固化粉煤灰三轴压缩试验研究

固化粉煤灰三轴压缩试验研究（共6篇）

篇1：固化粉煤灰三轴压缩试验研究

固化粉煤灰三轴压缩试验研究

通过固化粉煤灰三轴压缩试验,分析固化剂的`掺入比、固化粉煤灰混合料的密度、龄期对剪切强度的影响及固化粉煤灰的应力变化规律,确定满足高等级公路材料的要求.

作 者：傅国才 陆小军 沈正 Fu Guocai Lu Xiaojun Shen Zheng 作者单位：傅国才,陆小军,Fu Guocai,Lu Xiaojun(江苏镇江建科建筑科学研究院有限公司,江苏镇江,21)

沈正,Shen Zheng(东南大学交通学院,江苏南京,210096)

刊 名：粉煤灰英文刊名：COAL ASH CHINA年，卷(期)：21(6)分类号：X705关键词：固化剂掺量 固化粉煤灰龄期 三轴压缩试验 应力应变

篇2：固化粉煤灰三轴压缩试验研究

(1)侧压力可按等差级数或等比级数进行选择，

(2)根据三轴试验机要求安装试件试件，

应采用防油措施。

(3)以每秒0.05MPa的加荷速度同时施加侧压力和轴向压力至预定侧压力值，并使侧压力在试验过程中始终保持为常数。

(4)以每秒0.5-1.0MPa的加荷速度施加轴向荷载,直至试件完全破坏,记录破坏荷载。

篇3：固化粉煤灰三轴压缩试验研究

土体的抗剪强度是土的一个重要力学性能指标, 在计算承载力、评价土基稳定性时均要用到。在实际公路工程应用中, 土体承载能力及土基边坡稳定性通常是通过压路机压实完成的, 不同的压实度势必会产生不同的土基承载力及稳定性, 因此研究压实度与土体抗剪强度关系具有重要意义。

本研究即通过制备黄河粉土试件, 进行三轴压缩试验, 测定粉土在不同压实度和围压下的应力应变关系, 分析弹性阶段、塑性阶段及达到极限状态下所对应的应力和应变, 探讨压实度与土体抗剪强度的关系。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试样制备时采用干土法, 首先根据经验估计试样的最佳含水量, 然后在估计的最佳含水量附近按1%～2.5%增减, 通过试验知制备的试件粉土最佳含水率为14.03%, 根据试件的体积96 cm3算得不同压实度93%, 96%, 98%下的粉土质量为180.20 g, 186.01 g, 189.90 g。采用轻型击实法进行, 具体试验方法及步骤参见JTG E40-2007公路土工试验规程[1]。

1.2 三轴压缩试验方法[2]

土体抗剪强度试验方法有多种, 三轴压缩试验能严格控制试样排水条件、受力状态明确、可以控制大小主应力、能准确地测定土的孔隙压力和体积变化特点。根据排水情况的不同三轴压缩试验又分为三种类型:不固结不排水剪试验 (UU) , 固结不排水剪试验 (CU) 及固结排水剪试验 (CD) 。本研究采用不固结不排水剪切试验方法, 该方法主要适用于土体受力而孔隙压力不消散的情况。

2 试验结果分析

根据试件的体积压件脱模进行试验, 对每一个压实度分别设定三组围压100 kPa, 200 kPa, 300 kPa作为小主应力, 有三轴压缩软件记录数据, 试验结束对数据进行处理, 得出弹性阶段、塑性阶段以及达到极限强度后的阶段分别对应的应力应变、弹性模量、极限强度等。

2.1 不同压实度和围压下的主应力差与应变的关系

不同压实度和围压下的相关三轴压缩试验数据如表1所示。

由表1可知:在相同的围压下, 压实度越高, 抗压能力就越强, 故弹性模量等量值都相应增大, 而在压实度增加以后, 土体则容易发生脆性破坏, 即材料的脆硬性;同样, 在相同的压实度下, 围压变大, 使得弹性模量等量值增大, 同时由于土的泊松比小于1, 故最大有效主应力比要下降。

2.2 确定Cu及Φu

根据破坏时的大小主应力, 绘制摩尔应力圆, 作其公切线为抗剪强度包线, 分别如图1～图3所示。不同压实度下Cu及Φu统计如表2所示。

由表2可以看出, 随着压实度的提高, 内聚力Cu降低, 而内摩擦角Φu增大。因为对于一定的砂土或粉土来说, 影响内摩擦角的主要因素是初始孔隙比[3] (或初始干密度) , 初始孔隙比越小 (即土越紧密) , 则内摩擦角越大, 反之初始孔隙比越大 (即土越疏松) , 则内摩擦角越小, 内摩擦角增大的同时, 内聚力就会下降。此外, 由图1可以看出, 强度包线不能精确和三个应力圆都相切, 这与剪切时橡皮膜的约束、剪切速率等有关[4]。

由于试验条件所限, 没有进行三轴压缩试验试件的微观观察, 根据王朝阳等人做的三轴剪切条件下黄土结构特征变化细观试验, 可知与黄土工程性质相近的黄河粉性土具有相似特征, 即剪切过程中, 孔隙逐渐变化, 最后大孔隙被压密, 土样被剪胀, 但是没有形成大的微裂纹, 只是土体内部结构作了部分调整, 原状土中存在许多大小和形状各异的大孔隙, 孔隙的大小存在较大差异;大孔隙具有随机性和不规则性, 土中的孔隙离散性很大, 损伤演化具有不均匀性[5]。

3 结语

研究通过对不同压实度的黄河粉土在不同围压下进行三轴不固结不排水压缩试验, 探讨压实度与土的抗剪强度间的关系, 得出如下结论:

1) 在相同围压下, 压实度越高, 弹性模量、弹性阶段达到的最大大主应力、最大有效主应力比、破坏大主应力也越大。而接近破坏时的应变量随着压实度的提高降低了。弹性阶段的最大应变变化不明显。

2) 在相同压实度下, 随着围压 (小主应力) 的提高, 弹性模量、破坏大主应力、弹性阶段最大大主应力和最大应变、接近破坏时的应变都相应增大, 而最大有效主应力比减小。

3) 随着压实度的提高, 内聚力降低, 而内摩擦角增大。

参考文献

[1]JTG E40-2007, 公路土工试验规程[S].

[2]党海燕.三轴压缩试验成果的影响因素分析研究[J].山西建筑, 2010, 36 (25) :114-115.

[3]卢庭浩.土力学[M].第2版.南京:河海大学出版社, 2005.

[4]张文珍.影响三轴压缩试验成果的因素分析[J].华南地质与矿产, 2005 (3) :55-58.

篇4：固化粉煤灰三轴压缩试验研究

关键词：动三轴试验 接触式位移计 非接触式位移计

1 概述

土工试验中，分析土的变形与强度特性的最常用的方法是三轴试验方法，随土体中应变的变化土体的变形特性呈现非线性变化。在应力-应变理论模型研究和土工建筑物的稳定分析中，必须了解小应变（10-6～10-1应变范围）应力-应变关系的连续变化情况及其强度特性，但是，常规三轴仪的应变测试精度通常在10-4～10-1，不能满足需要[1]。何昌荣（1995年）[2]通过自制的高灵敏度电阻式应变计量测到应变范围在10-6～10-2连续变化的模量阻尼。郭莹、栾茂田等（2003年）[3]研制与开发的土工设备“土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪”，该设备能够实现多种静力与循环剪切、多种固结条件的复杂应力路径试验，具有广泛的应用性。

2 仪器设备

本次试验采用的仪器为“土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪”。此套设备对于转角和竖向变形的测量，设置了两套不同的测量系统：一套为内置于三轴室内的非接触式的竖向位移计及转角计，用来测量微小变形，可使应变测量精度达到10-5量级，设置了0.3mm、0.75mm和1.5mm三个档次；另一套传感器为最大量程可达到50mm及40°的普通的接触式转角计及竖向位移计，该传感器适用于大变形与强度特性、孔压特性及液化等问题的研究。

3 试验方案

3.1 试验概况

试验以吉林新力热电厂贮灰场的粉煤灰和福建标准砂为试验土料，试样的相对密实度为分别为30%和60%，采用实心圆柱状试样进行初始固结压力为100kPa、200kPa、300kPa的动三轴试验。试样尺寸为直径为61.8mm，高度为150mm。采用分层干装方法制备试样。控制干密度装好干样后利用通CO2、通无气水并联合施加反压的方法对试样进行饱和，使孔隙水压力系数B值均达到0.95以上。考虑地震荷载条件，试验振动频率取为1Hz。

经实验室测定所采用的福建标准砂具有下列物理指标：颗粒比重ds=2.644；最大与最小干密度分别为1.74g/cm3，1.43g/cm。实验室测定的粉煤灰的物理性质指标为：颗粒比重Gs=2.14；最大与最小干密度分别为0.994g/cm3， 0.697g/cm3。

3.2 位移计与转角计量程的选择

通常三轴仪的应变测试范围通常为10-4～10-1，本次试验中采用将非接触与接触式竖向位移计联合使用的方法，以便提高测试精度，拓宽应变测试范围。为了更加方便的测量轴向位移，在试样固结过程中，将内置的竖向位移计置于1.5mm档。开始加荷后，试样处于微小变形阶段，随着循环荷载的增大，竖向变形将超过内置竖向位移计的量程，为防止超过位移计量程造成损坏，在振动的间隙将竖向非接触式位移计提起，继续使用接触式位移计进行测量。这种将接触式位移计与非接触式位移计联合使用的方法提高了量测精度拓宽了量测范围，量测的连续轴向应变测试范围可达到10-5～10-1，尽管在10-6～10-5范围之内仍有一些数据，但离散较大，不连续。

4 试验技术研究

将非接触式与接触式竖向位移计联合使用的技术能更加精确的获得试样微小变形的数据点。试验中相对密实度为30%的福建标准砂和相对密实度为60%的粉煤灰在初始固结压力为100kPa时的动弹性模量随动应变幅变化的关系曲线（E～ε曲线）如图1所示（图中非接触式微小位移计测得的数据由空心圆形图标代表，接触式大位移计测得的数据由实心圆形图标），图1中的E～ε曲线为接触式与非接触式位移计联合测定得到的。由图可知，在E～ε曲线中，Dr=30%的福建标准砂和Dr=60%的粉煤灰由两种位移计测得数据的结合点均为10-4量级。两条E～ε曲线的轴向应变的最小量级均为10-5，也就是说在轴向应变在10-5～10-4范围内的E～ε曲线是由非接触式位移计测得，轴向应变在10-4～10-2范围内的E～ε曲线是由接触式位移计测得。可见，轴向应变在10-5～10-2范围内由两种位移计联合测得的E～ε关系曲线光滑连续，在结合点处结合的很好。另外，由于土料的性质不同，粉煤灰的轴向应变的测试精度要略低于福建标准砂。

以Dr=60%的粉煤灰为土料制备3个独立试样分别在初始固结压力为100kPa、200kPa、300kPa时进行循环三轴试验。本次试验仅采用非接触式微小位移计进行测量，以便与采用两种位移计联合测定方法获得的试验结果进行分析比较，在整个试验过程中始终将非接触式位移计置于最大档。在初始固结压力为100kPa、200kPa和300kPa时由由不同测量方法得到的E～ε关系曲线如图2所示（图中由两种位移计联合测定的结果由空心图标代表，单独采用微小位移计测定的结果由实心图标代表）。相对于初始固结压力为100kPa时轴向应变的测试精度，初始固结压力为300kPa时，使用接触式位移计与非接触式位移计联合使用的方法更能明显的提高轴向应变的测试精度。

使轴向动应变在10-5～10-2范围内连续是使用两种位移计联合测定方法的另一个优点，这种方法能够获得大小应变两种数据。图3给出了在初始固结压力为100kPa时粉煤灰试样的E～ε关系曲线，此时竖向位移计置于0.3mm档。如图3可知，当竖向位移计置于0.3mm档时无法测得大变形的数据，仅能测得微小变形的数据，在整个应变测试范围内不能保证E～ε关系曲线光滑连续。因此，为了提高应变测试精度，拓宽应变测试范围必须采用非接触式位移计与接触式位移计联合使用的方法。

5 结论

本次试验将接触式与非接触式位移计与转角计联合使用以便提高土工测试精度，拓宽应变测试范围。研究结果表明：对于粉煤灰和福建标准砂的实心圆柱狀试样，轴向应变在10-5～10-2范围内由两种位移计联合测得的E～ε关系曲线光滑连续，在结合点处结合的很好。另外，由于土料的性质不同，粉煤灰的轴向应变的测试精度要略低于福建标准砂。

参考文献：

[1]孔宪京，张涛，邹德高.中型动三轴仪研制及微小应变测试技术应用.大连理工大学学报，2005，45（1）：79-84.

[2]何昌荣.动模量和阻尼的动三轴试验研究.岩土工程学报，1997，19（2）：39-48.

[3]郭莹，栾茂田，董秀竹等.不同应力条件下砂土动模量特性的试验对比研究.水利学报，2003，（5）：41-45.

篇5：固化粉煤灰三轴压缩试验研究

湖北省十堰至白河高速公路地处我国中部秦巴山区腹地，山坡高陡，地质条件复杂，全线将遇到路堑顺层、切层及反倾高陡边坡[1]，坡体主要由沿线广泛出露的武当群云母片岩地层组成，岩石结构特征复杂，云母含量高，片理发育，抗风化能力较低，水稳性差。自工程动工以来，沿线多处边坡发生了数次不同程度的滑塌，这不仅给工程的顺利进行带来了困难，而且增加了工程投资。因此开展云母片岩的力学特性研究，对防止边坡失稳及控制工程成本具有重要意义。

陈文玲[2]以黑河水库左坝肩云母石英片岩为研究对象，对云母片岩的蠕变特性、蠕变机理进行了分析，并建立了云母石英片岩的蠕变模型;梅涛等[3]采用饱和—非饱和渗流计算方法，对鄂西北某片岩质滑坡体内的孔隙水压力分布规律进行了计算，并利用极限平衡法分析了滑坡的稳定性系数随时间的变化规律;彭斌[4]对片岩质边坡的形成条件、影响边坡稳定的因素、滑坡体和滑带的性质进行了分析和评价，最后对坡体的稳定性进行了计算，并提出了相应的治理措施。以上都是针对特定条件下边坡的失稳机制展开的研究，并提出了相应对策，而对于边坡组成岩体的强度和变形参数变化规律研究甚少，缺乏统一认识，尚不能为边坡失稳预防与预测提供可靠理论依据。

基于以上考虑，本文通过干燥及饱水状态下云母片岩的三轴压缩试验，探究其强度及变形参数随围压和含水状态所呈现的变化规律，并分析其破坏形式，结论可为此类边坡工程设计提供可靠的岩石力学参数。

1 试验装置及试样制备

1.1 试验设备及试验方案

三轴压缩试验采用美国MTS公司生产的MTS815.03电液伺服岩石试验系统，如图1所示。根据试验目的及试样特征，试验采用位移控制，加载速率为0.06mm/min，利用5mm的位移传感器对试样的轴向位移进行测试，1000kN的力传感器测量试样的轴向荷载，在施加轴向荷载之前，利用气压通过液压油施加围压至预定值。

为研究水对云母片岩强度及变形特性的影响，试样分为干燥和饱水两种物理状态。同时，为了保证试样性质的均一性，降低试验结果的离散性，从标准试样中挑选8个表面无明显裂隙的试样作为研究对象，分为两组，每组4个，一组试样置于干燥条件下，作为干燥试样;另一组试样在真空饱和装置中进行抽气饱和，饱和后的试样用保鲜膜封装，置于保水器内，作为饱水试样。根据所采样品赋存环境，两组试样分别在2MPa、4MPa、8MPa、16MP的围压下进行三轴压缩试验。

1.2 试样特征及制备

试验对象为坚硬的中元古界武当山群云母片岩，岩样表面呈灰绿色，丝绢光泽，微风化，变质程度较深，纤状变晶结构，片理发育且较平整。利用X-射线衍射物相分析方法，对云母片岩的矿物成分进行定量分析，得到云母片岩矿物成分为绢云母、石英和绿泥石，其含量分别为57%、34%和9%。

考虑到云母片岩的各向异性，采用水钻法垂直片理面钻孔取芯，利用岩石切割机将钻芯两端切割平整，然后在研磨机上进行研磨，按照国际岩石力学学会的试验要求，将岩样加工成直径约50mm、高度约100mm的圆柱体试样，并保证两端端面起伏度不超过0.5mm。

2 试验结果及分析

2.1 应力—应变曲线分析

利用MTS815.03电液伺服试验机对干燥及饱水状态下的试样进行三轴压缩试验，直至试样发生破坏，试样在不同围压下的应力—应变全过程曲线如图2所示。

从图2中不同围压下试样的三轴压缩应力—应变曲线可以看出，试样大都经历了初始压密阶段、弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段。随着围压的增加，试样的峰值强度逐渐增大，弹性阶段曲线的斜率随着围压的增加呈递增的趋势，同时弹性阶段出现了不同程度的延长，试样的残余强度也基本上随着围压的增加逐渐增大，与峰值强度之间的差异逐渐减小，表明试样的刚度和强度均随着围压的增大而逐渐增大。当围压为2MPa时，试样的应力—应变曲线在达到峰值强度后应力迅速减小，整体失去承载能力，发生脆性破坏;围压大于2MPa时，试样在达到峰值强度后应力减小速度较慢，并在峰值处出现了屈服平台，试样的塑性应变在总变形中所占的比例逐渐增加，表明随着围压的增大，试样从脆性破坏逐渐向塑性流动过渡。

比较图2中(a)和(b)表明，相同围压下，干燥试样的峰值强度均高于饱水试样，因为饱水对岩石具有一定的软化作用，降低了试样的强度。饱水后试样的应力—应变曲线的弹性阶段与干燥试样相比，弹性阶段出现了明显缩短，屈服强度降低，塑性变形增加，表明饱水从一定程度上降低了岩石的刚度，增加了岩石的柔性。因试样中含有一定量诸如绿泥石和绢云母等低强度材料，水对这种强度较低的材料的软化作用尤为突出，在一定围压作用下，低强度材料受荷载作用发生屈服软化，产生塑性变形，从而增加了屈服阶段长度。通过试验所得的应力—应变曲线和理论分析可以看出，试样的强度和变形特征受围压和饱水两个因素的共同作用。

2.2 强度特征

通过对干燥和饱水试样的峰值强度与围压进行线性回归分析可知，两者间呈较好的正线性关系，如图3所示。

从两直线的斜率看出，干燥试样峰值强度随围压的变化幅度超过饱水试样。同时图3也直接验证了相同围压下，干燥试样的峰值强度均高于饱水状态下的峰值强度这一规律，这是因为干燥试样颗粒间的粘聚力和摩擦力较大的缘故。

通过图3和上述分析，说明无论是干燥试样还是饱水试样，其峰值强度与围压之间的关系均符合Coulomb强度准则。若以主应力σ1、σ3表示Coulomb强度准则，则有:

式(1)中，M,N为材料强度参数，两参数与材料内聚力c、内摩擦角φ之间的关系如式(2)和(3)所示。

利用公式(1)、(2)、(3)和图3，得到干燥试样的内聚力为6.01MPa、内摩擦角为41.48°;同理，饱水状态下试样的内聚力为5.42MPa、内摩擦角为30.82°。饱水后试样的内聚力和内摩擦角均出现了不同幅度的降低，内聚力的降幅为9.82%，内摩擦角的降幅为25.69%。这是因为试样含有一定量的诸如绢云母和绿泥石这样的类似粘土矿物，亲水性较强，当试样内部的微裂隙和孔隙充满水时，使粘土矿物发生软化，从而从一定程度上降低了试样的强度。

通常把岩石由脆性转化为延性的临界围压称为转化围压。转化围压可由两种含水状态下试样的峰值强度σs、残余强度σt与围压σ3之间的对比关系得到[5]，如图4所示。

如图4(a)、(b)中两直线交点即为干燥和饱水试样的转化围压，交点处峰值强度和残余强度相等，此时试样为理想塑性状态。干燥和饱水试样的转化围压分别为47.93MPa和28.64MPa。低于此围压时，岩石应力—应变曲线将出现一个峰值点，即应变软化现象;高于此围压时，岩石应力—应变曲线不再出现峰值点，试样承载能力则随围压增大而稳定增长，出现所谓的应变硬化现象[6]。由于本次试验最大围压为16MPa，均未达到转化围压，因而未出现应变硬化现象。

2.3 变形特征

弹性模量是指在试样进入屈服阶段之前，近似直线部分的斜率。它是描述物质弹性的一个物理量，物质的弹性模量越大越不易产生弹性变形，否则越容易发生弹性变形。围压对岩块弹性模量的影响常因岩性不同而异，通常对坚硬少裂隙岩石的影响较小，而对软弱多裂隙岩石的影响较大。

图5为干燥和饱水试样弹性模量随围压变化的曲线。从图中看出，试样的弹性模量与围压呈对数函数关系。当围压小于8MPa时，随着围压的升高，无论是干燥试样还是饱水试样，其弹性模量都逐渐增大，且增加趋势较快，这是因为随着围压的增大，试样内部孔隙被压密闭合，试样刚度增加，从而致使试样的弹性模量增加;当围压大于8MPa后，随着围压的增加，试样弹性模量的增加幅度逐渐减小，说明试样内部孔隙已基本闭合，即便再增加围压，孔隙被压密闭合的程度也会变弱。

泊松比通常是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变的比值，常采用单轴抗压强度一半处的横向应变与轴向应变的比值表示，目前对岩石在三向受力状态下泊松比与围压之间变化关系的研究甚少。图6给出了试样在不同围压下泊松比的变化规律。从图6可以看出，饱水试样的泊松比均大于干燥试样，这是因为饱水使试样在相同围压下变形量增大之缘故;干燥试样泊松比随围压浮动的幅度极小，基本保持在0.12左右，而饱水试样泊松比随围压的增大而迅速增大，从0.146增至0.477，且增加幅度有逐渐加快趋势。

软化系数是表示岩石耐水性质的一个参数，软化系数越大，岩石的耐水性越强。软化系数通常是指单轴压缩条件下，岩石饱水后极限抗压强度与干燥时的极限抗压强度的比值。而岩石在地壳中大都处于三向受力的状态，因此，研究三轴压缩条件下岩石的软化系数与实际更加接近，更有意义。此时软化系数为三轴压缩条件下饱和试样峰值强度与干燥试样峰值强度的比值，记为K。

图7给出了不同围压下试样峰值强度软化系数随围压变化的散点图。从图中可以看出，当围压从2MPa增至8MPa时，峰值强度软化系数随着围压得增大而增大，即在相同围压下，饱水试样峰值强度增加速度大于干燥试样，致使两者的比值增大，说明饱水试样峰值强度受围压的影响较大。当围压达到16MPa时，软化系数曲线有回落的趋势，软化系数又降至围压为2MPa时的大小，说明当围压大于某一值时，饱水试样峰值强度随围压增加的速度小于干燥试样，此时干燥试样峰值强度对围压的敏感度大于饱水试样，从而致使两者的比值减小。该曲线说明在较小围压下，随着围压的增加，饱水试样峰值强度增加的幅度大于干燥试样峰值强度增加的幅度，而大于某一围压时，两者正好相反。

2.4 云母片岩破坏形式分析

由试样破坏后情况(如图8所示)看出，干燥和饱水两种状态下，试样在三轴压缩条件下大都发生了剪切滑移破坏，出现明显滑移面，且断面平整度较好。因云母片岩片理发育，存在明显的各向异性，属非均质材料，低围压条件下，受岩样内部片理等影响，岩样内摩擦作用较小，试样实际破裂角与Coulomb准则计算所得结果有所差异[7]。由Coulomb准则，计算得到试样滑移面与主平面之间的夹角α=45o+2φ，前已得到两种状态下试样的内摩擦角，利用上述公式可得剪切破坏角分别为65.24°和60.19°，而实测试样的破裂角在52～60°区间内，与计算值相差幅度为8%～13.6%，造成实际屈服滑移面夹角比预测破裂角略小。因此，此时Coulomb准则只能准确计算岩石的强度特征，并不能很好地预测岩石的破坏方向。

由于试验设定围压均小于转化围压，试样在三轴压缩条件下大都发生剪切滑移破坏，出现明显滑移面，且断口较平整。

3 结论及建议

本文针对干燥和饱水状态下云母片岩的强度和变形特征开展了不同围压下的三轴压缩试验研究，获得了以下几点结论。

(1)无论是干燥还是饱水的云母片岩，其峰值强度均随着围压的增加逐渐增加。饱水状态下的云母片岩，由于水分子的作用，降低了岩石的抗剪强度参数，从而致使饱水云母片岩的极限承载能力降低。

(2)利用不同围压下试样峰值强度与残余强度的对比关系，得到干燥试样的转化围压为47.93MPa，饱水试样的转化围压为28.64MPa，因试验设定的最大围压小于转化围压，故未出现应变硬化现象。

(3)云母片岩弹性模量与围压呈对数函数关系。在较小围压下，试样的弹性模量随着围压增大而增加的趋势较快，当围压大于某一值时，弹性模量增加幅度有所减缓。

(4)干燥状态下云母片岩的泊松比随围压的变化幅度不大，基本保持在一稳定值，而饱水状态下云母片岩的泊松比与围压呈非线性关系，随围压的增加而增加，其增加幅度有加快的趋势。

(5)三轴压缩下试样均发生剪切破坏，利用Coulomb强度准则预测的破裂角比实际破裂角略大。

(6)试验围压均小于转化围压，因此高围压下云母片岩的应力—应变曲线及破坏形式还有待进一步研究;由于试验只是在一定围压下针对特定工程区域的云母片岩开展的，并不能代表其它种类岩石，其正确性还有待验证。

摘要：为了研究云母片岩在三向应力状态下的强度特征和变形特性,利用MTS815.03电液伺服试验机,进行了云母片岩的三轴压缩试验。通过试验所得的不同围压、不同含水状态下云母片岩的应力—应变全过程曲线,揭示了干燥与饱水云母片岩的峰值强度、弹性模量、泊松比及软化系数随围压的变化规律,最后分析了云母片岩的破坏形式。结果表明,随围压升高,云母片岩的峰值强度、弹性模量及泊松比均逐渐增加,其软化系数随围压增加呈先升后降的趋势;饱水后的云母片岩其峰值强度、弹性模量明显低于干燥状态,而泊松比则高于干燥状态;另外,三轴压缩条件下的云母片岩大都发生剪切滑移破坏。

关键词：云母片岩,强度特征,变形特性,三轴压缩,破坏形式

参考文献

[1]沈强.山区高速公路层状岩质边坡稳定性监测与预测方法研究[博士论文D].武汉:中国科学院武汉岩土力学所,2006.

[2]陈文玲.黑河水库坝肩边坡云母石英片岩三轴蠕变机理及蠕变模型研究[博士论文D].西安:长安大学,2009.

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篇6：固化污泥的压缩特性研究

与其他城市固体废弃物一样固化污泥填埋过程以及填埋后也会产生压缩沉降, 对于库容设计以及排水、排气系统都有着重要的影响[4];但是相对于其他MSW以及土材料, 固化污泥的压缩沉降问题有其特殊性与复杂性, 主要表现在:固化污泥是由污泥、固化剂等组成相对均质的土体[3];固化污泥颗粒组分粒径一般小于0.075 mm;固化污泥中的自由水很少, 主要是以强结合水和胞内结合水形式存在, 其水分运移形式有着本质区别;固化污泥的渗透系数相当的低, 一般在 (10-8~10-11) m/s, 与黏性土的渗透系数相接近[5];固化污泥主要是由水化产物的胶结作用形成[6]。因此很有必要研究固化污泥的压缩特性。

固化污泥压缩特性的不明确, 影响到填埋场沉降以及库容计算等问题。这一问题的研究, 不但对填埋处置中固化污泥的沉降、填埋场库容的计算具有积极意义, 而且为解决环境工程领域面临的大量污泥缺少安全处置途径的难题提供技术支撑。

针对这种问题, 开展了污泥、不同水泥添加量的固化污泥的压缩试验, 并对比固化淤泥的压缩试验结果, 在此基础上分析固化污泥的压缩规律及压缩机理。

1 压缩试验的研究

1.1 试验材料

污泥为取自某市污水处理厂的脱水污泥。污泥的相关指标见表1。水泥为32.5#普通硅酸盐水泥, 熟料组成C3S:52.45%~63.87%, C2S:14.92%~23.07%, C3A:6.60%~9.18%, C4AF:10.06%~11.89%, 其基本化学指标见表2。

1.2 试验安排 (表3)

注:水泥添加量定义为水泥质量与湿污泥质量之比。

1.3 试验方法

压缩试验采用WG型单杠杆中压固结仪。根据《土工试验方法标准》 (GB/T 50123—1999) 的规定进行试验。由于污泥的含水率高、强度低, 在较大压力的突然作用下污泥会被挤出。为了避免出现这种情况, 污泥试验的荷载等级须按照3.125、6.25、12.5、25、50、100、200 k Pa七个等级加载。固化污泥试验的荷载等级须按照12.5、25、50、100、200、400k Pa六个等级加载。

2 试验结论与分析

2.1 污泥自身的压缩特性

(1) 从图1中可以看出, 在压缩过程中, 初期阶段比后期阶段孔隙比下降的程度快, 变形的幅度大。

(2) 从图2中可以看出, 其线性关系较好, 一般的黏性土具有前期的应力历史, 其e~lgp曲线会出现应力屈服的转折点, 但是污泥的e~lgp曲线没有出现这样的转折点, 呈直线形式。

(1) 原因如下: (1) 污泥中含有大量的有机物, 而有机物具有较强的吸附能力以及有机物在土体中所起的作用相当于增加黏粒的含量, 导致土粒的结合势能增加, 结合水的含量也随之增加[7]; (2) 压缩初期, 自由水的含量较高以及自由水容易排出, 压缩较快;随着压缩过程的进行, 污泥变得密实, 自由水含量逐渐减少, 结合水占主导作用越来越明显, 而结合水不易排出, 压缩变形变得缓慢, 孔隙比减小变慢; (3) 有机物自身会发生弹性变形以及不可恢复的塑性变形, 随着压缩的进行, 有机物自身的变形会变得缓慢; (4) 压缩初期, 有机物引起的结合水膜较厚, 此时有机物起到减弱土粒间的连接力, 导致土体的强度降低, 压缩性变大, 随着压缩的进行, 土体的孔隙变小, 含水率降低, 引起结合水膜变薄, 这时有机物起到土粒之间的连接作用, 导致土体的强度增加, 压缩性变小。

(2) 原因如下:污泥属于欠固结土。在工程上经常遇见的压力下, 土颗粒自身和孔隙水的压缩量非常微小, 一般不予考虑。这是由于常规土是以无机颗粒为主, 其压缩变形十分微小, 而污泥中含有大量的有机物, 在荷载作用下会发生弹性变形以及不可恢复的塑性变形, 需要加以考虑。

试验初始含水率为374%, 液限为286.3%, 初始孔隙比为6.19, 200 k Pa压力下试验结束时孔隙比为1.93, 占初始孔隙比的1/3, 污泥总的压缩变形量为11.842 mm, 压缩应变为59.21%, 压缩系数av为7.01, 压缩指数Cc为2.22, 与软土[8]、垃圾土[9]、淤泥[10]相比, 污泥表现出更高的孔隙比、含水率、压缩性。

从这试验的结果分析以及图3可以看出, 污泥的压缩特性有其自身的特殊性。这是因为污泥的含水率高, 有机物含量高, 孔隙比大以及松散而又镶嵌接触的结构, 其中主要原因是污泥中含有大量的有机物。

2.2 水泥添加量对固化污泥的压缩特性影响

(1) 从图4中可以看出, 在压缩过程中, 初期阶段比后期阶段孔隙比下降的程度快, 变形的幅度大。

(2) 从图4中可以看出, 随着水泥添加量的增加, 固化污泥的初始孔隙比在减小, 其压缩曲线在下方, 随着压缩的进行, 其压缩曲线逐渐变成了上方。从图5中可以看出, 固化污泥的e~lgp曲线也没有出现这样的屈服转折点, 呈直线形式;水泥添加量越小, 其直线越陡, 相应的压缩指数就越大。

这是由于: (1) 固化污泥中含有大量的有机物, 而有机物具有较强的吸附能力以及有机物在土体中所起的作用相当于增加黏粒的含量, 导致土粒的结合势能增加, 结合水的含量也随之增加, 以及水化产物导致结合水含量的增加[7]; (2) 压缩初期, 固化污泥本身含量较少的自由水容易排出, 压缩较快;随着压缩过程的进行, 固化污泥变得密实, 自由水含量逐渐减少, 结合水占主导作用越来越明显, 而结合水不易排出, 压缩变形变得缓慢, 孔隙比减小变慢; (3) 有机物在荷载的作用下会发生弹性变形以及不可恢复的塑性变形, 随着压缩的进行, 有机物自身的变形会变得缓慢; (4) 压缩初期, 有机物引起的结合水膜较厚, 此时有机物起到减弱土粒间的连接力, 导致土体的强度降低, 压缩性变大, 随着压缩的进行, 土体的孔隙变小, 含水率降低, 引起结合水膜变薄, 这时有机物起到土粒之间的连接作用, 导致土体的强度增加, 压缩性变小。其原因为: (1) 随着水泥添加量的增加, 固化污泥的含水率降低以及胶结填充作用加剧, 引起固化污泥变得密实, 初始孔隙比减小, 其压缩曲线前期就会处于下方, 随着压缩的进行, 水泥添加量大的固化污泥的结构性强, 抵抗变形的能力强, 其压缩曲线逐渐变成上方, 这也与固化污泥的强度变化规律一致; (2) 随着水泥添加量的增加, 固化污泥的初始孔隙比在减小, 其压缩空间在减小, 压缩指数也就越小;另外随着水泥添加量的增加, 固化污泥中的有机物含量逐渐减少, 弹性和塑性都会有所减弱, 引起压缩空间变小, 加剧压缩指数变小的趋势[11]; (3) 污泥中的有机物含量高, 对固化过程中水泥的水化反应起到抑制作用以及对水化产物进行分解作用;随着水泥添加量的增加, 有机物的相对量降低, 引起抑制和分解作用降低, 这样也加剧了压缩指数变小的趋势[11]; (4) 固化污泥属于欠固结土;污泥含有大量的有机物, 对固化过程中水泥的水化反应起到抑制作用以及对水化产物进行分解作用[11], 引起整体性和胶结填充的结构性较差, 结构屈服应力比较小, 以及本文的第一级荷载为12.5 k Pa, 相对来说比较大, 故压缩曲线上难以表现出屈服转折点。这与李磊骨架构建法固化污泥指出单独添加水泥, 其强度提高不大相一致[12]。

2.3 固化污泥与固化淤泥压缩特点的比较

从图5、图6中可以看出, 固化淤泥的压缩特性具有突出特点是存在结构屈服应力, 而固化污泥这样的特点表现的不明显。

这是因为水泥固化土是通过水化反应形成胶凝物质, 以胶结和填充作用的方式形成结构。淤泥主要是由无机物组成, 有机物的含量很低, 对水泥水化反应的阻碍作用较弱, 整体性和结构性较好, 存在结构屈服应力, 当荷载超过结构屈服应力时, 土体的结构遭遇破坏, 呈脆性破坏, 压缩指数增大[10,11];污泥含有大量的有机物, 对固化过程中水泥的水化反应起到抑制作用以及对水化产物进行分解作用[11], 整体性和结构性较差, 固化后其有机质含量依然较高, 塑性较大, 结构屈服应力较小, 在曲线上没有表现出来, 呈塑性变形特点[11]。

2.4 固化污泥压缩机理的分析

固化污泥是水泥水化反应生成的胶凝物质胶结填充污泥颗粒而形成的;固化污泥中含有大量的有机物, 导致固化污泥的结合水含量高, 孔隙比大[7]。压缩初期, 有机物引起的结合水膜较厚, 此时有机物起到减弱土粒间的连接力, 导致土体的强度降低, 压缩性变大, 随着压缩的进行, 土体的孔隙变小, 含水率降低, 引起结合水膜变薄, 这时有机物起到土粒之间的连接作用, 导致土体的强度增加, 压缩性变小;大、中孔隙被压密成更小的孔隙, 结合水占据绝大部分孔隙。随着压缩的进行, 固化污泥的胶结结构不断的被破坏, 并进行调整, 重组, 压密, 趋于封闭密实, 更紧密的方向发展;有机物引起的结合水膜逐渐变薄, 有机物起到的连接作用逐渐加强;结合水膜由厚变薄, 颗粒的蠕动阻力逐渐增加;这三个方面不断变化的协同调整, 以适应外力的变化, 逐渐的抑制了固化污泥的变形。

3 结论

(1) 污泥的压缩特性有其自身的特殊性, 其中主要原因是污泥中含有大量的有机物。

(2) 固化淤泥的压缩特性具有突出特点是存在结构屈服应力, 而固化污泥这样的特点表现的不明显, 这是因为固化污泥中的有机物对其压缩性有重要影响。

(3) 随着压缩的进行, 固化污泥的胶结结构不断的被破坏, 并进行调整, 重组, 压密, 趋于封闭密实, 更紧密的方向发展;有机物引起的结合水膜逐渐变薄, 有机物起到的连接作用逐渐加强;结合水膜由厚变薄, 颗粒的蠕动阻力逐渐增加;这三个方面不断变化的协同调整, 以适应外力的变化, 逐渐的抑制了固化污泥的变形。

摘要：污泥经固化处理后可进行填埋处置, 而固化污泥的压缩特性对其的填埋处置有着重要的影响。针对这种问题, 开展了污泥中不同水泥添加量的固化污泥的压缩试验, 并对比固化淤泥的压缩试验结果, 分析固化污泥的压缩特点和压缩机理。结果表明:污泥的压缩特性有其自身的特殊性, 其中主要原因是污泥中含有大量的有机物;固化淤泥的压缩特性具有突出特点是存在结构屈服应力, 而固化污泥这样的特点表现的不明显, 这是因为固化污泥中的有机物对其压缩性有重要影响;随着压缩的进行, 固化污泥的胶结结构不断的被破坏, 并进行调整、重组、压密, 趋于封闭密实, 更紧密的方向发展;有机物引起的结合水膜逐渐变薄, 有机物起到的连接作用逐渐加强;结合水膜由厚变薄, 颗粒的蠕动阻力逐渐增加;这三个方面不断变化的协同调整, 以适应外力的变化, 逐渐的抑制了固化污泥的变形。

关键词：固化污泥,填埋,有机物,压缩特性

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