壓實度對脫硫石膏動強度和動孔壓影響試驗

2021-10-26 06:05:54袁明道楊文濱

地震工程學報 2021年5期

譚彩, 萬里, 袁明道, 盧博, 楊文濱

(1. 廣東省水利水電科學研究院, 廣東廣州 510610;2. 四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室水利水電學院, 四川成都 610065;3. 中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司, 湖南長沙 410014)

0 引言

脫硫石膏是燃煤電廠濕法脫硫產生的廢棄物,由于其產量大、利用率低,目前仍以筑壩堆放處理為主[1]。受沉積條件和碾壓程度等因素影響,其壓實度存在明顯差異。近年來,地震災害頻發,脫硫石膏作為一種動力敏感材料[2],有必要對不同壓實度下脫硫石膏動力特性進行研究。

目前,動荷載作用下不同壓實度土體的動強度特性研究較為成熟[3-5]。谷天峰等[6]對不同壓實度下黃土動強度特性進行動三軸試驗研究,指出壓實度較小時,土體孔隙較大,結構較松散,顆粒間聯結力較小,動強度小;隨壓實度增大,土體逐漸趨于密實,顆粒間聯結力逐漸增大,動強度逐漸增大。陳國興等[7]研究了不同相對密實度砂礫土動強度特性,指出隨相對密實度增大,砂礫土動強度逐漸增大,且隨循環增次增大,不同相對密實度下砂礫土動強度關系曲線逐漸趨于相近。

動荷載作用下土體孔壓發展模式與土體變形強度變化密切相連,是采用有效應力法分析飽和土體動力穩定的基礎。目前,動荷載作用下飽和砂土和粉土孔壓發展模式研究較為成熟[8-10]。Seed等[11]通過對砂土進行振動三軸試驗,建立了砂土動孔壓模型,即Seed動孔壓模型,該模型發展模式表現為由微凸向微凹變化,即前期孔壓發展較快,而后穩定增長,臨近破壞時又迅速增大。于濂洪等[12]研究了飽和粉土動孔壓發展規律,提出了適用于粉土的冪函數孔壓模型。

脫硫石膏作為一種顆粒材料,其動強度和動孔壓特性與常規粉土可能存在差異,壓實度對脫硫石膏動強度和孔壓特性影響研究有待進一步加強。本文對不同壓實度脫硫石膏進行振動三軸試驗,研究了壓實度對脫硫石膏動強度和動孔壓特性的影響,建立了脫硫石膏動強度和動孔壓經驗表達式,并采用F檢驗法對其統計回歸效果進行顯著性檢驗。

1 試驗

1.1 試驗儀器

試驗儀器為單向振動三軸儀,儀器主要由主機、測控系統和傳感器等構成,如圖1所示。其中,主機為DZ78-1型電磁式動三軸儀;測控系統為DDS-70動三軸測試系統;力傳感器型號為BLR-1,孔壓傳感器型號為AK-1(量程0～1 MPa),位移傳感器為DA-12.5(量程±12.5 mm)。

圖1 試驗儀器Fig.1 Test instrument

1.2 試驗土料

試驗土料取自云南某電廠脫硫石膏,顏色為灰白色,比重Gs=2.53。采用粒度分析儀對其粒度分布進行測定,試驗平行兩次進行,測定土樣分別編號為G1和G2,取兩次測定結果平均值為試驗結果,脫硫石膏級配如圖2所示。砂粒(1～0.075 mm)占6.92%,粉粒(0.075～0.005 mm)占82.84%,黏粒(≤0.005 mm)占10.24%,液限ML=29.6%,塑性指數IP=7.5,可分類定名為低液限粉土ML[13]。通過輕型擊實試驗確定最大干密度ρdmax=1.56 g/cm3,最優含水率wop=19.4%。

圖2 土料級配Fig.2 Gradation of soil

1.3 試驗程序

根據云南某電廠脫硫石膏壩勘探成果,結合收集到的其他相關脫硫石膏壩資料,脫硫石膏壩筑壩堆放壓實度R基本在0.85～0.95區間內,故擬定3個壓實度(R=0.85、0.90、0.95),確定制樣干密度和含水率。試樣直徑Φ=50.0 mm,高H=115.0 mm,采用濕搗法分五層制備,精確稱取每層土樣重量,并用鋼尺測量每層高度,確保每層擊實高度一致,為保證上下土層接觸良好對每層脫硫石膏接觸面進行刮毛處理。試樣飽和方法為真空抽氣飽和法,飽和及試樣用水均為蒸餾水。

試樣飽和后,緩慢打開排水閥,對試樣進行雙面排水固結,固結方式為等壓固結,圍壓σ3=100 kPa、200 kPa和400 kPa。固結穩定后測記排水量,以關閉排水閥五分鐘后孔隙水壓力不再上升作為固結穩定標準。固結完成后施加循環動荷載,荷載波形為正弦波,振動頻率1 Hz。每一圍壓試驗土樣為5～7個,施加不同振動荷載,當孔壓等于圍壓或軸向應變為10%時停止試驗。

目前土體動力破壞標準主要有兩種:一是孔壓破壞標準,認為動孔壓ud等于圍壓σ3時試樣破壞;一是變形破壞標準,根據工程重要性及經驗一般取應變值εd=5%。本次試驗采用孔壓標準(ud=σ3)和變形標準(εd=5%)雙重破壞標準[14]。

2 試驗結果與分析

2.1 動強度

不同壓實度下脫硫石膏動剪應力比τd/σ3c與-破壞振次Nf關系曲線如圖3所示。可知:(1)隨壓實度R增大,土體愈緊密,土顆粒間作用力愈強,顆粒原有聯結骨架越不容易破壞,同一Nf下τd/σ3c逐漸增大,脫硫石膏動強度越大;(2)不同σ3c下,同一壓實度脫硫石膏試驗點基本落在同一條曲線上,隨Nf增大,τd/σ3c逐漸減小,與粉土類似,歸一化動強度曲線可采用冪函數進行描述:

圖3 不同壓實度下脫硫石膏τd/σ3c-Nf關系曲線Fig.3 Relationship curve of τd/σ3c-Nf for desulfurization gypsum under different compactness

(1)

式中:τd為循環動剪應力(kPa);σ3c為有效固結壓力(kPa);Nf為破壞振次;a、b試驗系數,可通過數理統計回歸獲得。采用F值檢驗法對其統計回歸效果進行顯著性檢驗,F值為:

(2)

式中:n為回歸統計試驗樣本數;γ為相關系數。取顯著性水平α為0.05和0.005,當F>F0.95(1,n-2)時,回歸效果“顯著”。當F>F0.995(1,n-2)時,回歸效果“高度顯著”。

試驗系數a、b及回歸效果顯著性檢驗成果匯總見表1。可知:(1)不同R下脫硫石膏動強度曲線采用冪函數擬合效果良好,試驗統計回歸顯著性水平均為高度顯著,土體動強度曲線可由系數a、b表征;(2)隨R增大,系數a逐漸增大,系數b基本保持不變,約為0.12,故試驗用脫硫石膏動強度曲線可改寫為:

表1 動強度曲線統計回歸及誤差計算成果表

(3)

值得指出的是,式(3)通過本文試驗用脫硫石膏得出,是否適用于其他脫硫石膏尚有待進一步驗證。

根據Seed等[15]提出的等效循環理論,地震震級不同時,作用于脫硫石膏的剪應力形式與作用次數不同,但其達到的液化效果相同。地震震級為6級、6.5級、7級、7.5級和8級對應等效循環次數Ne分別為5次、8次、12次、20次和30次。不同Ne下動剪應力比τd/σ3c與壓實度關系曲線如圖4所示。可知,隨R增大,脫硫石膏τd/σ3c逐漸增大,試驗壓實度范圍下τd/σ3c與R呈明顯線性關系。

圖4 不同等效振次下脫硫石膏τd/σ3c-R關系曲線Fig.4 Relationship curve of τd/σ3c-R for desulfurization gypsum under different equivalent cyclic number

繪制摩爾-庫倫曲線,確定不同Ne下脫硫石膏動內摩擦角φd與壓實度R關系曲線如圖5所示。可知:(1)試驗壓實度范圍下,隨R增大,顆粒咬合越緊密,脫硫石膏φd逐漸增大,φd與R呈良好線性關系;(2)隨Ne增大,脫硫石膏φd減小,說明地震震級越高,土體越容易破壞。

圖5 不同等效振次下脫硫石膏φd-R關系曲線Fig.5 Relationship curve of φd-R for desulfurization gypsum under different equivalent cyclic number

2.2 動孔壓

圖6為不同壓實度R下脫硫石膏動孔壓比ud/σ3c與破壞振次比N/Nf關系曲線。可知:(1)同一N/Nf下,隨R增大,動孔壓比ud/σ3c逐漸增大,動孔壓增長越快;這主要是由于動荷載作用下,土顆粒會出現彼此脫離,原本由土顆粒接觸點傳遞的壓力轉為孔隙水承擔,使得孔隙水壓力上升[16],隨R增大,土體愈緊密,土顆粒彼此脫離愈困難;(2)脫硫石膏動孔壓發展與常規粉土類似[17-19],隨N/Nf增大,脫硫石膏孔壓發展表現為先迅速增長而后趨于平穩。