掺粉煤灰压实黄土环剪试验研究

温明星，骆亚生，刘紫韦，陈柯君

（1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2．中建三局集团有限公司西北分公司，西安 710065）



掺粉煤灰压实黄土环剪试验研究

温明星1，2，骆亚生1，刘紫韦1，陈柯君1

（1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2．中建三局集团有限公司西北分公司，西安 710065）

摘 要：为了探究掺粉煤灰压实黄土残余强度特性，采用HJ－1型环剪仪对不同含水率和不同粉煤灰掺量条件下的黄土进行试验研究。结果表明：随着粉煤灰掺量的增大，土样最大干密度近似呈线性减小，而最优含水率近似呈线性增加；平衡含水率以下，残余强度与掺灰量呈负相关，平衡含水率以上，残余强度与掺灰量呈正相关。在工程应用中，可以考虑用适量粉煤灰处理较湿土，以达到降低土体自重，同时增强残余强度的目的。

关键词：粉煤灰；黄土；环剪试验；平衡含水率；残余强度

1 研究背景

粉煤灰作为燃煤火电厂的次生产物，排放量巨大并且逐年增加［1］，大量粉煤灰的排放对国民经济建设和生态环境造成巨大压力，粉煤灰的综合利用已经成为一个普遍关注的问题［2］。解决这一问题的办法很多，譬如把粉煤灰作为填筑材料［3］或利用粉煤灰进行筑坝［4］等就是有效消纳粉煤灰的方法。粉煤灰在许多方面具有优良的工程性质，在工程应用中也得到了较大发展，但由于缺乏必要的黏聚力，渗透性过大，对工程的安全运行造成不利影响［1－4］。把砂性的粉煤灰和黏土按照一定比例混合，按这种方法可得到工程性质良好的混合土料［5－7］，对有效消纳粉煤灰和保证工程安全均具有积极意义。为了加快粉煤灰综合利用研究，同时改善其缺陷，本文选择黄土与粉煤灰进行混合，形成掺灰黄土。

掺灰黄土作为一种新型混合土料，可被用来筑路和筑坝［7］。高边坡路基和坝基的边坡稳定性又是工程上普遍关注的问题，有关学者研究表明［8－11］残余抗剪强度是控制边坡稳定性的重要参数。所以，对掺灰黄土残余强度方面进行研究，有助于促进粉煤灰在高边坡路基和坝基工程中的应用。

能够获取残余强度的仪器有很多，但由于环剪仪具有剪切面不变、法向应力恒定、剪切位移可以无限大等优点而被认为是测定残余强度的一种较好的仪器［12］。鉴于此，笔者采用环剪仪对掺粉煤灰压实黄土进行试验研究，探究不同含水率和粉煤灰掺量下强度特性，以期为实际工程提供参考。

2 试验材料、设备与方法

2．1 试验材料

本试验所用材料是黄土与粉煤灰按照一定质量比拌合而成的混合土料，其比例分别为：10∶0，9∶1，8∶2，7∶3。黄土取自陕西泾阳某砖厂，取土深度约4．0 m，属晚更新世Q3黄土。实测其天然含水率为16．2%，天然干密度为1．28 g／cm3，相对密度为2．71，天然孔隙比为1．14。粉煤灰取自于咸阳渭河电厂储灰场。试验黄土和粉煤灰的物理性质指标分别见表1和表2。

表1　试验黄土基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of loess specimen

2．2 试验设备

本试验所用试验仪器是由江苏溧阳永昌工程实验仪器厂生产的HJ－1型环剪仪，主要由动力系统、法向加载系统、土样剪切系统、数据输出系统4部分组成，通过3个变速箱的调节可以设定45种剪切速率，如图1所示。试验土样为100 mm（外径）× 60 mm（内径）×20 mm（高）的空心圆环重塑试样，试样底面积为5 026．5 mm2，平均直径81．7 mm，如图2所示。

图1　HJ－1型环剪仪Fig．1 Ring shear apparatus HJ－1

HJ－1型环剪仪试验的直接成果为一系列的扭矩M和时间节点T。同时，有关专家普遍认为法向应力σ和剪应力τ在整个试样剪切面上平均分布［12］。经过计算可以得出剪应力τ和剪切位移S，即：

式中：r1，r2分别为环形试样的内半径和外半径（mm）；v为剪切角速率（°／min）。

图2　试样尺寸及受力示意图Fig．2 Sketch of sample size and force diagram of sample

2．3 研究方法

本试验包括击实试验和环剪试验。击实试验采用中华人民共和国行业标准SL237—1999《土工试验规程》规定的标准击实试验进行。击实试验的目的包括2方面：一是找到不同粉煤灰掺量条件下土料的最大干密度和最优含水率，为环剪试验提供必要的参数；二是测定最大干密度、最优含水率与粉煤灰掺量的关系。

以不同粉煤灰掺量下90%的最大干密度作为环剪试验的干密度。环剪试验采用v＝2．304°／min的剪切速率，在法向应力分别为100，200，300，400 kPa作用下，控制含水率和粉煤灰掺量进行试验。

3 试验结果与分析

3．1 掺灰量对土最大干密度ρdmax和最优含水率wop的影响

图3绘制了不同粉煤灰掺量下黄土的标准击实曲线，图4是粉煤灰掺量对最大干密度和最优含水率的影响关系曲线。

图3　不同粉煤灰掺量下黄土击实曲线Fig．3 Compaction curves of loess in the presence of different fly ash proportions

图4　粉煤灰掺量与最优含水率、最大干密度关系曲线Fig．4 Variations of optimum moisture content and maximum dry density with blending ratio of fly ash

由图3和图4可以看出：随着粉煤灰掺量的增大，掺灰黄土最大干密度减小，最优含水率增大，并近似呈线性变化。由于纯粉煤灰的比重比较小，所以掺灰黄土的最大干密度随粉煤灰掺量的增加呈减小趋势。30%粉煤灰掺量的黄土最大干密度比纯黄土最大干密度降低约13．8%，所以用掺适量粉煤灰的黄土修筑高路堤、修建大坝等构筑物可以降低自重，减小自重应力。随着粉煤灰掺量的增加，最优含水率提高，30%粉煤灰掺量的黄土最优含水率比纯黄土最优含水率提高17．6%，所以在处理较湿黄土时可以考虑掺加适当量的粉煤灰，以降低黄土对水的敏感性。

3．2 抗剪强度与含水率的关系

图5为不同含水率土样残余剪应力与法向应力关系曲线。表3为对图5进行线性拟合后反算得出的残余摩擦角和残余黏聚力。

由图5可知，相同法向应力作用下，随着含水率的增大，试样的残余抗剪强度减小，且近似呈线性变化。由表3可知，随着含水率的增大，残余摩擦角和残余黏聚力均减小。出现这种现象，一是因为随着含水率的增大，土中胶结物被逐渐溶解，黏聚力变小；二是随着含水率的增大，土颗粒表层水膜变厚，摩擦力变小；三是在剪切过程中，土颗粒定向排列逐渐形成，由于剪切扰动，土中水逐渐向剪切面附近运移，摩擦力进一步减小。

图5　不同含水率下残余剪应力－法向应力关系曲线Fig．5 Relationship between residual shear strength and normal stress under different moisture contents

表3　残余强度指标Table 3 Indexes of residual strength under different moisture contents

3．3 抗剪强度与粉煤灰掺量的关系

图6（a）至图6（d）为4种含水率条件下粉煤灰掺量不同时剪应力－剪切位移关系曲线。图7为残余剪应力与土样含水率的关系曲线。

图6　不同粉煤灰掺量下试样剪应力－剪切位移关系曲线Fig．6 Curves of shear stress vs．shear displacement under different blending ratios of fly ash

图7　不同粉煤灰掺量的试样残余剪应力－含水率关系曲线Fig．7 Curves of residual shear strength vs．moisture content under different blending ratios of fly ash

由图6可知，粉煤灰0掺量的黄土在含水率为15%和17%时，试样剪应力跨过峰值强度后出现一定程度的衰减，属于应变软化型；含水率为20%和23%时，试样抗剪强度逐渐增强，最后趋于稳定，属于应变硬化型。有关学者研究表明［13］，土的抗剪强度由3部分组成：黏聚分量、剪胀分量、摩擦分量。在较小含水率情况下，初始剪切时，剪应力中黏聚分量和剪胀分量相对比较大，随着剪切位移的继续增大，黏聚分量和剪胀分量急剧减小，所以剪应力出现衰减。掺粉煤灰的土样不管在低含水率还是高含水率情况下，在剪切过程均不出现软化现象，这是由于粉煤灰的掺入，黏聚分量因土颗粒间黏聚作用遭到部分破坏而降低，剪应力主要由摩擦分量组成，所以剪应力不出现衰减，峰值强度即为残余强度。

由图7可知，当含水率为15%时，随着粉煤灰掺量的增大，试样残余强度逐渐减小；含水率为17%时，不同粉煤灰掺量的试样残余强度相近；含水率为20%和23%时，随着粉煤灰掺量的增大，试样残余强度逐渐增大。粉煤灰在含水率不同的情况下，起到不同的作用。含水率较小时，粉煤灰掺量与残余强度呈负相关关系；含水率较大时，粉煤灰掺量与残余强度呈正相关关系。

3．4 粉煤灰作用机理探究

粉煤灰是煤粉中不燃物因受到高温作用而部分熔融，同时由于其表面张力的作用而形成的大量细小球形颗粒，平均粒径大于黄土。观察剪切面状态，发现当含水率为15%时，剪切面附近的粉煤灰颗粒松散，多处于游离状态；含水率为20%和23%时，剪切面附近粉煤灰颗粒与黏土颗粒相互黏结，粉煤灰颗粒处于被约束状态。

游离的粉煤灰颗粒在剪切面充当滚珠作用，摩擦方式主要为滚动摩擦；被约束的粉煤灰颗粒摩擦方式主要为滑动摩擦。掺灰黄土剪应力中的摩擦分量主要由滚动摩擦分量和滑动摩擦分量组成。随着粉煤灰掺量的增大，相当于剪切面附近滚珠数增多，所以滚动摩擦分量与粉煤灰掺量呈负相关关系。粉煤灰颗粒平均粒径大于黄土颗粒，内摩擦角大于黄土，所以滑动摩擦分量与粉煤灰掺量呈正相关关系。含水率较小时，滚动摩擦分量占主导地位，残余强度随着掺灰量的增大而减小；含水率较大时，滑动摩擦分量占主导地位，残余强度随掺灰量的增大而增大。含水率为17%附近时，起负作用的滚动摩擦分量和起正作用的滑动摩擦分量达到均衡，所以不同掺灰量的试样残余强度相差不大。为便于描述，该含水率称之为平衡含水率。

4 结 论

利用HJ－1型环剪仪对不同含水率不同粉煤灰掺量的黄土试样进行试验，研究掺粉煤灰压实黄土抗剪强度特性，得出以下结论：

（1）对不同粉煤灰掺量的黄土进行标准击实试验，掺灰黄土最大干密度随粉煤灰掺量的增大而近似呈线性减小，最优含水率随近似呈线性增大。工程上可考虑用适量粉煤灰处理较湿土，以降低土的自重和土对水的敏感性。

（2）对相同粉煤灰掺量不同含水率的试样进行试验，研究发现，低含水率、低法向应力条件下，土样在剪切过程中易于出现应变软化现象。随着含水率的增大，土样的残余黏聚力和残余摩擦角逐渐降低，抗剪强度降低。

（3）对不同粉煤灰掺量的掺灰黄土试样进行试验，研究发现，掺灰黄土残余强度摩擦分量主要由滚动摩擦分量和滑动摩擦分量组成。滚动摩擦分量与掺灰量呈负相关，滑动摩擦分量与掺灰量呈正相关。平衡含水率以下，残余强度随掺灰量的增大而减小；平衡含水率以上，残余强度随掺灰量的增大而增大。所以在筑坝工程中，处理较湿土时，可以向土中掺入适当比例的粉煤灰，以增强其抗剪强度。

参考文献：

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（编辑：姜小兰）

Ring Shear Test of Compacted Loess Blended with Fly Ash

WEN Ming⁃xing1，2，LUO Ya⁃sheng1，LIU Zi⁃wei1，CHEN Ke⁃jun1
（1．College of Water Resources and Architecture Engineering，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China；2．Northwest Branch of China Construction 3th Engineering Bureau，Xi’an 710065，China）

Abstract：In order to explore the residual strength characteristics of compacted loess blended with fly ash，and pro⁃vide reference for engineering practice，we carry out experimental research on loess by using HJ⁃1 ring shear appa⁃ratus in the presence of different moisture contents and blending ratios of fly ash．The results showed that 1）with the increase of blending ratio of fly ash，the maximum dry density linearly decreases，whereas the optimum moisture content linearly increases；2）if moisture content is below equilibrium moisture content，the relation between resid⁃ual strength and blending ratio of fly ash shows tendency of negative correlation，otherwise，the relation shows tend⁃ency of positive correlation．In actual projects，we can treat wet soil with suitable proportions of fly ash to reduce the self weight of soil and to improve residual strength．

Key words：fly ash；loess；ring shear test；equilibrium moisture content；residual strength

作者简介：温明星（1988－），男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为黄土力学与工程，（电话）15291681629（电子信箱）819042895＠qq．com。

基金项目：国家自然科学基金项目（51178392）

收稿日期：2014－12－15；修回日期：2015－01－10

中图分类号：TU43

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0070－05