垃圾焚烧炉渣混合土大型直剪试验研究

范 广，肖衡林，马 强，王 盼，崔孟雷，胡庆文

(湖北工业大学 岩土与地下工程研究所，武汉 430068)

垃圾焚烧炉渣混合土大型直剪试验研究

范 广，肖衡林，马 强，王 盼，崔孟雷，胡庆文

(湖北工业大学 岩土与地下工程研究所，武汉 430068)

底渣为城市生活垃圾焚烧后的产物，具有砂性材料的性质，可作为路基的填料。为研究其抗剪性能，将其与黏土进行混合，分别在两种压实度和4种黏土含量下进行室内大型直剪试验。试验结果得到了8种底渣混合土的黏聚力和内摩擦角。试验结果表明：① 压实后的底渣具有良好的抗剪性能，随着底渣含量的增加，底渣混合土的抗剪强度增加，黏聚力下降，内摩擦角增加；② 随着压实度的增加，底渣的抗剪性能增加，黏聚力明显增加，内摩擦角有所下降。

底渣；底渣混合土；压实度；黏土含量；大型直剪试验

1 研究背景

垃圾焚烧炉渣(简称底渣)为垃圾焚烧发电厂炉床直接排除的残渣，以及过热器和省煤器排出的灰渣[1]，徐谦等[2-3]研究结果表明底渣可作为路基填料，但存在级配不良问题。将底渣和黏土进行一定比例的混合，既改善了黏土力学性能，又可为底渣资源化利用提供一种新的途径。

在直剪试验中，影响土体抗剪指标的因素主要有土的密实度、含水率和土的粗细颗粒组成等。宋继宏等[4]对剔除部分超径块石后相同含水率3种不同干密度的岩堆体进行室内大直剪试验，模拟岩堆土体松散、天然状态和密实3种工况，得出其抗剪强度指标c和φ随干密度的增大而增加；魏厚振等[5]对蒋家沟砾石土采用室内和现场两用大型剪切仪进行不同含水率的直剪试验，结果表明：砾石土的c值随含水率的增加急剧减小，φ值在含水率由5.35%增加到7.07%时有所增加，而后φ值随含水率的增加而减小；邓通发等[6]对井睦高速工程现场的原状土-砂混合土筛选出粗细粒组后将其按不同比例混合，对混合后的黏质土-砂混合土进行室内剪切试验，得出随含砂量的增加，c值减小，φ值增大，随含水率的增加，c值减小，φ值先增加后减小。以上文献都论证了土体抗剪强度指标与3种因素的关系，土体抗剪性能一般随干密度的增加而增加，随粗颗粒含量的增加，c值减小，φ值增大。论文以底渣混合土为研究对象，对不同压实度和不同混合比例的底渣混合土进行室内大型直接剪切试验，得出各种条件下底渣混合土的抗剪强度指标，将其作为工程填料时可提供参考。

2 试验土样及方案

2.1 试验土样及其土工特性

试验用底渣取自武汉某垃圾焚烧发电厂，底渣中粒径在2～60 mm土的质量占总质量的49.4%，可知底渣为砂类土，砾类土和砂类土统称为粗粒土，故底渣属于粗粒土[7]。其平均粒径d50=2.0 mm，不均匀系数Cu=10.39，曲率系数Cc=0.63，为级配不良土。试验用黏土取自湖北工业大学校内一基坑开挖工程弃土堆置场地，土由杂填土、黏土和粉质黏土组成，土的黏聚力c=9.0～35.0 kPa,内摩擦角φ=6.0°～16.0°。

将底渣与黏土按一定比例混合，进行重型击实试验，可得不同配比底渣混合土的最大干密度和最优含水率如表1。可知随着黏土含量的增加，底渣混合土的最大干密度先增加后减少，底渣与黏土比例分别为4∶1，3∶1，2∶1时底渣混合土能获得较大的最大干密度。较大干密度的土样往往具有较好的力学性能，分别对纯底渣、4∶1底渣混合土、3∶1底渣混合土和2∶1底渣混合土进行大直剪试验；拟将混合土作为路基中路床部位的填料，而该部位填料的压实度一般为94%和96%，故试验时对4种土样分别匹配94%和96%的压实度。

表1 底渣混合土击实试验结果Table 1 Compaction test results of soil mixed with bottom ash from municipal solid waste incineration

2.2 试验方案

试验仪器为成都东华卓越研制的ZY50-2G大型直剪压缩两用仪，由主机和测量操作控制系统2大部分组成。直剪仪主机主要由安装有垂直、水平加载油缸的封闭框式主机架、上下剪切盒、下剪切盒位移滚动机构、透水板、传力板、开缝环、开缝滚柱等组成。测量系统由垂直、水平载荷传感器以及二次数字显示仪表、垂直、水平位移计等组成。主机部分如图1。

直剪部分试样尺寸为φ504.6 mm×400 mm，可以较好地克服试验时的尺寸效应，通过控制每层需夯实土样的质量获得指定的密度；剪切时，固定上剪盒通过液压油缸推动下剪盒，使土体发生剪切位移。对不同掺土量、不同压实度的底渣混合土在最优含水率时进行固结快剪试验，分别施加200,400,600,800 kPa的垂直荷载，固结稳定后，进行剪切，剪切位移达到试样直径的10%～15%时，终止试验。

3 试验结果分析

3.1 剪应力-位移关系及曲线特征机理

3.1.1 剪应力-位移关系曲线

底渣混合土在最优含水率下不同比例、不同压实度的剪应力-剪切位移如图2。由图2可知：①纯底渣的抗剪强度高于掺有黏土的底渣混合土，随着黏土比例的增加，底渣混合土的抗剪强度降低；②相同含水率和底渣黏土比值的底渣混合土，96%压实度时抗剪强度高于94%；③纯底渣在剪切时存在峰值，表现出应变软化特征，掺有黏土的底渣混合土无明显峰值，表现为应变硬化形式[8-10]。

图2 底渣混合土的剪应力与位移关系曲线Fig.2 Relationship between shear stress and displacement of soil mixed with bottom ash

3.1.2 不同条件对剪应力-位移曲线特征的影响

底渣混合土含粗粒土较多，一般粗粒土整体孔隙率较大，在剪切过程中剪切面上的颗粒重新排列，部分粗颗粒被磨细，小颗粒进入粗颗粒形成的孔隙中，剪应力随位移的增大而增加。土体在剪切的过程中，可分为线性增加阶段和非线性平稳收敛阶段[11]，表现为应变硬化，剪应力-应变曲线大致呈双曲线形。若在剪切过程中出现剪胀，土体的镶嵌咬合力会增大，使剪应力出现峰值；随着剪切位移的继续增加，剪胀效果减小，咬合效果下降，剪应力下降，在垂直压力的限制下颗粒逐渐接触紧密，曲线进入平稳收敛阶段，剪应力-位移关系整体表现为应变软化形式。

剪应力-位移曲线是否出现峰值与剪切时剪切面附近的剪胀效应有较大关联。试验土样在压实度较大的条件下，颗粒的重排列效果较差，剪应力的变化由颗粒间的镶嵌咬合力变化引起。纯底渣为级配不良土，在压实条件下进行剪切，颗粒间相互填充效果较差，会出现剪胀，使颗粒间的镶嵌咬合力增加，相应的出现剪应力峰值。土样愈密实，颗粒填充可能性愈小，剪胀效应愈强，峰值效果愈明显。图2中的(a)和(b)图，压实度为96%时的剪应力-位移曲线峰值较94%压实度明显，与上述结果相符。同种土样，垂直应力愈小，曲线的峰值效果明显。垂直应力对土样的剪胀效应具有一定的抑制作用。垂直应力较小时，对剪胀效应的抑制效果较小，土样的剪胀效果较强，曲线的峰值效果较明显。此外，较大的垂直应力使颗粒更易被挤碎磨细，颗粒间的相互填充也会削弱剪胀效应。图2中，在小垂直应力下的峰值较大垂直应力明显，也与上述相符。

对于底渣和黏土混合后的底渣混合土，剪应力-应变曲线无明显峰值。底渣混合土相比纯底渣级配有所改善。底渣混合土中存在较多的细颗粒，在剪切的过程中，更容易发生颗粒的重新排列。混合后，混合土中存在较多的土团，这些土团由为未混合均匀的黏土团和土-底渣团粒组成，在垂直压力和剪切的作用下更易被挤碎磨细，体积有所减小。较多的细颗粒和被磨细的颗粒更易与土粒填充，减弱剪胀效应，使混合土的剪应力-位移曲线无明显峰值。

3.2 抗剪强度及抗剪强度指标

3.2.1 抗剪强度指标及不同条件的影响

由直剪仪自带的数据处理软件处理后，可得不同条件下混合土的黏聚力c和内摩擦角φ值如表2。由表2可知，底渣混合土的黏聚力c随底渣含量的增加逐渐减小，内摩擦角φ随底渣含量增加逐渐增加。相同含量的底渣混合土，黏聚力c随压实度的增加而增大，内摩擦角φ随压实度的增加而减少。通过对已有试验数据的处理，可以获得黏土含量与抗剪强度指标的关系如图3。

在底渣混合土中，随着黏土含量的增加，土体的黏性颗粒增多，土颗粒间的胶结作用增强，表现为底渣混合土的黏聚力增强。内摩擦角的大小对应剪切

表2 不同条件下黏聚力c和内摩擦角φTable 2 Cohesions and internal friction angles under different conditions

图3 底渣混合土黏土含量与抗剪强度指标关系Fig.3 Relationship between clay content and shear strength indexes of the bottom ash mixed with soil

面摩阻系数的大小，黏土在剪切时对土颗粒有一定润滑作用，底渣混合土中黏土含量愈多，黏土的润滑作用愈大，也减少了底渣所占比重，从而减少土体的镶嵌作用，表现为内摩擦角减小。

对于压实后的底渣混合土，土体的黏聚力与颗粒间的镶嵌咬合力有很大关系。压实度较高的土体，颗粒间镶嵌得较为紧密，表现为土体的黏聚力较大。压实度由94%增加到96%时，土体的黏聚力有较大增幅，增加接近两倍。可知，压实度为底渣混合土黏聚力的一个较为敏感的影响因素。内摩擦角与剪切面的粗糙程度有关。随着压实度的增加，土体的内摩擦角略有减少，为剪切面的摩擦系数略有减少，剪切面的粗糙程度下降。可知，压实度对内摩擦角的影响小于其对黏聚力的影响。

在图3中，对底渣混合土的抗剪强度指标和黏土含量关系进行曲线拟合，得出不同黏土含量下底渣混合土的抗剪强度指标，可为实际工程运用提供参考。

3.2.2 抗剪强度及不同条件的影响

由图2可知，在试验所选法向应力下，压实度为96%和94%的底渣均能获得较高的抗剪强度，表明压实后的底渣具有较好的抗剪性能。在相同法向应力下，随着掺黏土量的增加，底渣混合土的抗剪强度有所降低，但整体处于较高的抗剪水平。

底渣混合土在剪切时，抗剪强度由黏聚力和摩阻力组成，摩阻力与剪切面的垂直应力和粗糙程度有关，黏聚力由土体的胶结作用和静电引力效应引起的黏结力和压实土的镶嵌咬合的锁合力组成。随着底渣混合土中黏土含量的增加，土体的黏结力增加，起骨架作用的底渣比例减少，锁合力下降，土体的粗糙程度也下降，摩阻力下降。底渣混合土的黏聚力对压实度十分敏感，表明压实后的土体抗剪能力中锁合力占较大比例。在相同法向应力下，土体黏结力的增加对抗剪能力的增大效应不及锁合力和摩阻力的下降，导致土体抗剪强度随黏土比例的增加而降低。

相同比例的底渣混合土，抗剪强度随压实度的增加而增大。压实度越大的土体，颗粒间的锁合力越大，剪切面的粗糙度较低，摩阻力较小。锁合力的增加与摩阻力的减小相叠加，总体表现为抗剪强度增加。

4 结 论

(1) 压实后的底渣的抗剪性能较好，94%和96%的压实度下均能得到较高的抗剪强度，其剪应力-剪切位移曲线均存在较明显峰值。

(2) 在相同法向应力下，底渣混合土随着底渣比例的增加，击实性能减小，抗剪强度逐渐增强，剪切时剪应力随剪切位移逐渐增加，剪应力-位移曲线无明显峰值。

(3) 随着底渣混合土中底渣含量的增加，其黏聚力逐渐减小，内摩擦角逐渐增加。

(4) 随着压实度的增加，底渣混合土的黏聚力明显增加，内摩擦角有所下降。

(5) 底渣和黏土混合后，随着底渣含量的增加，抗剪强度增强。因此，从抗剪性能来说，底渣和黏土混合后，改良土具有较好的抗剪性能，且能实现底渣的资源化利用。

[1] GB 18485—2014,生活垃圾焚烧污染控制标准[S].北京:中国环境科学出版社，2014.

[2] 徐 谦,肖衡林.城市生活垃圾焚烧底渣特性试验研究[J].环境工程,2014,32(10):104-107.

[3] 张建铭. 垃圾焚烧灰渣特性及其在路基工程中的应用研究[D].杭州：浙江工业大学,2010.

[4] 宋继宏,胡明鉴,付克俭，等.宜巴高速岩堆不同密实度大型直剪强度特性[J].工程地质学报,2012,20(5):687-692.

[5] 魏厚振，汪 稔 ， 胡明鉴，等.蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征[J].岩土力学，2008，29(01)：48-51.

[6] 邓通发,艾志伟,罗嗣海，等.黏质土-砂混合物剪切特性试验研究[J].人民长江,2014,(9):95-101.

[7] SL237—1999,土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社，1999.

[8] 赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2009.

[9] 卢廷浩,刘祖德，等.高等土力学[M].北京:机械工业出版社,2008.

[10]张克恭,刘松玉.土力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[11]易庆林,赵能浩,孟召平，等.三峡库区某滑坡滑带土剪切变形特性及控滑机理[J].土木建筑与环境工程,2014,36(5):125-130.

(编辑：王 慰)

Large Direct Shear Test of Soil Mixed with Bottom Ashfrom Municipal Solid Waste Incineration

FAN Guang, XIAO Heng-lin, MA Qiang, WANG Pan, CUI Meng-lei, HU Qing-wen

(Institute of Geotechnical Engineering and Underground Construction,Hubei University of Technology, Wuhan 430068，China)

Bottom ash, as a product of municipal solid waste incineration, similiar to sand soil, can be used as filling material in subgrade. In order to explore the shear strength indexes of the bottom ash, we mixed the bottom ash with clay of different contents and carried out indoor large direct shear tests under two different degrees of compaction. Through the tests, we obtained the values of cohesion and internal friction angle of eight kinds of mixed soils. Results show that 1) compacted bottom ash has good shear resistant ability, and with the increasing of bottom ash content, shear strength and internal friction angle increased, while cohesion decreased; 2) with the increasing of compactness, shear resistant ability increased, cohesion obviously increased, but internal friction angle decreased a little.

bottom ash from municipal solid waste incineration; soil mixed with bottom ash; compactness; clay content; large direct shear test

2015-09-24；

2015-10-30

湖北省科技厅重点项目(2012FFA035)；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201605)；湖北工业大学高层次人才项目(BSQD12054)

范 广(1991-)，男，湖北仙桃人，硕士研究生，研究方向为岩土工程，(电话)13429818030(电子信箱)821132220@qq.com。

作者简介：肖衡林(1977-)，男，湖南衡阳人，教授，博士，主要从事光纤监测技术及环境岩土工程方面教学与科研工作，(电话)18971670600(电子信箱)xiao-henglin@163.com。

10.11988/ckyyb.20150812

2017,34(3):111-114

TU411

A

1001-5485(2017)03-0111-04