渣之一[1]。目前粉煤灰回收利用的主要有效方式是作為路基、填方材料等[2-3]，大量研究證明粉煤灰在許多方面具有較好的工程性能，且在許多實(shí)際工程中已得到應(yīng)用[4]。加筋技術(shù)的試驗(yàn)研究已應(yīng)用于各類工程，如擋土墻、陡坡穩(wěn)定、軟基處理加固等，已成為一種普遍的工程方法。該技術(shù)的主要原理是在土體中摻入或鋪設(shè)適當(dāng)?shù)募咏畈牧希瑢?duì)其應(yīng)力擴(kuò)散起到約束作用，以增加土體模量，限制土體側(cè)向位移，進(jìn)而提高其抗剪強(qiáng)度，改善土體變形特性[5-6]。對(duì)于粉煤灰的加筋試驗(yàn)研究方法很多，平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)[7]是通過(guò)分析其應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其變化規(guī)律來(lái)研究粉煤灰抗剪強(qiáng)度的一種方法。

為提高粉煤灰的抗剪強(qiáng)度，拓寬其在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍，在粉煤灰中加入不同層數(shù)的筋材，在不同含水率、不同圍壓下進(jìn)行室內(nèi)平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，研究不同條件下粉煤灰的變形規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器與設(shè)備

擊實(shí)試驗(yàn)所用儀器為電動(dòng)輕型擊實(shí)儀，錘質(zhì)量為2.5 kg，落高為305 mm，錘擊次數(shù)為30次/min；平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)所用儀器為PY-10型平面應(yīng)變儀，小主應(yīng)力為0～600 kPa，中主應(yīng)力為0～1 000 kPa，大主應(yīng)力為0～4 000 kPa，軸向力為0～20 kN，體積變化為0～50 cm3，軸向變形為0～30 cm。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)主要研究加筋層數(shù)對(duì)粉煤灰變形強(qiáng)度的影響，不考慮不同筋材帶來(lái)的影響，故以傳統(tǒng)加筋技術(shù)所用的土工織物作為加筋材料[8]，其為普通滌綸窗紗，是由化學(xué)纖維合成的一種高分子聚合物，呈白色，厚度為0.07 mm。試驗(yàn)所用粉煤灰試樣來(lái)自咸陽(yáng)渭河電廠粉煤灰儲(chǔ)灰場(chǎng)，其物理性質(zhì)如表1[9]所示。

表1 粉煤灰物理性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)方法。通過(guò)控制加筋層數(shù)(0層、1層、2層、3層)、含水率(30%、36%、41%)、圍壓(100、200、300 kPa)等影響因素來(lái)研究粉煤灰的變形強(qiáng)度，以軸向變形達(dá)到8%時(shí)作為破壞條件。在試驗(yàn)過(guò)程中，小主應(yīng)力σ3兩側(cè)采用充水乳膠膜加壓，確保σ3不變；中主應(yīng)力σ2兩側(cè)采用鋼板約束，保證其變形為零；大主應(yīng)力σ1上側(cè)通過(guò)電機(jī)控制，荷載的速度為0.15 mm/min。

(2)試樣制備。依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[10]，將粉煤灰碾碎并篩分，根據(jù)試驗(yàn)要求配置成不同含水率的粉煤灰，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到最大干密度、最佳含水率。試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，壓實(shí)度為0.95，計(jì)算出某一含水率下每個(gè)試樣所需的粉煤灰質(zhì)量。

在加筋層數(shù)為0層、2層時(shí)，將粉煤灰均分成三份，再分三次緩慢均勻壓制；在加筋層數(shù)為1層時(shí)，將粉煤灰均分成兩份，再分兩次緩慢均勻壓制；在加筋層數(shù)為3層時(shí)，將粉煤灰均分成四份，再分四次緩慢均勻壓制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)的目的是采用標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)方法，測(cè)定粉煤灰的干密度與含水率的關(guān)系，從而確定粉煤灰的最大干密度和最佳含水率[11]，粉煤灰的擊實(shí)曲線如圖1所示。由圖1可知：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著粉煤灰含水率的增大，其干密度先緩慢增大后迅速減小，即干密度下降速率大于上升速率；粉煤灰的最大干密度為1.03 g/cm3，最佳含水率為41%。

圖1 粉煤灰的擊實(shí)曲線

2.2 不同加筋層數(shù)時(shí)粉煤灰的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

為了研究不同加筋層數(shù)對(duì)粉煤灰變形強(qiáng)度的影響，在一定含水率(w=30%、36%、41%)和圍壓(σ3=100 kPa)條件下，對(duì)不同加筋層數(shù)(0層、1層、2層、3層)的粉煤灰進(jìn)行平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可知：

(1)粉煤灰的變形抗力隨變形程度增加而變化，故其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為硬化型。在含水率和圍壓一定的條件下，加筋層數(shù)對(duì)粉煤灰剪應(yīng)力的影響較明顯，加筋層數(shù)越多，達(dá)到相同軸向變形的剪切應(yīng)力越大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)越明顯。

(2)剪切初期的曲線斜率較大，當(dāng)軸向變形達(dá)到一定程度時(shí)，曲線斜率逐漸減小。這是因?yàn)榧羟谐跗诘妮S向變形主要是由粉煤灰內(nèi)部孔隙壓縮引起的，變形程度較小；當(dāng)剪切應(yīng)力等于或大于粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，原生結(jié)構(gòu)被破壞而次生結(jié)構(gòu)還未形成，變形程度也較小。

(3)在剪切初期，無(wú)加筋和加不同層數(shù)筋的粉煤灰應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)相差不大，荷載主要由粉煤灰的骨架承受；在剪切后期，加筋層數(shù)越多，達(dá)到相同軸向變形的剪切應(yīng)力越大，粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也越大。加筋層數(shù)為1層、2層時(shí)粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相差不大，但大于無(wú)筋時(shí)的強(qiáng)度，此時(shí)加筋對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不明顯；相對(duì)于其他加筋層數(shù)來(lái)說(shuō)，加筋層數(shù)為3層時(shí)對(duì)粉煤灰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較明顯。

圖2 不同加筋層數(shù)時(shí)粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 不同圍壓時(shí)粉煤灰的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

為了研究圍壓對(duì)粉煤灰變形強(qiáng)度的影響，在一定的含水率(w=30%、36%、41%)和加筋層數(shù)(N=3)條件下，探索不同圍壓(100、200、300 kPa)對(duì)粉煤灰平面應(yīng)變的影響，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 不同圍壓時(shí)粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖3可知：在此條件下，粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線也為硬化型。剪切初期的曲線斜率較大，當(dāng)軸向變形達(dá)到一定程度時(shí)，曲線斜率逐漸減小。在含水率和加筋層數(shù)一定的條件下，圍壓對(duì)粉煤灰剪切應(yīng)力的影響較明顯，圍壓增大，達(dá)到相同軸向變形的剪切應(yīng)力越大，粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)越明顯。這是因?yàn)檩^大的圍壓使粉煤灰顆粒間的凝聚力增大，接觸面增多，從而促使粉煤灰的孔隙比減小，顆粒間的摩擦咬合力增大，從而使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)。

2.4 不同含水率時(shí)粉煤灰的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

為了研究含水率對(duì)粉煤灰變形強(qiáng)度的影響，在一定的圍壓(σ3=100、200、300 kPa)和加筋層數(shù)(N=1)條件下，查看不同含水率(30%、36%、41%)對(duì)粉煤灰平面應(yīng)變的影響，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同含水率時(shí)粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖4可知：在圍壓和加筋層數(shù)一定的條件下，粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線也為硬化型。含水率越高，達(dá)到相同軸向變形時(shí)的剪切應(yīng)力越小；在含水率分別為30%、36%時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在低圍壓下的差別不大，粉煤灰對(duì)含水率的變化不敏感；在含水率為41%時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在高圍壓下的變化較顯著，粉煤灰對(duì)含水率的變化相對(duì)敏感。這是由于含水率增大致使結(jié)合水膜增厚，水與粉煤灰顆粒間的潤(rùn)滑作用增大，顆粒間的粘聚力降低，筋材與粉煤灰的摩擦系數(shù)減小，摩擦力削弱，從而導(dǎo)致粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。

3 加筋粉煤灰的抗剪強(qiáng)度特性

為了研究不同加筋層數(shù)粉煤灰的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，取軸向變形為8%時(shí)的剪切應(yīng)力，采用摩爾-庫(kù)倫理論計(jì)算其抗剪強(qiáng)度，并繪制摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度包線[12]，求取粉煤灰的兩個(gè)抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即粘聚力和內(nèi)摩擦角。粉煤灰的加筋層數(shù)與粘聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線如圖5、圖6所示

圖5 加筋層數(shù)與粘聚力關(guān)系曲線

圖6 加筋層數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

由圖5、圖6可知：隨著加筋層數(shù)的增多，粉煤灰的粘聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸增大，且粘聚力增大的幅度大于內(nèi)摩擦角。這是因?yàn)榻畈膶?duì)粉煤灰的側(cè)向位移起到了約束作用，從而使粉煤灰顆粒間的粘聚力增大，且筋材與粉煤灰的摩擦力也增大，進(jìn)而使其抗剪強(qiáng)度提高。

由上述分析可以得出：增加粉煤灰的加筋層數(shù)，可以提高其粘聚力和內(nèi)摩擦角。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分析，探索了加筋層數(shù)、圍壓、含水率對(duì)粉煤灰工程特性的影響，可得出以下結(jié)論：

(1)在不同加筋層數(shù)、不同圍壓、不同含水率的條件下，粉煤灰的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為硬化型。

(2)隨著加筋層數(shù)的增加，粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，筋材對(duì)粉煤灰的側(cè)向移動(dòng)限制作用非常明顯；圍壓和含水率對(duì)粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均有影響，圍壓對(duì)其影響較大，而含水率對(duì)其影響較小；粉煤灰的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著加筋層數(shù)的增多而增大，且粘聚力的增大幅度大于內(nèi)摩擦角。

(3)增多加筋層數(shù)、增大圍壓、降低含水率均能明顯提高粉煤灰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在粉煤灰路基或壩基工程建設(shè)中，可以通過(guò)加入適當(dāng)層數(shù)的筋材來(lái)提高工程強(qiáng)度，但需要做好防水工作，以減小水分變化對(duì)工程質(zhì)量的影響。

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Experimental study on plane strain of reinforced fly ash

GUO Yan-fei,LUO Ya-sheng,ZHOU Kang,WANG Zhao-peng

(College of Water Resources & Architectural Engineering, Northwest Agricultural & Forestry University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

In order to study the effect on deformation strength of coal fly ash produced by reinforcement layers, moisture content and confining pressure, test is made on the plane strain of ash having different number of reinforcement layers, moisture contents and confining pressures using a py-10 plane strain gauge, with an aim to defining the law governing the variation of stress in relation to strain and the shear strength of fly ash. Result of test indicates that in case the confining pressure, the stress and strain assume in all cases a linear relationship. Whereas, with the increasing reinforcement layers, decrease of moisture content and increase of confining pressure, the shear strength of fly ash tends to increase to varying degrees. In other instance, with the increase of reinforcement layers and confining pressure, and reduction of moisture content, the fly ash is seen to have a higher structural strength due to effective diminution of deformation.

reinforced fly ash; plane strain; number of reinforcement layers; deformation strength

1001-3571(2016)01-0028-04

TU411

A

2016-02-06

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.007

郭艷飛( 1990—)，男，山東省沂蒙市人，碩士研究生，從事巖土力學(xué)與工程方面的研究。

E-mail:1291157228@qq.com Tel：18700807804