粉煤灰场地压缩模量与标贯试验相关性研究

＊李鹏 郭果

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司 四川 610034 2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 贵州 550081）

引言

我国粉煤灰的研究与利用至今已近70年，其作为重要的工业材料广泛运用于工程建设之中，截止至2017年底全国粉煤灰年产量已达6.86亿吨[1]。粉煤灰的利用主要包括水泥掺合剂、混凝土添加剂、建材深加工、水利道路填筑料以及土性改良等方面。粉煤灰的综合利用与经济发展呈相同走势，中东部利用率高，尤其上海近几年来粉煤灰利用率近100%，为全国之首，而西部则利用率相对较低。总体上，全国粉煤灰综合利用率约为76%，仍有24%的粉煤灰未有效利用。粉煤灰露天堆放对生态环境带来诸多污染，同时占用大量土地，尤其像贵州多山少地省份，土地尤为珍贵，有效利用粉煤灰堆场作为工程建设场地，充分利用土地资源，便成为工程技术人员面临的技术问题。

作为工程建设场地，工程区内各类岩土体的物理力学性质也是关注重点之一。为此，国内相关专家、学者对粉煤灰物理力学性质进行了一定研究：冯海宁、龚晓南探讨了粉煤灰作为地基处理的换填材料适用性[2]；朱会强通过土工试验、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[3]；周德全采用钻探、静力触探和十字板剪切试验相结合方法，研究了湿排粉煤灰的工程特性[4]；贾尚星用一元线性回归分析方法，建立的静力触探试验确定粉煤灰地基承载力和变形模量计算公式[5]。但由于粉煤灰不同于一般土体，勘察期间取原状样进行固结试验往往难度较大。在此，依托某勘察项目，通过室内试验、标准贯入试验，对粉煤灰的压缩模量进行一定研究，以探讨其相关性，对快速确定深厚粉煤灰建设场地的物理力学参数取值提供一定参考。

1.工程概况及地层岩性

贵州黔桂天能焦化有限责任公司在2013年利用盘州市柏果镇钨珠河灰场作为5万吨/年苯加氢、12万吨/年LNG、7万吨/年己二酸及11万吨/年尼龙66切片项目的建设场地。

该灰场始建于1999年，2009年闭库，储存粉煤灰约480×104m3。灰场占地面积0.24km2，顺冲沟地形由南向北展布，全长870m，由初期坝和四级子坝及排洪系统组成，初期坝和子坝总坝高59.2m。坝内堆填粉煤灰最大厚度约60m。闭库之后，于灰场表面铺设厚约10m左右碎块石夹粉质粘土加以覆盖，以满足工程场地建设要求。工程区地层岩性由上至下依次为：

（1）人工堆积碎块石夹粉质粘土层：分层碾压回填，厚约10m，碎石含量约占70%，粒径多在1～5cm之间，呈中密状。

（2）人工堆积粉煤灰层：为2000年至2009年间盘县电厂燃烧后堆填于此的粉煤灰，最大厚度约60m，其压缩模量是本次工作研究重点。

（3）残坡积粉质粘土夹碎石层：位于粉煤灰层下部，多呈硬塑状，厚度在0～13m之间。

（4）残坡积层以下为二叠系龙潭组含煤系砂泥岩层，与北部三叠系飞仙关地层呈角度不整合接触。

地下水位埋藏深度位于粉煤灰底部以上约4.0～7.0m。

2.面临的工程问题

场地内构筑物虽荷载不大，但部分构筑物沉降敏感，因此，确定粉煤灰的压缩模量，为沉降预测提供必要的支撑便成为本次工作的重点之一。

为掌握该场地粉煤灰的物理力学性质，钨珠河灰场共布置勘探钻孔7个，进行了颗分、常规物理力学试验、固结试验、现场标贯及剪切波试验。

3.粉煤灰工程性质

(1)粉煤灰化学成分

对钨珠河灰场粉煤灰进行化学分析，主要成分如表1所示。

表1 钨珠河灰场粉煤灰主要化学成分表（%）

较其他地区而言，钨珠河灰场粉煤灰铁含量较高、硅含量相当，铝含量较低，同时还含有一定量的钛、钙[6]。根据氧化钙的含量，灰场内粉煤灰属C级灰。

(2)粉煤灰颗粒级配与液塑限

粉煤灰的物理性质中，细度是比较重要的指标，它直接影响着粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分影响后期的反应。颗分试验及界限含水率如表2、表3所示。

表2 粉煤灰颗粒分析试验表（%）

表3 粉煤灰界限含水率试验表（%）

根据粒径范围及界限含水率可知，粉煤灰以粉土为主。良好级配的样本数占总样本数的27.8%（约1/4），总体上，灰场内粉煤灰的级配并不良好。

(3)粉煤灰渗透性

对粉煤灰取样进行相应的渗透试验，如表4所示。

表4 粉煤灰渗透试验表

根据渗透系数来看，粉煤灰呈中等透水性，与砂性土接近。

总体上，从颗粒组成及塑性指数来看，粉煤灰属粉土类[7]，但从渗透系数来看，则更倾向于砂性土[8]。

(4)粉煤灰密度、天然含水率及孔隙比

取样做粉煤灰密度、天然含水率及孔隙比试验，如表5所示。

表5 粉煤灰常规物理试验表

钨珠河灰场粉煤灰平均天然密度1.55g/cm3，平均干密度1.22g/cm3，平均比重为2.36g/cm3，均低于粉土的特征值。从表5可知，随深度增加，粉煤灰孔隙比总体呈降低趋势。

(5)现场标贯试验与孔隙率、压缩模量的对应关系

在取样位置进行标准贯入试验，标贯击数、孔隙比、压缩模量以及密实度的对应关系如表6所示。

表6 标贯锤击数与孔隙率、压缩模量对应表

根据试验结果可知：地下水位以上稍密～中密状粉煤灰压缩模量在8.86～28.57MPa之间，平均值15.16MPa，属中等压缩性土，略高于其他学者所得试验结果，高于常规粉土压缩模量，低于相同状态下细砂压缩模量；地下水位以下粉煤灰压缩模量在3.28～6.15MPa之间，平均值为4.92MPa，表现出一定的软化性，与冯海宁[2]及朱会强[3]所得结论一致。

结合土体定名和固结试验综合分析，粉煤灰压缩性介于粉土～细砂之间，固结试验结果呈现相同态势：ES粉土＜ES粉煤灰＜ES细砂。

现场取样以及室内环刀截取原状样的困难，使固结试验与现场试验的关联性并非特别突出，16组数据仅7组存在对应关系，对应率仅44%。

(6)标贯试验与压缩模量的对应性分析

工程地质手册（第五版）[9]给出了标贯试验锤击数与土体压缩模量的相关性公式，其代表性的公式如表7所示。各公式对应的计算值以及与试验值的对比如表8所示。

表7 标贯锤击数与土体压缩模量的换算代表性公式表

表8 不同公式下土体压缩模量换算值与试验值对应表

相关性曲线如图1所示。

图1 试验数据与计算数据对比曲线

(7)关联性分析

共16组数据，仅公式2、3有五组数据误差在20%以内。总体上实测值与计算值关联性不强，但有如下特点：

①粉煤灰处于稍密～中密状时，数据关联性较好，尤其公式3（《高程建筑岩土工程勘察标准》JGJ/T72-2017推荐公式）表现突出；

②锤击数、孔隙比表现为密实状粉煤灰，实测压缩模量并非很高，这与粉煤灰自身总体表现出中等压缩性有关；

③地下水位以下粉煤灰压缩模量较低，表现出一定的软化性，但锤击数并未有效反应。

存在数据关联性差的原因来自方方面面：

①粉煤灰分层填筑，层间存在差异，试验和标贯不可能完全处于同一深度；

②取、送样及制样过程中土样的扰动导致试验结果并非现场实际的真实反映；

③碾压过程中部分粉煤灰富集成团，导致标贯锤击数失真。

由于公式3（《高程建筑岩土工程勘察标准》JGJ/T72-2017推荐公式）在稍密～中密状范围内计算值和实测值具有一定关联性，在此，推荐采用该公式作为粉煤灰压缩模量的换算公式，但该公式计算值大于实测值。

冯海宁在0.9压实度下，对粉煤灰压缩模量进行了测试[2]，结果表明：粉煤灰压缩模量略低于细砂。在此，借鉴其研究成果以及工程建设安全角度出发，建议该公式作如下调整，即：

N≤30时，ES=0.75×N（MPa）；

N＞30时，ES=23（MPa）；

地下水位下，ES=（0.2～0.3）×N（MPa）。

标贯锤击数与压缩模量相关性曲线如图2所示。

图2 锤击数与压缩模量相关性曲线

从图2可知，通过以上修正以后，在地下水位以上稍密～中密状粉煤灰，标贯锤击数与压缩模量具有较好的相关性。

4.结论

（1）粉煤灰从颗粒组成及塑性指数来看属粉土类，但从渗透系数来看，则更倾向于砂性土，因此作为一种特殊性土，在工程勘察中应区别对待。

（2）根据室内试验与标贯击数关系，粉煤灰物理性质虽接近于砂性土，但压缩模量总体低于砂性土，若直接引用《高程建筑岩土工程勘察标准》JGJ/T72-2017推荐公式则偏于不安全。在此，从工程建设安全角度出发，可参考本文分析对其进行折减。

（3）本次工作是建立在利用钨珠河灰场作为建设场地基础上开展的相关性研究。该场地已于2015年竣工并投入运行，近几年来运行状况良好，各建构筑物沉降均能满足工程建设要求，当初所提参数总体合理可靠。

（4）该相关性公式的数据来源于钨珠河灰场粉煤灰勘探和试验资料，相关性公式虽提供了一定的借鉴参考价值，但其适用性和广泛性还需通过更多的类似项目加以验证，切记不顾每个工程自身特点盲从使用。