沉积粉煤灰工程特性试验研究*

周德泉，赵明华，肖宏宇

(1.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082;2.长沙理工大学土木与建筑学院 湖南 长沙 410004)

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，成分差异较大。电厂将收集到的粉煤灰送至管道再用高压水冲排，这种湿排工艺形成了煤灰湖。工程中，粉煤灰作为材料的填筑特性和压实检测评价［1］受到重视。在煤灰湖场地进行湖堤安全性评价、整治及地基基础设计，要求准确掌握粉煤灰层的空间分布和工程特性。朱会强［2］通过土工试验、浅层平板载荷试验、单桩竖向载荷试验、击实试验、标准贯入试验等，发现场地粉煤灰遇水软化，没有湿陷性和欠固结性，并提供了粉煤灰地基的常规物理力学参数、压实参数、承载力特征值、桩基侧摩阻力标准值等指标，但静力触探曲线特征少见报道。

煤灰湖堤常含有粉煤灰层，堤顶常有排灰管道，钻探设备安装和迁移困难，况且，粉煤灰层的结构、粒度和物理化学性质特殊，现场取样和运输难以维持其原始状态，勘察测试方法的选择受到一定限制。静力触探可以利用堤顶排灰管道提供反力，轻便、快捷，应用前景广阔［3－4］，在砂土［5］和粘性土［6］中进行了室内模型试验，应用于工程实践［7］，效果良好。但是，粉煤灰的形成过程和工程性质不同于天然土［8-9］，静力触探和十字板剪切特性尚不十分清楚，不利于对粉煤灰层进行快速勘察和准确评价。本文选取煤灰湖堤，采用钻探、静力触探和十字板剪切试验相结合的方法，与粉质粘土层和细砂层对比，研究粉煤灰层的单(双)桥静力触探曲线特征、现场触探参数值和十字板强度随深度的变化、水位上下触探参数的变化，为快速准确确定粉煤灰层、科学分析湖堤安全性和治理设计提供依据，也为类似工程提供借鉴。

1 试验概况

煤灰湖堤位于洞庭湖区，于1986年初步建成，1989年由4 m左右加高至8 m左右。试验时，沿堤身按50 m间距共布置48个单桥静力触探孔，2个双桥静力触探孔，十字板试验4次，并布置了5个对比钻孔。典型测试孔见表1。其中，单桥探头的工作面积为10 cm2，双桥探头的工作面积为10 cm2和200 cm2。

表1 试验点概况Table 1 The general situation of the test site

2 试验结果与分析

2.1 模型试验中砂土和粘性土静力触探曲线对比

静力触探简写为“CPT”(即 cone penetration test)。为了便于比较分析，先给出室内模型试验中砂土和粘性土的典型静力触探曲线，见图1［5］和图2［6］所示。

图1表明，随着贯入深度h增加，砂土中比贯入阻力ps、锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs均从零很快增大，达到一定深度以后增幅降低，即存在临界深度;相对密度Dr增大，触探参数也增大。其原因是，对于砂土，τf=σ×tgφ，贯入深度为零时，无上覆压力，贯入阻力基本为零，贯入深度增加，上覆压力和围压都随之有规律地增加，贯入阻力也随之增大。达到临界深度以后，围压达到一定值，限制了周围砂粒的滑移，压缩机理起主导作用。

图2表明，随着贯入深度增加，粘性土中ps、qc和fs均从一个不等于零的初始值缓慢增大，即不存在临界深度。其原因是，对于粘性土，τf=c+σ×tgφ，贯入深度为零时，仍有粘聚力。

对比图1和图2发现，砂土的ps和qc分别比粘性土大10倍和60倍以上，Rf则小10倍左右。

2.2 现场实测单(双)桥静力触探曲线对比

2.2.1 粉质粘土静力触探曲线对比

图3是 TK29(孔深14.1 m)和 TK30(孔深 8.3 m)获得的粉质粘土静力触探曲线，地层结构见表1。对比可知，ps－h曲线和qc－h曲线呈锯齿状，与图2相似，很明显，湖积粉质粘土中结核、贝壳等可引起ps和qc变化。上层特别是地下水位(1.0 m)以上ps和qc稍大，Rf值较大，其原因是，其一，堤体上部长期经受气候引起的干湿循环使土体密实;其二，临近粉煤灰输送管道基础的周期振动使堤体上部不断固结密实;其三，地下水位(1.0 m)以上土体为非饱和土，含水率较小，强度较高。3.0 m处qc－h曲线和fs－h曲线分界明显，且上部数值较大，说明后期填筑土质量较好。9.0 m以下湖积可塑粉质粘土Rf值比局部先期填筑粉质粘土大，且界面明显，说明部分先期填筑土质量比原状土差，符合文献［9］揭示的规律。

图1 模型试验中砂土静探曲线Fig.1 CPT plot of sand in model test(1.Dr=0.5;2.Dr=0.55;3.Dr=0.6;4.Dr=0.5)

图2 模型试验中粘性土静探曲线Fig.2 CPT plot of clay in model test

图3 粉质粘土静力触探曲线对比Fig.3 CPT curves contrast of silty clay

2.2.2 粉煤灰和粉质粘土静力触探曲线对比

图4是TK4(孔深15 m)和TK5(孔深10.9 m)获得的含粉煤灰地层静力触探曲线，地层结构见表1。比较可知，粉煤灰和粉质粘土的分界面处(4.5 m处)fs－h曲线和qc－h曲线显著跳跃，界面效应显著，说明粉煤灰的工程性状与粉质粘土不同。粉煤灰和粉质粘土的ps－h曲线和qc－h曲线均呈锯齿状，起伏不大，说明粉煤灰中有细颗粒状成分，但是ps－h曲线分界(3.9 m处)不明显，说明单桥静力触探难以划分粉煤灰和粉质粘土的分界面。粉煤灰的Rf－h线型跳跃，Rf值比粉质粘土大，比细砂更大;地下水位(2.05 m)以上粉煤灰的ps和qc稍大，其原因是，其一，坝体上部长期经受气候引起的干湿循环使粉煤灰密实;其二，地下水位以上含水率较小，强度较高。qc－h曲线和fs－h曲线在湖积粉质粘土和填筑粉质粘土分界面(8.5 m处)有明显跳跃。11.0 m以下细砂层的qc－h曲线起伏较大，规律与图1一致。

图4 含粉煤灰地层静力触探曲线对比Fig.4 CPT curves contrast of silty clay with fly ash

2.3 粉煤灰触探参数的对比

图5～图8是顶层有、无粉煤灰触探点触探曲线对比。结合图4，分析上层粉煤灰和填筑粉质粘土的触探曲线，发现粉煤灰和填筑粉质粘土的线形是类似的，均为锯齿形，没有临界深度，体现出相似的变化规律。但触探参数有区别。

图5 TK5和TK30的ps－h曲线对比Fig.5 ps－ h curves contrast between TK5 and TK30

图6 TK4和TK29的qc－h曲线对比Fig.6 qc－ h curves contrast between TK4 and TK29

图7 TK4和TK29的fs－h曲线对比Fig.7 fs－ h curves contrast between TK4 and TK29

图8 TK4和TK29的Rf－h曲线对比Fig.8 Rf－ h curves contrast between TK4 and TK29

图5表明，粉煤灰ps值接近填筑粉质粘土、大于沉积粉质粘土;图6表明，粉煤灰qc值比粉质粘土和细砂小，这与粉煤灰的重度较小有关;图7表明，粉煤灰fs值小于填筑粉质粘土、接近沉积粉质粘土、大于细砂;图8表明，粉煤灰Rf值小于填筑粉质粘土、大于沉积粉质粘土和细砂。粉煤灰的触探曲线特征表明，粉煤灰的工程特性介于粉质粘土和细砂之间，接近粉土，土工试验结果［2，9］也说明了这一点。

2.4 水位上下粉煤灰比贯入阻力ps的差异

如图9所示，水位对粉煤灰ps有显著影响。对于TK5，在地下水位2.0 m处出现明显的界面效应，水位以上的ps值远大于水位以下的ps值;TK18处于地面水沟旁，0－2.65 m粉煤灰呈饱和状态，其ps值明显小于TK5处的干燥粉煤灰，说明粉煤灰具有遇水软化特性。土工试验结果也得到相同规律［2，8］。

图9 水位上下粉煤灰比贯入阻力ps的差异Fig.9 Differences of fly ash pson and down the water level

2.5 十字板强度随深度的变化

十字板试验简写为“VST”(即vane shear test)。TK4附近完成的十字板试验结果见图10。可以看出，十字板强度τf随深度加大而增长，这与一般沉积土相似，原因是，随深度增加，自重应力增加;灵敏度为3～6，属于中～高灵敏，说明粉煤灰的结构性较强。

图10 十字板强度随深度的变化Fig.10 Change of vane strength with the depth

3 结论

采用钻探、静力触探和十字板剪切试验相结合的方法研究湿排沉积粉煤灰层的工程特性，发现其工程特性介于粉质粘土和细砂之间，接近于粉土。具体体现在以下几方面。

(1)与粘性土一样，从地面开始，静力触探曲线从一个不等于零的初始值随深度变化，呈锯齿状，没有临界深度。

(2)双桥静力触探时，粉煤灰与粉质粘土之间存在明显的界面效应。单桥静力触探难以划分粉煤灰和粉质粘土的分界面。

(3)粉煤灰ps值接近填筑粉质粘土、大于沉积粉质粘土，qc值比粉质粘土和细砂小，fs值小于填筑粉质粘土、接近沉积粉质粘土、大于细砂，Rf值小于填筑粉质粘土、大于沉积粉质粘土和细砂。

(4)地下水位处的ps－h曲线界面效应明显，水下粉煤灰的ps值明显减小，说明粉煤灰具有遇水软化特性。

(5)粉煤灰十字板强度随深度加大而增大，灵敏度较高，结构性较强。

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