干密度对粉煤灰力学性质的影响

第４０卷第４期

２０１４年８月

四川建筑科学研究

ＳｉｃｈｕａｎＢｕｉｌｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ

２４７

干密度对粉煤灰力学性质的影响

吴

勇１，王

伟２，王

琛１，郑淇文１，何

鹏１

（１．四川大学水利水电学院，四川成都６１００６５；

２．四川理工学院建筑工程学院，四川自贡６４３０００）

摘要：针对粉煤灰干密度与其力学性质的关系问题，对５种不同干密度下的粉煤灰分别进行了直接剪切、压缩和渗透试验，进行了干密度与力学性质参数的关系分析。结果表明，随着干密度的增大，粉煤灰抗剪强度增大，内摩擦角呈线性增大，粘聚力亦增大，但在低干密度下增大不明显。压缩性随干密度增大而减小，压缩系数与干密度近似呈线性关系。渗透性随干密度增大而减小，渗透系数与孔隙比的关系可由泰勒公式表示。关键词：粉煤灰；干密度；力学性质；孔隙比中图分类号：ＴＵ４１１

文献标志码：Ａ

文章编号：１００８—１９３３（２０１４）０４—２４７—０３

Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ

（１．Ｓｃｈｏｏｌ

ｏｎ

ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎｙａｓｈ

Ｑｉｗｅｎｌ，ＨＥ

６１００６５，Ｃｈｉｎａ；

ＷＵＹｏｎ９１，ＷＡＮＧＷｅｉ２，ＷＡＮＧＣｈｅｎｌ，ＺＨＥＮＧ

ｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃａｎｄＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇ．，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ

Ｐｅｎ９１

２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｉｇｏｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ

ｔｅｓｔｓｗｅｒｅ

ｏｎ

６４３０００，Ｃｈｉｎａ）

ａｎｄ

ｓｅｅｐａｇｅ

ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｌｙａｓｈ，ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔｓ，ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｔｅｓｔｓ

ｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｆｏｒｆｌｙａｓｈｅｓｗｉｔｈｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ

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ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｌｙａｓｈｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｐｅｒｍｅａｂｉｈｔｙａｎｄ

Ｃａｎｂｅ

ｅｘｐｒｅｓｓｅｄｂｙｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂｙＴａｙｌｏｒ．

ｖｏｉｄｒａｔｉｏ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｙａｓｈ；ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｖｏｉｄｒａｔｉｏ

０前言

迄今，经济实用的分级分期灰渣筑坝技术被广泛应用在粉煤灰贮存中。灰场一般先建初期坝，待贮灰达一定高程后在坝前库灰上用粉煤灰加高子坝贮灰，如此分级分期修建子坝直到最终坝高…。在设计分析中，粉煤灰一般分为一般碾压区或自然沉积区、坝基库灰和坝体灰，由于沉积条件与碾压程度不同，三者的干密度不同，其力学性质亦各有差异，故有必要研究粉煤灰在不同干密度下的力学性质。且粉煤灰属粉土范畴，亦有助于认识粉土干密度与力学性质的关系。

干密度对粉煤灰力学性质影响显著。李海芳【２１基于几座电厂粉煤灰的试验得出，重塑试样的

换算摩擦系数随干密度增大而增大，而原状试样试验结果非常离散；干密度与压缩系数间的关系较离散，对渗透系数未见明显影响。刘凤德旧。认为，内摩擦角、压缩系数和渗透系数与干密度近似呈线性关系，文献［４］的试验结果亦表明，内摩擦角与干密度有良好的线性关系。

本文针对某电厂粉煤灰，进行了不同干密度下的直接剪切、压缩和渗透试验，分析了干密度对粉煤灰力学性质的影响。１

１．１

试验

试验土料

试验土料为某电厂粉煤灰，比重Ｇ。＝２．４２，砂

粒（２～０．０７５ｍｍ）占１８．７％，粉粒（０．０７５～０．００５

ｍｍ）占７３．８％，粘粒（≤０．００５ｍｍ）占７．５％，液限Ｗ。＝４５％，塑性指数，，＝９，分类定名为含砂低液限

收稿日期：２０１３－０５－２４

作者简介：吴勇（１９８９一），男，四川巴中人，硕士研究生，研究方向为土静力学。

Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｏｎｇｗｓｃ＠１６３．ｃｏｍ

粉土＂。。据击实试验得最优含水率Ｗ。。＝１６．５％，在本次试验中粉煤灰制样含水率Ｗ定为１７％。

２４８

ＮＪ＊Ｉ建筑科学研究

由表１司知：

第４０卷

１．２试验程序

在室内采用压样法试制试样时，制成试样的最松和最密状态下干密度分别为０．９５ｇ／ｃｍ３和１．３０ｇ／ＣＩＴｌ３，故本次试验取其为试验最小和最大干密度，并内插３个干密度，分别为１．０５ｇ／ｃｍ３、１．１５ｇ／ｃｍ３

和１．２５ｇ／ｃｍ３。

１）随着干密度的增大Ｃ值有增大的趋势，但在较低干密度下Ｃ值增大不明显，其原因为较低干密度下，颗粒问的咬合力及颗粒之间的内力较小；

２）干密度愈大，土样愈紧密，咬合摩擦愈大，则剪切时需更多能量来克服，故９随干密度增大而增

大。

本次试验针对５个干密度下的粉煤灰分别进行直接剪切、压缩和渗透试验。直接剪切试验为非饱

为了得出内摩擦角妒与干密度Ｐ。的关系，绘制妒一Ｐ。关系曲线，如图２所示。可知二者基本呈线性关系，文献［３＿４］也得出类似结论。由最小二乘法拟合得妒＝１０．９７ｐｄ＋１５．８７，相关系数０．９９５７，即干密度Ｐ。增大０．１ｇ／ｃｍ３，内摩擦角妒约增大１．０。。值得说明的是，该关系式为粉煤灰在Ｐ。＝０．９５—

１．３００

和固结快剪，试样尺寸砸．１８

０．８

ｃＩｎ×２

ｃｍ，剪切速率

ｒａｍ／ｒａｉｎ，法向压力分别为１００

ｃｍｘ２

ｋＰａ、２００ｋＰａ、３００

ｋＰａ和４００ｋＰａ。压缩试验为非饱和侧限压缩试验，

试样尺寸拍．１８

ｋＰａ、２００ｋＰａ、４００

ｃｍ，固结压力分５０

ｋＰａ、１００

ｋＰａ和８００ｋＰａ五级加载，每级压

力下固结２４ｈ，每个干密度值下取两个样的平均值。

ｇ／ｃｍ３下得到的试验结果。

渗透试验采用变水头法，试样尺寸枷．１８

ｃｍ，每个试样测记１０次并取其平均值。

ｃｍ×４

２试验结果及分析

２．１

干密度对抗剪强度的影响

由直接剪切试验得不同干密度下的粉煤灰在不

同法向压力下的抗剪强度丁，，绘制抗剪强度包线，如图Ｉ所示。可知，在相同法向压力作用下，随干密度

的增大抗剪强度增大。

图２内摩擦角妒一干密度ｐ。关系曲线

Ｆｉｇ．２

Ｔｈｅ

ａｎｇｌｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎ∞一ｄｒｙ

ｄｅｎｓｉｔｙＰｄｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓ

２．２干密度对压缩性质的影响

由压缩试验得不同干密度下的ｅ—Ｐ曲线，如图

３所示。

图１

Ｆｉｇ．１

不同干密度下的抗剪强度包线

Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｖｅｌｏｐｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ

由摩尔一库伦强度理论求得不同干密度下粉煤灰的粘聚力ｃ和内摩擦角ｐ，见表１。

表１

Ｔａｂｌｅ１

ｔａｂｌｅ

不同干密度值下的力学性质参数

Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｐａｒａｍｅｔｅｒ

ｄｅｎｓｉｔｙｖａｌｕｅｓ压缩模量

Ｅ８

ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙ

妒

ａｖ

干密度

Ｐｄ

粘聚力内摩擦角压缩数

ｃ

渗透系数

ｋ２０

／（ｇ・ｃｍ一３）／ｋＰａ

ｎ４ｎ９

／（。）

／ＭＰａ一１ｍｎ

３７５８

／ＭＰａ／（１０—４ｃｍ・ｓ一１）

７７

图３不同干密度下的ｅ—ｐ曲线

Ｆｉｇ．３

ｅ－ｐｒｅｌａｔｉｏｎＣＵｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ

Ｏ１

由图３可知：

乙乱乱Ｈ坫６巧ｐ

乱互Ｌ玑ｍ

贴∞：２巧∞Ｍ孔”

３

拍＂勰凹如”的∞铝∞

ｎ仉ｍ

哪研｛拿ｍ６瞄

酡弱铂配钙

１）随干密度Ｐ。的逐渐增大，颗粒位置调整受到

的阻力逐渐增大，曲线变得越来越平缓，表明其压缩

２０１４Ｎｏ．４

吴勇，等：干密度对粉煤灰力学性质的影响

２４９

性逐渐减小；

２）由于采用压样法制样，试样具有一定的先期固结压力，并随干密度增大而增大Ｍｊ，故在较低固结压力下，低干密度试样处于正常固结状态且其本身孑Ｌ隙比大，高密度试样处于超固结状态且孔隙比小；因此，在０．１～０．２ＭＰａ压力范围内，低密度试样压缩性明显大于高密度试样，如Ｐ。＝０．９５ｇ／ｃｍ３时压缩系数口，＝０。９７３

ＭＰａ～，ｐｄ＝１．２５

ｇ／ｃｍ３时口，＝

０．１２８

ＭＰａ～，二者压缩性相差７．６倍。

图４为ｏ，一ｐ。关系曲线，二者近似呈线性关系，表明随着Ｐ。的增大，口，线性比例减小，文献［３］亦得出类似结论。由最小二乘法拟合得Ｄ，＝一２．３６５３ｐｄ＋３．１３０５，相关系数０．９２３５，公式适用范围为Ｐｄ＝０．９５～１．３０

ｇ／ｃｍ３。

罡

＝

：

糕１Ｉ｛５

嫖

崮

图４‰－ｐ。关系曲线

Ｆｉｇ．４

ａ，一Ｐｄｒｅｌａｔｉｏｎ

ｃｕｒｖｅｓ

２．３干密度对渗透性质的影响

随干密度Ｐ。的增大，粉煤灰的大孔隙度和毛管孔隙度均减小，但渗透性主要和前者有关，到达一定干密度值后大孔隙在总孔隙中所占比例小，在较低孔隙率时，迸一步的压缩主要是粒团本身压缩和粒团内部颗粒的重新定向排列【＿７｜，对渗透性影响较小。因此，渗透系数ｋ加随Ｐ。的逐渐增大逐渐减小并趋于稳定，见表１。

土体干密度的变化可由孔隙比表示，泰勒¨ｏ用毛管流的海根一伯朔尼方程导出了砂土渗透系数与孑Ｌ隙比ｅ的关系式：

七刊ｄｓ

，

，２

ｉ丽

７。

ｅ３

，．、

（１，

Ⅱｔｌ十ｅ，

式中ｙ。仙——表征渗透流体影响的因子；

ｙ。——水的重度；

ｊ￡——水的动力黏滞系数；

ｄ。——当量圆球直经；

Ｃ——颗粒形状系数。

表明在颗粒和渗流体不变的情况下，渗透系数与ｅ３／（１＋ｅ）成比例关系。绘制粉煤灰在不同ｐ。下的ｋ加一ｅ３／（１＋ｅ）关系曲线，如图５所示。可知两者呈良好的线性关系，表明式（１）既适用于砂性土也适用于粉煤灰。

毛

宣

言

％

《

薅

１ｊｌ；螋

戆

孔隙比函数ｅ３／（１＋曲

图５

ｋ２０一ｅ３／（１＋ｅ）关系曲线

Ｆｉｇ．５

ｋ２。一ｅ３／（１＋ｅｌ

ｒｅｌａｔｉｏｎ

ｃｕｒｖｅｓ

３

结语

本文针对某电厂粉煤灰，进行了５个干密度下

的直接剪切、压缩和渗透试验，分析了干密度对其力学性质的影响，结论如下：

１）随着干密度的增大，粉煤灰抗剪强度增大，

内摩擦角呈线性增大，粘聚力亦增大，但在低干密度下增大不明显；

２）随着干密度的增大，粉煤灰的压缩性减小，压缩系数与干密度近似呈线性减小关系；

３）随着干密度的增大，粉煤灰渗透系数减小并逐渐趋于稳定，其与孔隙比的关系可由泰勒公式表

示。

参考文献：

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琛．白鹤电厂灰渣筑坝坝料试验研究

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干密度对粉煤灰力学性质的影响

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

吴勇， 王伟， 王琛， 郑淇文， 何鹏， WU Yong， WANG Wei， WANG Chen， ZHENG Qiwen， HE Peng吴勇,王琛,郑淇文,何鹏,WU Yong,WANG Chen,ZHENG Qiwen,HE Peng(四川大学水利水电学院,四川成都,610065)， 王伟,WANG Wei(四川理工学院建筑工程学院,四川自贡,643000)四川建筑科学研究

Sichuan Building Science2014,40(4)

引用本文格式：吴勇.王伟.王琛.郑淇文.何鹏.WU Yong.WANG Wei.WANG Chen.ZHENG Qiwen.HE Peng 干密度对粉煤灰力学性质的影响[期刊论文]-四川建筑科学研究 2014(4)