（岩土工程专业论文）粉煤灰的工程特性及子坝加高稳定性分析.pdf

四川大学硕士学位论文 粉煤灰筑坝的工程性质与灰坝加高稳定性分析 岩土工程专业 研究生：王伟指导教师：何昌荣 利用粉煤灰筑坝是贮存粉煤灰的较为经济合理的方法。由于粉煤 灰疏松、多孔的结构，其物理力学性质与一般的砂性土有较大的差别。 又由于粉煤灰筑坝一般采用分期筑坝，因此利用粉煤灰作为筑坝材料 必须对粉煤灰的物理、力学特性进行系统的研究 本文讨论了江油发电厂粉煤灰的基本物理、力学性质，测定了粉 煤灰的化学成分、沉积分布规律、比重、液塑限、击实特性、压缩特 性、渗透特性、静止侧压力系数结果表明粉煤灰具有质轻、压缩性 低、强度高、渗透性好等特点，粉煤灰的压实干密度对含水量不是很 敏感。粉煤灰是一种理想的建筑材料，具有很广阔的开发应用前景。 本文讨论了粉煤灰的应力应变关系，为灰渣筑坝提供理论依 据通过室内的试验分别确定粉煤灰的模型参数并通过实际测得的 材料应力应变曲线与理论曲线进行比较分析。研究了粉煤灰在不同超 固结比、不同剪切速率下的应力应变关系。得出粉煤灰的峰值强度 受剪切速率的影响不大。 结合江油发电厂二灰场灰坝加高工程，进行了灰坝的二维渗流、 稳定分析。经计算得出最大水力坡降出现在工况二，随着坝顶高程的 增加，水力坡降有降低的趋势；单宽流量值均在正常范围内，并且随 着坝顶高程的增加有降低的趋势；初期坝及各级加高子坝的最危险滑 弧所对应之最小安全系数皆满足规范要求。因此江油电厂二灰场第五 级子坝加高工程在技术上可行，设计上合理。 关键词：粉煤灰应力应交关系本构模型有限元 四川大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co ff l y a s ha n ds t a b i l i z e r a n a l y s i so fb u i l d i n ga d d e ds u b d a m m a j o r ：o e o t e e h n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n g w e i t u t o r ：p r o h ec h a n g r o n g d a mi su s u a l l yu s e dt os t o r ef l y a s h , a n dt h em o s te c o n o m i cm e t h o d i s u s i n gf l y a s h a sd a mm a t e r i a l b u tb e c a u s eo fi t sl o o s eh o l l o w s t r u c t u r e ，t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so ff l y - a s ha r ed i f f e r e n tf r o mo t h e r c o h e s i o n l e s ss o i l s s oi t s n e c e s s a r yt os t u d yt h ep h y s i c sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ff l y - a s h t h eb a s i cp h y s i c a la n dm e c h a n i c sp r o p e r t i e so ff l y a s h ，s u c ha s c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，s e d i m e n t a ld i s t r i b u t i o nl a w ，l i q u i d - p l a s t i c sl i m i t s ， c o m p a c t i o n ，c o m p r e s s i b i l i t y ，p e r m e a b l i t yp r o p e r i t i e s ，l a t e r a lp r e s s u r e c o e f f i c i e n ta tr e s ta r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tf l y - a s hi so fl o w s p e c i f i cg r a v i t y ，l o wc o m p r e s s i b i l i t y ，h i g hs t r e n g t ha n dh i g hp e r m e a b i l i t y e t c i t s c o m p a c t e dd r yd e n s i t y i sn o n s e n s i t i v et om o i s t u r e c o n t e n t s a t u r a t e d ，u n d r a i n e df l y a s ho fn a t u r a ls e d i m e n t sh a sl i t t l e p o s s i b i l i t yo f “s t a t i cl i q u i f i c a t i o n ”i ti sa ni d e a lc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l o fe x t e n s i v ee x p l o i t e da p p l i c a t i o nf u t u r e t h es t r e s s s t r a i np r o p e r t yo ft h ef l y a s hh a sb e e nd i s c u s s e di nt h i s t e x t a n d i t p r o v i d e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r f l y a s h d a m b u i l d i n g c o n f i r mt h em o d e lp a r a m e t e r so f t h ef l y a s ht h r o u g ht h ei n d o o r t e s t i n ga n dc o m p a r et h et e s t i n g s t r e s s s t r a i nc u r v e sw i t ht h et h e o r y c u r v e s t h es t r e s s - s t r a i np r o p e r t yh a ss l s ob e e nd i s c u s s e du n d e rd i f f e r e n t e x c e e d i n gc o n s o l i d a t i o na n dd i f f e r e n ts h e a r i n gs p e e d t h et e s t r e s u l t s 四川大学硕士学位论文 s h o wt h a tt h es h e a r i n gs p e e dh a dn oi n f l u e n c eo ns t r e n g t hp r o p e r t y t ob u i l da d d e ds u b d a mi nt h es e c o n da s hp o n di nji a n g y o up o w e r p l a n t ，t h es e e p a g ea n ds t a b i l i z e ra n a l y s i sh a v eb e e nc a r r i e do n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u nh y d r a u l i cg r a d i e n ts l o p ea p p e a r e di nt h e s e c o n do p e r a t i n g t h eh y d r a u l i cg r a d i e n ts l o p eh a dt h et e n d e n c yt or e d u c e a l o n gw i t ht h ec r e s te l e v a t i o nl i f t i n g ，t h eu n i td i s c h a r g ew a si nn o r m a l r a n g e ，a n di t h a dt h et e n d e n c yt or e d u c ea l o n gw i t hc r e s te l e v a t i o n l i f t i n g t h e m i n i m u m s a f e t y c o r e f f i c i e n t c o r r e s p o n d i n g t h em o s t d a n g e r o u ss l i p c u r v e so ft h ep r i m a r ya n ds u b d a ma l ls a t i s f i e dt h e s t a n d a r d s ot h ed e s i g i n go fb u i l ta d d e ds u b d a mi nt h es e c o n da s hp o n d i nj i a n g y o up o w e rp l a n tw a sf e a d i b l e k e yw o r d s ：f l y a s h s t r e s s - s t r a i n p r o p e r t y c o n s t i t u t i v em o d l e f i n i t ee l e m e n t i i i 1 绪论 1 1 粉煤灰资源的综合利用现状 粉煤灰是火力发电厂排放的固体废物，也是一定细度的煤粉在锅 炉中燃烧( 1 l o o 1 5 0 0 0 c ) 后，由除尘器收集到的粉状物质。它是一 种散粒状物质，有其特殊的物理和化学性质。全世界的煤年总消耗量 在4 2 2 6 亿t ，燃煤电厂粉煤灰的年排量达2 9 亿t ，1 9 9 6 年我国粉煤 灰的年排放量达1 亿余t 。即使在电厂节能效率不断提高的情况下， 预计到2 0 2 0 年，我国的粉煤灰的年排放量是现在的3 倍左右，加上目 前我国已有2 0 亿t 粉煤灰的累计堆存量，总堆存量将达3 0 多亿吨“1 。 目前全社会的环境意识越来越强，废弃物的减少和再利用在工业中已 经摆在很优先的位置。随着电力工业的发展，对火力发电厂排放的燃 煤废渣一一粉煤灰的综合利用和贮存，将具有环境和经济两方面的重 大意义。 据国内外资料“。7 1 粉煤灰的综合利用存在很广阔的前景，粉煤灰 具有量大、质轻、强度高、渗透性好的优点，是一种较理想的建筑材 料。其用途主要有以下几个方面：一、作为建筑材料的一种掺和料， 广泛运用于水泥和混凝土中。飞灰可以作为一种独立的材料或作为波 特兰水泥的混合物加到混凝土中去，水泥熟料中可掺入8 的飞灰， 在加气、发泡混凝土生产中，飞灰可用来代替磨细的石英砂或磨细石 英砂与胶凝剂。飞灰以成功地用作各种粘结剂，如砖墙的墙体砂浆、 灰泥、沥青混凝土等，喷雾干燥脱硫渣是生产胶接材料最适合的原料； 二、粉煤灰比重比常规土石料小，压实粉煤灰填方的强度、承载力与 天然砂在同一数量级，对挡土建筑物的土压力接近或小于天然土石料 产生的土压力，因而粉煤灰可用作挡土回填土三、用于地基与土壤 稳固，在筑路、修桥、采矿等土木工程中，可以大批量地利用灰渣， 可用于道路的基层和面层，以及加固公路路基和下卧层。当填土或路 堤建在低承载力或可能出现长期沉降的地基上时，用粉煤灰取代传统 材料作填土，可以减少沉降。四、用作灌浆材料填补废矿井、坑道、 溶洞。五、用作肥料和土壤改良剂。据报道，可增强根系的发育，促 进氮向氮化物转化。这样一方面消除了大量的固体废弃物，另一方面 四川大学硕士学位论文 又提供了大量的建筑材料。 在欧洲国家和日本，灰渣在水泥、混凝土行业的利用占较大比重。 英国在建筑砌块方面利用了相当多的灰渣”，压实、稳定的粉煤灰成 功地用作建筑填料和高速公路的路堤、路基、机场跑道路基、轻质回 填料等，而在水泥行业利用较少，这与其他欧洲国家相比有些不同。 沙俊明“川等曾对粉煤灰用于填筑工程及作为混合料的半刚性基层地 基工程特性进行过研究，结果表明粉煤灰具有良好的物理力学性能， 并具有一定的自硬作用，其承载力优于天然软土地基。将粉煤灰掺入 水泥土和石灰土中制成的粉煤灰混合料是一种较好的结构填方材料， 具有刚性板体结构力学性能、抗崩解和抗软化性能，是良好的水硬性 材料，具有较高的地基承载力和较小的地基变形工程特性，可代替传 统的水泥土、石灰土和粉料用以铺筑路面下的基层。天津大学水利系 吴崇礼等“2 1 用粉煤灰进行加速填土固结过程可行研究，用粉煤灰混合 吹填，降低了土的压缩性，固结系数提高了3 - 4 倍，并且土的抗剪强度 随固结速率的加大而迅速提高。陆震亚“3 1 的研究成果也表明粉煤灰混 凝土复合地基具有承载力大、建筑物沉降小、造价经济、施工方便等 优点。但是，在我国对粉煤灰的工程应用还没有完整的工程数据，粉 煤灰也未作为常用建筑材料，目前利用率还不到4 0 ，因而有必要对 粉煤灰的利用进行深入细致的研究。 尽管粉煤灰在建材、市政建设中用于建筑地基填料等，但其用量 远小于燃煤电厂的实际排除量，因而需解决大量粉煤灰的贮存问题。 灰渣的贮放有两种方式“”1 ，( 1 ) 干法贮放，采用干贮灰系统，适当 加水搅拌，形成含水量为5 2 0 的湿灰，用自卸载重车、皮带机运至 贮灰场，经推土机推平，用振动平碾、振动压路机或气胎碾碾压。干 贮灰场一次投资较少，可以更有效地利用贮灰场的面积和容量，贮灰 用水量少，有利于水质污染的控制，灰场贮满后场地利用较方便。但 噪声污染与飞尘污染问题不易解决，灰场的运行成本较高；( 2 ) 湿法 贮放，将从锅炉排出来的灰渣用水稀释，形成灰浆，以前均为稀浆， 灰水比为1 ：1 2 1 ：1 5 ，用泵压送。新建电厂大多数改为浓浆，灰水 比为l ；2 一l ：2 5 ，用马尔斯泵压送，灰浆通过管道送至贮灰场，排 2 绪论 放在灰库中。湿法贮放运行简单，无噪声污染，输送过程的扬灰污染 易解决。但贮灰场一次投资较高，渗漏和水质污染问题不易解决。 在我国，一般在山谷、平原、江湖河海滩地、矿坑塌陷区修建灰 场贮放灰渣。其中山谷灰场具有容量大、扬灰污染小的优点，因而被 广泛选用。但山谷灰场需建造高坝才能获得足够的库容以满足贮灰年 限和调节洪水的要求。一次建成高坝在经济上显然不合理，因而我国 创造性地发展了灰渣筑坝技术。 灰渣筑坝通常采用分期筑坝。先使用当地材料建成初期坝，贮满 灰后在坝前沉积的灰渣层上用灰渣或当地土石料建成子坝继续贮灰， 分期逐级加高至最终坝高。分期加高子坝必须考虑以下几个因素，1 短期稳定性( 建造期间和建造后期) ；2 长期稳定性；3 项目投资。就 项目投资而言，粉煤灰作加高子坝材料，单就相对增长贮灰容量来说， 就具有相当明显的经济效益。一般分期筑坝可以节省投资4 0 6 0 。 灰渣坝与挡水坝有以下区别：1 、挡水坝的主要目的是蓄水以综 合利用，挡灰坝的主要目的是贮灰，并不是要把灰渣沉积层孔隙中的 水也全部贮存起来，应将灰渣沉积层与挡灰坝当作整体来考虑，利用 挡灰坝及灰渣沉积层本身的强度来达到挡灰的目的，因而应尽量降低 灰渣沉积层中的浸润面，设法促使灰渣孔隙中的水排出，加速灰渣的 固结，从而充分利用灰渣本身的强度，特别是非饱和状态灰渣的强度， 以减少挡灰坝的工程量；2 、挡水坝一般是一次建成，挡灰坝往往可以 分级建成，这样可以大大减少坝体工程量；3 、挡水坝的使用年限长， 挡灰坝的使用年限短。几年或十几年就贮满废置，个别大型贮灰场也 只有数十年的使用寿命。因而挡灰坝的设计要求标准可以较低；4 、 挡水坝一般用当地天然材料或人造材料筑成，而挡灰坝，特别是分级 筑坝时的子坝可以用灰渣本身筑成；5 、挡水坝一般建造在径流丰富的 河流上，大都为年调节或多年调节水库，首先必须满足拦阻洪峰与泄 洪要求，而挡灰坝一般应建造在地表径流小的地区，蓄洪泄洪要求低； 6 、挡水坝上游面一般来说长期承受水的作用，而挡灰坝，若设计合理 并运行得当，挡灰坝前都存在一定长度的干滩面，只有再蓄洪或运行 需要时，直接承受水的作用，即使如此，一般也不会发生上游水位骤 四川大学硕士学位论文 降的现象。 分期加高子坝的方法主要有上游法、中游法，下游法n ”1 。采用 上游法加高子坝，比较经济、合理，技术上也可行。下游法在国外的 工程中也有采用，如英国的d e v i l sd i n g l e 灰坝，最终坝高6 6 m ， 初期坝用粘性土筑坝，坝体内设排水层。上游用碎石护面，下游用压 实的粉煤灰填筑。上游坝趾有堆石棱体，从而降低了浸润线。尽管国 内灰坝用粉煤灰作子坝筑坝材料已取得了成功的经验，但设计参数和 计算理论仍在探索研究阶段，还没有形成严格的设计规范。国内外也 出现过灰坝失事事故，如波兰l o w e r - s i l e s i a 地区a a l b r z y c h 灰场二 级子坝用压实灰渣及细粒煤矿废料筑成，未设反滤层，坝面用碎石渣 覆盖保护，当排水池水面直接与二级子坝上游坡接触，水位增高时， 坝体细粒进入排水管，导致管涌破坏。 无论粉煤灰是作为建筑材料还是筑坝材料，首先必须对粉煤灰的 物理力学特性进行全面系统的认识。由于粉煤灰属砂性土，因而对于 粉煤灰的动力特性的研究一直是广大研究人员所关注的心”圳。此外对 粉煤灰的基本性质及常规试验条件下的力学特性，也有了比较深入的 探讨研究n ”2 ”。刘风德伫”研究了龄期对粉煤灰的影响，发现粉煤灰有 良好的压实性，他与灰料含水量、铺土厚度、碾压机具、碾压遍数等 有关。李美琦等们对粉煤灰的沉积规律及物理力学特性的影响作过研 究。 1 2 粉煤灰的渗流稳定分析 挡灰坝的分级填筑、灰库分级充填，整个筑坝、冲灰的循环过程 就是贮灰场的运行过程，一旦最后一级子坝填筑到顶，灰库也就行将 关闭，结束运行。对灰坝而言，它是一个灰水位缓慢上升的非稳定渗 流过程。冲灰过程中灰水蜿蜒流动、暴雨季节洪水的突来骤降等因素 决定了灰场渗流稳定状态是非稳定的。但不同于一般的土石挡水坝， 灰场的非稳定渗流不会造成灰坝上游坡发生渗流冲刷和坝坡反渗失稳 现象。即非稳定渗流这种控制挡水土石坝上游坡稳定的不利状态，对 于贮灰库不存在的。 4 灰库运行过程中不利的渗流状态，丁家平”认为，类似于挡水土 石坝，上游水位和下游最低水位组合下的稳定渗流状态，对下游坝坡 是最不利的渗流状态。对灰库而言，是发生某一级子坝填筑到设计高 程，并冲灰满库，而高一级子坝尚未填筑这段时间。若此时的灰面全 部被水覆盖，没有干滩面，则是最危险的。所以，同挡水土石坝，用 最高上游水位和最低下游水位、干滩长度为零的组合工况下的稳定渗 流来模拟是偏于安全的，可以起到控制作用。 以管涌、流土、渗流冲刷和接触冲刷为主的渗流破坏，是引起土 石坝工程事故和工程破坏的重要原因m j 。大量历史事件表明：各国土 石坝工程破坏事件中，由于渗流管涌引起的占4 8 m 】。在我国，渗流 破坏类工程事故约占3 0 。粉煤灰坝为透水挡灰的土石坝，通过合理 的设置反滤设施和控制坝体的渗流，达到煤灰渣的收集和贮存目的， 2 0 世纪8 0 年代以来广泛应用于我国火力发电厂。由于粉煤灰的颗粒 级配与渗流特征“”，决定了在利用其筑坝过程中，渗流的控制的重要 性等同于荷载稳定的处理。 由粉煤灰的特性可知，自然沉积的库灰大都处于饱和疏松状态， 该状态下的粉煤灰在静力和振动作用下极易发生液化，导致抗剪强度 大大降低。而非饱和粉煤灰的抗剪强度远高于饱和状态下的。所以， 为满足贮灰场的整体稳定和挡灰坝的局部稳定，以防止液化发生，必 须让贮灰库尽可能大的范围内形成非饱和区，还必须避免予坝的下游 坝坡出现渗出段。此外，粉煤灰的l 临界坡降和破坏坡降般都很小， 很容易发生流土、管涌型渗透变形，所以搞好排渗设施的疏通、反滤， 以及渗流出口，特别是用灰渣填筑子坝的渗流出口的保护。今年来， 随着国民经济的高速发展，火电厂规模越来越大，要求贮灰场的库容 随之增大，灰坝相应增高。灰坝若失事，损失将十分惨重。 1 9 8 3 年5 月3 1 日凌晨四时，景德镇电厂灰场溃坝，2 0 余万m 3 灰水从副坝倾泻而出，大量灰水流进位于昌江边的自来水厂沉淀池， 淹没农田4 0 余亩。水厂停水3 天，电厂停机1 5 天，景德镇大部分工 厂停工。又如，1 9 8 5 年5 月2 0 日凌晨3 时l o 分榆树川电厂长9 0 m 的 灰坝溃开一个6 5 m 宽的缺口，3 0 分钟内，竣工6 年所存的5 5 万m 3 四川大学硕七学位论文 灰水混合物，由3 0 4 0 万m 3 从溃口冲出，涌向布尔哈通河，“洪峰” 高达5 m 。灰浆淹没了灌渠和下游大遍稻田，煤灰淤积l m 多厚，冲垮 了5 座拦河坝，污染了河水，影响延吉市市民的用水。灰水下泄淹死 3 人由于灰水进入了循环水，运行的三台发电机组停了2 台，出电 由5 万k w 降到2 万k w 。据不完全统计，建国以来灰场溃坝事故已有 十多起。除上述两起外，主要有：贵阳电厂( 1 9 8 0 年l o 月4 日l o ： 5 5 ) 、乐平电厂( 1 9 8 2 年8 月5 日1 0 ：0 0 ) 、江油电厂( 1 9 8 4 年6 月 2 8 日5 ：0 0 ) 、户县电厂( 1 9 8 5 年5 月1 7 日8 ：3 0 ) 、霍县电厂、淮北 电厂、青山电厂、松木坪电厂等。 灰场溃坝的原因是多方面的。结构设计不合理、施工质量没保证、 运行管理不善等都有可能造成灰坝失事。但渗流问题，如排渗设施堵 塞失效、排渗管漏水、渗流出口没有保护好、坝顶溢流等问题处理不 妥是造成灰场失事的主要原因 3 4 1 。 1 3 本文的研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 一 本论文在以往的研究成果的基础上，从本构粉煤灰的基本物理力 学性质出发，充分考虑粉煤灰在不同应力路径下的应力。应变特性；目 前在国内外就土的超固结比、不同剪切速率对其应力应变特性的影响 少有报道，本文在此方面做了更深入的研究；并通过数值分析对灰坝 加高工程进行了渗流稳定分析，具体的研究内容主要有： ( 1 ) 粉煤灰在不同应力路径下三轴试验； ( 2 ) 不同超固结比下粉煤灰的三轴试验； ( 3 ) 不同剪切速率下粉煤灰的三轴试验； ( 4 ) 在前面三项研究的基础上，从弹塑性理论出发，建立粉煤灰 的弹塑性本构模型： ( 5 ) 结合实际工程，对粉煤灰的子坝加高工程进行渗流稳定分 析，供类似灰坝加高工程参考。 6 1 3 2 技术路线 根据本文的主要研究内容，拟采用以下技术路线，实现本文研究 工作的圆满完成。 ( 1 ) 粉煤灰的基本物理、力学特性的试验研究 测定了粉煤灰的化学成分、沉积分布规律、比重、液塑限、击实 特性、压缩特性、渗透特性。 ( 2 ) 粉煤灰的应力应变关系试验研究 在以上试验、前人宏、微观试验和理论研究的基础上，对粉煤灰 的应力应变关系进行了系统的总结、发展和完善，采用理论分析和 试验研究相结合的方法，进行了两种应力路径( c r 3 = 常数，p = 常数) 的常规三轴试验( 非饱和固结排水，饱和固结排水剪) 、不同超固结比 的三轴试验( o c r = i 、2 、3 、4 ) 、不同剪切速率的三轴试验( 剪切速 率为0 8 2 8 m m m i n 、0 1 6 6m m m i n 、0 0 3 3m m m i n 、o 0 0 6m m m i n ) 、 高围压下粉煤灰的三轴试验研究。 ( 3 ) 粉煤灰本构模型的研究 在前两项试验研究的基础上，应用弹塑性理论的相关知识，更深 入的研究粉煤灰e 一z ，k g 模型的各种参数，为实际工程中粉煤灰 筑坝的设计、计算提供理论依据。 ( 4 ) 粉煤灰坝加高工程的渗流，稳定分析 。 针对目前粉煤灰坝失事大部分都是由渗流问题引起，本文结合江 油发电厂二灰场第五级子坝加高工程，对其进行二维的渗流、稳定分 析，为此灰坝防渗设施的布置提供理论依据。 1 4 本文的研究意义和目的 本文在系统研究粉煤灰的基本物理、力学特性基础上，参考成都 科大k g 模型，通过多组三轴试验，考察了不同超固结比、剪切速率 等多种影响因素下粉煤灰的应力应变关系特征，以及粉煤灰在高围 压下的应力应变关系。并对江油电厂二灰场贮灰坝的第五级子坝加 高工程进行渗流稳定分析。对此电厂的灰坝加高工程进行安全评价。 为类似的灰坝加高工程提供理论依据，供类似灰坝加高工程参考。 7 四川大学硬士学位论文 2 粉煤灰的物理力学性质 2 1 粉煤灰的物理特性 2 1 1 粉煤灰的化学成分 粉煤灰中的主要化学成分为硅、铝和铁的氧化物，其次为钙、镁、 硫以及未燃烧的碳。钾、钠的含量都较低。在这些成分中钙常与硅、 铝相结合而发生凝聚作甩，提高粉煤灰的强度和压缩性。未燃烧的碳 会提高粉煤灰的最优含水量和降低最大干容重，并减弱凝硬作用【2 副。 各电厂主要化学成分如表2 1 所示。 表2 - !粉煤灰的化学成分和物理性质 电厂 灰样 主要化学成分( 颗粒液限塑限塑性 名称类别s i 0 2 i 。o 。f e 0 0 3c a o比重 ( ) ( )指数 北京水灰 4 1 53 2 11 2 47 12 4 04 93 9l o 高井干灰 4 8 7 3 6 5 7 o3 22 1 l 4 63 f i l l 河北 水灰5 5 22 0 41 0 96 02 3 24 94 72 下花园 江苏 5 0 12 9 26 33 72 1 l4 84 2 6 天生港 四川 6 1 9 42 2 64 0 6 3 8 7 2 0 5 江油 美国 4 8 72 9 33 67 8 内凡乔 意大利 4 6 03 4 53 ，57 。02 2 83 93 63 西班牙 4 4 61 7 98 82 2 赛席 江油发电厂粉煤灰中s i o ：含量较其他电厂的含量高，由于s i o ：、 a 1 。0 。通常以偏高岭土和高岭土矿物形式存在，细颗粒本身为蜂窝结构， 从而使粉煤灰具有较高的持水性。另外灰渣的主要化学成分与膨胀土 粉煤灰的物理力学性质 的主要化学成分相似，使粉煤灰具有较大的膨胀性，当土样饱和后， 要发生体积膨胀”。 2 1 2 沉积规律 湿法贮灰的灰场沉积滩面上灰的颗粒分布规律一般与灰浆冲填 流量、浓度、比重、颗粒组成等因素有关，并且在很大程度上与冲填 筑坝工艺有关口”。粉煤灰的沉积分布规律为：离排灰口愈近，沉积的 颗粒愈粗；离排灰口愈远，灰渣愈细，颗粒愈均匀。在滩面上还有明 显的沉积层理。 2 1 3 颖粒级配 对江油电厂4 组灰样分别采用比重计法和筛分法联合测定，进 行颗粒分析。综合成果级配曲线见图2 - 1 ，4 组库灰样颗粒大小组成级 配曲线的综合成果见表2 - 2 。 ：卜o q 二i i j l 、 i n n j n i 卜“一 l o 图2 1 粉煤灰级配曲线 9 0 o l0 0 0 l 土粒直径( m m ) 阳加m o lj6一裁求_垦蝌州n搿矧球巾、， 四川大学硕士学位论文 表2 - 2 江油电厂粉煤灰土粒大小组成综合成果 粒绍 不均匀 曲率 。 2 0 0 7 5 系数系数分类定名 j 拌i 0 0 7 50 0 0 50 0 0 5 qe i 号6 4 83 1 o 2 08 61 1 l粉土质砂( s m ) 2 号6 3 33 1 91 61 0 o1 4 3粉土质砂( s m ) 3 号5 7 63 7 9 2 18 41 0 3粉土质砂( s m ) 4 号6 2 53 2 41 69 91 3 0粉土质砂( s m ) 平均 6 2 13 3 31 89 21 2 2 粉土质砂( s m ) 表2 - 3 各电厂粉煤灰颗粒大小组成比较 粒组 。m ) 砂粒粉粒粘粒 分类定名 詹厂 2 0 0 50 0 5 o 0 0 5 o 0 0 5 昆明电厂 6 6 o 3 0 o3 5粉土质砂( s m ) 重庆电厂 5 1 54 4 73 8含砂的高液限粉土( m h s ) 白马电厂 9 6 03 2o 8粉土质砂( s m ) 豆坝电厂7 5 ，02 4 0l0含砂的中液限粉土( m i s ) 清镇电厂 4 2 85 4 13 1含砂的高液限粉土( m h s ) 攀钢电厂 4 5 75 1 3 3 0含砂的高液限粉土( 姗s ) 江油l 号 7 2 92 2 92 ，o粉土质砂( s m ) 4 组库灰样的颗粒大小综合成果表明，砂粒( 2 0 0 7 5 m m ) 占 6 2 1 ，粉粒( 0 0 7 5 0 0 0 5 m m ) 占3 3 3 ，粘粒( 0 0 0 5 m m ) 占 1 8 ，土的不均匀系数c 1 为9 2 ，曲率系数c c 为1 2 2 。按土工试验 规程盯定名为粉土质砂( s m ) 。 江油发电厂库灰样的颗粒大小组成与其它发电厂粉煤灰相比较见 表2 - 3 。 1 0 粉煤灰的物理力学性质 从表2 - 3 可以看出，江油发电厂粉煤灰属偏粗类，比省内外其它 发电厂( 除白马电厂和豆坝电厂) 粉煤灰的砂粒含量高，与豆坝电厂 粉煤灰的颗粒大小组成接近。 2 1 4 比重、相对密度及液、塑限 2 1 4 1 比重 土粒的比重是土粒在温度1 0 0 1 0 5 下，烘至恒温时的质量与 同体积4 c 时纯水质量的比值。根据土工试验规程，土的比重测试方 法有比重瓶法、浮称法和虹吸法。本文采用比重瓶法测定灰样的比重， 将烘干土1 2 9 装入5 0 m l 烘干的比重瓶中，注蒸馏水至瓶的一半处，将 瓶放在砂浴上煮沸不少于3 0 分钟，再将事先煮沸并冷却的蒸馏水注入 比重瓶至近满，塞好瓶塞，根据其重量和温度算出土粒比重，平行四 组( 每组5 个样) 测定后取其平均值。4 组粉煤灰土粒比重g 分别为 2 0 5 t 、2 0 4 4 、2 0 5 0 、2 0 4 5 ，取其平均值，得粉煤灰比重为2 0 5 。 根据常规，砂土平均比重为2 6 5 ，轻亚粘土2 7 0 ，亚粘土2 7 l ，秸 土2 7 4 。可以看出，粉煤灰比重较小，说明粉煤灰质轻。这是由于粉 煤灰颗粒内呈蜂窝结构。同时，粉煤灰中含有残煤( 比重1 3 ) 也是 粉煤灰比重较小的一个因素。残煤的含量越少，粉煤灰比重越大口” 灰粒比重一股介于2 卜2 5 之间，随着f e ：0 ，含量的增加而增加， 如表2 一l 所示。江油发电厂粉煤灰的土粒比重较其它发电厂粉煤灰的 土粒比重值偏低较多。其它发电厂粉煤灰的土粒比重值为，昆明2 3 4 、 重庆2 4 7 、白马2 3 3 ，豆坝2 7 4 、清镇2 3 5 。 2 1 4 2 相对密度 用漏斗法和振打法分别求取灰样的最小和最大干容重取代表 性烘干灰样约1 5 k g ，碾散并拌和均匀，然后称取7 0 0 9 缓慢均匀分布 地落入量筒中，用砂面拂平器拂平后读数计算最大孔隙比。再取代表 性土样4 k g 碾散并拌和均匀，分层倒入容器，用振动叉敲打容器两侧， 同时用击锤锤击砂层，直至砂样体积不变。然后称重，计算最小孔隙 比。试验结果如表2 - 4 。通过试验结果计算得出的粉煤灰的相对密度 四川大学硕士学位论文 为3 9 1 。 表2 - 4 相对密度试验成果表 l 警 最大干容重 最小千容重最大孔隙比最小孔隙比i l k n m k n m 3e 1 e i i l 2 0 51 0 37 11 2 3 l 0 6 5 2 i 2 1 4 3 液，塑限 粉煤灰基本属于无粘性土，其液、塑限不易正确测定，更不能根 据此来粗估它的力学性质。因此一般较少进行这种试验。不过从液、 塑限都比较大，而塑性指数却很小的特点来看( 见表2 一1 ) ，可以间接 说明灰粒本身孔隙中储存着不起增塑作用的水分。从另一个方面证实 了电子显微镜所显示的灰粒多孔特性。 2 。2 粉煤灰的力学性质 2 2 1 击实特性 击实试验是测定土的干密度和含水量的关系，从而确定最大干密 度和相应的最优含水量。结合现场的碾压功能，室内采用重型标准击 实，确定压实状态下粉煤灰的相应最大干密度及最优含水率。击实仪 筒径1 5 0 m m ，高1 2 0 m m ，落锤重4 5 k g ，落距4 5 c m 。土样分三层击实， 每层4 3 击，单位体积击实功2 7 4 0 k j m 3 。 4 组试样含水率约从1 5 4 0 逐级增大，平行进行8 个试样不 同含水率的击实，以研究确定相同击实功能下，粉煤灰的击实干密度 与含水率的关系。重型击实试验成果即成国关系曲线如图2 1 2 4 所示。 重型击实功能下，4 组粉煤灰的最大干密度成一分别为0 9 8 3 、 0 9 7 9 、0 9 8 l 、0 9 8 1 ，最优含水率纯分别为2 9 5 、3 1 o 、2 8 o 、 2 9 4 。平均最大干密度岛。= o 9 8 9 c m 3 ，最优含水率纬= 3 0 0 1 2 堡堡壅塑塑里塑兰堂璺 f 、o ，9 9 越o 9 8 髑| h _ 0 9 7 0 9 6 0 9 5 o 9 4 0 9 6 0 9 5 0 9 4 1 4 2 22 63 0 图2 - 1 探坑1 号粉煤灰风珊关系曲线 3 43 8 含水率( ) 2 0 2 4 2 83 23 64 0 含水率“( ) 围2 - 2 探坑2 号粉煤灰风舡，关系曲线 吩 孵 0 o o 一乍。一趟协中 四川大学硕士学位论文 0 9 7 0 9 6 0 9 5 露0 9 9 蜊0 9 8 懈 h _ 0 9 7 o 9 6 o 9 5 0 9 4 1 42 2z 63 03 43 8 含水率口( ) 图2 - 3 探坑3 号粉煤灰p , j 一国关系曲线 2 22 63 03 43 8 含水率“( i i ) 图2 - 4 探坑4 号粉煤灰风一街关系曲线 考虑到现场施工碾压与室内击实条件的差异，压实系数取为 0 9 7 ，同时为便于比较，另定压实系数分别为0 9 5 、0 9 2 。即筑坝灰 1 4 g ； g o o 一，u、一巡怖巾 粉煤灰的物理力学性质 的试样控制条件如下： 筑坝灰一：干密度庙= o 9 5 9 c m 3 ，含水率c o = 3 0 o 。 筑坝灰二；干密度成= 0 9 3 9 c m 3 ，含水率国= 3 0 o 。 筑坝灰三：干密度肪= 0 9 0 9 c m 3 ，含水率0 7 = 3 0 0 。 粉煤灰的击实特性与粘性土不同，具有典型的非粘性土特性，在 含水量1 8 3 5 范围内可获得理想的压实密度，表明粉煤灰击实密度 对含水量不是很敏感。确定最优含水量为彩= 3 0 o ，最大干密度为 几。= 0 9 8 9 c m 3 。考虑现场机械与室内击实条件的差异，压实系数取为 o 9 7 。 2 2 2 压缩特性 土的压缩变形与其他材料如钢铁、混凝土、砖石等相比，要复杂 得多。”。其复杂性主要表现在土的变形除弹性变形外，还有以下几个 方面： ( 1 ) 土是三相物质的组合体。在工程实际中，土体受到的压力较小 时，土粒和水的压缩量极小( 不到土体压缩量的1 4 0 0 ) ，土体变形主 要反映在水和气所占据的孔隙体积的变化，土体的变化是与孔隙比的 变化相一致的。 ( 2 ) 对于饱和土，由于压缩时孔隙水的排出，变相又受到土的渗透 性和孔隙水排出时间长短的影响。 ( 3 ) 土中水分子与固态物质间结合水的存在，使细粒土具有粘滞 性，形成粘滞流动变形。 ( 4 ) 土体的压缩变形是由于压力引起，但又受到应力历史的影响。 当土体所受压力小于先期固结压力p c 时，土的压缩性必然小于压力大 于p c 时。 土的压缩性取决于组成土体各部分的变形特征及其结构状态、受 到的约束条件、应力变化方式等影响。粉煤灰属于粉质土，灰体本身 呈蜂窝结构，但颗粒本身变形很小。压缩时颗粒内部的水气不易排出， 所以尽管粉煤灰的比重较小，但其压缩性不是很大。 采用单向固结仪进行非饱和及饱和状态下库灰的压缩试验，最大 四川大学硕士学位论文 压力加至6 0 0 k p a ，加压荷载为5 0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 k p a ，每级荷 载施加1 2 小时后加下一级荷载。 筑坝灰在非饱和及饱和状态下的压缩试验成果详见表2 - 5 。压缩 成果表明：筑坝灰一非饱和状态下压缩系数q 一：= 0 1 i m p a 、压缩模量 巨1 4 = 1 9 6 2 m p a ，饱和状态下q 2 = 0 1 4 m p a 、= 1 5 4 1 m p a ，属中 等压缩性土；筑坝灰二非饱和状态下n i 一2 = 0 1 3 m p a 、e 1 2 = 1 6 ，8 9 m p a ， 饱和状态下q t = 0 1 6 m p a 一、e i 2 = 1 4 0 5 m p a ，属中等压缩性土；筑坝 灰三非饱和状态下q - 2 = 0 1 5 m p a 一、最= 1 5 3 3 m p a ，饱和状态下q = 0 1 7 m p a 一、最。= 1 3 4 0 m p a ，属中等压缩性土。以上判别以压缩系数q 一2 为依据。 表2 - 5 库灰压缩试验成果 压缩模量 压缩系数 灰样压力 e l 。( m p a ) a ( m p a 一。) 备注 非饱和饱和非饱和饱和 0 - 5 05 1 44 6 9o 4 20 4 6 5 0 - 1 0 01 5 4 18 9 90 1 40 2 4 岛卸9 5 9 c m 3 筑坝 1 0 0 - 2 0 01 9 6 21 5 4 l0 1 lo 1 4国= 3 0 o 灰一 2 0 0 - 3 0 02 3 9 82 0 6 2o 0 90 1 0 = 1 1 5 8 3 0 0 - 4 0 03 1 9 82 8 9 80 0 70 0 7 0 - 5 0 4 34 2 50 5 lo 5 2 5 0 - 1 0 01 2 81 0 1 9 o 1 7o 2 2 风= o 9 3 9 c m 3 筑坝 1 0 0 - 2 0 0 1 6 8 9 1 4 0 5o 1 3o 1 6= 3 0 o 灰= 2 0 0 - 3 0 02 1 1 51 8 5 5 0 1 0o 1 2 = ! 2 0 4 3 0 0 - 4 0 02 8 7 52 3 7 5o 0 8o 0 9 0 - 5 04 0 7 3 8 0 0 ，5 6 o 6 0 5 0 - 1 0 01 1 3 91 1 9 9 0 2 0o 1 9 矶= o ，9 0 9 e m 3 筑坝 1 0 0 - 2 0 01 5 3 31 3 4 0o 1 5o 1 7= 3 0 o 灰三 2 0 0 - 3 0 0 1 8 9 81 7 5 20 1 20 1 3 = 1 2 7 8 3 0 0 - 4 0 0 2 5 4 82 2 7 80 0 9o 1 0 1 6 粉煤灰的物理力学性质 2 2 3 渗透特性 土的渗透性、变形和强度之间有密切的联系，三者由有效应力原 理联系。用有效应力原理研究土的强度和稳定性时，土的孔隙压力消 散和有效应力的变化控制着土体强度随时间的变化，而孔隙力消散度 又取决于土的渗透性、压缩性和排水条件。 粉煤灰的渗透系数k 约为1 0 1 0 c m s ，国内大多数灰的渗透 系数为1 0 1 c m s 由于它们的透水性相对较大，特别是灰体堆高很慢， 因此由于上部堆灰荷重在灰体内引起的孔隙压力很快消散殆尽，完全 忽略不计”，从而大大简化灰体静力抗剪强度的确定。 湿法贮灰和干法贮灰相比，前者的渗透性具有明显的各向异性和 不均匀性。各向异性归因于成层结构，不均匀性由分选性所致。灰体 渗透性的各向异性会影响灰体浸润线位置，从而影响灰体的稳定性。 仅有少数资料表明，灰体的水平向与垂直向k 值之比约为2 6 ，迄今 尚无精确估算方法。 粉煤灰的干密度不同，渗透系数有细微变化。做了3 中不同干密 度的渗透试验，分别为岛= o 9 5 9 e r a 3 ；岛= o 9 3 9 e r a a ；岛= 0 9 0 9 c m 3 ，结 果见表2 6 。从试验结果可以看出：粉煤灰的干密度越小，渗透系数 越大，临界坡降越小。 表2 - 6 粉煤灰渗透试验结果 芝 0 9 5 0 9 30 9 0 参数 渗透系数k ( c m s ) 2 0 0 1 0 。2 5 1 1 0 。3 2 5 1 0 一 临界坡降 0 4 9o 4 80 4 6 粉煤灰为细粒土，故其渗透破坏形式主要为流土，本文以下式来 确定临界坡降，即 = 等= 砉 ( 2 1 ) 四川大学硕士学位论文 式中：g l 一一土粒比重； y 一土体有效重度1 0 一； e 一一土的孔隙比； 一一水的重度 2 。3 小结 粉煤灰属于极细的粉土质砂，s i o ：、a 1 ：0 。的含量较高，具有较 高的持水性。颗粒级配与离放灰口的距离和深度有关。粉煤灰比重小， 自然沉积的干容重低。 粉煤灰具有良好的击实特性，最大