貯灰場沉積粉煤灰動力特性試驗研究

劉少輝，梁志超，李俊生，成勇龍，李 偉

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

粉煤灰是一種以燃煤為主的發(fā)電廠排放的主要廢棄料，由于其特殊性，應(yīng)該正確合理的處理粉煤灰以達(dá)到最小的環(huán)境污染和最大的再利用價值[1]。近些年來，我國的粉煤灰貯存量逐年增加，目前國內(nèi)外處理粉煤灰的方法主要有兩種：一種是將粉煤灰與其他物質(zhì)進行混合用于工程上，達(dá)到循環(huán)利用的目的。另一種是將粉煤灰進行貯灰場儲存。為了更進一步的節(jié)省費用，大部分直接采用灰渣填筑子壩來擴大貯灰場的規(guī)模，并且粉煤灰堆積的高度隨著時間的推移逐漸增大，其在降雨作用下，容易發(fā)生失穩(wěn)，更危險的是在地震動荷載作用下，灰壩會發(fā)生潰壩及不良的地質(zhì)災(zāi)害[2-4]。

近些年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對貯灰場的粉煤灰進行大量的試驗[5-10]。孫恩吉等[11]發(fā)現(xiàn)粉煤灰的顆粒存在不均勻性，干密度越小，滲透系數(shù)越大。劉鐵軍等[12]通過室內(nèi)試驗得到了粉煤灰的最大干密度和最優(yōu)含水率，并發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大，黏聚力和內(nèi)摩擦角均減小。但隨著壓實度的增大，強度指標(biāo)均增大。佘芳濤等[1]對貯灰場子壩沖填粉煤灰進行了一系列動力試驗，研究了沖填粉煤灰的動力變形和強度特性。李明等[13]通過對粉煤灰進行固結(jié)排水和固結(jié)不排水的動三軸試驗，發(fā)現(xiàn)密度對液化區(qū)面積有很大的影響。陳建斌等[14]以實際粉煤灰壩為背景，對灰壩進行了動力特性評價。李永樂等[15]對原狀和擊實粉煤灰進行了動三軸試驗，得出了動強度參數(shù)和動剪切模量及阻尼比參數(shù)。以上學(xué)者對粉煤灰靜動力特性進行了深入有益的研究，同時得到了很多有價值的結(jié)論，但針對貯存場中不同密度沉積混合粉煤灰的動力特性研究相對較少。由于目前灰壩堆積較高，庫容較大，在地震動荷載作用下，安全性至關(guān)重要，因此，系統(tǒng)地研究粉煤灰的動力特性具有重要意義。

本文以某電廠貯灰場沉積粉煤灰為研究對象，研究了不同干密度下重塑飽和粉煤灰動應(yīng)力-應(yīng)變、動模量、阻尼比、動孔壓和動強度；探討了干密度、圍壓和循環(huán)振次對上述動力特性指標(biāo)的影響規(guī)律，得到了不同循環(huán)振次下沉積粉煤灰的總動強度指標(biāo)和有效動強度指標(biāo)，為該貯灰場運行期間的動力穩(wěn)定性分析提供依據(jù)和參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及制備

(1) 試驗用料。試驗用料取自靖遠(yuǎn)某貯灰場的沉積灰。該初期灰場擬在灰面達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時加高一級子壩，作為本期工程初期灰場；設(shè)計子壩壩頂標(biāo)高1 603 m時，新增庫容約375.5×104m3；形成總庫容897×104m3，滿足電廠二、三期總?cè)萘?×300 MW機組貯灰約7 a。子壩擬采用水力沖填法，沖填材料為庫內(nèi)的沉積灰渣；子壩壩高初擬為4.0 m，壩頂高程1 603.00 m，壩頂寬度5 m，上下游邊坡均初擬為1∶3.5，上游坡面設(shè)土工膜防滲，壩體表面采用干砌石護坡。沉積灰場共分2個灰場，編號為1號和2號，其中1號灰場內(nèi)共布設(shè)三個斷面、8個探井，2號灰場內(nèi)共布設(shè)四個斷面、11個探井。探井深度為0.5 m～4.5 m。所取沉積粉煤灰物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。粉煤灰的比重2.20～2.64之間，顆粒以粉粒為主，粉粒含量在39.0%～91.0%之間。

表1 沉積粉煤灰的物理性質(zhì)指標(biāo)

(2)試樣制備與方法。所有試樣均采用壓樣法制樣，試樣尺寸為直徑3.91 cm，高8 cm的圓柱樣，按設(shè)計要求的干密度及含水率計算出試驗所需濕土重量，分五次壓入制樣器中，每層刨毛，所制備試樣的干密度之間誤差不超過0.02 g/cm3。飽和試樣采用抽氣飽和方法進行飽和，經(jīng)測定飽和度達(dá)95%以上。

1.2 試驗方案

試驗制樣干密度為1.18 g/cm3和1.28 g/cm3(簡稱為1#，2#)。固結(jié)應(yīng)力比Kc=σ1c/σ3c=1.5，循環(huán)振次Nf取10、20和30。圍壓σ3c取100 kPa、200 kPa和300 kPa。試驗采用振動波形為正弦波，振動頻率為1 Hz。所有試樣均為飽和試樣，以孔隙水壓力完全消散作為固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 沉積粉煤灰動應(yīng)力-動應(yīng)變特性

圖1為在偏壓固結(jié)條件不同固結(jié)壓力下1#和2#沉積粉煤灰的動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線，從圖中可以看出，不同干密度的粉煤灰動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線基本呈雙曲線型，與土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，粉煤灰動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線呈弱硬化型。動應(yīng)變發(fā)展前期，動應(yīng)力增大趨勢明顯，隨著動應(yīng)變逐漸增大，動應(yīng)力趨于穩(wěn)定。同時，隨著圍壓的增大，曲線逐漸上移，峰值動應(yīng)力也越大。相同固結(jié)壓力下，干密度的增大，動應(yīng)力也表現(xiàn)出增大的趨勢。這也說明，沉積粉煤灰的壓密程度決定了其動應(yīng)力的大小。

2.2 沉積粉煤灰動模量與阻尼比

2.2.1 動模量

由于σd-εd(σd為動應(yīng)力，εd為動應(yīng)變)關(guān)系近似符合如下的雙曲線關(guān)系，故采用式(1)對動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線進行轉(zhuǎn)化，其中Ed=σd/εd。

(1)

式中：a，b為擬合參數(shù)。a=1/Emax，b=1/σdmax。

圖2為1#和2#沉積粉煤灰的1/Ed-εd關(guān)系曲線，從圖2中看出，1/Ed-εd關(guān)系曲線呈線性關(guān)系，隨著圍壓的增大曲線下移，說明動模量隨著圍壓逐漸增大。

圖1 不同干密度沉積粉煤灰動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2 不同干密度沉積粉煤灰1/Ed-εd關(guān)系曲線

對比兩種不同干密度的結(jié)果看出，干密度對動模量有明顯的影響，相同固結(jié)圍壓下，隨著干密度的增大，動模量在增大。同時，將擬合直線的參數(shù)匯于表2，從表中更能直接看出，隨著固結(jié)圍壓增大，最大動模量與動應(yīng)力增大，相同固結(jié)壓力下，干密度越大，最大動模量與動應(yīng)力也隨之增大。

表2 沉積粉煤灰的模型擬合參數(shù)

2.2.2 阻尼比

圖3為不同干密度沉積粉煤灰的阻尼比與動應(yīng)變關(guān)系曲線，從圖中可以看出，阻尼比隨著動應(yīng)變的增大先緩慢增大再迅速增大，最后趨于穩(wěn)定。相同干密度下，不同圍壓下的阻尼比規(guī)律不明顯，但阻尼比隨著動應(yīng)變的變化趨勢符合一般土常見的規(guī)律。對比1#和2#，可以看出，相同固結(jié)圍壓下，干密度越大，阻尼比越小。

圖3 不同干密度沉積粉煤灰阻尼比曲線

2.3 沉積粉煤灰動強度特性

圖4為不同干密度沉積粉煤灰動強度曲線，按綜合應(yīng)變等于5%為破壞標(biāo)準(zhǔn)。從圖中可以看出，隨著動應(yīng)力不斷增大，各試樣的破壞振次逐漸減小，當(dāng)動應(yīng)力較小時，試驗達(dá)到破壞時所承受的振次越多。試樣的動應(yīng)力隨著固結(jié)圍壓的增大而增大，相同固結(jié)圍壓下，干密度越大，動應(yīng)力越大。

圖4 不同干密度沉積粉煤灰動強度曲線

將2種沉積粉煤灰的動強度試驗結(jié)果表示為動剪應(yīng)力與破壞振次的關(guān)系，圖5為不同干密度沉積粉煤灰的動剪應(yīng)力比曲線，從圖中可看出，在對數(shù)坐標(biāo)里，動剪應(yīng)力比與破壞振動次數(shù)呈線性關(guān)系，2#粉煤灰在三種不同固結(jié)圍壓下的動剪應(yīng)力比分布在一個小范圍內(nèi)，相比于1#粉煤灰，其動剪應(yīng)力比受固結(jié)圍壓影響不大，近似可以歸一化。

2.4 沉積粉煤灰動孔壓特性

2.4.1 動孔壓水平udf/σ3c與破壞振次Nf的關(guān)系

在同一試驗條件(相同的密度、固結(jié)應(yīng)力比、周圍壓力)下，根據(jù)不同動應(yīng)力作用下動孔壓發(fā)展過程中試樣達(dá)到相應(yīng)破壞標(biāo)準(zhǔn)時的動孔壓值(殘余孔壓值)，做出動孔壓水平udf/σ3c與破壞振次Nf的關(guān)系見圖6，從圖6中可以看出，udf/σ3c隨破壞振次Nf的增大呈緩慢增大或基本不變的趨勢，不同固結(jié)圍壓σ3c下udf/σ3c-Nf關(guān)系分布在較窄的范圍內(nèi)，為了

圖5 不同干密度沉積粉煤灰動剪應(yīng)力比曲線

圖6 不同干密度沉積粉煤灰動孔壓比與

簡便起見，可以近似地認(rèn)為，σ3c、Nf對值udf/σ3c沒有影響。根據(jù)圖6確定出不同密度、不同圍壓下動孔壓水平udf/σ3c值見表3。從表3可以看出，在偏壓固結(jié)(Kc=1.5)條件下，破壞振次Nf≤30時，當(dāng)用綜合動應(yīng)變等于5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，1#和2#粉煤灰灰的動孔壓水平udf/σ3c平均值分別為0.22、0.30。

2.4.2 動孔壓水平udf/σ3c與破壞振次N/Nf的關(guān)系

根據(jù)試驗結(jié)果繪出不同試驗條件下孔壓比udf/σ3c與振次比N/Nf關(guān)系如圖7所示(由于篇幅有限，只給出了一個圍壓下結(jié)果)，可以看出，固結(jié)圍壓和固結(jié)應(yīng)力比相同時，不同動應(yīng)力下udf/σ3c-N/Nf關(guān)系試驗點分布在較窄范圍，可以近似地歸一。不同試驗條件下udf/σ3c-N/Nf關(guān)系皆可以用下列表達(dá)式描述：

(2)

式中：θ為試驗參數(shù)，確定出不同試驗條件下的θ值見表3。

圖7 不同干密度沉積粉煤灰udf/σ3c-N/Nf關(guān)系曲線

表3 沉積粉煤灰的動孔壓結(jié)果

3 結(jié) 論

本文對某電廠貯灰場沉積粉煤灰進行了室內(nèi)動三軸試驗，研究了其動應(yīng)力應(yīng)變、動模量、阻尼比、動孔壓和動強度特性。主要得到以下結(jié)論：

(1) 不同干密度的粉煤灰動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線基本呈雙曲線型，與土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，粉煤灰動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線呈弱硬化型。

(2) 干密度對動模量有明顯的影響，干密度大的試樣，動模量較大。阻尼比隨著動應(yīng)變的增大先緩慢增大再迅速增大，最后趨于穩(wěn)定。相同固結(jié)圍壓下，干密度大的試樣阻尼比較小。

(3) 試樣的動應(yīng)力隨著固結(jié)圍壓的增大而增大，相同固結(jié)圍壓下，動應(yīng)力越大，試樣破壞所需的振動次數(shù)越小，且動剪應(yīng)力比也越大。

(4) 動孔壓水平隨振次的變化不大，且與振次比的關(guān)系可以歸一化。沉積粉煤灰的總動黏聚力和有效動黏聚力為0，總動內(nèi)摩擦角小于有效動內(nèi)摩擦角。

研究結(jié)果對于評價此貯灰場在地震荷載下的動穩(wěn)定性分析具有重要參考和指導(dǎo)意義。

表4 沉積粉煤灰動三軸試驗結(jié)果