＊李鵬 郭果

（1.四川公路橋梁建設集團有限公司 四川 610034 2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 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之中，截止至2017年底全國粉煤灰年產量已達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?？傮w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場地，充分利用土地資源，便成為工程技術人員面臨的技術問題。

作為工程建設場地，工程區(qū)內各類巖土體的物理力學性質也是關注重點之一。為此，國內相關專家、學者對粉煤灰物理力學性質進行了一定研究：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、標準貫入試驗等，發(fā)現(xiàn)場地粉煤灰遇水軟化，沒有濕陷性和欠固結性[3]；周德全采用鉆探、靜力觸探和十字板剪切試驗相結合方法，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試驗往往難度較大。在此，依托某勘察項目，通過室內試驗、標準貫入試驗，對粉煤灰的壓縮模量進行一定研究，以探討其相關性，對快速確定深厚粉煤灰建設場地的物理力學參數(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。壩內堆填粉煤灰最大厚度約60m。閉庫之后，于灰場表面鋪設厚約10m左右碎塊石夾粉質粘土加以覆蓋，以滿足工程場地建設要求。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

場地內構筑物雖荷載不大，但部分構筑物沉降敏感，因此，確定粉煤灰的壓縮模量，為沉降預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性質，鎢珠河灰場共布置勘探鉆孔7個，進行了顆分、常規(guī)物理力學試驗、固結試驗、現(xiàn)場標貫及剪切波試驗。

3.粉煤灰工程性質

(1)粉煤灰化學成分

對鎢珠河灰場粉煤灰進行化學分析，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，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

粉煤灰的物理性質中，細度是比較重要的指標，它直接影響著粉煤灰的其他性質，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，而化學成分影響后期的反應。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)場標貫試驗與孔隙率、壓縮模量的對應關系

在取樣位置進行標準貫入試驗，標貫擊數(shù)、孔隙比、壓縮模量以及密實度的對應關系如表6所示。

表6 標貫錘擊數(shù)與孔隙率、壓縮模量對應表

根據(jù)試驗結果可知：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，略高于其他學者所得試驗結果，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]所得結論一致。

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

現(xiàn)場取樣以及室內環(huán)刀截取原狀樣的困難，使固結試驗與現(xiàn)場試驗的關聯(lián)性并非特別突出，16組數(shù)據(jù)僅7組存在對應關系，對應率僅44%。

(6)標貫試驗與壓縮模量的對應性分析

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

表7 標貫錘擊數(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表

相關性曲線如圖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?？傮w上實測值與計算值關聯(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)關聯(lián)性較好，尤其公式3（《高程建筑巖土工程勘察標準》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；

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。

存在數(shù)據(jù)關聯(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致試驗結果并非現(xiàn)場實際的真實反映；

③碾壓過程中部分粉煤灰富集成團，導致標貫錘擊數(shù)失真。

由于公式3（《高程建筑巖土工程勘察標準》JGJ/T72-2017推薦公式）在稍密～中密狀范圍內計算值和實測值具有一定關聯(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安全角度出發(fā)，建議該公式作如下調整，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）。

標貫錘擊數(shù)與壓縮模量相關性曲線如圖2所示。

圖2 錘擊數(shù)與壓縮模量相關性曲線

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，標貫錘擊數(shù)與壓縮模量具有較好的相關性。

4.結論

（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，在工程勘察中應區(qū)別對待。

（2）根據(jù)室內試驗與標貫擊數(shù)關系，粉煤灰物理性質雖接近于砂性土，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準》JGJ/T72-2017推薦公式則偏于不安全。在此，從工程建設安全角度出發(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場地基礎上開展的相關性研究。該場地已于2015年竣工并投入運行，近幾年來運行狀況良好，各建構筑物沉降均能滿足工程建設要求，當初所提參數(shù)總體合理可靠。

（4）該相關性公式的數(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。