矸石型复合地基桩体强度试验设计与数值模拟研究

杨伟峰, 王　壹, 夏筱红, 于宗仁

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州　221116;2. 东华理工大学 建筑工程学院, 江西 南昌　330013)



矸石型复合地基桩体强度试验设计与数值模拟研究

杨伟峰1,2, 王壹1, 夏筱红1, 于宗仁1

(1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院, 江苏 徐州221116;2. 东华理工大学 建筑工程学院, 江西 南昌330013)

针对矸石型复合地基桩体强度进行综合性实验设计,通过室内强度试验和数值模拟研究影响煤矸石型水泥土桩复合地基应用效能的关键因素——桩体强度和沉降变形,获得了在考虑工程材料成本条件下,煤矸石型水泥土复合桩体强度的最佳水泥配比为16%～20%、最佳水灰比范围为0.5～1.0、最佳粉灰比范围为0.25～0.88等参数。通过数值模拟分析得出煤矸石型水泥土桩复合地基单桩和群桩体系的变形特性规律。

复合地基； 煤矸石； 强度试验； 数值模拟

许多高校在长期的教学探索与实践中,形成了“重视基础、强化工程素养和设计与创新能力培养”的工程专业人才培养新理念[1]。实验教学主要有现场实践与实验以及室内物理实验,现场实践与实验因其学习场地的多变性和开放性,其教学模式有别于课堂教学,但费用较高,实验数量也很有限；而室内物理实验操作方便,通过大学生科研创新训练,在综合性实验设计、制作及理论应用等方面提高参加学生的动手能力、创新能力,促进对理论知识的掌握。同时,采用计算机辅助教学手段,通过数值模拟实验可以得到许多在常规现场与室内实验中难以观测的重要信息[2-4]。

综合性设计实验教学是地质工程教学体系中的重要组成部分,综合性实验有助于提高大学生的科研能力、创新能力和实际动手能力[5]。本文以分析研究煤矸石型水泥土复合桩体强度与变形特性为着眼点,通过综合设计,为现有的复合地基设计、施工项目找到一种经济廉价的、环保高效的复合地基材料；同时寻求一种利用煤矸石的方法,提升煤矸石的综合利用,不仅能使煤矸石的大量堆积问题得到改善,也能为不同种类工业废料的综合回收利用提供参考。

1　复合地基桩体强度试验设计

1.1试验材料

(1) 复合桩体骨料。本试验选用的复合桩体骨料为江苏徐州夹河煤矿煤炭开采和加工过程中排放出的未自燃黑色煤矸石(见图1)。它的主要岩性组分为页岩、碳质页岩、泥岩、炭质泥岩及少量砂岩等；主要矿物成分为黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石)、石英、方解石、硫铁矿及碳质等；主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、GaO、MgO、Na2O、K2O、残留煤及其他有机质等。

(2) 复合桩体胶结料。试验选用的复合桩体胶结料为水泥和粉煤灰,桩体强度激发剂为石灰(Ca(OH)2)。水泥选用普通425#硅酸盐水泥,石灰需用消石灰粉末,粉煤灰选用《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596—91)标准规定的II 级灰标准粉煤灰,其物理性能和化学成分见表1。

图1　夹河煤矿未自燃黑矸石

表1　试验选用粉煤灰物理性能及化学成分表

1.2试验方案设计

(1) 矸石骨料粉碎和筛分。因煤矸石材料存在级配缺陷,如果煤矸石骨料的颗粒太粗,则胶结料不能有效地填充粗大矸石骨料颗粒间的空隙,形成的矸石复合桩体密实性和均匀性较差,强度较低；如果煤矸石骨料的颗粒太细,容易密实但是不能形成有效骨架,因而形成的矸石复合桩体力学性能差而且收缩大,强度也较低。

依据目前关于复合地基骨料级配和混凝土骨料级配的研究成果[6-9],为了取得最佳的矸石材料级配,以便获得最大的矸石复合桩体强度,煤矸石粗骨料(5～20 mm)与细骨料(2.5～5 mm)按体积比 2∶1 配置效果最好,并且通过这种配比其密度与完整性均较好。

因此,首先对煤矸石粗大颗粒进行人工粉碎,再过孔径为20 mm和5 mm的筛子进行一级筛分,其后把筛分出的粒径小于5 mm的矸石颗粒过5 mm和2.5 mm的筛子进行二级筛分,最后把两级筛分(见图2)筛选出的煤矸石粗骨料(5～20 mm)与细骨料(2.5～5 mm)进行按体积比 2∶1均匀混合,取得本次试验所用的煤矸石骨料颗粒(见图3)。

图2　矸石颗粒筛分

图3　试验煤矸石颗粒

(2) 试验配比分组与设计。依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011),试验统一采用相同的煤矸石骨料配比(质量分数70%),然后按不同胶结料配比、不同激发剂配比、不同水灰比、不同粉灰比把试验材料分为2个大组——不加激发剂石灰的为Ⅰ组和加激发剂石灰的为Ⅱ组。Ⅰ组分为7个小组,分别配以相同比例的煤矸石骨料70%(质量分数),再配以不同比例的胶结料,通过控制加入不同质量分数的水得到不同比例的水灰比；最后通过不同水泥胶结料配比、不同水灰比、不同粉灰比、不同养护龄期(3、7、14、28 d)的煤矸石型水泥土复合桩体无侧限抗压强度值变化规律来分析最佳配比。Ⅱ组分为6个小组,采用Ⅰ组中的一个小组(Ⅰ-2)的配比分别掺加6组不同激发剂石灰量,最后通过相同养护龄期的不同石灰量(包括Ⅰ-2小组)的煤矸石型水泥土复合桩体无侧限抗压强度值变化规律来分析最佳的激发剂石灰量。

(3) 煤矸石型水泥土模块的制作与养护。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)关于模块制作的规定,本次试验采用标准方法制作尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准煤矸石型水泥土复合模块。把各组混合好的材料注入磨具盒,并分3～4层进行捣实,制成第Ⅰ组设计的不加石灰激发剂的煤矸石型水泥土模块,每个养护龄期制作3块模块,Ⅰ组分7小组共制作84块模块；掺入适量石灰激发剂的Ⅱ组分为6小组共制作72块模块,按标准养护规定送入建筑构建标准养护室养护3、7、14、28 d 4个龄期。

(4) 模块的无侧限抗压试验。抗压试验采用的仪器为WES-1000D数显式液压万能试验机系统,加载速率定为0.4 MPa/s,目标极限载荷为1 000 kN。对不同龄期模块进行测试,记录每块模块的抗压强度值。绘制强度变化曲线,探索在考虑成本和施工周期条件下的最优煤矸石复合桩体强度配比。

1.3试验结果分析

图4　水泥配比与强度的关系

(1) 绘制的Ⅰ组7个小组的煤矸石型水泥土复合模块单轴抗压强度随水泥质量比的强度变化曲线见图4。由图4可以看出,总体趋势为煤矸石型水泥土复合模块的强度随水泥配比的增加而变大；当水泥配比为4%～8%时,4个龄期曲线的斜率较小,即模块的强度增长速率较慢；水泥配比为8%～12%时,4个龄期曲线的斜率变大,模块的强度增长速率加快；水泥配比为12%～16%时,4个龄期曲线的斜率又变小,模块的强度增长速率减慢；水泥配比为16%～20%时,4个龄期曲线的斜率再次变大,模块的强度增长速率再次增快；最后水泥配比大于20%时,模块的强度增长速率又再次减慢。由此变化规律可以得到:在考虑材料成本的条件下,本次试验得出的水泥最优配比为16%～20%。

(2) 绘制的Ⅱ组6个小组的煤矸石型水泥土复合模块单轴抗压强度随激发剂石灰配比的强度变化曲线见图5。

图5　石灰配比与强度的关系

从图5可以看出,Ⅱ-1—Ⅱ-6的6个小组的模块强度相比Ⅰ-2小组的模块强度变化范围不大,除Ⅱ-5外的Ⅱ组其他小组的模块强度均小于Ⅰ-2小组,只有Ⅱ-5小组的模块强度大于Ⅰ-2小组,4个龄期的模块均呈现此规律,所以本次试验建议激发剂石灰的最佳配比为2.5%。

(3) 绘制的Ⅱ组的6个小组及Ⅰ组第2个小组(Ⅰ-2)的煤矸石型水泥土复合模块单轴抗压强度随龄期的强度变化曲线见图6。

图6　龄期与强度的关系

从图6可以看出,随着龄期的增长,Ⅱ组的模块强度呈增长趋势,前14 d的增长速率较快,14～28 d增长速率较慢,同时也可以清楚地看到除了Ⅱ-5小组的模块强度大于Ⅰ-2的模块强度外,Ⅱ组的其他小组均比Ⅰ-2的模块强度小,更加说明了在材料成本允许下,可以选择激发剂配比为2.5%的Ⅱ-5小组,在需要控制材料成本的条件下,可以不加入石灰激发剂,

也能得到较理想的煤矸石型水泥土复合地基桩体强度。

2　数值模拟

数值模拟是研究刚性桩复合地基受力变形特性的有效手段[10-12],可以不受现场试验条件、场地复杂性、资金问题所带来的困难和限制。

2.1计算模型的建立

模拟工程以北京惠新里某场区高层住宅楼拟设计的煤矸石桩复合地基为例。煤矸石桩桩长10.40 m,桩径400 mm,桩间距1.50 m,采用正方形布桩,褥垫层厚度200 mm,基础埋置深度12.50 m,荷载390 kPa。模拟空间为20.00 m×14.00 m(水平长度×深度)。对单桩和群桩分别进行了模拟。材料的物理力学参数见表2,桩体材料性质采用试验获得的强度参数。

表2　材料的物理力学参数

模型的边界条件,采取Y-Z平面应力应变模型,模型周侧限制其水平位移,即沿Y方向的位移被约束；模型底板限制其竖直位移,即沿Z方向的位移被约束；模型周侧和底板的交汇点限制其双向位移。群桩模型图见7。

图7　群桩模型图

2.2煤矸石桩复合地基模拟变形分析

煤矸石桩复合地基的竖向位移情况, 可以通过褥垫层的竖向位移沉降分析获得,褥垫层材料的流动补偿,使桩土之间的应力分别达到调节和平衡,使复合地基的承载力提高、沉降量降低。

通过分级荷载(100、150、200、250、300、350、400 kN/m)加载后计算得到各级荷载的沉降变形曲线见图8。由图8知,在对单桩和群桩的分别模拟中,群桩更能接近实际,沉降量较小。图8反映桩体和桩间土的整体沉降效果,从图上可以看出群桩的沉降比单桩的要小得多,其整体性更好,反映了煤矸石桩复合地基更能够控制沉降的效果。

图8　单桩与群桩褥垫层的竖向位移沉降曲线图

3　结论

(1) 通过综合性设计实验,学生在实验设计、制作及理论应用等方面得到了提高,增强了动手能力和创新能力,促进了对专业理论知识的掌握。

(2) 在煤矸石型水泥土桩体强度研究中,通过设计不同胶结料配比、激发剂配比、水灰比、粉灰比等参数,进行了4个龄期标准养护后的无侧限抗压强度试验,获得了在考虑工程材料成本条件下的影响煤矸石型水泥土复合桩体强度的最佳水泥配比为16%～20%,最佳水灰比范围为0.5～1.0,最佳粉灰比范围为0.25～0.88等参数,为实际煤矸石型水泥土桩复合地基工程中提供了参考。

(3) 通过数值模拟分析得出了煤矸石型水泥土桩复合地基单桩和群桩体系的变形特性规律。学生由此掌握了运用数值模型解决工程实际问题,为后期进行数值实验计算的学习奠定了基础。

References)

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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

实验技术与方法

2015- 09- 20修改日期:2015- 11- 10

中国矿业大学教育教学改革与建设课题项目(2013G17)；江西省学位与研究生教育教学改革研究项目(JXYJG-2015-100)

杨伟峰(1974—),男,内蒙古赤峰,博士,教授,从事岩土工程、工程地质与水文地质专业方向的教学与科研.

E-mail:yangwf888@163.com

G642.0；TU47

A

1002-4956(2016)3- 0030- 04