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1、第卷年第期月岩土工程学报,夕,粉煤灰的动剪切模量曾国熙顾尧章吴建乎浙江大学,杭 州提要笔者在 自振柱仪上研究了国内三个电厂的粉煤灰动剪切模量特性。研究结果发现动剪切模量随周围有效应力的增加而增加,随孔隙比的增加而减少。颗粒的尺寸、级配和表面形状也将影响剪切模量值。饱和度的变化将导致动剪切模量的改变。通过比较还发现在相同相对密度的条件下,粉煤灰的动剪切模量约为砂土动剪切模量的。根据比较的结果我们认为,粉煤灰很有可能成为较好的地基隔震材料。一、前】书 两我国的电力工业在近几年里得到很大发展,为各行各业的生产和建设提供 了强大的动力资源。但是随之也带来一个问题,这些电厂每年要排出数以万吨计的粉煤灰,
2、如处理不当,将对周围环境造成严重污染。目前我国许多电厂的大部分粉煤灰被堆积在贮灰场里,这当然是一种减少环境污染的方法。但是根据西方某些国家的经验和我国一些地区的研究结果,粉煤灰及粉煤灰与其它材料的混合物可以作为较好的地基材料。一“,较早把粉煤灰用作工程材料的是英国和法国。在六十年代后期,这两个国家的粉煤灰工程利用率已达总产量的。在欧州和美国,粉煤灰主要被用作构筑物 的填料、高速公路路堤、道路路基、轻质回填材料等。”如能把大量的粉煤灰用作地基材料或构筑物回填料,不仅可以减少环境污染,少占堆积地面还可以节省大量的工程材料和人力、财力。要能安全、可靠地使用一种工程材料,必须 了解它的物理、化学性质和
3、工程力学性质。而对某种材料性质的每一点新发现又往往会导致它新的和更广泛的工程应用。与砂、土相比,粉煤灰作为地基材料的历史毕竟还不长,因而人们对它的认识和应用都还不多。有人 曾作过总结“利用粉煤灰作构筑物的回填材料,格雷、林、,和迪吉艾等,在使用和施工方面已经作了广泛的研究,关于粉煤灰的静力强度和特性指数,许多文章提供了有用 的资料但是,有关粉煤灰动力特性方面的 文章非 常少”飞闭根据笔者搜集到的资料来看,国内外目前对粉煤灰的研究主要进行了以下几方面的工作一叽 陆震亚,李永安,。郭佩玖、徐宏达,汪闻韶、何昌荣,电厂废渣粉煤灰在建筑 地基中的应 用粉煤 灰桩 复合地基,粉煤灰应力一应变 与强度初探
4、,一第四届 土力学会议论文,武汉,第四届上力学会 议 论文,武汉,。一种粉煤灰 的液化试验,第四届 土 力学会 议 论文,武汉,岩土工程导匀 自年表颐粒组成。限制粒径。有效粒径,。灰名三种粉裸灰的。 蔗 了” 买” 。 买” 扭均匀系数。,。徐州灰。谏壁灰。阂行灰。基一一一一的一限裹试验液限材料塑本特性塑性指数 最大孔隙比最小孔隙比徐州灰。谏 壁灰。阂行 灰。一注做塑限试 验时,不 易搓条,采用钢尺代手搓条自振柱仪。该仪器采用微电子计算机控制试验、处理数据,同时采用测自由振动须率的方法代替共振柱测共振频率的方法,因而它比共振柱更节省时间,更少受先期预振动的影响,功丁丁 闷一日口口 援援讨算视视
5、试验机加速 度扶收寻统一一一 召 计算机杀统图自振柱系统简图能更强。图是整个系统的示意图,它可以粗略地分为以下四个部分计算机系统包括磁带记录器和行式打印机,是整个系统的大脑中枢。试验时,微计算机根据程序指令控制驱动系统在试样顶端施加扭力。在达到预定的扭矩以后,突然切断电源,让试样 作自由振动。接着对由加速度接收系统采集到的信号进行贮存、处理,最后在行式打印机上输出一系列与剪应变相对应的动剪切模量和阻尼比。驱动系统主要功能是根据指令在试样顶端施加扭矩。加速度接收系统主要功能是采集试样顶端的加速度运动信号。试验主机外形 同斯托克型的共振柱试验主机一样。它可以按需要在试样上施加不 同的周围压力。试样
6、的底端连接在主机的底座上,属固定端。顶端是自由的,上面附有一个驱动盘,呈十字型,用以在试样上施加扭矩。在试样成型以前,粉煤灰先按预定的含水量充分拌和,然后密封在塑料袋里,放人干燥器内静置小时以上,以使粉煤灰 均匀湿润。第期曾国熙等粉煤灰的动剪切模量为了减少扰动,试样成型直接在底座上进行。成型完毕以后,要用真空泵抽气到“左右的负压,以免在脱模和装置仪器过程中发生扰动。一般在加上乞的周围压力后方可撤去真空泵。仪器按装好以后,加上预定的周围压力分钟以后方才进行测试,以便超静孔隙水压力消散。四、试验成果和分析一 粉煤灰的小应变动剪切模特性本文以剪应变,“时的剪切模量为小应变动剪切模量“,。图是谏壁粉煤
7、灰在风干状态下的小应变动剪切模量。随孔隙比和周围有效应力。变化的试验结果。徐州灰、阂行灰呈现出与谏璧灰一致的变化规律。图中表明在相同的条件下,口。随。的增加而增加在相同瓦的条件下,随。的增加而下降。将试验结果按。归一。,然后进行最小二乘法拟合,见图,可得出如下形式的经验公式。二二丁一一,、。一,尹气一二一万十匕式中可取。随粉煤灰颗粒的表面形状、级配和颗粒尺寸而变,由试验测定。从表看出,徐州、谏壁和阂行三种灰,由于颗粒尺寸、级配和表面形状的不同,值也差别很大。定性地可以认为山。和么。越大,值越大颗粒越呈角粒状,值越大。刀 口口夕邵口勿口卯乙朋口口几几一一卜孤赢不一拓拓一一一一一一么一一一茉孺不石
8、,一一问 一一一一一一一一认二二止丫丫 。一下端戒礁,了一一一 一一一一刁一门一一一一气私戒而洲一、件誉、。,。巴影翻咐 享卜一一甲吞。一口峨知日瓦二柳声洲加奋叭、自耳公岛枷咚劝元硼祷忍切期“罗口飞诊七劝。劝孔陈比已图谏壁灰与,几的关系浏脚仁口 刀乙夕关 刀障此图谏壁灰按归一化的一关系二饱和度对动剪切摸的影响吴世明研究了饱和度对细颗粒砂动剪切模量的影响。,典型的试验结果如图所示。为了比较,作者研究了饱和度对粉煤灰动剪切模量的影响,图是其典型的试验结果。从图中可看出在相同饱和度条件下,粉煤灰小应变动剪切模量。随的增加 而增加。在饱和度,等于的地方,。达到峰值。与此峰值相对应的,称为动力最佳饱年表
9、灰名颗粒形状徐州灰多 成 角 粒状谏壁灰部份 角 粒 状阂行灰岩土工程学报参数诬及其影响因案 丁口万懊。二 兰二止竺”圆粒状和度,记为口。试验表明。不随亏而变化。当。时,。随,的增加而增加。当。时,。随的增加而下降。当继续增加,超过一临界饱和度记时,。降到。以下,这从图中可以看到。日日一力 江江立立桨竹伽田丫,石犷邵呱,亡斑才侧山召峋匀洲创勺弋哟以口欢刁不农在口叹口 口夕 饱和度图砂土的口犷,关系引自吴世明图口与,的关系谏壁灰从机理上解释,由于非饱 和粉煤灰中的毛细张力作用,使颗粒间的有效应力增加,从而使粉煤灰的动剪切模量提高。但是当从以后,的可流动水,这层水膜减少了颗粒间的有效应力,尹尹“炸
10、卜气扩扩一,、性性 凡凡凡勺“一氏“,冬、士士绝和度归一化试验结果与经验公式的配合谏壁灰如式。粉煤灰已近乎饱和,颗粒表面聚集了较多因而使口。下降到口。以下。比较图,图,发现砂和粉煤灰两种不同材料的口一关系有些类似。但粉煤灰的动力最佳饱和度。比 砂的要 明显大许多。这可能是由于粉煤灰颗粒表面存在许多微气孔,一部分水进人了气孔后没能产生毛细张力的缘故。将图的试验结果按。归一,可得到图的归一化曲线。由最小二乘法拟合,口与,有以下关系口口。八,式中为干粉煤灰小应变动剪切模哟、心。图量,称饱和度函数,描述饱和度对模量的影响。第期曾国熙等粉煤灰的动剪切模量“。 晋互二。一一兽。,土上了性 、式中、。、均为
11、由试验确定的常数见图中所示。其中可由下式表示。一鱼鱼巴口“将式的饱和度函数代人式,我们就可以计算任一饱和度条件下的小应变动剪模量。三粉煤灰的低密度、低模特性为了比较粉煤灰动剪切模量与砂动剪切模量的差异,笔者用萧山细砂呈角砾状在相同的自振柱仪上进行 了试验并在相对密度为的条件下,对比了萧山细砂与粉煤灰的动剪切模量和孔隙比 见表。裹砂、灰剪切撰、孔陈比对比表。灰。砂灰砂“,。,。阂行灰,。孔一一一一一勺内上,产月口汽一乃“一上一上一上注表中砂、灰 的剪切模量均对应矶二,对比发现,在相 同相对密度刀,的条件下,徐州、谏壁两种灰的动剪切模量约为萧山砂的,阂行灰的动剪切模量约为萧山砂的。但粉煤灰的孔隙比
12、却是萧山砂的倍。粉煤灰的这种低模量、低密度特性对工程隔震很有意义。利奥和桑格里。、一通过声波在液体中传播的模型试验,对影响隔震效果的几个主要因素进行了研究。文章采用传递 比来描述隔震效果。某点隔震后的振幅尸 某点隔震前的振幅。通过研究发现,隔震桩与周围介质的阻抗比越小,隔震效果越好,如图所示。桩,犷,桩介质犷介质岩土工程学报式中桩、厂桩分别表示隔震桩的密度和剪切波波速,相应地,介质的密度和波速。从图中看出,当隔震桩与周围介质的阻抗比为时,澎。年介质、厂介质分别表示周 围隔振后的波幅衰减了一半,令令令、狱、万、久入入才才才才才、硬、获久久万万万少法不不一一叹 了了了了,扣扣时时车车飞飞、 爪口人
13、人不不不不不不一。入入一,找州喇电限扰比工尺图引自利奥、桑格里了。在风干状态下,阻抗比假设把粉煤灰作 为隔震桩,萧山砂为周围介质,利用利奥的研究成果 图,可粗略地估算粉煤灰隔震桩在砂土地墓中的隔震效果。偏保守一些进行估算,以谏壁灰 为隔震桩材料,比重口,由表,当,二时,谏壁灰 的孔隙比,“。萧山砂的比重二,由表,当,二时,孔隙比。,卜“二灰犷灰砂,犷砂但坦鱼丝边生 丫夕 砂砂。从图上可查得,相应阻抗比的传递比约等于。因此,从初步的分析来看,粉煤灰这种工业废料作为隔震材料是较有效果的。五、结论粉煤灰是一种低密度、高孔隙比、表面带有微气孔的无粘性细颗粒材料,它的动剪切模量有以下特点粉煤灰动剪切模量
14、随孔隙比的增加而下降,随周围有效应力的增加而上升。粉煤灰的动剪切模量还受颗粒尺寸,表面形状和级配的影响。千粉煤灰的动剪切模量可由式来估算。饱和度是影响粉煤灰动剪切模量的一个重要因素,大 多数情况下,非饱和粉煤灰的剪切模量比千粉煤灰要高。饱和度对动剪切模量的定量影响可由式来估算。动剪切模量与饱和度、孔隙比的关系均可按。“与进行归一。了在相同相对密度条件下,徐州、谏壁两种灰的动剪切模量约为萧山砂的。阂行灰的动剪切模量约为萧山砂的。粉煤灰 的低模量、低密度特性使粉煤灰有可能成为工程上有实用意义的隔震材料。参考文献,血,红。,第期曾国熙等粉煤灰的动剪切模呈仁【,一,一,主,是笼,中华人民共和国水电部,土工试验规程,一,上、下册,水利电力出版社,顾尧章等,土动力学中的自振柱试验,土木工程学报,年,第期。吴建平,粉煤灰动剪切模量的试验研究,浙江大学硕士学位论文,。曾国熙,正常固结粘土不排水剪切的归一化性状,软土地基学术讨论会论文选集,水利出版社,第一页。,了主一,。,。,。,附录一符号说明下列符号在本文中表示为 动剪切模量。小应变动剪切模量。干粉煤灰小应变动剪切模量,孔隙比。周围有效应力,饱和度。动力最佳饱和度又临界饱和度。忆仑。一劣, ,一之夕班。一夕丫,了,皿王,住王主,五几,住王,王双,王,王了,王主。,五五了扭。皿,血五皿王,王,功。 ,扭,
