加筋粉煤灰的平面應變試驗研究

郭艷飛，駱亞生，周 康，王兆朋

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

加筋粉煤灰的平面應變試驗研究

郭艷飛，駱亞生，周 康，王兆朋

(西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

為探求加筋層數、含水率、圍壓對粉煤灰變形強度的影響，在不同含水率、不同圍壓條件下，采用PY-10型平面應變儀對不同加筋層數的粉煤灰進行平面應變試驗，研究其應力-應變曲線、抗剪強度的變化規律。試驗結果表明：在不同加筋層數、不同圍壓、不同含水率條件下，粉煤灰的應力-應變關系曲線為硬化型；隨著加筋層數的增加，或含水率的降低，或圍壓的增大，粉煤灰的應力-應變關系曲線有著不同程度的提高；增加加筋層數、增大圍壓、降低含水率，可有效減小粉煤灰的變形，提高其結構強度。

加筋粉煤灰；平面應變；加筋層數；變形強度

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕到的細灰，是燃煤火電廠排出的固體廢物，已成為當前數量較大的工業廢渣之一[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，且在許多實際工程中已得到應用[4]。加筋技術的試驗研究已應用于各類工程，如擋土墻、陡坡穩定、軟基處理加固等，已成為一種普遍的工程方法。該技術的主要原理是在土體中摻入或鋪設適當的加筋材料，對其應力擴散起到約束作用，以增加土體模量，限制土體側向位移，進而提高其抗剪強度，改善土體變形特性[5-6]。對于粉煤灰的加筋試驗研究方法很多，平面應變試驗[7]是通過分析其應力-應變曲線及其變化規律來研究粉煤灰抗剪強度的一種方法。

為提高粉煤灰的抗剪強度，拓寬其在實際工程中的應用范圍，在粉煤灰中加入不同層數的筋材，在不同含水率、不同圍壓下進行室內平面應變試驗，研究不同條件下粉煤灰的變形規律。

1 試驗

1.1 儀器與設備

擊實試驗所用儀器為電動輕型擊實儀，錘質量為2.5 kg，落高為305 mm，錘擊次數為30次/min；平面應變試驗所用儀器為PY-10型平面應變儀，小主應力為0～600 kPa，中主應力為0～1 000 kPa，大主應力為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 試驗材料

試驗主要研究加筋層數對粉煤灰變形強度的影響，不考慮不同筋材帶來的影響，故以傳統加筋技術所用的土工織物作為加筋材料[8]，其為普通滌綸窗紗，是由化學纖維合成的一種高分子聚合物，呈白色，厚度為0.07 mm。試驗所用粉煤灰試樣來自咸陽渭河電廠粉煤灰儲灰場，其物理性質如表1[9]所示。

表1 粉煤灰物理性質

1.3 試驗方案

(1)試驗方法。通過控制加筋層數(0層、1層、2層、3層)、含水率(30%、36%、41%)、圍壓(100、200、300 kPa)等影響因素來研究粉煤灰的變形強度，以軸向變形達到8%時作為破壞條件。在試驗過程中，小主應力σ3兩側采用充水乳膠膜加壓，確保σ3不變；中主應力σ2兩側采用鋼板約束，保證其變形為零；大主應力σ1上側通過電機控制，荷載的速度為0.15 mm/min。

(2)試樣制備。依據GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》規定[10]，將粉煤灰碾碎并篩分，根據試驗要求配置成不同含水率的粉煤灰，通過擊實試驗得到最大干密度、最佳含水率。試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，壓實度為0.95，計算出某一含水率下每個試樣所需的粉煤灰質量。

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

2 試驗結果與分析

2.1 擊實試驗

擊實試驗的目的是采用標準的擊實方法，測定粉煤灰的干密度與含水率的關系，從而確定粉煤灰的最大干密度和最佳含水率[11]，粉煤灰的擊實曲線如圖1所示。由圖1可知：在試驗范圍內，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 粉煤灰的擊實曲線

2.2 不同加筋層數時粉煤灰的應力與應變關系

為了研究不同加筋層數對粉煤灰變形強度的影響，在一定含水率(w=30%、36%、41%)和圍壓(σ3=100 kPa)條件下，對不同加筋層數(0層、1層、2層、3層)的粉煤灰進行平面應變試驗，其應力-應變關系曲線如圖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，故其應力-應變關系曲線為硬化型。在含水率和圍壓一定的條件下，加筋層數對粉煤灰剪應力的影響較明顯，加筋層數越多，達到相同軸向變形的剪切應力越大，結構強度增強越明顯。

(2)剪切初期的曲線斜率較大，當軸向變形達到一定程度時，曲線斜率逐漸減小。這是因為剪切初期的軸向變形主要是由粉煤灰內部孔隙壓縮引起的，變形程度較小；當剪切應力等于或大于粉煤灰的結構強度時，原生結構被破壞而次生結構還未形成，變形程度也較小。

(3)在剪切初期，無加筋和加不同層數筋的粉煤灰應力-應變曲線變化趨勢相差不大，荷載主要由粉煤灰的骨架承受；在剪切后期，加筋層數越多，達到相同軸向變形的剪切應力越大，粉煤灰的結構強度也越大。加筋層數為1層、2層時粉煤灰的結構強度相差不大，但大于無筋時的強度，此時加筋對其結構強度影響不明顯；相對于其他加筋層數來說，加筋層數為3層時對粉煤灰結構強度影響較明顯。

圖2 不同加筋層數時粉煤灰的應力-應變關系曲線

2.3 不同圍壓時粉煤灰的應力與應變關系

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

圖3 不同圍壓時粉煤灰的應力-應變關系曲線

由圖3可知：在此條件下，粉煤灰的應力-應變關系曲線也為硬化型。剪切初期的曲線斜率較大，當軸向變形達到一定程度時，曲線斜率逐漸減小。在含水率和加筋層數一定的條件下，圍壓對粉煤灰剪切應力的影響較明顯，圍壓增大，達到相同軸向變形的剪切應力越大，粉煤灰的結構強度增強越明顯。這是因為較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，從而使其結構強度增強。

2.4 不同含水率時粉煤灰的應力與應變關系

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

圖4 不同含水率時粉煤灰的應力-應變關系曲線

由圖4可知：在圍壓和加筋層數一定的條件下，粉煤灰的應力-應變關系曲線也為硬化型。含水率越高，達到相同軸向變形時的剪切應力越小；在含水率分別為30%、36%時，其應力-應變曲線在低圍壓下的差別不大，粉煤灰對含水率的變化不敏感；在含水率為41%時，其應力-應變曲線在高圍壓下的變化較顯著，粉煤灰對含水率的變化相對敏感。這是由于含水率增大致使結合水膜增厚，水與粉煤灰顆粒間的潤滑作用增大，顆粒間的粘聚力降低，筋材與粉煤灰的摩擦系數減小，摩擦力削弱，從而導致粉煤灰的結構強度降低。

3 加筋粉煤灰的抗剪強度特性

為了研究不同加筋層數粉煤灰的抗剪強度變化規律，取軸向變形為8%時的剪切應力，采用摩爾-庫倫理論計算其抗剪強度，并繪制摩爾-庫倫強度包線[12]，求取粉煤灰的兩個抗剪強度參數，即粘聚力和內摩擦角。粉煤灰的加筋層數與粘聚力、內摩擦角關系曲線如圖5、圖6所示

圖5 加筋層數與粘聚力關系曲線

圖6 加筋層數與內摩擦角關系曲線

由圖5、圖6可知：隨著加筋層數的增多，粉煤灰的粘聚力和內摩擦角均逐漸增大，且粘聚力增大的幅度大于內摩擦角。這是因為筋材對粉煤灰的側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，進而使其抗剪強度提高。

由上述分析可以得出：增加粉煤灰的加筋層數，可以提高其粘聚力和內摩擦角。

4 結論

通過對粉煤灰的應力-應變關系曲線分析，探索了加筋層數、圍壓、含水率對粉煤灰工程特性的影響，可得出以下結論：

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

(2)隨著加筋層數的增加，粉煤灰的結構強度提高，筋材對粉煤灰的側向移動限制作用非常明顯；圍壓和含水率對粉煤灰的結構強度均有影響，圍壓對其影響較大，而含水率對其影響較小；粉煤灰的抗剪強度參數隨著加筋層數的增多而增大，且粘聚力的增大幅度大于內摩擦角。

(3)增多加筋層數、增大圍壓、降低含水率均能明顯提高粉煤灰的結構強度，在粉煤灰路基或壩基工程建設中，可以通過加入適當層數的筋材來提高工程強度，但需要做好防水工作，以減小水分變化對工程質量的影響。

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[10] GB/T 50123—1999 土工試驗方法標準[S].

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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，從事巖土力學與工程方面的研究。

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