压实度对脱硫石膏动强度和动孔压影响试验

谭 彩, 万 里, 袁明道, 卢 博, 杨文滨

(1. 广东省水利水电科学研究院, 广东 广州 510610;2. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院, 四川 成都 610065;3. 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410014)

0 引言

脱硫石膏是燃煤电厂湿法脱硫产生的废弃物,由于其产量大、利用率低,目前仍以筑坝堆放处理为主[1]。受沉积条件和碾压程度等因素影响,其压实度存在明显差异。近年来,地震灾害频发,脱硫石膏作为一种动力敏感材料[2],有必要对不同压实度下脱硫石膏动力特性进行研究。

目前,动荷载作用下不同压实度土体的动强度特性研究较为成熟[3-5]。谷天峰等[6]对不同压实度下黄土动强度特性进行动三轴试验研究,指出压实度较小时,土体孔隙较大,结构较松散,颗粒间联结力较小,动强度小;随压实度增大,土体逐渐趋于密实,颗粒间联结力逐渐增大,动强度逐渐增大。陈国兴等[7]研究了不同相对密实度砂砾土动强度特性,指出随相对密实度增大,砂砾土动强度逐渐增大,且随循环增次增大,不同相对密实度下砂砾土动强度关系曲线逐渐趋于相近。

动荷载作用下土体孔压发展模式与土体变形强度变化密切相连,是采用有效应力法分析饱和土体动力稳定的基础。目前,动荷载作用下饱和砂土和粉土孔压发展模式研究较为成熟[8-10]。Seed等[11]通过对砂土进行振动三轴试验,建立了砂土动孔压模型,即Seed动孔压模型,该模型发展模式表现为由微凸向微凹变化,即前期孔压发展较快,而后稳定增长,临近破坏时又迅速增大。于濂洪等[12]研究了饱和粉土动孔压发展规律,提出了适用于粉土的幂函数孔压模型。

脱硫石膏作为一种颗粒材料,其动强度和动孔压特性与常规粉土可能存在差异,压实度对脱硫石膏动强度和孔压特性影响研究有待进一步加强。本文对不同压实度脱硫石膏进行振动三轴试验,研究了压实度对脱硫石膏动强度和动孔压特性的影响,建立了脱硫石膏动强度和动孔压经验表达式,并采用F检验法对其统计回归效果进行显著性检验。

1 试验

1.1 试验仪器

试验仪器为单向振动三轴仪,仪器主要由主机、测控系统和传感器等构成,如图1所示。其中,主机为DZ78-1型电磁式动三轴仪;测控系统为DDS-70动三轴测试系统;力传感器型号为BLR-1,孔压传感器型号为AK-1(量程0～1 MPa),位移传感器为DA-12.5(量程±12.5 mm)。

图1 试验仪器Fig.1 Test instrument

1.2 试验土料

试验土料取自云南某电厂脱硫石膏,颜色为灰白色,比重Gs=2.53。采用粒度分析仪对其粒度分布进行测定,试验平行两次进行,测定土样分别编号为G1和G2,取两次测定结果平均值为试验结果,脱硫石膏级配如图2所示。砂粒(1～0.075 mm)占6.92%,粉粒(0.075～0.005 mm)占82.84%,黏粒(≤0.005 mm)占10.24%,液限ML=29.6%,塑性指数IP=7.5,可分类定名为低液限粉土ML[13]。通过轻型击实试验确定最大干密度ρdmax=1.56 g/cm3,最优含水率wop=19.4%。

图2 土料级配Fig.2 Gradation of soil

1.3 试验程序

根据云南某电厂脱硫石膏坝勘探成果,结合收集到的其他相关脱硫石膏坝资料,脱硫石膏坝筑坝堆放压实度R基本在0.85～0.95区间内,故拟定3个压实度(R=0.85、0.90、0.95),确定制样干密度和含水率。试样直径Φ=50.0 mm,高H=115.0 mm,采用湿捣法分五层制备,精确称取每层土样重量,并用钢尺测量每层高度,确保每层击实高度一致,为保证上下土层接触良好对每层脱硫石膏接触面进行刮毛处理。试样饱和方法为真空抽气饱和法,饱和及试样用水均为蒸馏水。

试样饱和后,缓慢打开排水阀,对试样进行双面排水固结,固结方式为等压固结,围压σ3=100 kPa、200 kPa和400 kPa。固结稳定后测记排水量,以关闭排水阀五分钟后孔隙水压力不再上升作为固结稳定标准。固结完成后施加循环动荷载,荷载波形为正弦波,振动频率1 Hz。每一围压试验土样为5～7个,施加不同振动荷载,当孔压等于围压或轴向应变为10%时停止试验。

目前土体动力破坏标准主要有两种:一是孔压破坏标准,认为动孔压ud等于围压σ3时试样破坏;一是变形破坏标准,根据工程重要性及经验一般取应变值εd=5%。本次试验采用孔压标准(ud=σ3)和变形标准(εd=5%)双重破坏标准[14]。

2 试验结果与分析

2.1 动强度

不同压实度下脱硫石膏动剪应力比τd/σ3c与-破坏振次Nf关系曲线如图3所示。可知:(1)随压实度R增大,土体愈紧密,土颗粒间作用力愈强,颗粒原有联结骨架越不容易破坏,同一Nf下τd/σ3c逐渐增大,脱硫石膏动强度越大;(2)不同σ3c下,同一压实度脱硫石膏试验点基本落在同一条曲线上,随Nf增大,τd/σ3c逐渐减小,与粉土类似,归一化动强度曲线可采用幂函数进行描述:

图3 不同压实度下脱硫石膏τd/σ3c-Nf关系曲线Fig.3 Relationship curve of τd/σ3c-Nf for desulfurization gypsum under different compactness

(1)

式中:τd为循环动剪应力(kPa);σ3c为有效固结压力(kPa);Nf为破坏振次;a、b试验系数,可通过数理统计回归获得。采用F值检验法对其统计回归效果进行显著性检验,F值为:

(2)

式中:n为回归统计试验样本数;γ为相关系数。取显著性水平α为0.05和0.005,当F>F0.95(1,n-2)时,回归效果“显著”。当F>F0.995(1,n-2)时,回归效果“高度显著”。

试验系数a、b及回归效果显著性检验成果汇总见表1。可知:(1)不同R下脱硫石膏动强度曲线采用幂函数拟合效果良好,试验统计回归显著性水平均为高度显著,土体动强度曲线可由系数a、b表征;(2)随R增大,系数a逐渐增大,系数b基本保持不变,约为0.12,故试验用脱硫石膏动强度曲线可改写为:

表1 动强度曲线统计回归及误差计算成果表

(3)

值得指出的是,式(3)通过本文试验用脱硫石膏得出,是否适用于其他脱硫石膏尚有待进一步验证。

根据Seed等[15]提出的等效循环理论,地震震级不同时,作用于脱硫石膏的剪应力形式与作用次数不同,但其达到的液化效果相同。地震震级为6级、6.5级、7级、7.5级和8级对应等效循环次数Ne分别为5次、8次、12次、20次和30次。不同Ne下动剪应力比τd/σ3c与压实度关系曲线如图4所示。可知,随R增大,脱硫石膏τd/σ3c逐渐增大,试验压实度范围下τd/σ3c与R呈明显线性关系。

图4 不同等效振次下脱硫石膏τd/σ3c-R关系曲线Fig.4 Relationship curve of τd/σ3c-R for desulfurization gypsum under different equivalent cyclic number

绘制摩尔-库伦曲线,确定不同Ne下脱硫石膏动内摩擦角φd与压实度R关系曲线如图5所示。可知:(1)试验压实度范围下,随R增大,颗粒咬合越紧密,脱硫石膏φd逐渐增大,φd与R呈良好线性关系;(2)随Ne增大,脱硫石膏φd减小,说明地震震级越高,土体越容易破坏。

图5 不同等效振次下脱硫石膏φd-R关系曲线Fig.5 Relationship curve of φd-R for desulfurization gypsum under different equivalent cyclic number

2.2 动孔压

图6为不同压实度R下脱硫石膏动孔压比ud/σ3c与破坏振次比N/Nf关系曲线。可知:(1)同一N/Nf下,随R增大,动孔压比ud/σ3c逐渐增大,动孔压增长越快;这主要是由于动荷载作用下,土颗粒会出现彼此脱离,原本由土颗粒接触点传递的压力转为孔隙水承担,使得孔隙水压力上升[16],随R增大,土体愈紧密,土颗粒彼此脱离愈困难;(2)脱硫石膏动孔压发展与常规粉土类似[17-19],随N/Nf增大,脱硫石膏孔压发展表现为先迅速增长而后趋于平稳。

图6 不同压实度下脱硫石膏ud/σ3c-N/Nf关系曲线Fig.6 Relationship curve of ud/σ3c-N/Nf for desulfurization gypsum under different compactness

目前一般认为[17-19]粉土孔压发展曲线符合张建民等建立的A型曲线,粉土孔压发展表达式为:

(4)

式中:c、d为拟合参数;c表示N→Nf的值。

然而式(4)仅对粉土孔压发展曲线前半段拟和效果好,且N/Nf趋近于1时,ud/σ3c不一定趋近于1,与等压固结粉土液化机理不符。为合理描述脱硫石膏孔压发展规律,进而为粉土孔压发展关系式确立提供参考依据。根据脱硫石膏孔压发展模式,采用数理统计回归确定脱硫石膏孔压发展表达式为:

(5)

式中:m、k为拟合参数,当N/Nf→1,ud/σ3c→k;脱硫石膏液化时(N/Nf=1),ud/σ3c=1。式(5)可改写为:

(6)

试验系数m及回归效果显著性检验成果汇总见表2。可知,不同R下脱硫石膏动孔压曲线采用式(6)拟合效果良好,试验统计回归显著性水平均为高度显著,土体动孔压曲线可通过系数m表征,随R增大,系数m逐渐增大。

表2 动孔压曲线统计回归及误差计算成果表

3 结语

对压实度为0.85、0.90和0.95三组脱硫石膏进行了振动三轴试验,分析了压实度对脱硫石膏动强度和动孔压的影响,主要结论如下:

(1) 随压实度增大,脱硫石膏颗粒间作用力愈强,颗粒联结骨架越不容易破坏,动强度越大;试验压实度范围下,脱硫石膏动剪应力比和动内摩擦角均与压实度呈线性相关;

(2) 动荷载作用下,土颗粒会出现彼此脱离,原本由土颗粒接触点传递的压力转为孔隙水承担,随压实度增大,脱硫石膏颗粒彼此脱离愈困难,动孔压增长越慢;

(3) 试验用脱硫石膏可分类定名为低液限粉土,其强度曲线和动孔压发展模式均与常规粉土类似,分别可通过幂函数和对数函数表征。