加筋粉煤灰的平面应变试验研究

郭艳飞，骆亚生，周 康，王兆朋

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

加筋粉煤灰的平面应变试验研究

郭艳飞，骆亚生，周 康，王兆朋

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

为探求加筋层数、含水率、围压对粉煤灰变形强度的影响，在不同含水率、不同围压条件下，采用PY-10型平面应变仪对不同加筋层数的粉煤灰进行平面应变试验，研究其应力-应变曲线、抗剪强度的变化规律。试验结果表明：在不同加筋层数、不同围压、不同含水率条件下，粉煤灰的应力-应变关系曲线为硬化型；随着加筋层数的增加，或含水率的降低，或围压的增大，粉煤灰的应力-应变关系曲线有着不同程度的提高；增加加筋层数、增大围压、降低含水率，可有效减小粉煤灰的变形，提高其结构强度。

加筋粉煤灰；平面应变；加筋层数；变形强度

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕到的细灰，是燃煤火电厂排出的固体废物，已成为当前数量较大的工业废渣之一[1]。目前粉煤灰回收利用的主要有效方式是作为路基、填方材料等[2-3]，大量研究证明粉煤灰在许多方面具有较好的工程性能，且在许多实际工程中已得到应用[4]。加筋技术的试验研究已应用于各类工程，如挡土墙、陡坡稳定、软基处理加固等，已成为一种普遍的工程方法。该技术的主要原理是在土体中掺入或铺设适当的加筋材料，对其应力扩散起到约束作用，以增加土体模量，限制土体侧向位移，进而提高其抗剪强度，改善土体变形特性[5-6]。对于粉煤灰的加筋试验研究方法很多，平面应变试验[7]是通过分析其应力-应变曲线及其变化规律来研究粉煤灰抗剪强度的一种方法。

为提高粉煤灰的抗剪强度，拓宽其在实际工程中的应用范围，在粉煤灰中加入不同层数的筋材，在不同含水率、不同围压下进行室内平面应变试验，研究不同条件下粉煤灰的变形规律。

1 试验

1.1 仪器与设备

击实试验所用仪器为电动轻型击实仪，锤质量为2.5 kg，落高为305 mm，锤击次数为30次/min；平面应变试验所用仪器为PY-10型平面应变仪，小主应力为0～600 kPa，中主应力为0～1 000 kPa，大主应力为0～4 000 kPa，轴向力为0～20 kN，体积变化为0～50 cm3，轴向变形为0～30 cm。

1.2 试验材料

试验主要研究加筋层数对粉煤灰变形强度的影响，不考虑不同筋材带来的影响，故以传统加筋技术所用的土工织物作为加筋材料[8]，其为普通涤纶窗纱，是由化学纤维合成的一种高分子聚合物，呈白色，厚度为0.07 mm。试验所用粉煤灰试样来自咸阳渭河电厂粉煤灰储灰场，其物理性质如表1[9]所示。

表1 粉煤灰物理性质

1.3 试验方案

(1)试验方法。通过控制加筋层数(0层、1层、2层、3层)、含水率(30%、36%、41%)、围压(100、200、300 kPa)等影响因素来研究粉煤灰的变形强度，以轴向变形达到8%时作为破坏条件。在试验过程中，小主应力σ3两侧采用充水乳胶膜加压，确保σ3不变；中主应力σ2两侧采用钢板约束，保证其变形为零；大主应力σ1上侧通过电机控制，荷载的速度为0.15 mm/min。

(2)试样制备。依据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》规定[10]，将粉煤灰碾碎并筛分，根据试验要求配置成不同含水率的粉煤灰，通过击实试验得到最大干密度、最佳含水率。试样尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，压实度为0.95，计算出某一含水率下每个试样所需的粉煤灰质量。

在加筋层数为0层、2层时，将粉煤灰均分成三份，再分三次缓慢均匀压制；在加筋层数为1层时，将粉煤灰均分成两份，再分两次缓慢均匀压制；在加筋层数为3层时，将粉煤灰均分成四份，再分四次缓慢均匀压制。

2 试验结果与分析

2.1 击实试验

击实试验的目的是采用标准的击实方法，测定粉煤灰的干密度与含水率的关系，从而确定粉煤灰的最大干密度和最佳含水率[11]，粉煤灰的击实曲线如图1所示。由图1可知：在试验范围内，随着粉煤灰含水率的增大，其干密度先缓慢增大后迅速减小，即干密度下降速率大于上升速率；粉煤灰的最大干密度为1.03 g/cm3，最佳含水率为41%。

图1 粉煤灰的击实曲线

2.2 不同加筋层数时粉煤灰的应力与应变关系

为了研究不同加筋层数对粉煤灰变形强度的影响，在一定含水率(w=30%、36%、41%)和围压(σ3=100 kPa)条件下，对不同加筋层数(0层、1层、2层、3层)的粉煤灰进行平面应变试验，其应力-应变关系曲线如图2所示。

由图2可知：

(1)粉煤灰的变形抗力随变形程度增加而变化，故其应力-应变关系曲线为硬化型。在含水率和围压一定的条件下，加筋层数对粉煤灰剪应力的影响较明显，加筋层数越多，达到相同轴向变形的剪切应力越大，结构强度增强越明显。

(2)剪切初期的曲线斜率较大，当轴向变形达到一定程度时，曲线斜率逐渐减小。这是因为剪切初期的轴向变形主要是由粉煤灰内部孔隙压缩引起的，变形程度较小；当剪切应力等于或大于粉煤灰的结构强度时，原生结构被破坏而次生结构还未形成，变形程度也较小。

(3)在剪切初期，无加筋和加不同层数筋的粉煤灰应力-应变曲线变化趋势相差不大，荷载主要由粉煤灰的骨架承受；在剪切后期，加筋层数越多，达到相同轴向变形的剪切应力越大，粉煤灰的结构强度也越大。加筋层数为1层、2层时粉煤灰的结构强度相差不大，但大于无筋时的强度，此时加筋对其结构强度影响不明显；相对于其他加筋层数来说，加筋层数为3层时对粉煤灰结构强度影响较明显。

图2 不同加筋层数时粉煤灰的应力-应变关系曲线

2.3 不同围压时粉煤灰的应力与应变关系

为了研究围压对粉煤灰变形强度的影响，在一定的含水率(w=30%、36%、41%)和加筋层数(N=3)条件下，探索不同围压(100、200、300 kPa)对粉煤灰平面应变的影响，其应力-应变关系曲线如图3所示。

图3 不同围压时粉煤灰的应力-应变关系曲线

由图3可知：在此条件下，粉煤灰的应力-应变关系曲线也为硬化型。剪切初期的曲线斜率较大，当轴向变形达到一定程度时，曲线斜率逐渐减小。在含水率和加筋层数一定的条件下，围压对粉煤灰剪切应力的影响较明显，围压增大，达到相同轴向变形的剪切应力越大，粉煤灰的结构强度增强越明显。这是因为较大的围压使粉煤灰颗粒间的凝聚力增大，接触面增多，从而促使粉煤灰的孔隙比减小，颗粒间的摩擦咬合力增大，从而使其结构强度增强。

2.4 不同含水率时粉煤灰的应力与应变关系

为了研究含水率对粉煤灰变形强度的影响，在一定的围压(σ3=100、200、300 kPa)和加筋层数(N=1)条件下，查看不同含水率(30%、36%、41%)对粉煤灰平面应变的影响，其应力-应变关系曲线如图4所示。

图4 不同含水率时粉煤灰的应力-应变关系曲线

由图4可知：在围压和加筋层数一定的条件下，粉煤灰的应力-应变关系曲线也为硬化型。含水率越高，达到相同轴向变形时的剪切应力越小；在含水率分别为30%、36%时，其应力-应变曲线在低围压下的差别不大，粉煤灰对含水率的变化不敏感；在含水率为41%时，其应力-应变曲线在高围压下的变化较显著，粉煤灰对含水率的变化相对敏感。这是由于含水率增大致使结合水膜增厚，水与粉煤灰颗粒间的润滑作用增大，颗粒间的粘聚力降低，筋材与粉煤灰的摩擦系数减小，摩擦力削弱，从而导致粉煤灰的结构强度降低。

3 加筋粉煤灰的抗剪强度特性

为了研究不同加筋层数粉煤灰的抗剪强度变化规律，取轴向变形为8%时的剪切应力，采用摩尔-库伦理论计算其抗剪强度，并绘制摩尔-库伦强度包线[12]，求取粉煤灰的两个抗剪强度参数，即粘聚力和内摩擦角。粉煤灰的加筋层数与粘聚力、内摩擦角关系曲线如图5、图6所示

图5 加筋层数与粘聚力关系曲线

图6 加筋层数与内摩擦角关系曲线

由图5、图6可知：随着加筋层数的增多，粉煤灰的粘聚力和内摩擦角均逐渐增大，且粘聚力增大的幅度大于内摩擦角。这是因为筋材对粉煤灰的侧向位移起到了约束作用，从而使粉煤灰颗粒间的粘聚力增大，且筋材与粉煤灰的摩擦力也增大，进而使其抗剪强度提高。

由上述分析可以得出：增加粉煤灰的加筋层数，可以提高其粘聚力和内摩擦角。

4 结论

通过对粉煤灰的应力-应变关系曲线分析，探索了加筋层数、围压、含水率对粉煤灰工程特性的影响，可得出以下结论：

(1)在不同加筋层数、不同围压、不同含水率的条件下，粉煤灰的应力-应变关系曲线均为硬化型。

(2)随着加筋层数的增加，粉煤灰的结构强度提高，筋材对粉煤灰的侧向移动限制作用非常明显；围压和含水率对粉煤灰的结构强度均有影响，围压对其影响较大，而含水率对其影响较小；粉煤灰的抗剪强度参数随着加筋层数的增多而增大，且粘聚力的增大幅度大于内摩擦角。

(3)增多加筋层数、增大围压、降低含水率均能明显提高粉煤灰的结构强度，在粉煤灰路基或坝基工程建设中，可以通过加入适当层数的筋材来提高工程强度，但需要做好防水工作，以减小水分变化对工程质量的影响。

[1] 郭风风. 我国粉煤灰综合利用的技术经济与管理研究[D]. 南京:南京工业大学,2004.

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[3] 冯海宁,杨有海，龚晓南. 粉煤灰工程特性的试验研究[J]. 岩土力学,2002,23(5):579-582.

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Experimental study on plane strain of reinforced fly ash

GUO Yan-fei,LUO Ya-sheng,ZHOU Kang,WANG Zhao-peng

(College of Water Resources & Architectural Engineering, Northwest Agricultural & Forestry University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

In order to study the effect on deformation strength of coal fly ash produced by reinforcement layers, moisture content and confining pressure, test is made on the plane strain of ash having different number of reinforcement layers, moisture contents and confining pressures using a py-10 plane strain gauge, with an aim to defining the law governing the variation of stress in relation to strain and the shear strength of fly ash. Result of test indicates that in case the confining pressure, the stress and strain assume in all cases a linear relationship. Whereas, with the increasing reinforcement layers, decrease of moisture content and increase of confining pressure, the shear strength of fly ash tends to increase to varying degrees. In other instance, with the increase of reinforcement layers and confining pressure, and reduction of moisture content, the fly ash is seen to have a higher structural strength due to effective diminution of deformation.

reinforced fly ash; plane strain; number of reinforcement layers; deformation strength

1001-3571(2016)01-0028-04

TU411

A

2016-02-06

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.007

郭艳飞( 1990—)，男，山东省沂蒙市人，硕士研究生，从事岩土力学与工程方面的研究。

E-mail:1291157228@qq.com Tel：18700807804