贮灰场沉积粉煤灰动力特性试验研究

刘少辉，梁志超，李俊生，成勇龙，李 伟

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100)

粉煤灰是一种以燃煤为主的发电厂排放的主要废弃料，由于其特殊性，应该正确合理的处理粉煤灰以达到最小的环境污染和最大的再利用价值[1]。近些年来，我国的粉煤灰贮存量逐年增加，目前国内外处理粉煤灰的方法主要有两种：一种是将粉煤灰与其他物质进行混合用于工程上，达到循环利用的目的。另一种是将粉煤灰进行贮灰场储存。为了更进一步的节省费用，大部分直接采用灰渣填筑子坝来扩大贮灰场的规模，并且粉煤灰堆积的高度随着时间的推移逐渐增大，其在降雨作用下，容易发生失稳，更危险的是在地震动荷载作用下，灰坝会发生溃坝及不良的地质灾害[2-4]。

近些年来，国内外许多学者对贮灰场的粉煤灰进行大量的试验[5-10]。孙恩吉等[11]发现粉煤灰的颗粒存在不均匀性，干密度越小，渗透系数越大。刘铁军等[12]通过室内试验得到了粉煤灰的最大干密度和最优含水率，并发现随着含水率的增大，黏聚力和内摩擦角均减小。但随着压实度的增大，强度指标均增大。佘芳涛等[1]对贮灰场子坝冲填粉煤灰进行了一系列动力试验，研究了冲填粉煤灰的动力变形和强度特性。李明等[13]通过对粉煤灰进行固结排水和固结不排水的动三轴试验，发现密度对液化区面积有很大的影响。陈建斌等[14]以实际粉煤灰坝为背景，对灰坝进行了动力特性评价。李永乐等[15]对原状和击实粉煤灰进行了动三轴试验，得出了动强度参数和动剪切模量及阻尼比参数。以上学者对粉煤灰静动力特性进行了深入有益的研究，同时得到了很多有价值的结论，但针对贮存场中不同密度沉积混合粉煤灰的动力特性研究相对较少。由于目前灰坝堆积较高，库容较大，在地震动荷载作用下，安全性至关重要，因此，系统地研究粉煤灰的动力特性具有重要意义。

本文以某电厂贮灰场沉积粉煤灰为研究对象，研究了不同干密度下重塑饱和粉煤灰动应力-应变、动模量、阻尼比、动孔压和动强度；探讨了干密度、围压和循环振次对上述动力特性指标的影响规律，得到了不同循环振次下沉积粉煤灰的总动强度指标和有效动强度指标，为该贮灰场运行期间的动力稳定性分析提供依据和参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料及制备

(1) 试验用料。试验用料取自靖远某贮灰场的沉积灰。该初期灰场拟在灰面达到设计标高时加高一级子坝，作为本期工程初期灰场；设计子坝坝顶标高1 603 m时，新增库容约375.5×104m3；形成总库容897×104m3，满足电厂二、三期总容量4×300 MW机组贮灰约7 a。子坝拟采用水力冲填法，冲填材料为库内的沉积灰渣；子坝坝高初拟为4.0 m，坝顶高程1 603.00 m，坝顶宽度5 m，上下游边坡均初拟为1∶3.5，上游坡面设土工膜防渗，坝体表面采用干砌石护坡。沉积灰场共分2个灰场，编号为1号和2号，其中1号灰场内共布设三个断面、8个探井，2号灰场内共布设四个断面、11个探井。探井深度为0.5 m～4.5 m。所取沉积粉煤灰物理性质指标见表1。粉煤灰的比重2.20～2.64之间，颗粒以粉粒为主，粉粒含量在39.0%～91.0%之间。

表1 沉积粉煤灰的物理性质指标

(2)试样制备与方法。所有试样均采用压样法制样，试样尺寸为直径3.91 cm，高8 cm的圆柱样，按设计要求的干密度及含水率计算出试验所需湿土重量，分五次压入制样器中，每层刨毛，所制备试样的干密度之间误差不超过0.02 g/cm3。饱和试样采用抽气饱和方法进行饱和，经测定饱和度达95%以上。

1.2 试验方案

试验制样干密度为1.18 g/cm3和1.28 g/cm3(简称为1#，2#)。固结应力比Kc=σ1c/σ3c=1.5，循环振次Nf取10、20和30。围压σ3c取100 kPa、200 kPa和300 kPa。试验采用振动波形为正弦波，振动频率为1 Hz。所有试样均为饱和试样，以孔隙水压力完全消散作为固结稳定标准。

2 试验结果及分析

2.1 沉积粉煤灰动应力-动应变特性

图1为在偏压固结条件不同固结压力下1#和2#沉积粉煤灰的动应力-动应变关系曲线，从图中可以看出，不同干密度的粉煤灰动应力-动应变曲线基本呈双曲线型，与土的应力-应变曲线相似，粉煤灰动应力-动应变曲线呈弱硬化型。动应变发展前期，动应力增大趋势明显，随着动应变逐渐增大，动应力趋于稳定。同时，随着围压的增大，曲线逐渐上移，峰值动应力也越大。相同固结压力下，干密度的增大，动应力也表现出增大的趋势。这也说明，沉积粉煤灰的压密程度决定了其动应力的大小。

2.2 沉积粉煤灰动模量与阻尼比

2.2.1 动模量

由于σd-εd(σd为动应力，εd为动应变)关系近似符合如下的双曲线关系，故采用式(1)对动应力-动应变曲线进行转化，其中Ed=σd/εd。

(1)

式中：a，b为拟合参数。a=1/Emax，b=1/σdmax。

图2为1#和2#沉积粉煤灰的1/Ed-εd关系曲线，从图2中看出，1/Ed-εd关系曲线呈线性关系，随着围压的增大曲线下移，说明动模量随着围压逐渐增大。

图1 不同干密度沉积粉煤灰动应力-动应变关系曲线

图2 不同干密度沉积粉煤灰1/Ed-εd关系曲线

对比两种不同干密度的结果看出，干密度对动模量有明显的影响，相同固结围压下，随着干密度的增大，动模量在增大。同时，将拟合直线的参数汇于表2，从表中更能直接看出，随着固结围压增大，最大动模量与动应力增大，相同固结压力下，干密度越大，最大动模量与动应力也随之增大。

表2 沉积粉煤灰的模型拟合参数

2.2.2 阻尼比

图3为不同干密度沉积粉煤灰的阻尼比与动应变关系曲线，从图中可以看出，阻尼比随着动应变的增大先缓慢增大再迅速增大，最后趋于稳定。相同干密度下，不同围压下的阻尼比规律不明显，但阻尼比随着动应变的变化趋势符合一般土常见的规律。对比1#和2#，可以看出，相同固结围压下，干密度越大，阻尼比越小。

图3 不同干密度沉积粉煤灰阻尼比曲线

2.3 沉积粉煤灰动强度特性

图4为不同干密度沉积粉煤灰动强度曲线，按综合应变等于5%为破坏标准。从图中可以看出，随着动应力不断增大，各试样的破坏振次逐渐减小，当动应力较小时，试验达到破坏时所承受的振次越多。试样的动应力随着固结围压的增大而增大，相同固结围压下，干密度越大，动应力越大。

图4 不同干密度沉积粉煤灰动强度曲线

将2种沉积粉煤灰的动强度试验结果表示为动剪应力与破坏振次的关系，图5为不同干密度沉积粉煤灰的动剪应力比曲线，从图中可看出，在对数坐标里，动剪应力比与破坏振动次数呈线性关系，2#粉煤灰在三种不同固结围压下的动剪应力比分布在一个小范围内，相比于1#粉煤灰，其动剪应力比受固结围压影响不大，近似可以归一化。

2.4 沉积粉煤灰动孔压特性

2.4.1 动孔压水平udf/σ3c与破坏振次Nf的关系

在同一试验条件(相同的密度、固结应力比、周围压力)下，根据不同动应力作用下动孔压发展过程中试样达到相应破坏标准时的动孔压值(残余孔压值)，做出动孔压水平udf/σ3c与破坏振次Nf的关系见图6，从图6中可以看出，udf/σ3c随破坏振次Nf的增大呈缓慢增大或基本不变的趋势，不同固结围压σ3c下udf/σ3c-Nf关系分布在较窄的范围内，为了

图5 不同干密度沉积粉煤灰动剪应力比曲线

图6 不同干密度沉积粉煤灰动孔压比与

简便起见，可以近似地认为，σ3c、Nf对值udf/σ3c没有影响。根据图6确定出不同密度、不同围压下动孔压水平udf/σ3c值见表3。从表3可以看出，在偏压固结(Kc=1.5)条件下，破坏振次Nf≤30时，当用综合动应变等于5%作为破坏标准，1#和2#粉煤灰灰的动孔压水平udf/σ3c平均值分别为0.22、0.30。

2.4.2 动孔压水平udf/σ3c与破坏振次N/Nf的关系

根据试验结果绘出不同试验条件下孔压比udf/σ3c与振次比N/Nf关系如图7所示(由于篇幅有限，只给出了一个围压下结果)，可以看出，固结围压和固结应力比相同时，不同动应力下udf/σ3c-N/Nf关系试验点分布在较窄范围，可以近似地归一。不同试验条件下udf/σ3c-N/Nf关系皆可以用下列表达式描述：

(2)

式中：θ为试验参数，确定出不同试验条件下的θ值见表3。

图7 不同干密度沉积粉煤灰udf/σ3c-N/Nf关系曲线

表3 沉积粉煤灰的动孔压结果

3 结 论

本文对某电厂贮灰场沉积粉煤灰进行了室内动三轴试验，研究了其动应力应变、动模量、阻尼比、动孔压和动强度特性。主要得到以下结论：

(1) 不同干密度的粉煤灰动应力-动应变曲线基本呈双曲线型，与土的应力-应变曲线相似，粉煤灰动应力-动应变曲线呈弱硬化型。

(2) 干密度对动模量有明显的影响，干密度大的试样，动模量较大。阻尼比随着动应变的增大先缓慢增大再迅速增大，最后趋于稳定。相同固结围压下，干密度大的试样阻尼比较小。

(3) 试样的动应力随着固结围压的增大而增大，相同固结围压下，动应力越大，试样破坏所需的振动次数越小，且动剪应力比也越大。

(4) 动孔压水平随振次的变化不大，且与振次比的关系可以归一化。沉积粉煤灰的总动黏聚力和有效动黏聚力为0，总动内摩擦角小于有效动内摩擦角。

研究结果对于评价此贮灰场在地震荷载下的动稳定性分析具有重要参考和指导意义。

表4 沉积粉煤灰动三轴试验结果