加筋粉煤灰砂混合料大型三轴试验研究

2019-08-21

长江科学院院报 2019年8期

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068)

1 研究背景

粉煤灰是以煤炭为主要燃料的电厂和工业锅炉燃烧产生的工业废弃物。近几年来，粉煤灰排放量巨大，贮存堆放占用了大量土地，不仅污染环境，而且危害人体健康，所以对粉煤灰综合利用开发是非常必要的[1-2]。随着对粉煤灰的开发利用，粉煤灰应用越来越广泛，其中利用量较大的是用于工程回填材料和直接作为地基填筑材料[3-5]。Venkatesh[6]研究表明粉煤灰为建筑路基稳定性较好的回填材料。粉煤灰具有自重轻、强度高、稳定性好，遇水强度损失小等优点，利用粉煤灰作为路堤填筑材料，能够发挥粉煤灰质量轻的优点，减轻构筑物的自重及路基沉降变形，提高稳定性[7]。

郭鸿等[8]在粉煤灰中掺入一定质量黄土进行试验研究，结果表明随着黄土掺量的增加，粉煤灰最大干密度呈线性增加，渗透性减弱。骆亚生等[9]通过在粉煤灰中掺入一定质量黄土，进行了击实、固结压缩、直剪和三轴等试验研究不同黄土掺量下粉煤灰的工程特性，得到不同掺土量对粉煤灰变形及强度特性的影响规律。试验结果表明，粉煤灰中掺入少量黄土可以明显提高土体的密度和凝聚力。 Kumar Sharma等[10]采用适当粉煤灰和废弃河砂改善黏土工程力学性能，进行了一系列击实试验、无侧限抗压强度(UCS)测试和渗透性试验，结果表明，粉煤灰可以有效提高无侧限抗压强度和混合料渗透性能。韩金[11]通过土工格栅加筋粉煤灰进行了蠕变试验、拉拔试验，研究土工格栅与粉煤灰的界面特性，为土工格栅在粉煤灰结构物中加筋应用提供了理论依据。王协群等[12]研究了土工格室加筋地基承载力试验，结果表明格室侧壁对土体产生侧向约束，并且产生的摩擦阻力可提高土体强度特性。傅华等[13]通过大型三轴试验得出，对于同一种加筋材料，加筋层数越多，加筋筋材竖向间距越小，加筋效果越明显。梁波等[14]通过试验分析了加筋粉煤灰静、动强度的拉力破坏和黏着破坏2种情况下的强度指标；所提出的等效侧向约束力计算模型适用于静力条件，同时也适用于动力条件下的加筋效应分析。

本文进行大型三轴试验，在试样达到最佳含水量及压实度在90%的情况下，分别进行不加筋固结排水(固结慢剪，以符号CD表示)、固结不排水(固结快剪，以符号CU表示)和不固结不排水(快剪，以符号UU表示)三轴试验，分析不同固结和排水条件对试样整体抗剪强度的影响，并在此基础上进行了加筋不固结不排水三轴试验，研究筋材种类对粉煤灰砂混合土的抗剪强度影响规律。

2 试验

2.1 试验仪器

本试验所用设备为四川大学华西岩土仪器研究所研制的SZ30-4DA型大型三轴试验机(如图1所示)。试样为Φ300 mm×600 mm的圆柱体。该试验机设备分为油源泵站系统，轴向控制系统，围压控制系统，反压控制系统，孔压、体变测量系统等，能实现轴向压力、轴向位移、周围压力、孔隙压力、试样体积变化、固结排水量等参数的自动采集工作。

图1 大型三轴试验仪和三轴试验试样Fig.1 Large-scale triaxial test equipment andspecimen of large-scale triaxial test

2.2 试验材料

试验所用粉煤灰来自于武汉市永恒基商品混凝土站，其化学成分、粉煤灰的性能指标检测结果如表1和表2；砂土为武汉周边地区的河砂，通过筛分比试验确定，粒径主要集中在0.01～2.36 mm，属细砂。试验砂土基本物理指标如表3；试验选用土工合成材料包括轮胎、土工格室、三向土工格栅、双向土工格栅，其中土工格室尺寸为30 cm(长)×30 cm(宽)×5 mm(厚)，废旧轮胎沿中心线剖开尺寸为Φ170 mm×宽50 mm，双向土工格栅尺寸和三向土工格栅的尺寸均为 30 cm(长)×30 cm (宽)。为避免三向土工格栅、双向土工格栅和土工格室划破乳胶膜，将筋材剪成比试样稍小的圆形，直径为29 cm。试验轮胎各项参数指标、土工格室技术指标、双向土工格栅主要技术指标、三向格栅主要技术指标依次为表4—表7。

表1 粉煤灰的化学成分Table 1 Chemical composition of fly ash

表2 粉煤灰的性能指标检测结果Table 2 Test results of fly ash performance indicators

表3 试验砂土基本物理指标
Table 3 Basic physical indicators of test sand

最大干密度/(g·cm-3)最小干密度/(g·cm-3)含水率/%相对密度不均匀系数Cu曲率系数Cc有效粒径/mm限制粒径/mm1.891.653.742.675.41.40.140.57

表4 轮胎各项参数指标Table 4 Parameters of tire

表5 土工格室技术指标Table 5 Technical indices of geocell

表6 双向格栅主要技术指标Table 6 Main technical indices of the biaxial geogrid

表7 三向土工格栅技术指标Table 7 Technical indices of the triaxial geogrids

2.3 试验方法与控制标准

基于大型直剪试验，对掺入一定质量比例的粉煤灰砂混合料抗剪特性研究，掺入粉煤灰质量比依次为0%，10%，20%，30%，40%，50%的粉煤灰砂混合料，试验得出20%的粉煤灰砂混合料的抗剪性能较好。试验前将粉煤灰和砂土分别按照比例进行配制并闷料24 h后，试样压实度控制在90%，分层击实制样，试样高度为60 cm，直径为30 cm，分6层击实，每层10 cm，直到制样完成。之后进行抽真空并检查试样的气密性、压力室的安装、三轴试样的预接触、压力室内试样周围注水，并根据试验要求选择试样饱和，施加试验所需的围压。然后根据试验选择试样固结方式，最后进行三轴剪切。对不加筋试样分别进行UU，CU，CD三轴试验，对土工合成材料加筋试样进行系列UU三轴试验，每组试验测试点3个，围压σ3分别为200，400，600 kPa。由于该试验粉煤灰砂混合料试样难以饱和，对于固结不排水和固结排水三轴试样均采用以水头饱和为主，在极难饱和下采用反压饱和，以水头饱和检查试样是否完全饱和的方式。三轴剪切速率为0.6 mm/min，轴向位移达到90 mm左右时，试验结束。

三轴试验方案如表8所示，筋材在试样中的位置示意图，如图2所示。

表8 大型三轴试验方案Table 8 Scenarios of large-scale triaxial test

图2 筋材布筋方式Fig.2 Arrangements of reinforcement

图3 20%粉煤灰无加筋试样应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of unreinforced sandspecimens dosed with 20% fly ash

3 试验结果及分析

3.1 应力-应变特征分析

3.1.1 不同固结和排水条件下的应力-应变分析

掺入20%粉煤灰砂土混合料试样在不同固结和排水条件下的应力-应变曲线见如图3。图3(a)—图3(c)分别对应固结不排水、固结排水和不固结不排水试验条件。由图3可知，不同围压下试样的应力随轴向应变的增大而增大，在轴向偏应力增加到峰值后逐渐趋于稳定；在轴向应变较小时，3组试样的应力-应变曲线基本一致；随着轴向应变的增大，3组试样的应力-应变曲线逐渐分离，出现较大的差异，这说明围压对试样起到一定的侧向约束作用。当轴向应变达到15%或达到试验仪器设定轴向位移终止条件时，剪切试验结束，随后进行试验拆样时，发现试样有明显剪胀现象。

对比图3中的(a)，(b)，(c)可以看出，在应力-应变曲线峰值或破坏点处(σ1-σ3)f数值由大到小依次是快剪、固结慢剪和固结快剪。由于快剪时，试样并未经水头饱和，此时试样内部的粉煤灰颗粒与砂颗粒是均匀紧密黏结在一起，能较好地共同承受荷载作用；CD三轴试验和CU三轴试验试样是经过水头饱和固结，不同的是CD三轴试验剪切过程中排水阀保持打开状态，剪切过程中会从试样中排出一部分水，这时试样内部的粉煤灰颗粒和砂颗粒部分流失，多数粉煤灰颗粒与砂颗粒相互黏结，共同承受所施加的荷载；而CU三轴试验剪切过程中排水阀门保持关闭状态，剪切过程中试样是一个封闭状态，内部充满水，粉煤灰颗粒和砂颗粒是由水包围着，故其在破坏时偏应力减小。

图4 20%粉煤灰1层筋材加筋应力-应变关系曲线(UU试验)Fig.4 Stress-strain curves of sand specimens reinforcedwith one layer of reinforcements dosed with 20%fly ash in unconsolidated undrained test

3.1.2 UU快剪试验下不同土工合成材料加筋应力-应变分析

图4为掺入20%粉煤灰砂土混合料试样在UU三轴试验下不同筋材加筋的应力-应变关系曲线，图4(a)—图4(c)分别对应围压200，400，600 kPa。由图4可知在不同围压下，掺入20%粉煤灰砂土混合料试样的应力-应变曲线整体趋势为：偏应力随轴向应变的增大而增大，当轴向应变增加到一定数值时，其轴向偏应力增加到最大峰值后保持稳定。在轴向小应变时，应力-应变曲线基本一致；随着轴向应变的增大，曲线逐渐分离，出现明显差异，这说明筋材加筋在小应变时，筋材加筋没有发挥显著的作用。然而，随着轴向应变的继续增加，各个曲线逐渐分离，并存在明显差异，这是由于不同筋材的加入在试验过程中发挥明显作用。

图4中对于铺设1层筋材加筋的试样，轮胎加筋承载力提高较为明显，依次为三向格栅、双向格栅和土工格室，随着围压的增加，试样承载力提高得更加明显。造成这种现象的原因是筋材各自的加筋机理不同，土工格室加筋主要通过提供给试样单元侧向约束作用，格室内外壁对混合料产生摩擦力，从而形成一个较大抗拉强度与抗剪强度的复合体结构；而格栅加筋主要是格栅单元肋条与混合料土体之间的约束咬合作用，上下表面与料体产生相互摩擦作用，进而提高承载能力；对于轮胎加筋，轮胎材料有较好的力学性能，强度较高，并且轮胎加筋是立体式加筋，通过给土体提供较强的侧向约束力之外，轮胎内外表面与混合料土体的接触面，产生摩擦作用力，进而提高其抗剪强度。

在施工过程中土工格室加筋由于施工控制方式的原因，会在施工过程中土工格室壁发生弯折，对加筋力学性能产生影响，轮胎加筋施工主要解决单个轮胎加筋向多个轮胎的力的传递，特别是轮胎之间的连接处力学强度比较薄弱。对于土工格栅加筋施工比较简单，由于是片状筋材，只需铺平进行摊铺填料碾压压实即可，筋材之间没有较多的连接缺陷。根据开口形状将格栅分为正方形双向土工格栅和正三角形的三向土工格栅，三向土工格栅可以在各个方向承受所施加的荷载，双向格栅只能在2个方向承受荷载的作用，三角形的受力稳定性要强于平行四边形的双向格栅。通过对比分析应力-应变曲线，可知三向格栅的加筋作用要比双向格栅的作用要好。

3.1.3 快剪试验下不同层间距双向土工格栅加筋应力-应变分析

图5为掺入20%的粉煤灰砂土混合料的试样在UU三轴试验下双向土工格栅不同等间距加筋的应力-应变关系曲线。在试验过程中筋材的布置，铺设1层筋材，于试样高度的1/2处布置，筋材间距为30 cm，依次类推2层筋材加筋和5层筋材加筋的加筋层间距分别为20 cm和10 cm。图5(a)—图5(c)分别对应围压200，400，600 kPa。由图5可知在不同围压下，掺入20%粉煤灰砂土混合料的试样的应力-应变曲线整体上表现为：偏应力随轴向应变的增大而增大，当轴向应变增加到一定数值时，轴向偏应力增加到最大峰值，并在该最大峰值保持稳定，并有应变软化的趋势。

图5 20%粉煤灰多层双向土工格栅加筋应力-应变关系曲线(UU试验)Fig.5 Stress-strain curves of sand specimens reinforcedwith multiple layers of biaxial geogrid dosed with20% fly ash in unconsolidated undrained test

从图5可以看出：

(1)对于偏应力峰值，5层筋材加筋(间距为10 cm)明显高于2层筋材加筋(间距为20 cm)，高于1层筋材加筋(间距10 cm)，更加优于无加筋工况。随着围压的增加，试样承载力特性明显增加。

(2)低围压下，筋材层间距减小，试样承载能力明显增加；随着围压的增加到较高围压时，试样承载能力随着加筋层间距的减小增加不显著。低围压对试样提供侧向约束作用较小，需通过试样自身来承受所施加的荷载，使得1层加筋对承载能力提高不明显，需通过增加加筋层数来提高其承载性能；中等围压下，围压对试样起到侧向约束作用，同时筋材加筋对试样提供侧向约束，在试样高度一定时，加筋层间距的减小使得承载性能有明显提高，但是在高围压下，对试样侧向约束作用更强，1层筋材加筋能很好发挥作用，而2层和5层筋材加筋相对1层加筋效果而言，承载性能提高比较有限。

3.2 粉煤灰加筋土抗剪强度

依据Mohr-Columb强度准则计算掺入20%粉煤灰砂混合料的抗剪强度指标，如表9所示。

表9 掺入20%粉煤灰砂混合料试验工况及强度指标Table 9 Test conditions and strength indices ofsand specimens dosed with 20% fly ash

由表9可知：①对于无加筋试验，掺入20%粉煤灰砂混合料CD三轴试验所得出的黏聚力较小， CU三轴试验中的内摩擦角较小， UU三轴试验所得到的黏聚力较大，而内摩擦角位于CU试验与CD试验之间。②对CU三轴试验中的有效黏聚力小于总的黏聚力，有效内摩擦角大于总的内摩擦角，这是孔隙水压力存在所造成的影响。③对于单层、不同筋材加筋不固结不排水三轴试验，根据黏聚力和内摩擦角的评估结果，轮胎加筋效果最好，其余依次是三向土工格栅、双向格栅加筋和土工格室加筋；黏聚力改善方面双向格栅优于土工格室，内摩擦角方面两者改善不明显，说明轮胎加筋的机理模式优于片状格栅类筋材，更加优于土工格室加筋。④对于不同层间距的双向格栅加筋的不固结不排水三轴试验，加筋层间距减小，黏聚力和内摩擦角均有明显提高。加筋层间距的减小，意味着单位高度内铺设筋材层数增加，混合料颗粒与筋材的接触面积增加，从而筋材界面摩擦阻力增加，使得加筋复合体结构的抗剪强度增加。

3.3 抗剪强度指标分析

在掺入20%粉煤灰砂混合料的砂中，加入筋材会有效限制砂体侧向变形，使其具备准黏聚力，目前对加筋机理有2种解释[15]，分别如下。

(1)等效围压原理[16-17]。在三轴压缩剪切试验过程中，对加筋试样与不加筋试样施加相同的围压，加筋试样破坏主应力差大，加筋试样抗剪强度增大效果等同于提高作用于试样的围压，即不加筋粉煤灰混合料试样在围压σ3+Δσ3作用下的抗剪强度等效于加筋试样在围压σ3作用下的抗剪强度，提高的围压就称为等效围压Δσ3[17]，并有如下定义：

(1)

(2)

(2)准黏聚力原理[19]。加筋试样与未加筋试样的强度曲线可近似地视为平行，这样可假定土体的内摩擦角在加筋后基本保持不变，即φ=φ′，然而，加筋试样的“黏聚力”则增加了，增加的“黏聚力”不是土体所固有的，而是由于加筋的结果，因此称为准黏聚力cR[18]，并有如下定义:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中φ为素砂的内摩擦角。

表10 掺入20%粉煤灰砂混合料与筋材复合加筋效果强度比较Table 10 Comparison of strengths of sand specimens dosed with 20% fly ash with composite reinforcements

表11 不同筋材加筋下的掺入20%粉煤灰砂混合料加筋强度及加筋效果系数Table 11 Values of reinforcement strength and reinforcement effect coefficient of specimens dosed with 20% fly ashwith different reinforcements

表10为掺入20%粉煤灰砂混合料与筋材复合加筋效果强度比较。根据等效围压原理和准黏聚力原理计算分析得出结果为：①通过准黏聚力原理计算的掺入20%粉煤灰砂混合料破坏时的加筋单位宽度所受拉力与等效围压原理计算的数值相等；②对于单层筋材加筋复合结构体破坏时的单位宽度加筋所受拉力，轮胎加筋的拉力较大之外，其他土工合成材料加筋的拉力相近，变化范围在38.9～49.4 kN/m；③对于多层双向土工格栅加筋，随着加筋层数的增加，加筋复合结构体破坏时的单位宽度加筋所受拉力逐渐减小，而准黏聚力和等效周围压力逐渐增大。

3.4 加筋效果综合评价

为了更好地评价各组试验加筋效果，引入强度加筋效果系数[16]Rσ，其定义为

(7)

表11为不同筋材加筋下的掺入20%粉煤灰砂混合料加筋强度及加筋效果系数。结果表明加筋效果系数计算结果整体上>1.0，说明加筋破坏时的主应力差均大于不加筋破坏时的主应力差值。由表11可知筋材的加筋效果系数与围压变化相关性较差，整体对比可以看出，随着围压的增加，加筋效果系数基本是增加的。在较低围压下，掺入20%粉煤灰砂混合料的侧向变形较大，而筋材的加入使得侧向变形得到有效的减小，进而筋材与混合料颗粒发生界面摩擦和筋材肋单元对颗粒移动进行有效的锁嵌效应，使得加筋复合体结构的承载性能得到改善。在高围压的情况下，掺入20%粉煤灰砂混合料的侧向变形相对较小，那么筋材在对侧向约束作用发挥得较小，故而加筋效果系数会有减小的趋势。

表12为不同加筋层数下的掺入20%粉煤灰砂混合料加筋强度及加筋效果系数，结果表明加筋效果系数均>1.0，说明加筋时破坏时的偏应力均大于不加筋时的偏应力值。

表12 不同加筋层数下的掺入20%粉煤灰砂混合料加筋强度及加筋效果系数Table 12 Values of reinforcement strength andreinforcement effect coefficient of 20% fly ash sandmixture with different layers of reinforcement

由表12可以看出，相同围压下随着加筋层数的增加(加筋层竖向间距的减小)，加筋效果系数增加；在加筋层数固定时，加筋效果系数总体上是随着围压增大而增加。这主要是因为在较低围压下，掺入20%粉煤灰砂混合料的侧向变形较大，而筋材的加入使得侧向变形得到有效的减小；随着筋材层数的增加，筋材与混合料颗粒接触面积增加，筋材与混合料的界面摩擦阻力得到了大幅度的增加，也就很好地体现出加筋在复合结构体发挥着较大作用，加筋效果系数从而得到增加。在高围压的情况下，掺入20%粉煤灰砂混合料的侧向变形相对较小，筋材对试样侧向约束作用发挥得并不明显，故而加筋效果系数降低。