徐永福①②
(①上海交通大学土木工程系 上海 200240)(②河海大学文天学院 马鞍山 243100)
摘 要：城市生活垃圾焚烧炉渣具有活性，饱和炉渣的剪切强度随时间增加而增加。本文采用常规三轴试验测试饱和炉渣的剪切强度，围压σ3分别为50kPa、100kPa、200kPa和400kPa，试样的干密度ρd分别为1.4g·cm-3、1.5g·cm-3 和1.6g·cm-3，龄期t分别为3d、7d、14d和28d。三轴试验结果表明：饱和炉渣的破坏模式受龄期和围压的影响明显。围压小于200kPa，龄期小于14d的试样表现为脆性破坏。在τ-σ坐标上，应力莫尔圆的包络线不是直线； 炉渣在σ1-σ3坐标上表现为两段直线，分界点为σ3=200kPa，由σ1-σ3相关关系确定炉渣的内摩擦角和黏聚力更合理可信。
关键词：生活垃圾焚烧炉渣 三轴试验 内摩擦角 黏聚力 Mohr-Coulomb强度准则
生活垃圾焚烧炉渣(简称炉渣)富含SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，属于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3化学体系，可用作水泥混合料(李相国等， 2012；Li et al.，2012)。因此，炉渣的强度特性与水泥土类似(蔡吉圣等， 2016)。常规三轴试验是确定土体强度参数的理想方法(徐永福等， 1998； 卢再华等， 2002； 黄博等， 2012； 谌文武等， 2014； 石振明等， 2014)。卢再华等(2002)对南阳膨胀土完成了控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的收缩试验、控制净平均应力的膨胀试验和同时控制净室压力和吸力的排水剪切试验，验证了膨胀土各向同性压缩屈服LC屈服线的适用性。詹良通等(2006)利用新研制的双压力室非饱和土三轴仪，对鄂西北的中膨胀性土进行了吸湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验。试验土样取自鄂西北的中膨胀性土，采用静力压实方法制备试样，揭示了非饱和膨胀土在低围压吸湿过程中的体变性状呈明显的屈服特性，验证了Barcelona膨胀土本构模型中SD屈服包线的存在。孔令伟等(2010)采用压力板试验和非饱和土三轴试验，比较分析了荆门原状膨胀土与石灰改良土持水特征的差异性，研究了原状膨胀土、石灰改良膨胀土与重塑膨胀土的变形和强度特性。黄博等(2012)通过对福建标准砂的固结不排水和固结排水三轴试验，分析了反压、围压下饱和砂土的应力-应变关系和孔压发展规律的影响，指出常用破坏取值标准导致土体强度指标的差异。谌文武等(2014)采用GDS非饱和三轴仪对马兰黄土重塑样进行多次饱和试验与固结试验，提出在GDS三轴仪外压力室外部设置三通接头，将试样顶部和底部接通汇集为同一路径，缩短试验总时间的目标。石振明等(2014)总结了粗粒土大三轴试验的抗剪强度、变形特性和应力-应变关系特性的若干问题及应对措施。水泥固化土和石灰固化土的常规三轴试验结果表明：水泥土的强度具有显著的龄期效应，随着龄期增大，水泥土的抗压强度显著增加(杨滨等， 2006； 孔令伟等， 2010)； 水泥土的应力-应变关系为软化型曲线，表现为脆性破坏，峰值强度随围压的增大而增大(欧明喜等， 2011)。类似于水泥土，炉渣的强度随龄期和围压变化而变化，内摩擦角随围压增加而减小(蔡吉圣等， 2016)。根据Mohr-Coulomb准则，在τ-σ坐标上，炉渣饱和试样在不同围压三轴试验中的极限应力莫尔圆的包络线不是直线，给确定炉渣的内摩擦角和黏聚力带来困难(蔡吉圣等， 2016)。炉渣在τ-σ坐标上的包络线类似与粗颗粒材料的极限应力莫尔圆的包络线，与颗粒破碎有关(徐永福等， 2015； Xu et al.，2015)。针对常规三轴试验数据整理，τ-σ坐标上的包络线不是直线的难题，Lumb(1970)认为直接由σ1-σ3关系确定剪切强度参数更准确。陈立宏等(2005)根据常规三轴试验数据，比较了由p-q和σ1-σ3关系求解的抗剪强度参数，发现由p-q求解抗剪强度参数存在高估内摩擦角、低估黏聚力的问题，由σ1-σ3关系确定的抗剪强度参数更为合理。本文采用常规三轴试验测试饱和炉渣的强度特性，比较由极限应力莫尔圆和σ1-σ3关系确定的剪切强度参数，提出由σ1-σ3关系确定炉渣剪切强度参数的方法。
图1 炉渣放大5000倍的扫描电镜图
Fig. 1 Scanning electron microscopy on MSWI bottom ash
1.1 试验材料
图2 炉渣的XRD图
Fig. 2 XRD pattern of MSWI bottom ash
试验用垃圾炉渣取自江苏省泰州市生活垃圾焚烧发电厂，与国内外其他地区的垃圾炉渣一样，是由生活垃圾焚烧发电产生的。原状炉渣呈灰色颗粒状，颗粒形状各异、大小不一。炉渣中存在石块、砖块等大颗粒炉渣，也有细颗粒垃圾焚烧残渣。炉渣放大5000倍的扫描电镜照片(图1)。炉渣表面粗糙，呈不规则角状，孔隙率高，孔隙直径大； 部分位置晶体生长良好，主要为棒状、针状和粒状晶体，但是发育不均匀，原因是因为焚烧过程中温度和空气分布不均、焚烧停留时间不同以及炉渣组分复杂等缘故。炉渣X射线衍射(XRD)分析结果(图2)。从XRD图中看出，炉渣以SiO2、CaAl2Si2O8、CaAl2Si2O8·H2O的矿物形式存在，其中石英特征峰的峰形尖锐明显，说明石英的结晶度高，晶形比较完整。炉渣化学组成列于表1中，炉渣主要成分为活性氧化物，炉渣中的主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，总含量高达85%以上。
表1 炉渣的化学成分
Table1 Chemical composition of MSWI bottom ash
SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3TiO3K2ONa2OLOI/%56.76.113.89.72.90.40.92.61.91.3
1.2 试样制作
炉渣试样采用击实方法制样，炉渣粉碎、过2mm筛，加水拌和，闷12h，采用击样器分5层击实制样。炉渣试样饱和是试样中孔隙逐渐被水填充的过程，孔隙被水充满的试样称为饱和试样。采用抽气饱和法，将试样装入饱和器中置于干净、注入清水的密封缸内，对密封缸抽真空，当密封缸内水不出现气泡后，保持抽真空时间为12h。
图3 炉渣饱和试样的应力-应变关系
Fig. 3 Stress-strain relationship of MSWI bottom ash at saturation
图4 炉渣试样的破坏模式
Fig. 4 Failure mode of MSWI bottom ash at saturation
图5 炉渣饱和试样的应力莫尔圆
Fig. 5 Mohr circle and envelopes of saturated MSWI samples
炉渣饱和试样的应力-应变关系(图3)。图3a中表示了干密度ρd=1.6g·cm-3、龄期t=14d的炉渣饱和试样在不同围压条件下的应力-应变关系，从图3a中看出，围压越大，炉渣试样的应力-应变关系峰值表现的越不明显，炉渣试样的破坏模式由脆性破坏转化为塑性破坏。图3b表示了干密度ρd=1.6g·cm-3、不同龄期的炉渣饱和试样在围压σ3=200kPa条件下的应力-应变关系，从图3b中看出，干密度ρd=1.6g·cm-3、不同龄期的炉渣饱和试样在围压σ3=200kPa的三轴试验中的破坏模式不同。干密度ρd=1.6g·cm-3、龄期小于14d的炉渣试样在围压σ3=200kPa的三轴试验中表现为脆性破坏，龄期大于14d的饱和试样表现为塑性破坏。图3c表示了龄期t=14d、不同干密度的炉渣试样在围压σ3=200kPa条件下的应力-应变关系，从图3c中看出，龄期t=14d、不同干密度的炉渣试样在围压σ3=200kPa试验中表现为塑性破坏。
炉渣饱和试样的破坏模式(图4)。炉渣试样饱和在三轴试验中的破坏模式表现为脆性破坏和塑性破坏。炉渣在三轴试验中的破坏模式主要受围压和龄期影响。龄期小于14d炉渣试样在围压σ3<>σ3>200kPa的三轴试验中表现为塑性破坏。随着轴向应力增大，试样出现鼓胀现象，试样鼓胀并不一定是从试样中部开始，常常是从试样的顶、底面开始，可能与顶、底透水石的排水有关。
炉渣饱和试样的三轴试验极限应力莫尔圆表示在图5中。图5中表示了干密度ρd=1.6g·cm-3、龄期t=14d的炉渣试样在σ3=50kPa、100kPa、200kPa和400kPa的不同围压组合的莫尔圆。图5a是围压σ3=50kPa和100kPa的莫尔圆，试样的黏聚力和内摩擦角分别为239.9kPa和53.3°； 图5b是围压σ3=100kPa和200kPa的莫尔圆，试样的黏聚力和内摩擦角分别为313.2kPa和48.5°； 图5c是围压σ3=200kPa和400kPa的莫尔圆，试样的黏聚力和内摩擦角分别为705.2kPa和30.1°； 图5d是围压σ3=100kPa和400kPa的莫尔圆，试样的黏聚力和内摩擦角分别为460.9kPa和38.7°； 图5e是围压σ3=50kPa和400kPa的莫尔圆，试样的黏聚力和内摩擦角分别为368.2kPa和41.9°； 图5f是围压σ3=50kPa和200kPa的莫尔圆，试样的黏聚力和内摩擦角分别为239.9kPa和53.3°。相同干密度、相同龄期的饱和试样由不同围压组合的三轴试验得到的黏聚力和内摩擦角不同，这不符合实际情况。
根据饱和试样在两个不同围压的三轴试验中的极限应力莫尔圆，确定炉渣试样的内摩擦角，取两个围压的平均值，得到炉渣试样的内摩擦角与围压平均值的关系(图6)。从图6中看出，不同龄期的饱和试样根据围压相同的三轴试验得到的内摩擦角相差很大，与实际情况不符。炉渣的内摩擦角与炉渣颗粒形状、密实度有关，与龄期无关。从图6中还看到，炉渣试样的内摩擦角随围压平均值增加而减小。炉渣试样的内摩擦角与围压的关系表明，内摩擦角随围压增加而减小。根据Mohr-Coulomb强度准则确定的内摩擦角随围压平均值增加而减小，产生了一个麻烦，就是选择什么样的围压组合，确定炉渣的内摩擦角。所以，需要选取合理的炉渣强度参数确定方法。下面分析炉渣三轴试验数据在σ1-σ3平面上的特性，用来确定炉渣的强度参数。
图6 炉渣的内摩擦角与围压平均值的关系
Fig. 6 Relationship of internal friction angles and confining stress
图7 炉渣三轴试验的σ1-σ3关系
Fig. 7 σ1-σ3 relationship for saturated MSWI
samples in triaxial tests
炉渣饱和试样的σ1-σ3关系(图7)。在σ1-σ3坐标上，炉渣三轴试验数据是两条斜率不同的直线，以σ3=200kPa分界。σ1-σ3关系表示为：σ1=A+Bσ3。由此得到炉渣的内摩擦角和黏聚力分别为：φ=tan-1[tan(2tan-1B0.5-π/2)]，c=A/(2B0.5)
根据图7中的σ1-σ3关系确定的内摩擦角和黏聚力分别表示在图8和图9中。在图8和图9中，分两种情况：σ3<>σ3>200kPa。从图8中看出，在围压σ3<>σ3>200kPa的两种情况下，炉渣饱和试样的内摩擦角基本保持为常数，不随龄期增加而变化。炉渣的内摩擦角只与炉渣形状、密实度等因素有关，与龄期的关系不大。炉渣围压σ3<>σ3>200kPa下的内摩擦角，在τ-σ坐标上，Mohr-Coulomb强度包络线表现为凹向σ轴的曲线，与粗颗粒材料的强度包络线类似。
图8 饱和炉渣的摩擦角与龄期的关系
Fig. 8 Relationship of internal friction angle and curing age
图9 饱和炉渣的黏聚力与龄期的关系
Fig. 9 Relationship of cohesion and curing age
图9中表示了炉渣饱和试样的黏聚力与龄期的关系。从图9中看出，随着龄期增加，炉渣的黏聚力显著增加。炉渣的黏聚力随龄期的变化规律符合水泥类固化土的强度发展规律，随龄期增加呈对数函数增加(杨滨等，2006)。
综观炉渣的内摩擦角和黏聚力特性，根据常规三轴试验数据，采用σ1-σ3关系确定炉渣饱和试样的内摩擦角和黏聚力更合理。
本文采用常规三轴试验测试了炉渣饱和试样的剪切强度，得到以下结论：
(1)炉渣主要成分为活性氧化物，炉渣中的主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，总含量高达85%以上。炉渣以SiO2、CaAl2Si2O8、CaAl2Si2O8·H2O的矿物形式存在。
(2)炉渣饱和试样的破坏模式分为脆性破坏和塑性破坏。龄期小于14d炉渣饱和试样在围压σ3<200kpa的三轴试验中表现为脆性破坏；>σ3>200kPa的三轴试验中表现为塑性破坏。
(3)在τ-σ坐标上根据极限应力莫尔圆确定炉渣饱和试样的内摩擦角和黏聚力差别很大，内摩擦角随围压增加而减小，随龄期增加变化很大，与水泥类固化土的内摩擦角的特性不符。
(4)在σ1-σ3坐标上，炉渣的三轴试验结果表现为两条斜率不同的直线，以σ3=200kPa为分界点。根据σ1-σ3关系确定炉渣饱和试样的内摩擦角基本不随龄期变化，是一个定值； 黏聚力随龄期增加而增大，与水泥类固化土的黏聚力的龄期效应一致。
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SHEAR STRENGTH OF SATURATED BOTTOM ASH FROM MUNICIPAL SOLID WASTE INCINERATOR(MSWI)
XU Yongfu①②
(①Department of Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240)(②Wentian College of Hohai University， Maanshan 243100)
Abstract：Shear strength of saturated MSWI bottom ash increases with age due to its activity. In this paper， shear strength of saturated MSWI bottom ash is measured using triaxial tests. The confining pressures are 50kPa， 100kPa， 200kPa and 400kPa， respectively. The dry densities of tested samples of saturated MSWI bottom ash are 1.4g·cm-3， 1.5g·cm-3and 1.6g·cm-3.Their ages are 3d， 7d， 14d and 28d， respectively. The results of triaxial tests show that the failure modes of saturated MSWI bottom ash in triaxial tests are affected by cured ages and confining pressures. The samples with age less than 14d undergo brittle failure at confining pressure less 200kPa. The envelope of Mohr-Coulomb criterion is not a straight line. Two straight lines exist in the plane of σ1-σ3 at demarcation point of σ3=200kPa. Thus， the regressing maximum principal stress with minor principal stress is suitable to estimate shear strength parameters using triaxial tests．
Key words：Municipal solid waste incinerator(MSWI)，Triaxial test， Internal frictional angle， Cohesion, Mohr-Coulomb criterion
DOI：10.13544/j.cnki.jeg.2017.02.002
* 收稿日期：2016-03-29;
收到修改稿日期：2016-12-19.
基金项目：国家自然科学基金重点项目(41630633)，国家自然科学基金面上项目(41472251，41272318)资助.
作者简介：徐永福(1967-)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事非饱和(特殊)土土力学及地基处理研究. Email：yongfuxu@sjtu.edu.cn
中图分类号：P642.3
文献标识码：A
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