0、 前言
迄今，经济实用的分级分期灰渣筑坝技术被广泛应用在粉煤灰贮存中。灰场一般先建初期坝，待贮灰达一定高程后在坝前库灰上用粉煤灰加高子坝贮灰，如此分级分期修建子坝直到最终坝高。在设计分析中，粉煤灰一般分为一般碾压区或自然沉积区、坝基库灰和坝体灰，由于沉积条件与碾压程度不同，三者的干密度不同，其力学性质亦各有差异，故有必要研究粉煤灰在不同干密度下的力学性质。且粉煤灰属粉土范畴，亦有助于认识粉土干密度与力学性质的关系。
干密度对粉煤灰力学性质影响显著。李海芳基于几座电厂粉煤灰的试验得出，重塑试样的换算摩擦系数随干密度增大而增大，而原状试样试验结果非常离散; 干密度与压缩系数间的关系较离散，对渗透系数未见明显影响。刘凤德认为，内摩擦角、压缩系数和渗透系数与干密度近似呈线性关系，文献［4］的试验结果亦表明，内摩擦角与干密度有良好的线性关系。
本文针对某电厂粉煤灰，进行了不同干密度下的直接剪切、压缩和渗透试验，分析了干密度对粉煤灰力学性质的影响。
1、 试验
1． 1 试验土料
试验土料为某电厂粉煤灰，比重 Gs= 2. 42，砂粒(2 ～ 0. 075 mm) 占 18. 7%，粉粒(0. 075 ～ 0. 005mm) 占 73. 8% ，粘粒(≤0. 005 mm) 占 7. 5% ，液限wL= 45% ，塑性指数 IP= 9，分类定名为含砂低液限粉土［5］。据击实试验得最优含水率 wop= 16. 5% ，在本次试验中粉煤灰制样含水率 w 定为 17%。1． 2 试验程序在室内采用压样法试制试样时，制成试样的最松和最密状态下干密度分别为 0. 95 g/cm3和 1. 30g / cm3，故本次试验取其为试验最小和最大干密度，并内插 3 个干密度，分别为 1. 05 g/cm3、1. 15 g/cm3和 1. 25 g/cm3。
本次试验针对 5 个干密度下的粉煤灰分别进行直接剪切、压缩和渗透试验。直接剪切试验为非饱和固结快剪，试样尺寸 ?6. 18 cm × 2 cm，剪切速率0. 8 mm / min，法向压力分别为 100 kPa、200 kPa、300kPa 和 400 kPa。压缩试验为非饱和侧限压缩试验，试样尺寸 ?6. 18 cm ×2 cm，固结压力分 50 kPa、100kPa、200 kPa、400 kPa 和 800 kPa 五级加载，每级压力下固结24 h，每个干密度值下取两个样的平均值。渗透试验采用变水头法，试样尺寸 ?6. 18 cm × 4cm，每个试样测记 10 次并取其平均值。
2、 试验结果及分析
2． 1 干密度对抗剪强度的影响
由直接剪切试验得不同干密度下的粉煤灰在不同法向压力下的抗剪强度 τf，绘制抗剪强度包线，如图 1 所示。可知，在相同法向压力作用下，随干密度的增大抗剪强度增大。
由摩尔-库伦强度理论求得不同干密度下粉煤灰的粘聚力 c 和内摩擦角 φ，见表 1。
由表 1 可知:1) 随着干密度的增大 c 值有增大的趋势，但在较低干密度下 c 值增大不明显，其原因为较低干密度下，颗粒间的咬合力及颗粒之间的内力较小;2) 干密度愈大，土样愈紧密，咬合摩擦愈大，则剪切时需更多能量来克服，故 φ 随干密度增大而增大。为了得出内摩擦角 φ 与干密度 ρd的关系，绘制φ － ρd关系曲线，如图 2 所示。可知二者基本呈线性关系，文献［3-4］也得出类似结论。由最小二乘法拟合得 φ =10. 97ρd+ 15. 87，相关系数 0. 9957，即干密度 ρd增大 0. 1 g/cm3，内摩擦角 φ 约增大 1. 0°。
值得说明的是，该关系式为粉煤灰在 ρd= 0. 95 ～1. 300 g / cm3下得到的试验结果。
2． 2 干密度对压缩性质的影响
由压缩试验得不同干密度下的 e － p 曲线，如图3 所示。
由图 3 可知:1) 随干密度 ρd的逐渐增大，颗粒位置调整受到的阻力逐渐增大，曲线变得越来越平缓，表明其压缩性逐渐减小;2) 由于采用压样法制样，试样具有一定的先期固结压力，并随干密度增大而增大，故在较低固结压力下，低干密度试样处于正常固结状态且其本身孔隙比大，高密度试样处于超固结状态且孔隙比小; 因此，在0. 1 ～0. 2 MPa 压力范围内，低密度试样压缩性明显大于高密度试样，如 ρd= 0. 95 g / cm3时压缩系数 av= 0. 973 MPa－ 1，ρd= 1. 25 g / cm3时 av=0. 128 MPa－ 1，二者压缩性相差 7. 6 倍。
图 4 为 av－ ρd关系曲线，二者近似呈线性关系，表明随着 ρd的增大，av线性比例减小，文献［3］亦得出类似结论。由最小二乘法拟 合 得 av=－ 2. 3653ρd+ 3. 1305，相关系数 0. 9235，公式适用范围为 ρd= 0. 95 ～ 1. 30 g / cm3。
2． 3 干密度对渗透性质的影响
随干密度 ρd的增大，粉煤灰的大孔隙度和毛管孔隙度均减小，但渗透性主要和前者有关，到达一定干密度值后大孔隙在总孔隙中所占比例小，在较低孔隙率时，进一步的压缩主要是粒团本身压缩和粒团内部颗粒的重新定向排列，对渗透性影响较小。因此，渗透系数 k20随 ρd的逐渐增大逐渐减小并趋于稳定，见表 1。
土体干密度的变化可由孔隙比表示，泰勒用毛管流的海根-伯朔尼方程导出了砂土渗透系数与孔隙比 e 的关系式:
c ———颗粒形状系数
表明在颗粒和渗流体不变的情况下，渗透系数与 e3/ (1 + e) 成比例关系。绘制粉煤灰在不同 ρd下的 k20－ e3/ (1 + e) 关系曲线，如图 5 所示。可知两者呈良好的线性关系，表明式(1) 既适用于砂性土也适用于粉煤灰。
3、 结 语
本文针对某电厂粉煤灰，进行了 5 个干密度下的直接剪切、压缩和渗透试验，分析了干密度对其力学性质的影响，结论如下:1) 随着干密度的增大，粉煤灰抗剪强度增大，内摩擦角呈线性增大，粘聚力亦增大，但在低干密度下增大不明显;2) 随着干密度的增大，粉煤灰的压缩性减小，压缩系数与干密度近似呈线性减小关系;3) 随着干密度的增大，粉煤灰渗透系数减小并逐渐趋于稳定，其与孔隙比的关系可由泰勒公式表示。
参考文献:
［1］ 刘晓辉，何昌荣，王 琛． 白鹤电厂灰渣筑坝坝料试验研究［J］． 四川水利，2004(2) : 16-18．
［2］ 李海芳． 粉煤灰的静力学性质初步分析［J］． 华北水利水电学院学报，1997，18(1) : 26-30．
［3］ 刘凤德． 压实粉煤灰的工程性质及龄期的影响［J］． 岩土工程学报，1988，10(5) : 46-50．
［4］ 何昌荣． 两座电厂粉煤灰的强度特性及筑坝方法［J］． 岩土工程学报，1988，10(5) : 113-117．
［5］ SL237—1999 土工试验规程［S］．［6］ 陈愈炯，俞培基，李少芬． 粉煤灰的基本性质［J］． 岩土工程学报，1988，10(5) : 3-16．
［7］ 黄文熙． 土的工程性质［M］． 北京: 水利电力出版社，1983．
