粉煤灰場地壓縮模量與標(biāo)貫試驗相關(guān)性研究

＊李鵬 郭果

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司 四川 610034 2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司 貴州 550081）

引言

我國粉煤灰的研究與利用至今已近70年，其作為重要的工業(yè)材料廣泛運用于工程建設(shè)之中，截止至2017年底全國粉煤灰年產(chǎn)量已達6.86億噸[1]。粉煤灰的利用主要包括水泥摻合劑、混凝土添加劑、建材深加工、水利道路填筑料以及土性改良等方面。粉煤灰的綜合利用與經(jīng)濟發(fā)展呈相同走勢，中東部利用率高，尤其上海近幾年來粉煤灰利用率近100%，為全國之首，而西部則利用率相對較低。總體上，全國粉煤灰綜合利用率約為76%，仍有24%的粉煤灰未有效利用。粉煤灰露天堆放對生態(tài)環(huán)境帶來諸多污染，同時占用大量土地，尤其像貴州多山少地省份，土地尤為珍貴，有效利用粉煤灰堆場作為工程建設(shè)場地，充分利用土地資源，便成為工程技術(shù)人員面臨的技術(shù)問題。

作為工程建設(shè)場地，工程區(qū)內(nèi)各類巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)也是關(guān)注重點之一。為此，國內(nèi)相關(guān)專家、學(xué)者對粉煤灰物理力學(xué)性質(zhì)進行了一定研究：馮海寧、龔曉南探討了粉煤灰作為地基處理的換填材料適用性[2]；朱會強通過土工試驗、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[3]；周德全采用鉆探、靜力觸探和十字板剪切試驗相結(jié)合方法，研究了濕排粉煤灰的工程特性[4]；賈尚星用一元線性回歸分析方法，建立的靜力觸探試驗確定粉煤灰地基承載力和變形模量計算公式[5]。但由于粉煤灰不同于一般土體，勘察期間取原狀樣進行固結(jié)試驗往往難度較大。在此，依托某勘察項目，通過室內(nèi)試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，對粉煤灰的壓縮模量進行一定研究，以探討其相關(guān)性，對快速確定深厚粉煤灰建設(shè)場地的物理力學(xué)參數(shù)取值提供一定參考。

1.工程概況及地層巖性

貴州黔桂天能焦化有限責(zé)任公司在2013年利用盤州市柏果鎮(zhèn)鎢珠河灰場作為5萬噸/年苯加氫、12萬噸/年LNG、7萬噸/年己二酸及11萬噸/年尼龍66切片項目的建設(shè)場地。

該灰場始建于1999年，2009年閉庫，儲存粉煤灰約480×104m3?；覉稣嫉孛娣e0.24km2，順沖溝地形由南向北展布，全長870m，由初期壩和四級子壩及排洪系統(tǒng)組成，初期壩和子壩總壩高59.2m。壩內(nèi)堆填粉煤灰最大厚度約60m。閉庫之后，于灰場表面鋪設(shè)厚約10m左右碎塊石夾粉質(zhì)粘土加以覆蓋，以滿足工程場地建設(shè)要求。工程區(qū)地層巖性由上至下依次為：

（1）人工堆積碎塊石夾粉質(zhì)粘土層：分層碾壓回填，厚約10m，碎石含量約占70%，粒徑多在1～5cm之間，呈中密狀。

（2）人工堆積粉煤灰層：為2000年至2009年間盤縣電廠燃燒后堆填于此的粉煤灰，最大厚度約60m，其壓縮模量是本次工作研究重點。

（3）殘坡積粉質(zhì)粘土夾碎石層：位于粉煤灰層下部，多呈硬塑狀，厚度在0～13m之間。

（4）殘坡積層以下為二疊系龍?zhí)督M含煤系砂泥巖層，與北部三疊系飛仙關(guān)地層呈角度不整合接觸。

地下水位埋藏深度位于粉煤灰底部以上約4.0～7.0m。

2.面臨的工程問題

場地內(nèi)構(gòu)筑物雖荷載不大，但部分構(gòu)筑物沉降敏感，因此，確定粉煤灰的壓縮模量，為沉降預(yù)測提供必要的支撐便成為本次工作的重點之一。

為掌握該場地粉煤灰的物理力學(xué)性質(zhì)，鎢珠河灰場共布置勘探鉆孔7個，進行了顆分、常規(guī)物理力學(xué)試驗、固結(jié)試驗、現(xiàn)場標(biāo)貫及剪切波試驗。

3.粉煤灰工程性質(zhì)

(1)粉煤灰化學(xué)成分

對鎢珠河灰場粉煤灰進行化學(xué)分析，主要成分如表1所示。

表1 鎢珠河灰場粉煤灰主要化學(xué)成分表（%）

較其他地區(qū)而言，鎢珠河灰場粉煤灰鐵含量較高、硅含量相當(dāng)，鋁含量較低，同時還含有一定量的鈦、鈣[6]。根據(jù)氧化鈣的含量，灰場內(nèi)粉煤灰屬C級灰。

(2)粉煤灰顆粒級配與液塑限

粉煤灰的物理性質(zhì)中，細度是比較重要的指標(biāo)，它直接影響著粉煤灰的其他性質(zhì)，粉煤灰越細，其活性也越大。粉煤灰的細度影響早期水化反應(yīng)，而化學(xué)成分影響后期的反應(yīng)。顆分試驗及界限含水率如表2、表3所示。

表2 粉煤灰顆粒分析試驗表（%）

表3 粉煤灰界限含水率試驗表（%）

根據(jù)粒徑范圍及界限含水率可知，粉煤灰以粉土為主。良好級配的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的27.8%（約1/4），總體上，灰場內(nèi)粉煤灰的級配并不良好。

(3)粉煤灰滲透性

對粉煤灰取樣進行相應(yīng)的滲透試驗，如表4所示。

表4 粉煤灰滲透試驗表

根據(jù)滲透系數(shù)來看，粉煤灰呈中等透水性，與砂性土接近。

總體上，從顆粒組成及塑性指數(shù)來看，粉煤灰屬粉土類[7]，但從滲透系數(shù)來看，則更傾向于砂性土[8]。

(4)粉煤灰密度、天然含水率及孔隙比

取樣做粉煤灰密度、天然含水率及孔隙比試驗，如表5所示。

表5 粉煤灰常規(guī)物理試驗表

鎢珠河灰場粉煤灰平均天然密度1.55g/cm3，平均干密度1.22g/cm3，平均比重為2.36g/cm3，均低于粉土的特征值。從表5可知，隨深度增加，粉煤灰孔隙比總體呈降低趨勢。

(5)現(xiàn)場標(biāo)貫試驗與孔隙率、壓縮模量的對應(yīng)關(guān)系

在取樣位置進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，標(biāo)貫擊數(shù)、孔隙比、壓縮模量以及密實度的對應(yīng)關(guān)系如表6所示。

表6 標(biāo)貫錘擊數(shù)與孔隙率、壓縮模量對應(yīng)表

根據(jù)試驗結(jié)果可知：地下水位以上稍密～中密狀粉煤灰壓縮模量在8.86～28.57MPa之間，平均值15.16MPa，屬中等壓縮性土，略高于其他學(xué)者所得試驗結(jié)果，高于常規(guī)粉土壓縮模量，低于相同狀態(tài)下細砂壓縮模量；地下水位以下粉煤灰壓縮模量在3.28～6.15MPa之間，平均值為4.92MPa，表現(xiàn)出一定的軟化性，與馮海寧[2]及朱會強[3]所得結(jié)論一致。

結(jié)合土體定名和固結(jié)試驗綜合分析，粉煤灰壓縮性介于粉土～細砂之間，固結(jié)試驗結(jié)果呈現(xiàn)相同態(tài)勢：ES粉土＜ES粉煤灰＜ES細砂。

現(xiàn)場取樣以及室內(nèi)環(huán)刀截取原狀樣的困難，使固結(jié)試驗與現(xiàn)場試驗的關(guān)聯(lián)性并非特別突出，16組數(shù)據(jù)僅7組存在對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)率僅44%。

(6)標(biāo)貫試驗與壓縮模量的對應(yīng)性分析

工程地質(zhì)手冊（第五版）[9]給出了標(biāo)貫試驗錘擊數(shù)與土體壓縮模量的相關(guān)性公式，其代表性的公式如表7所示。各公式對應(yīng)的計算值以及與試驗值的對比如表8所示。

表7 標(biāo)貫錘擊數(shù)與土體壓縮模量的換算代表性公式表

表8 不同公式下土體壓縮模量換算值與試驗值對應(yīng)表

相關(guān)性曲線如圖1所示。

圖1 試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比曲線

(7)關(guān)聯(lián)性分析

共16組數(shù)據(jù)，僅公式2、3有五組數(shù)據(jù)誤差在20%以內(nèi)?？傮w上實測值與計算值關(guān)聯(lián)性不強，但有如下特點：

①粉煤灰處于稍密～中密狀時，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較好，尤其公式3（《高程建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T72-2017推薦公式）表現(xiàn)突出；

②錘擊數(shù)、孔隙比表現(xiàn)為密實狀粉煤灰，實測壓縮模量并非很高，這與粉煤灰自身總體表現(xiàn)出中等壓縮性有關(guān)；

③地下水位以下粉煤灰壓縮模量較低，表現(xiàn)出一定的軟化性，但錘擊數(shù)并未有效反應(yīng)。

存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性差的原因來自方方面面：

①粉煤灰分層填筑，層間存在差異，試驗和標(biāo)貫不可能完全處于同一深度；

②取、送樣及制樣過程中土樣的擾動導(dǎo)致試驗結(jié)果并非現(xiàn)場實際的真實反映；

③碾壓過程中部分粉煤灰富集成團，導(dǎo)致標(biāo)貫錘擊數(shù)失真。

由于公式3（《高程建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T72-2017推薦公式）在稍密～中密狀范圍內(nèi)計算值和實測值具有一定關(guān)聯(lián)性，在此，推薦采用該公式作為粉煤灰壓縮模量的換算公式，但該公式計算值大于實測值。

馮海寧在0.9壓實度下，對粉煤灰壓縮模量進行了測試[2]，結(jié)果表明：粉煤灰壓縮模量略低于細砂。在此，借鑒其研究成果以及工程建設(shè)安全角度出發(fā)，建議該公式作如下調(diào)整，即：

N≤30時，ES=0.75×N（MPa）；

N＞30時，ES=23（MPa）；

地下水位下，ES=（0.2～0.3）×N（MPa）。

標(biāo)貫錘擊數(shù)與壓縮模量相關(guān)性曲線如圖2所示。

圖2 錘擊數(shù)與壓縮模量相關(guān)性曲線

從圖2可知，通過以上修正以后，在地下水位以上稍密～中密狀粉煤灰，標(biāo)貫錘擊數(shù)與壓縮模量具有較好的相關(guān)性。

4.結(jié)論

（1）粉煤灰從顆粒組成及塑性指數(shù)來看屬粉土類，但從滲透系數(shù)來看，則更傾向于砂性土，因此作為一種特殊性土，在工程勘察中應(yīng)區(qū)別對待。

（2）根據(jù)室內(nèi)試驗與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系，粉煤灰物理性質(zhì)雖接近于砂性土，但壓縮模量總體低于砂性土，若直接引用《高程建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T72-2017推薦公式則偏于不安全。在此，從工程建設(shè)安全角度出發(fā)，可參考本文分析對其進行折減。

（3）本次工作是建立在利用鎢珠河灰場作為建設(shè)場地基礎(chǔ)上開展的相關(guān)性研究。該場地已于2015年竣工并投入運行，近幾年來運行狀況良好，各建構(gòu)筑物沉降均能滿足工程建設(shè)要求，當(dāng)初所提參數(shù)總體合理可靠。

（4）該相關(guān)性公式的數(shù)據(jù)來源于鎢珠河灰場粉煤灰勘探和試驗資料，相關(guān)性公式雖提供了一定的借鑒參考價值，但其適用性和廣泛性還需通過更多的類似項目加以驗證，切記不顧每個工程自身特點盲從使用。