壓實(shí)度對(duì)脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)孔壓影響試驗(yàn)

譚 彩, 萬(wàn) 里, 袁明道, 盧 博, 楊文濱

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510610;2. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利水電學(xué)院, 四川 成都 610065;3. 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引言

脫硫石膏是燃煤電廠濕法脫硫產(chǎn)生的廢棄物,由于其產(chǎn)量大、利用率低,目前仍以筑壩堆放處理為主[1]。受沉積條件和碾壓程度等因素影響,其壓實(shí)度存在明顯差異。近年來,地震災(zāi)害頻發(fā),脫硫石膏作為一種動(dòng)力敏感材料[2],有必要對(duì)不同壓實(shí)度下脫硫石膏動(dòng)力特性進(jìn)行研究。

目前,動(dòng)荷載作用下不同壓實(shí)度土體的動(dòng)強(qiáng)度特性研究較為成熟[3-5]。谷天峰等[6]對(duì)不同壓實(shí)度下黃土動(dòng)強(qiáng)度特性進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)研究,指出壓實(shí)度較小時(shí),土體孔隙較大,結(jié)構(gòu)較松散,顆粒間聯(lián)結(jié)力較小,動(dòng)強(qiáng)度小;隨壓實(shí)度增大,土體逐漸趨于密實(shí),顆粒間聯(lián)結(jié)力逐漸增大,動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大。陳國(guó)興等[7]研究了不同相對(duì)密實(shí)度砂礫土動(dòng)強(qiáng)度特性,指出隨相對(duì)密實(shí)度增大,砂礫土動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大,且隨循環(huán)增次增大,不同相對(duì)密實(shí)度下砂礫土動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系曲線逐漸趨于相近。

動(dòng)荷載作用下土體孔壓發(fā)展模式與土體變形強(qiáng)度變化密切相連,是采用有效應(yīng)力法分析飽和土體動(dòng)力穩(wěn)定的基礎(chǔ)。目前,動(dòng)荷載作用下飽和砂土和粉土孔壓發(fā)展模式研究較為成熟[8-10]。Seed等[11]通過對(duì)砂土進(jìn)行振動(dòng)三軸試驗(yàn),建立了砂土動(dòng)孔壓模型,即Seed動(dòng)孔壓模型,該模型發(fā)展模式表現(xiàn)為由微凸向微凹變化,即前期孔壓發(fā)展較快,而后穩(wěn)定增長(zhǎng),臨近破壞時(shí)又迅速增大。于濂洪等[12]研究了飽和粉土動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律,提出了適用于粉土的冪函數(shù)孔壓模型。

脫硫石膏作為一種顆粒材料,其動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)孔壓特性與常規(guī)粉土可能存在差異,壓實(shí)度對(duì)脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度和孔壓特性影響研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。本文對(duì)不同壓實(shí)度脫硫石膏進(jìn)行振動(dòng)三軸試驗(yàn),研究了壓實(shí)度對(duì)脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)孔壓特性的影響,建立了脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)孔壓經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式,并采用F檢驗(yàn)法對(duì)其統(tǒng)計(jì)回歸效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為單向振動(dòng)三軸儀,儀器主要由主機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)和傳感器等構(gòu)成,如圖1所示。其中,主機(jī)為DZ78-1型電磁式動(dòng)三軸儀;測(cè)控系統(tǒng)為DDS-70動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng);力傳感器型號(hào)為BLR-1,孔壓傳感器型號(hào)為AK-1(量程0～1 MPa),位移傳感器為DA-12.5(量程±12.5 mm)。

圖1 試驗(yàn)儀器Fig.1 Test instrument

1.2 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)土料取自云南某電廠脫硫石膏,顏色為灰白色,比重Gs=2.53。采用粒度分析儀對(duì)其粒度分布進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)平行兩次進(jìn)行,測(cè)定土樣分別編號(hào)為G1和G2,取兩次測(cè)定結(jié)果平均值為試驗(yàn)結(jié)果,脫硫石膏級(jí)配如圖2所示。砂粒(1～0.075 mm)占6.92%,粉粒(0.075～0.005 mm)占82.84%,黏粒(≤0.005 mm)占10.24%,液限ML=29.6%,塑性指數(shù)IP=7.5,可分類定名為低液限粉土ML[13]。通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)確定最大干密度ρdmax=1.56 g/cm3,最優(yōu)含水率wop=19.4%。

圖2 土料級(jí)配Fig.2 Gradation of soil

1.3 試驗(yàn)程序

根據(jù)云南某電廠脫硫石膏壩勘探成果,結(jié)合收集到的其他相關(guān)脫硫石膏壩資料,脫硫石膏壩筑壩堆放壓實(shí)度R基本在0.85～0.95區(qū)間內(nèi),故擬定3個(gè)壓實(shí)度(R=0.85、0.90、0.95),確定制樣干密度和含水率。試樣直徑Φ=50.0 mm,高H=115.0 mm,采用濕搗法分五層制備,精確稱取每層土樣重量,并用鋼尺測(cè)量每層高度,確保每層擊實(shí)高度一致,為保證上下土層接觸良好對(duì)每層脫硫石膏接觸面進(jìn)行刮毛處理。試樣飽和方法為真空抽氣飽和法,飽和及試樣用水均為蒸餾水。

試樣飽和后,緩慢打開排水閥,對(duì)試樣進(jìn)行雙面排水固結(jié),固結(jié)方式為等壓固結(jié),圍壓σ3=100 kPa、200 kPa和400 kPa。固結(jié)穩(wěn)定后測(cè)記排水量,以關(guān)閉排水閥五分鐘后孔隙水壓力不再上升作為固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。固結(jié)完成后施加循環(huán)動(dòng)荷載,荷載波形為正弦波,振動(dòng)頻率1 Hz。每一圍壓試驗(yàn)土樣為5～7個(gè),施加不同振動(dòng)荷載,當(dāng)孔壓等于圍壓或軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)停止試驗(yàn)。

目前土體動(dòng)力破壞標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種:一是孔壓破壞標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為動(dòng)孔壓ud等于圍壓σ3時(shí)試樣破壞;一是變形破壞標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)工程重要性及經(jīng)驗(yàn)一般取應(yīng)變值εd=5%。本次試驗(yàn)采用孔壓標(biāo)準(zhǔn)(ud=σ3)和變形標(biāo)準(zhǔn)(εd=5%)雙重破壞標(biāo)準(zhǔn)[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)強(qiáng)度

不同壓實(shí)度下脫硫石膏動(dòng)剪應(yīng)力比τd/σ3c與-破壞振次Nf關(guān)系曲線如圖3所示。可知:(1)隨壓實(shí)度R增大,土體愈緊密,土顆粒間作用力愈強(qiáng),顆粒原有聯(lián)結(jié)骨架越不容易破壞,同一Nf下τd/σ3c逐漸增大,脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度越大;(2)不同σ3c下,同一壓實(shí)度脫硫石膏試驗(yàn)點(diǎn)基本落在同一條曲線上,隨Nf增大,τd/σ3c逐漸減小,與粉土類似,歸一化動(dòng)強(qiáng)度曲線可采用冪函數(shù)進(jìn)行描述:

圖3 不同壓實(shí)度下脫硫石膏τd/σ3c-Nf關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve of τd/σ3c-Nf for desulfurization gypsum under different compactness

(1)

式中:τd為循環(huán)動(dòng)剪應(yīng)力(kPa);σ3c為有效固結(jié)壓力(kPa);Nf為破壞振次;a、b試驗(yàn)系數(shù),可通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸獲得。采用F值檢驗(yàn)法對(duì)其統(tǒng)計(jì)回歸效果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),F值為:

(2)

式中:n為回歸統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)樣本數(shù);γ為相關(guān)系數(shù)。取顯著性水平α為0.05和0.005,當(dāng)F>F0.95(1,n-2)時(shí),回歸效果“顯著”。當(dāng)F>F0.995(1,n-2)時(shí),回歸效果“高度顯著”。

試驗(yàn)系數(shù)a、b及回歸效果顯著性檢驗(yàn)成果匯總見表1。可知:(1)不同R下脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度曲線采用冪函數(shù)擬合效果良好,試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)回歸顯著性水平均為高度顯著,土體動(dòng)強(qiáng)度曲線可由系數(shù)a、b表征;(2)隨R增大,系數(shù)a逐漸增大,系數(shù)b基本保持不變,約為0.12,故試驗(yàn)用脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度曲線可改寫為:

表1 動(dòng)強(qiáng)度曲線統(tǒng)計(jì)回歸及誤差計(jì)算成果表

(3)

值得指出的是,式(3)通過本文試驗(yàn)用脫硫石膏得出,是否適用于其他脫硫石膏尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

根據(jù)Seed等[15]提出的等效循環(huán)理論,地震震級(jí)不同時(shí),作用于脫硫石膏的剪應(yīng)力形式與作用次數(shù)不同,但其達(dá)到的液化效果相同。地震震級(jí)為6級(jí)、6.5級(jí)、7級(jí)、7.5級(jí)和8級(jí)對(duì)應(yīng)等效循環(huán)次數(shù)Ne分別為5次、8次、12次、20次和30次。不同Ne下動(dòng)剪應(yīng)力比τd/σ3c與壓實(shí)度關(guān)系曲線如圖4所示。可知,隨R增大,脫硫石膏τd/σ3c逐漸增大,試驗(yàn)壓實(shí)度范圍下τd/σ3c與R呈明顯線性關(guān)系。

圖4 不同等效振次下脫硫石膏τd/σ3c-R關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of τd/σ3c-R for desulfurization gypsum under different equivalent cyclic number

繪制摩爾-庫(kù)倫曲線,確定不同Ne下脫硫石膏動(dòng)內(nèi)摩擦角φd與壓實(shí)度R關(guān)系曲線如圖5所示。可知:(1)試驗(yàn)壓實(shí)度范圍下,隨R增大,顆粒咬合越緊密,脫硫石膏φd逐漸增大,φd與R呈良好線性關(guān)系;(2)隨Ne增大,脫硫石膏φd減小,說明地震震級(jí)越高,土體越容易破壞。

圖5 不同等效振次下脫硫石膏φd-R關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of φd-R for desulfurization gypsum under different equivalent cyclic number

2.2 動(dòng)孔壓

圖6為不同壓實(shí)度R下脫硫石膏動(dòng)孔壓比ud/σ3c與破壞振次比N/Nf關(guān)系曲線。可知:(1)同一N/Nf下,隨R增大,動(dòng)孔壓比ud/σ3c逐漸增大,動(dòng)孔壓增長(zhǎng)越快;這主要是由于動(dòng)荷載作用下,土顆粒會(huì)出現(xiàn)彼此脫離,原本由土顆粒接觸點(diǎn)傳遞的壓力轉(zhuǎn)為孔隙水承擔(dān),使得孔隙水壓力上升[16],隨R增大,土體愈緊密,土顆粒彼此脫離愈困難;(2)脫硫石膏動(dòng)孔壓發(fā)展與常規(guī)粉土類似[17-19],隨N/Nf增大,脫硫石膏孔壓發(fā)展表現(xiàn)為先迅速增長(zhǎng)而后趨于平穩(wěn)。

圖6 不同壓實(shí)度下脫硫石膏ud/σ3c-N/Nf關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of ud/σ3c-N/Nf for desulfurization gypsum under different compactness

目前一般認(rèn)為[17-19]粉土孔壓發(fā)展曲線符合張建民等建立的A型曲線,粉土孔壓發(fā)展表達(dá)式為:

(4)

式中:c、d為擬合參數(shù);c表示N→Nf的值。

然而式(4)僅對(duì)粉土孔壓發(fā)展曲線前半段擬和效果好,且N/Nf趨近于1時(shí),ud/σ3c不一定趨近于1,與等壓固結(jié)粉土液化機(jī)理不符。為合理描述脫硫石膏孔壓發(fā)展規(guī)律,進(jìn)而為粉土孔壓發(fā)展關(guān)系式確立提供參考依據(jù)。根據(jù)脫硫石膏孔壓發(fā)展模式,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸確定脫硫石膏孔壓發(fā)展表達(dá)式為:

(5)

式中:m、k為擬合參數(shù),當(dāng)N/Nf→1,ud/σ3c→k;脫硫石膏液化時(shí)(N/Nf=1),ud/σ3c=1。式(5)可改寫為:

(6)

試驗(yàn)系數(shù)m及回歸效果顯著性檢驗(yàn)成果匯總見表2。可知,不同R下脫硫石膏動(dòng)孔壓曲線采用式(6)擬合效果良好,試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)回歸顯著性水平均為高度顯著,土體動(dòng)孔壓曲線可通過系數(shù)m表征,隨R增大,系數(shù)m逐漸增大。

表2 動(dòng)孔壓曲線統(tǒng)計(jì)回歸及誤差計(jì)算成果表

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)壓實(shí)度為0.85、0.90和0.95三組脫硫石膏進(jìn)行了振動(dòng)三軸試驗(yàn),分析了壓實(shí)度對(duì)脫硫石膏動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)孔壓的影響,主要結(jié)論如下:

(1) 隨壓實(shí)度增大,脫硫石膏顆粒間作用力愈強(qiáng),顆粒聯(lián)結(jié)骨架越不容易破壞,動(dòng)強(qiáng)度越大;試驗(yàn)壓實(shí)度范圍下,脫硫石膏動(dòng)剪應(yīng)力比和動(dòng)內(nèi)摩擦角均與壓實(shí)度呈線性相關(guān);

(2) 動(dòng)荷載作用下,土顆粒會(huì)出現(xiàn)彼此脫離,原本由土顆粒接觸點(diǎn)傳遞的壓力轉(zhuǎn)為孔隙水承擔(dān),隨壓實(shí)度增大,脫硫石膏顆粒彼此脫離愈困難,動(dòng)孔壓增長(zhǎng)越慢;

(3) 試驗(yàn)用脫硫石膏可分類定名為低液限粉土,其強(qiáng)度曲線和動(dòng)孔壓發(fā)展模式均與常規(guī)粉土類似,分別可通過冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)表征。