周德泉，趙明華，肖宏宇

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082;2.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院 湖南 長沙 410004)

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，成分差異較大。電廠將收集到的粉煤灰送至管道再用高壓水沖排，這種濕排工藝形成了煤灰湖。工程中，粉煤灰作為材料的填筑特性和壓實檢測評價［1］受到重視。在煤灰湖場地進(jìn)行湖堤安全性評價、整治及地基基礎(chǔ)設(shè)計，要求準(zhǔn)確掌握粉煤灰層的空間分布和工程特性。朱會強［2］通過土工試驗、淺層平板載荷試驗、單樁豎向載荷試驗、擊實試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等，發(fā)現(xiàn)場地粉煤灰遇水軟化，沒有濕陷性和欠固結(jié)性，并提供了粉煤灰地基的常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)、壓實參數(shù)、承載力特征值、樁基側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值等指標(biāo)，但靜力觸探曲線特征少見報道。

煤灰湖堤常含有粉煤灰層，堤頂常有排灰管道，鉆探設(shè)備安裝和遷移困難，況且，粉煤灰層的結(jié)構(gòu)、粒度和物理化學(xué)性質(zhì)特殊，現(xiàn)場取樣和運輸難以維持其原始狀態(tài)，勘察測試方法的選擇受到一定限制。靜力觸探可以利用堤頂排灰管道提供反力，輕便、快捷，應(yīng)用前景廣闊［3－4］，在砂土［5］和粘性土［6］中進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗，應(yīng)用于工程實踐［7］，效果良好。但是，粉煤灰的形成過程和工程性質(zhì)不同于天然土［8-9］，靜力觸探和十字板剪切特性尚不十分清楚，不利于對粉煤灰層進(jìn)行快速勘察和準(zhǔn)確評價。本文選取煤灰湖堤，采用鉆探、靜力觸探和十字板剪切試驗相結(jié)合的方法，與粉質(zhì)粘土層和細(xì)砂層對比，研究粉煤灰層的單(雙)橋靜力觸探曲線特征、現(xiàn)場觸探參數(shù)值和十字板強度隨深度的變化、水位上下觸探參數(shù)的變化，為快速準(zhǔn)確確定粉煤灰層、科學(xué)分析湖堤安全性和治理設(shè)計提供依據(jù)，也為類似工程提供借鑒。

1 試驗概況

煤灰湖堤位于洞庭湖區(qū)，于1986年初步建成，1989年由4 m左右加高至8 m左右。試驗時，沿堤身按50 m間距共布置48個單橋靜力觸探孔，2個雙橋靜力觸探孔，十字板試驗4次，并布置了5個對比鉆孔。典型測試孔見表1。其中，單橋探頭的工作面積為10 cm2，雙橋探頭的工作面積為10 cm2和200 cm2。

表1 試驗點概況Table 1 The general situation of the test site

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 模型試驗中砂土和粘性土靜力觸探曲線對比

靜力觸探簡寫為“CPT”(即 cone penetration test)。為了便于比較分析，先給出室內(nèi)模型試驗中砂土和粘性土的典型靜力觸探曲線，見圖1［5］和圖2［6］所示。

圖1表明，隨著貫入深度h增加，砂土中比貫入阻力ps、錐尖阻力qc和側(cè)壁摩阻力fs均從零很快增大，達(dá)到一定深度以后增幅降低，即存在臨界深度;相對密度Dr增大，觸探參數(shù)也增大。其原因是，對于砂土，τf=σ×tgφ，貫入深度為零時，無上覆壓力，貫入阻力基本為零，貫入深度增加，上覆壓力和圍壓都隨之有規(guī)律地增加，貫入阻力也隨之增大。達(dá)到臨界深度以后，圍壓達(dá)到一定值，限制了周圍砂粒的滑移，壓縮機理起主導(dǎo)作用。

圖2表明，隨著貫入深度增加，粘性土中ps、qc和fs均從一個不等于零的初始值緩慢增大，即不存在臨界深度。其原因是，對于粘性土，τf=c+σ×tgφ，貫入深度為零時，仍有粘聚力。

對比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)，砂土的ps和qc分別比粘性土大10倍和60倍以上，Rf則小10倍左右。

2.2 現(xiàn)場實測單(雙)橋靜力觸探曲線對比

2.2.1 粉質(zhì)粘土靜力觸探曲線對比

圖3是 TK29(孔深14.1 m)和 TK30(孔深 8.3 m)獲得的粉質(zhì)粘土靜力觸探曲線，地層結(jié)構(gòu)見表1。對比可知，ps－h(huán)曲線和qc－h(huán)曲線呈鋸齒狀，與圖2相似，很明顯，湖積粉質(zhì)粘土中結(jié)核、貝殼等可引起ps和qc變化。上層特別是地下水位(1.0 m)以上ps和qc稍大，Rf值較大，其原因是，其一，堤體上部長期經(jīng)受氣候引起的干濕循環(huán)使土體密實;其二，臨近粉煤灰輸送管道基礎(chǔ)的周期振動使堤體上部不斷固結(jié)密實;其三，地下水位(1.0 m)以上土體為非飽和土，含水率較小，強度較高。3.0 m處qc－h(huán)曲線和fs－h(huán)曲線分界明顯，且上部數(shù)值較大，說明后期填筑土質(zhì)量較好。9.0 m以下湖積可塑粉質(zhì)粘土Rf值比局部先期填筑粉質(zhì)粘土大，且界面明顯，說明部分先期填筑土質(zhì)量比原狀土差，符合文獻(xiàn)［9］揭示的規(guī)律。

圖1 模型試驗中砂土靜探曲線Fig.1 CPT plot of sand in model test(1.Dr=0.5;2.Dr=0.55;3.Dr=0.6;4.Dr=0.5)

圖2 模型試驗中粘性土靜探曲線Fig.2 CPT plot of clay in model test

圖3 粉質(zhì)粘土靜力觸探曲線對比Fig.3 CPT curves contrast of silty clay

2.2.2 粉煤灰和粉質(zhì)粘土靜力觸探曲線對比

圖4是TK4(孔深15 m)和TK5(孔深10.9 m)獲得的含粉煤灰地層靜力觸探曲線，地層結(jié)構(gòu)見表1。比較可知，粉煤灰和粉質(zhì)粘土的分界面處(4.5 m處)fs－h(huán)曲線和qc－h(huán)曲線顯著跳躍，界面效應(yīng)顯著，說明粉煤灰的工程性狀與粉質(zhì)粘土不同。粉煤灰和粉質(zhì)粘土的ps－h(huán)曲線和qc－h(huán)曲線均呈鋸齒狀，起伏不大，說明粉煤灰中有細(xì)顆粒狀成分，但是ps－h(huán)曲線分界(3.9 m處)不明顯，說明單橋靜力觸探難以劃分粉煤灰和粉質(zhì)粘土的分界面。粉煤灰的Rf－h(huán)線型跳躍，Rf值比粉質(zhì)粘土大，比細(xì)砂更大;地下水位(2.05 m)以上粉煤灰的ps和qc稍大，其原因是，其一，壩體上部長期經(jīng)受氣候引起的干濕循環(huán)使粉煤灰密實;其二，地下水位以上含水率較小，強度較高。qc－h(huán)曲線和fs－h(huán)曲線在湖積粉質(zhì)粘土和填筑粉質(zhì)粘土分界面(8.5 m處)有明顯跳躍。11.0 m以下細(xì)砂層的qc－h(huán)曲線起伏較大，規(guī)律與圖1一致。

圖4 含粉煤灰地層靜力觸探曲線對比Fig.4 CPT curves contrast of silty clay with fly ash

2.3 粉煤灰觸探參數(shù)的對比

圖5～圖8是頂層有、無粉煤灰觸探點觸探曲線對比。結(jié)合圖4，分析上層粉煤灰和填筑粉質(zhì)粘土的觸探曲線，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和填筑粉質(zhì)粘土的線形是類似的，均為鋸齒形，沒有臨界深度，體現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。但觸探參數(shù)有區(qū)別。

圖5 TK5和TK30的ps－h(huán)曲線對比Fig.5 ps－ h curves contrast between TK5 and TK30

圖6 TK4和TK29的qc－h(huán)曲線對比Fig.6 qc－ h curves contrast between TK4 and TK29

圖7 TK4和TK29的fs－h(huán)曲線對比Fig.7 fs－ h curves contrast between TK4 and TK29

圖8 TK4和TK29的Rf－h(huán)曲線對比Fig.8 Rf－ h curves contrast between TK4 and TK29

圖5表明，粉煤灰ps值接近填筑粉質(zhì)粘土、大于沉積粉質(zhì)粘土;圖6表明，粉煤灰qc值比粉質(zhì)粘土和細(xì)砂小，這與粉煤灰的重度較小有關(guān);圖7表明，粉煤灰fs值小于填筑粉質(zhì)粘土、接近沉積粉質(zhì)粘土、大于細(xì)砂;圖8表明，粉煤灰Rf值小于填筑粉質(zhì)粘土、大于沉積粉質(zhì)粘土和細(xì)砂。粉煤灰的觸探曲線特征表明，粉煤灰的工程特性介于粉質(zhì)粘土和細(xì)砂之間，接近粉土，土工試驗結(jié)果［2，9］也說明了這一點。

2.4 水位上下粉煤灰比貫入阻力ps的差異

如圖9所示，水位對粉煤灰ps有顯著影響。對于TK5，在地下水位2.0 m處出現(xiàn)明顯的界面效應(yīng)，水位以上的ps值遠(yuǎn)大于水位以下的ps值;TK18處于地面水溝旁，0－2.65 m粉煤灰呈飽和狀態(tài)，其ps值明顯小于TK5處的干燥粉煤灰，說明粉煤灰具有遇水軟化特性。土工試驗結(jié)果也得到相同規(guī)律［2，8］。

圖9 水位上下粉煤灰比貫入阻力ps的差異Fig.9 Differences of fly ash pson and down the water level

2.5 十字板強度隨深度的變化

十字板試驗簡寫為“VST”(即vane shear test)。TK4附近完成的十字板試驗結(jié)果見圖10。可以看出，十字板強度τf隨深度加大而增長，這與一般沉積土相似，原因是，隨深度增加，自重應(yīng)力增加;靈敏度為3～6，屬于中～高靈敏，說明粉煤灰的結(jié)構(gòu)性較強。

圖10 十字板強度隨深度的變化Fig.10 Change of vane strength with the depth

3 結(jié)論

采用鉆探、靜力觸探和十字板剪切試驗相結(jié)合的方法研究濕排沉積粉煤灰層的工程特性，發(fā)現(xiàn)其工程特性介于粉質(zhì)粘土和細(xì)砂之間，接近于粉土。具體體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)與粘性土一樣，從地面開始，靜力觸探曲線從一個不等于零的初始值隨深度變化，呈鋸齒狀，沒有臨界深度。

(2)雙橋靜力觸探時，粉煤灰與粉質(zhì)粘土之間存在明顯的界面效應(yīng)。單橋靜力觸探難以劃分粉煤灰和粉質(zhì)粘土的分界面。

(3)粉煤灰ps值接近填筑粉質(zhì)粘土、大于沉積粉質(zhì)粘土，qc值比粉質(zhì)粘土和細(xì)砂小，fs值小于填筑粉質(zhì)粘土、接近沉積粉質(zhì)粘土、大于細(xì)砂，Rf值小于填筑粉質(zhì)粘土、大于沉積粉質(zhì)粘土和細(xì)砂。

(4)地下水位處的ps－h(huán)曲線界面效應(yīng)明顯，水下粉煤灰的ps值明顯減小，說明粉煤灰具有遇水軟化特性。

(5)粉煤灰十字板強度隨深度加大而增大，靈敏度較高，結(jié)構(gòu)性較強。

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