（岩土工程专业论文）淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土试验研究.pdf

摘要 把成为废弃物的疏浚淤泥和废弃泡沫塑料( 简称w e p s ) ，与固化材料混合 搅拌后，所研究开发的淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土，既具有般轻质混合 土的轻质、高强、自立性好、施工工期短等优点，又可达到环境保护的目的，具 有极其广泛的应用前景。为了填补国内在这方面的空白，本文对其物理、力学特 性进行了一些初步的研究： l 、通过对废弃泡沫塑料的粉碎工艺及轻质混合土试样制备方法的研究，可 以认为采用轻量化技术处理疏浚淤泥、废弃泡沫塑料具有可行性。 2 、通过密度试验，得到w e p s 颗粒的添加量是影响轻质混合土密度的主要 因素。水泥添加量、试样龄期影响较小。 3 、通过无侧限抗压强度试验，得到影响轻质混合土强度的因素有：水泥添 加量、w e p s 颗粒添加量、w e p s 颗粒粒径、试样养护龄期。 4 、不同配比的淤泥废弃泡沫塑料轻质混合土的常规三轴试验( c u 、c d ) 表明，其应力一应变关系具有明显的非线性特征和应变硬化特征。它的体变始终 为表现为剪缩。它的孔压有两种表现形式：一种为孔压随着轴向应变的增加达到 峰值后下降；另一种为孔压随着轴向应变的增加而逐渐增大。 5 、淤泥废弃泡沫塑料轻质混合土试样的c u 、c d 试验的强度包线都有两种 表现形式：折线型和直线型。 6 、在试验基础上，计算了淤泥废弃泡沫塑料轻质混合土的d u n c a n c h a n g 参数，为轻质混合土的设计、计算提供参数。 7 、将添加w e p s 颗粒而制各的轻混合质土，与添加e p s 颗粒而制备的轻质 混合土进行力学特性的对比，得到泡沫塑料颗粒的种类对轻质混合的力学特性 有较大的影响。 关键词：淤泥、废弃泡沫塑料、轻质混合土、新材料、力学性质、破坏机理 结构性、模型参数 a b s t r a c t n e t e c h n o l o g yf o rr e g e n e r a t i o no fg e o t e c h n i c a lm a t e r i a l sf r o md r e d g e ds i l ti s r e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o na r o u n dt h ew o r l d o n eo ft e c h n i q u e sf o rc o n v e r t i n gt h e d r e d g e ds i l t i n t ou s a b l er e s o u r c e si st h el i g h t w e i g h tt r e a t e ds o i l ( l w t s ) t e c h n i q u e n l e t e c h n o l o g yi st or e g e n e r a t en e wg e o t e c h n i c a lm a t e r i a l sb ym i x i n gd r e d g e ds i l to f h i g hw a t e r c o n t e n tw i t hs o l i d i f i c a t i o nm a t e r i a l sa n dw a s t e e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ( w e p s ) t h i sg e o t e c h n i c a lm a t e r i a lh a sp r o m i s i n gf u t u r ed u et ot h e i rp e r f o r m a n c e a d v a n t a g e ss u c h 船l i g h tw e i g h t ，h i g hs t r e n g t h ，s e l f - s t a n d i n g ，s h o r t e rp r o j e c te x e c u t i o n t i m e ，r e - u t i l i z a t i o no fs u r p l u ss o i l s ，a n de n v k o n m e n t a lf r i e n d l i n e s s h o w e v e r , m u c h e f f o r ts h o u l db ed e v o t e dt ot h ea r e as i n c et h er e s e a r c hi ss t i l li ni t si n f a n c y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h i sl i g h t w e i g h ts o i la r es t u d i e d a sf o l l o w s ： 1 t h ep r e p a r a t i o nm e t h o do ft h el i g h t w e i g h tm i x t u r es p e c i m e ni sp r e s e n t e d i ti s p r o v e d t h i st e c h n o l o g yi sf e a s i b l e 2 t h ed e n s i t yi sf o u n dt ob em a i n l ya f f e c t e db yt h ea d d i t i v er a t eo fw e p sb e a d s a c c o r d i n gt od e n s i t ye x p e r i m e n t 3 t h es t r e n g t hi sd o m i n a t e d b y a d d i t i v e sr a t e so f c e m e n ta n d w e p s ，p a r t i c l e s i z e o fw e p sa n dc u r i n g p e r i o da c c o r d i n gt od e n s i t ye x p e r i m e n t 4 ，i ti ss t r e s s s t r a i nd e m o n s l x a t e st h ep r o p e r t i e so fn o n - l i n e a ra n dh a r d e n ，v o l u n l e c h a n g ei sa l w a y ss h e a r i n gs h r i n k a g e t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ec h a r a c t e r i z e db yt w o a s p e c t s o n ei sw a t e rp o r ep r e s s u r ed e c r e a s e sa f t e rr e a c h i n gt h ep e a k 、 ，i t l lt h es t r a i n i n c r e a s i n g t h eo t h e ri sw a t e rp o r ep r e s s u r ei n c r e a s e s 丽t hs t r a i ni n c r e a s i n g 5 t w ot y p e so fm o h r c o u l o m bf a i l u r ee n v e l o p eo ft h el i g h t w e i g h tm i x t u r e s p e c i m e n w e r ei d e n t i f i e dn a n l e l yt h ef o l d i n gl i n ea n d s t r a i g h tl i n e 6 b a s e do nt h e e x p e r i m e n t s ，d u n c a n c h a n g sp a r a m e t e r s w h i c h p l a y a n i m p o r t a n t r o l ef o rt h ed e s i g no f t h ew e p sw e r ee x t r a c t e d 7 n l cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r e f o u n dt ob ea f f e c t e db yt h e t y p eo f e p s b e a d s k e yw o r d s ：s l u d g e ；t h ew a s t ee x p a n d e dp o l y s t y r e n e ( w e p s ) ； s t a b i l i z e dl i g h t s o i l ；n e wg e e m a t e r i a l ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；f a i l u r em e c h a n i s m ；s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s ；m o d e lp a r a m e t e r s ； 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 大量产生的疏浚泥给环境带来很大影响 1 、疏浚泥大量产生 随着国民经济持续快速的发展，我国港口、航道、海洋和海岸工程的建设大规模进 行，疏浚泥的大量产生已成为难以回避的现实。例如深圳铜鼓航道，全长2 0 2 k m ，底宽 2 0 0 m ，底高程一1 3 5 m ，按第四代集装箱船不乘潮进出港单向航道设计，总疏浚量3 5 8 5 万m 3 ；天津港每年大约疏浚5 0 0 万m 3 淤泥【i j ，秦皇岛港戊巳码头工程是国家重点建设 项目，其港池疏浚量2 6 9 3 万1 1 1 3 。2 0 0 1 年广州石化马鞭洲原油码头，实施的二期港池、 航道疏浚工程，把航道的底标高由原来的一1 6 1 m 疏浚到一1 8 1 m ，疏浚量约为1 0 0 0 万 m 3 等等。 为改善湖泊河道水质、保证河道正常泄洪能力和内陆航道等级的提升，也展开了大 规模的湖泊、河道的疏浚清淤工程，也将产生大量的疏浚泥。例如，1 9 9 9 年杭州西湖疏 浚工程的总疏浚量为2 6 0 万m ；巢湖污染底泥疏挖及处置工程是综合治理巢湖污染的 重要措施之一，疏浚面积为2 0 2k m 2 ，疏浚量为2 9 8 万1 1 1 ；太湖流域规划投资2 0 多亿 元，疏浚河道淤泥3 亿i n 3 ，较好地改善了河湖水质：2 0 0 3 年浙江省河道的淤泥疏浚量 在5 0 0 0 万m 3 左右【2 】= 2 0 0 0 2 0 0 3 这3 年中，上海累计整治河道1 5 万条，总长度约l 万k m ，疏浚淤泥约i 亿m 3 。 2 、疏浚泥处理及其影响 ( 1 ) 海洋疏浚泥的处理方法及其影响 目前，对于我国沿海港口、航道和河口的疏浚工程以及海岸工程建设产生的疏浚泥， 处理方式主要是：吹填与抛泥【3 】。吹填这种处置方法对于含砂量较多、有长期闲置土地 的工程比较适用。但对于无闲置土地或急于开发利用的城市地区这种方法一般难以推 广。此外使用传统的吹填施工方式是填筑地基，存在固结速度慢、承载力小，容易对海 洋环境造成二次污染等问题。这种方法既不能大规模推广应用，也难从根本解决疏浚泥 海洋倾倒的管理问题。 另一种方法就是先进行吹填造陆，然后进行地基处理的方法，例如天津市水利局水 利科学研究所发明了“低位真空预压软土地基加固法”的地基处理方法，利用此技术进 行淤泥吹填造陆，使天津陆地面积增加了4 ，5 k i n z ；浙江温州开发区纬五路加固工程采 用此技术，使工程实现清淤与路基加固有机结合，加固软土地基1 4 5 k m 2 ；浙江湖州将 此项技术应用到清淤固堤上，整治滑坡地段3 7 7 m ；福建、江苏等地的一些沿海城市也 利用这项技术进行海湾清淤与造陆，提高了滨海土地的利用率。但这种方法需在后期的 第一章绪论 地基处理上花费大量的投资和时间，其使用会受到经济上的限制。 抛泥是目前绝大部分疏浚泥的处理方法。所谓抛泥就是将淤泥倾倒到海洋主管部门 指定的海洋倾倒区。据 2 0 0 1 年东海倾废管理公报东海区2 0 0 1 年度废弃物倾倒入海 总量为3 6 4 4 o l 万m 3 ，上海海域倾倒量占东海区倾倒总量的7 3 2 ，为2 6 8 2 4 9 万m 3 。 其中长江口深水航道一期工程的疏浚物倾倒量为1 9 9 0 万m 3 ，占东海区总量的5 4 3 ： 吴淞口北倾倒区6 8 5 5 5 万m 3 ：鸭窝沙北倾倒区2 万r l l 3 ：金山倾倒区4 9 4 万r n 3 ；江苏 连云港海域倾倒量3 4 8 1 5 万i n 3 ，占总倾倒量的9 5 ；浙江海域倾倒量为5 8 7 7 1 万m 3 ， 占总倾倒量的1 6 1 ，该区域的甬江口倾倒区3 3 5 5 6 万i t l 3 ；其次是北仑倾倒区9 5 1 5 万m 3 ；再次是椒江口6 0 7 4 万1 t 1 3 ；瓯江口倾倒区5 2 9 2 万m 3 ；舟山倾倒区4 3 3 4 万 m 3 。福建海域倾倒量1 0 8 2 万m 3 ，占总倾倒量的0 3 ，其中湄州湾倾倒区o 6 7 万m 3 ， 泉州湾倾倒区1 0 1 5 万r n 3 。厦门海域倾倒量3 6 0 8 万矗，全部倾倒在浯屿临时倾倒区。 由上述数据可见，疏浚泥倾倒于海洋中数目巨大，海洋疏浚泥倾倒区大部分设置在河口、 近海海域，而这些海域又大多是海洋捕捞、水产养殖、幼鱼幼虾保护和各类经济活动活 跃的重要区域。由于疏浚泥中含有重金属和有机物等污染物，疏浚泥对海洋生物的生存 产生很大影响 4 ，主要反映为疏浚泥倾抛后在疏浚泥覆盖范围内对底栖生物的生存所 产生的影响，以及疏浚泥扩散后造成周围水体含沙量的增加丽引起对浮游生物生存环境 影响。从实际调查情况发现，由于疏浚泥大量在抛泥区内的倾倒覆盖，使生存在抛泥区 内大量底栖生物遭到掩埋，因供氧量的不足造成物理性的窒息死亡或抑制其生长，调查 所得抛泥区内外底栖生物量的变化统计，反映了抛泥区内受疏浚泥影响，使底栖生物总 量及密度较抛泥区外少，由此海洋抛泥会对海洋生态系统产生恶劣影响，破坏生态平衡， 危及海洋生物生存 5 l 。由于疏浚泥的倾倒严重影响海洋资源的有效利用，并对海洋环境 造成了不可弥补的破坏，不正确的倾倒行为还影响泄洪和风暴潮，因此疏浚泥倾倒与其 他海洋活动及海洋环境保护之间的矛盾越来越深刻，已成为海洋管理的一个难题。 近年来疏浚泥海洋倾倒还引起了许多社会矛盾和海洋环境纠纷。如深圳铜鼓航道工 程的疏浚泥倾倒区在1 9 9 7 年就完成倾倒区规划论证并通过专家审查，由于涉及环境问 题和地方的利益，使倾倒区的地点一直难以落实，经过协调直到2 0 0 0 年才得到解决， 极大的影响了工程的进度。又如香港九号货柜码头工程，疏浚泥在珠江口海域倾倒引起 的海洋环境纠纷，产生地区间的经济冲突。 目前，随着港口疏浚工程的逐年增多和社会环保意识的增强，一方面疏浚泥海洋倾 倒面临着现有倾倒区由于使用多年，容量日趋饱和，难以容纳未来大型工程疏浚泥的倾 倒。另一方面在河口、港湾和近岸海区已很难找到大容量的海洋倾倒区。新的抛泥必然 向外海倾倒，不仅大部分疏浚船舶的安全和工程工期受到影响，而且处理疏浚泥的成本 将大幅度提高。例如铜鼓航道疏浚工程，计划向外海倾倒的疏浚泥达到3 0 0 0 多万m 3 ， 最大运距达到3 0 海里以上，按每立方米疏浚泥1 o o 元海里运费，将增加运费g 亿元a 2 河海大学硕士学位论文 总之，海洋疏浚泥倾倒行为产生的环境问题和社会问题必然破坏海洋环境和资源， 影响海洋经济的可持续发展，制约了国家沿海港口、航道、海洋海岸工程的建设。只有 从根本上减少疏浚泥海洋倾倒的数量，才能缓减海洋倾倒区紧张的状况，排除港口、航 道、海岸海洋工程建设的障碍，解决海洋环境管理中的难题。因此，研究开发既不污染 海洋环境、破坏海洋资源，又能将大量疏浚泥进行处理，转化为再生资源的高技术是必 由之路。 ( 2 ) 内陆湖泊河道疏浚淤泥的处理方法 对于内陆湖泊河流疏浚泥的处理，是一个在很多国家都存在的世界性环境问题。如 英国的太晤士河、俄罗斯莫斯科河、日本琵琶湖和霞浦湖、美国芝加哥河和特拉华河、 德国莱茵河，中国上海的苏州河等都因此让其国家投入了大量的人力物力 】( 国际上每 处理l m 5 淤泥要投入1 0 1 5 美元) 。 在我国江南地区，河道、湖沼星罗棋布，淤积导致河道行洪排涝不畅，调蓄容量减 少，航道等级下降，水质污染，河流水环境状况恶化。出于保护环境，改善水质条件和 通航条件的目的，我国已经开始有计划地对这些河道、湖沼进行清淤和水环境综合整治， 也将产生大量的疏浚淤泥。将带来新的环境问题1 8 j f 9 】：淤泥一般含水率高、强度低、腐 植质含量高，在运输过程中易洒落，干燥后形成扬尘，在堆放地产生难闻气味，污染空 气，在降水的作用下又会产生泥浆液，被雨水带走。如果带入河流湖泊，形成二次污染， 成为河道、湖沼治理中的难点，直接关系到土地资源的利用、疏浚成本、疏浚的社会效 益和经济效益。 目前，对疏浚淤泥的处理大部分都采取比较简单的处理方式，如用于加固堤防、填 高低地。为了满足环境保护和实现可持续发展的要求，把疏浚淤泥作为一种资源加以利 用的技术研究成为热点。国内这一技术应用的比较广泛和成熟的有以下几种【l 伽： 直接利用疏浚淤泥制砖 利用疏浚淤泥肥田沃土，改良土壤 利用疏浚淤泥平整土地 其他处理方法 采用离心脱水机或压滤机进行脱水的方法口】。另外，据新加坡联合早报报道：国际 水协会的泥专家小组主席斯彼诺沙博士说，有人利用淤泥加工后，制成各式首饰和摆设 品。泥也可以作为垃圾焚烧厂的燃料，为减少垃圾尽一份力。据了解，新加坡正在探讨 这种做法。但对疏浚泥的这几种处理方法所能处理的量较小。 1 1 2 废弃聚苯乙烯泡沫塑料产生、污染现状及治理途径 l 、废弃e p s 的大量产生 随着科学技术的发展，人工合成材料得到了广泛的应用。作为人工合成材料之一的 第一章绪论 发泡聚苯乙烯泡沫塑料( 简称e p s ) 有质轻、吸音、吸震、易成型、成本低等优点，它 是当今世界上应用最广泛的塑料之一。e p s 主要用作家电、办公机械缓冲包装材料、容 器以及一次性餐具等，有综述文章指出，全世界的废旧塑料中，以体积计算，e p s 约占 一半。在我国，现成为世界上十大塑料制品生产国之一，据中国包装技术协会的有关人 员介绍，1 9 9 0 年国内包装用泡沫塑料为9 5 万吨，i 9 9 5 年为2 1 1 万吨【1 2 l 。1 9 9 0 以来 泡沫塑料包装材料在世界市场中的增长率高于其它包装材料，1 9 9 0 1 9 9 5 年的平均增长 率为8 o 。经调查，北京市生活垃圾中废泡沫塑料含量约为3 ，每年总量约为1 4 万吨； 上海市生活垃圾日产量为1 1 万吨，其中废塑料含量约为7 ，每年总量约为2 9 万吨【1 3 】 ( 1 4 】 2 、废弃e p s 给环境带来严重污染 e p s 制品的广泛使用，确实给人们带来了不少方便，但由于废弃e p s 难于压缩和降 解，以及人们对废旧泡沫塑料造成的环境污染缺乏足够的认识，将用过的废旧泡沫塑料 制品随意丢弃，给环境造成了严重危害，具体表现在【1 5 - 1 8 1 ： ( 1 ) 视觉的危害。大量的废塑料制品到处可见，给人们的视觉带来不良刺激，严重破 坏了市容、景观。 ( 2 ) 对农业生产的影响。废e p s 遗弃在土壤中，导致农作物减产，而且堆放或掩埋废 弃e p s 占用大量土地资源。 ( 3 ) 危及人类健康和动物安全。如果进行焚烧，会把多种有毒气体释放于空气中，废 e p s 制品，被动物当作食物吞入，会导致死亡。 ( 4 ) 使生活垃圾难以处置滋生细菌。由于大量e p s 制品进入生活垃圾，导致生活垃圾 难以处置。自然界中长期堆放的废弃e p s 给鼠类、蚊蝇和细菌提供繁殖的场所，易传染 各种疾病。 ( 5 ) 为水利枢纽的运行带来隐患。废弃e p s 顺水而下聚集在坝前库区，形成大型水上 垃圾场，影响水利枢纽运行。 3 、目前废弃e p s 的治理途径 对于废弃e p s 的处理，主要包括卫生填埋、焚烧回收热能、回收进行资源化处理等 凡大类途径( 包括热熔再生、热裂解( 催化裂解、制单体及燃料油、改性再生、凝胶法 再生、溶剂法再生质) 1 9 - 2 4 1 1 2 研究问题的提出 1 2 1 疏浚淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土概念的引入 由于采用上述处理疏浚淤泥和废弃泡沫塑料的方法存在一定的缺陷：有的处理量虽 大，但带来环境污染；有的需要专门工艺设备，但废弃物处理量小，投资较高。而且， 河海大学硕士学位论文 大型土木工程建设需要大量土方，破坏了大量良田。如何解决每年大量疏浚淤泥和废弃 泡沫塑料所带来的环境污染，并且保护现有的耕地资源，己成为目前亟待解决的课题。 因此，根据“以废治废”的原则，把它们变成一种资源，保持社会的可持续发展，实现 人与自然的和谐统一。本文提出通过固化技术，将已成垃圾的疏浚淤泥和废弃泡沫塑料 粉碎而成的再生颗粒，加入水泥作为固化剂，进行混合，得到新型轻质土工材料一疏浚 淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土( 简称w e p s 轻质混合土) ，并可以在未来土木工程 中得到大规模的应用。 1 2 2w e p s 轻质混合土处理方法的优点 l 、能够大量处理废物，消除环境污染。 这种固化的处理方法，不但能够大量处理每年所产生的疏浚淤泥和废弃泡沫塑料， 而且又使固化后产物的渗透率大大降低，同时避免了因露天堆放而产生有害气体。极大 的消除这两种废弃物带来的环境污染，产生很大的社会效益。 2 、这种处理方法使疏浚淤泥和废弃泡沫塑料资源化的同时又保护了自然资源。 在许多大型土方工程中，如在高速公路的建设、河道堤岸的加固、建筑填方工程、 海洋工程中都需要大量的填方用土。目前，这些土一般来自耕地的开挖、河床采砂、开 山采石等方法，但这些方法取得的土方资源是有限的。而且这些方法还会带来许多负面 影响，如造成水土流失和农田减少等。由于我国特别是沿海地区，建筑所需土方量大， 随着天然资源的减少，土方的开采越来越难，又因为价格的上涨和运输距离的延长，长 距离土方运输就很不经济，工程用土已经成为一些工程、特别是大型工程项目开发建设 的重要成本因素。因此，这种资源化的处理方法不仅达到资源再生的目的，而且有效保 护了耕地等自然资源，防止了水土流失。 3 、处理技术费用低廉 由于采用的原料为作为垃圾的疏浚淤泥和废弃泡沫塑料，固化材料为水泥。而后根 据工程需要，进行一定比例的配比，仅需花费极少资金，即可获得满足工程要求的土工 材料。 淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土具有轻质、高强、固化前具有流动性、固化后自 立性好等优点，具有广泛应用前景。尤其是低密度的特点，可以减轻对基底或下卧层的 压力，减少甚至无需地基处理，可大幅度地缩短旋工工期、节省用地等，特别是可大幅 地降低由于软基的工后沉降而引起的维护管理费，进一步降低整个工程的综合造价。 4 、便于旎工 需要进驻现场的材料和机具很少，进出场地方便，施工效率高。 总之：采用固化处理的方法，一次大量处理疏浚泥及废弃泡沫塑料，使其成为具有 特殊工程性能并且高附加值的土工材料，达到工程所要求的密度、强度等要求。既具有 第一章绪论 保护环境和废物利用的优点，同时又产生一种新的资源，具有广阔的工程应用前景，是 一种值得推广的技术。因此，本文对处理后所得w e p s 轻质混合土进行深入研究，为其 在大规模现场应用时提供基础和依据。 1 2 3w e p s 轻质混合土在岩土工程中的应用1 2 5 - 3 3 i w e p s 轻质混合土具有上述诸多优点，因此，类似于其它轻质材料，其具有广泛的 应用前景： 1 、路堤填筑 如果采用w e p s 轻质混合土在软土地基上填筑路堤时，可以避免地基因填土自重作 用产生较大下沉。利用这种新型材料作为路堤填料( 如图1 1 ) ，既可以减少地基沉降量 和沉降时间，又可以减少结构物本身以及伴随地基沉降而发生的周边土体的变形，同时 又降低工程造价。 图1 1 轻质混合土用作路基 2 、治理“桥头跳车”问题l _ “l 桥台的基础是桩基，工后沉降很小。与之相连的公路的路堤一般是填筑在软弱地基 上，填土的自重荷载会使软弱地基产生很大变形，导致较大的工后沉降。这会导致在桥 头处可能形成危害行车安全的沉降差，即产生“桥头跳车”问题。如果公路在临近桥头 的一段路堤采用轻质混合土作为路堤过渡段( 如图1 2 ) ，较轻的自重荷载在有效减小软 基沉降和工后沉降的同时，对桥背产生较小的土压力并减小侧向流动性。 河海大学硕士学位论文 厂 寻一土 r 一 图1 2 轻质混合土解决桥头跳车 3 、拓宽工程 在城市拓宽工程中，在建筑物附近新建工程时，由于用地紧张，施工场地狭小，不 便放坡，施工期短，还要对地基进行处理以减小对周围建筑物的不良影响。采用普通填 土难以施工，如果采用w e p s 轻质混合土( 如图1 3 ) ，由于其具有较好的自立性，不 需放坡，就可保持稳定，节约用地面积，而且能够大幅度地降低填土荷重，将填土对临 近建筑物的不良影响降低到最低程度。 扩建道路 轻质混合土普通填土 亿卜 软土地基 图1 3 轻质混合土解决道路拓宽问题 4 、管道填埋与构造物保护 各种市政管道易裂，利用般的回填土在施工中会产生种种困难。轻质混合土具有 很好的流动性，特别适用于埋管、充填地下空洞等不能进行碾压施工的工程。由于其密 度较原位土小，所以不需要对地基进行处理，对周围环境的影响很小；由于其强度高， 能够承受上覆荷载，工后沉降很小( 如图1 4 ) 。 第一章绪论 路面 普通填土普通填土 ，、 ( 管道) u 轻质混合土 图1 4 轻质混合土解决管道回填 5 、挡土墙墙后回填土 由于轻质混合土自重轻，有良好的自立性，对构筑物背面产生较小的土压力。因此， 具有较大的安全系数。可广泛应用于挡土结构物如挡土墙、护岸、护壁等( 如图1 5 所 示) 图1 5 轻质混合土解决墙后回填土解决滑坡 1 3 固化技术、轻质材料的国内外研究现状 目前，关于疏浚淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土的研究在国内还未见报道，但在 土的固化处理已经开展。对于轻质材料的研究与应用，在国内外，已逐渐成为研究热点， 并在实际工程中应用。 河海大学硕士学位论文 1 3 1 固化技术研究现状 1 8 0 2 年法国开始对固化材料提高土壤的工程特性加以研究和应用3 4 ) 。1 9 6 3 年国际 土木工程会议上，固化剂喷浆注射法成为大会讨论的焦点，以后逐步发展起来。我国九 十年代初开始引入国外的高性能土壤固化剂，并研制和开发了系列固化剂。随着土木工 程中地基处理新技术的发展，加之对环境的重视而发展起来的环境岩土工程的推动，对 于固化土的研究也不断发展完善f 3 卯。目前，在国内已得到广泛应用口6 1 。这方面的研究主 要体现在对固化材料及其力学特性和固化机理的研究。 l 、土的固化材料研究 传统固化材料的研究从最初的水泥，后来发展为以粉煤灰、石灰、石膏、硅粉等作 为辅助的复合型固化材料开始进行研究”4 3 1 。通过无侧限抗压试验等土工试验，对固化 材料的固化效果进行深入研究，得出如单一固化剂最佳添加量、复合型固化材料的效果 等研究成果。 除了传统的固化材料，国内外专家还开发了新型有效的土壤固化材料【3 ”，即专门用 来固化土体的固化材料。在国外，如美国路邦( r o a d b o n d ) 公司的路基强固剂，日本 世纪东急工业株式会社土壤安全剂等。国内目前研制开发或已投入使用的有n c s 系列、 h s 系列、硫酸盐系列、a u g h ts e t 系列f c l 型、b 1 型、d l 型) 等。周明凯j 、刘瑾【“1 、 彭波等 4 6 1 通过大量试验，研究了新型固化材料的固化效果，并与传统固化材料进行了 对比分析，认为新型固化材料成本一般较高，固化效果强于传统固化材料。 2 、力学性质研究 许多学者用室内土工试验的方法较为系统地研究了水泥加固土的强度和变形特性 及其影响因素，揭示了水泥土的性质与土体本身的物理力学性质、水泥掺入量、外加剂 等有关。寺师昌明等【4 7 】对水泥、石灰混合土的强度特性进行了较为系统的研究。上俊二 等f 4 8 】则针对一些特殊用途，对高岭石粘土固化处理后的力学性质，通过无侧限抗压强度 试验、固结试验、三轴试验进行了系统的研究，对高应力条件下水泥土的应力一应变关 系进行了探讨。k a m a l u d d i n m 等 4 9 则对水泥土的固结特性进行了研究，指出水泥土的 固结特性相似于超固结土。h e l e n et r e m b l a y t 5o 等通过压缩试验，对高含水率的疏浚淤泥 用石灰或水泥固化土的压缩性进行了研究。 3 、固化机理研究 目前对固化机理的研究一般使用化学分析、扫描电镜( s e m ) 、差热分析或x 一衍射 ( x r d ) 的方法对水泥土中产生的固化物进行研究。黄新，周国钧【5 1 使用化学分析和 s e m 法对水泥土中胶结物的形成和离子吸收机理进行研究，王星华【5 2 】将粘土制成浆液 后进行固化，对其固化机理进行研究。刘顺妮【5 3 】利用s e m 、x r d 对添加各种外加剂固 结时的机理，e i k o n - s o 5 q 对火山灰土的固化机理进行了较为系统的研究，通过s e m 、 x r d 法对土中水铝英石含量对强度的影响，首次对固化土中的水分势能一p f 进行研究， 一 苎二童堕望 成功地揭示了固化处理过程中自由水向非自由水转化的过程。而童小东等1 5 5 】通过对水泥 土的弹塑性损伤试验研究，探讨了水泥土损伤机制。上述成果可以定性的研究固化物的 种类，固化物的数量。对固化方法的研究，主要集中于强度、固化效果方面，而机理的 研究比较少。 1 3 2 轻质材料的研究现状 近年来，轻质材料由于具有质量轻，保温隔热等特点，在岩土工程和建筑工程中得 到广泛应用。目前，应用于岩土工程的轻质材料主要有聚苯乙烯泡沫塑料( e x p a n d p o l y s t y r e n e ，简称e p s ) 板材、稳定轻质混合土( s l s ) 、泡沫轻质材料( f l m ) 25 等。同 样由于其轻质保温性，应用于建筑工程的轻质材料有e p s 泡沫混凝士。 1 、e p s 板材的应用与研究 聚苯乙烯泡沫塑料( e p s ) 在道路工程中的应用起始于1 9 6 5 年，挪威在路面下铺设 5 l o c m 厚的e p s 板作为隔温层，以满足严寒季节对道路防冻的要求”州。此后，1 9 7 2 年 挪威道路研究所在研究填土施工法时首次用e p s 代替填土获得成功，解决了与桥台相接 路堤的过渡沉降问题 5 ”。1 9 7 7 年瑞典国家岩土力学所( s g i ) 引进了该技术，法国也于 1 9 7 9 年开始应用该技术。英国于1 9 8 3 年将e p s 应用于与铁路交叉的桥台背面填土。1 9 8 5 年在奥斯陆召开的国际道路会议上公开了该项技术【5 ”，从此e p s 在瑞典、法国、加拿大、 日本、荷兰、澳大利亚等国也得到广泛的应用，并取得了许多成功经验。 国外e p s 板材成功应用来源于对于e p s 板材的生产、材料特性以及工程设计施工均 进行深入系统的研究。例如：d j t h o m p s c t t ， a w a l k e r ， r j r a d l e y a n db m g r i e v e s o n 5 9 】介绍了e p s 应用的历史，对这种轻质材料的物理力学特性和设计要求、施工 技术进行研究，并结合两个实例对其进行了分析；j s h o r v a t h 6 0 “j 介绍了材料的生产过 程，对其密度、耐久性等基本特性和受荷后压缩变形、热传导工程特性进行了研究，并 对其进行了理论研究；m d u g k o v 6 3 】专门针对道路路堤铺设设计进行了研究；a a b o e 畔】 系统阐述了e p s 轻质板材的工程应用经验。f r y d e n l u n d 6 s l 研究了e p s 优越工程性质：此 外挪威道路试验室给出本材料的应用规科6 6 】。日本浜田英治( 1 9 9 4 ) 等f 8 4 】采用直径5 c m ， 高l o c m 的圆柱试件进行单轴压缩试验和模型道路试验，将最大压缩应力作为屈服应力 的5 0 ，经过1 0 万次的反复作用，几乎不产生累积变位，由此得出它的变形模量基本不 变。 国内用e p s 作为填土材料的应用开展尚处于起步阶段。1 9 9 2 年交通部公路勘测设计 院率先在昆仑山越岭段铺设了2 公里试验路段，取得良好效果p “。 目前，土木界对于e p s 板材的研究主要集中在其物理化学性质、力学性质及应用研 究。物理化学性质方面，主要为材料本身的物理化学性质特性及其所适应的周围水土介 质环境，研究在轻质混合土工材料的土工应用过程中，所应该采取的适宜防护措施。力 词海大学硕士学位论文 学性质方面，主要研究e p s 板材的应力一应变关系、压缩变形特性、抗弯性能等。而应 用研究则体现在设计理论和施工技术的研究。 1 9 9 2 年武汉水利电力学院的白冰和陆士强【6 ”做了泡沫材料用于减轻上埋式结构物 土压力的研究。提出了在上埋式结构物中，如果刚性较大，由于其上土柱与两侧土体的 不均匀沉降会在结构物顶部产生很大的附加压力。在结构物顶部填筑一层e p s 块体或粒 状e p s 可以减轻这一压力。他们进行了实验模型研究，观测了土体内部应力场和位移场 的变化，探讨了其减压的机理和效果。 1 9 9 7 年河海大学的张忠坤博士和殷宗泽教授 6 8 - 7 0 】对e p s 的力学特性做了初步研究： 对e p s 块体进行了三轴试验研究和大型块体载荷试验，得出邓肯模型参数，并通过对e p s 块体进行非线性弹性分析，指出邓肯模型对低围压条件下e p s 块体的适用性。 东南大学杜骋、杨军【5 7 1 通过荷载试验对e p s 板力学性质进行研究，并提出相应的结 构设计方法。 1 9 9 5 年浙江省交通设计研究院【7 1 1 对采用e p s 作为防止路堤滑移材料使用时，e p s 的 制作、设计、施工、后期沉降等方面做了较详尽的试验和观测，提出e p s 的防水性、自 立性、减少沉降方面效果比较显著，并提出在路堤高度4 m 以下，宜采用e p s 路堤方案。 中国科学院武汉岩土力学研究所谢洪涛、杨春和【7 2 j 基于一个非线性粘弹性本构模型 描述土体的蠕变特性，建立了有限元模型，对某工程中使用e p s 作换填材料所产生的 效果进行了计算模拟，提出了在该类工程中设计的原则和方法。 同济大学吴征等【乃】以大泖港桥头引道e p s 轻质路堤的应用为背景，探讨了e p s 轻质 路堤的施工方法及其适用性。黄志福、姚昱晨、周新华 7 4 】在给出e p s 的特性及应用的背 景、设计简况和细部设计基础上，提出了e p s 路堤设计各要素计算公式，同时阐述了施 工工艺、质量控制方法和标准。 但由于e p s 板材造价高( 约3 0 0 元m 3 ) ，因此目前国内道路工程中使用尚少，仅 在东南沿海经济发达、软基分布广泛的省份如广东、江苏、浙江等省中软基公路工程、 市政工程中得到应用，但多数应用于应急补救工程。 1 、稳定轻质混合土研究应用现状 针对e p s 板材的不足之处，上世纪8 0 年代，日本等国开始研究“稳固轻量土”， 即将土、砂和e p s 球粒( 或碎粒、片等) 混合起来，再加入水泥、石灰等胶结材料，制 成轻质混合土材料- - s l s ( s t a b i l i z e dl i g h ts o i l ) 口“。s l s 的密度虽然比纯粹的e p s 密度大，但其强度大，价格低。可以根据具体工程条件来决定填土材料的密度、强度、 压缩模量。用于加固路基、整治滑坡、管道填埋、陡坡施工、挡土墙背面填土等，同时 还能够利用废泡沫塑料和建设废土，兼顾环境问题。目前在日本，s l s 工法的应用已经 形成产业化。 在国内，马时冬教授采用中砂作为骨料，e p s 颗粒作为轻质材料，水泥为胶结材料 制备了s l s 试样。通过试验比较研究了加球粒、碎粒和片粒的s l s 力学性能及s l s 的密 第一章绪论 度一强度一变形间的相互关系。认为：加球粒的轻质效果最好，加片粒的最差；加球粒 的无侧限抗压强度、结构强度、压缩模量最大，加碎粒的次之，加片粒的无倾0 限抗压强 度大，结构强度和压缩模量最小；加球粒的和加碎粒的s l s 的应力一应变曲线截然不同， 前者为应变软化型，而后者为应变硬化型。并且提出了有较好工程应用前景的配方。而 后她又阻福州一厦门和漳州一诏安高速公路试验段s l s 路堤进行了稳定分析和沉降计算 ”“在与常规路堤进行比较基础上，提出了s l s 路堤设计方法，认为s l s 材料路堤稳定 性明显提高，沉降和侧向位移明显减小。 3 、气泡轻质混合 - ”, z 6 1 上世纪8 0 年代末，日本、荷兰等国又开始研制出了由泡沫拌制而成的轻质混合 材料，称为泡沫轻质材料( f l m ) 。在日本将这种材料称为泡沫轻质混合土【7 7 , 7 8 , 7 9 ，而 英国、美国、荷兰等国则仍称为泡沫混凝土。在我国，泡沫混凝土则指水泥与泡沫混合。 f l m 组成为固化荆( 水泥类或高分子类) 、泡沫、水和原料土( 如粉煤灰、砂或工程 废弃土) 。因为气泡轻质混合土具有轻质、高强、固化前具有流动性、固化后可以自立 并且可以根据需要调制出所需密度的优点，因此，在国外应用较为广泛：日本长野自动 车道丰科地区采用泡沫轻质混合土处理滑坡；日本鹤冈地区山形自动车道，采用f l m 减少软基的侧向流动对桥台的侧压力，保证了桥台的稳定：气泡轻质混合土技术还成功 地应用于日本的一些主要港口建设，如东京港、名古屋港等。美国华盛顿西雅国市，于 1 9 8 8 年对城市下水管道进行改造，将1 8 9 5 年修筑的下水管道扩建为两层管道，在管道 的周围用泡沫轻质混合土充填。在伦敦的d o r k l a n d 地区修建的现代化港口商业中心， 共浇注3 3 0 0 0 m 3 的泡沫轻质混合土，节省tt 程费用5 0 0 万英镑。在国内，使用过泡沫 混凝土( 水泥和泡沫相混合) 的工程有；北京动物园1 0 0 0 m 直埋暖气管道采用了现浇泡 沫混凝土旄工，其效果良好。湖南娄底地区水利局利用泡沫混凝土包围钢筋混凝土输水 管道，有效她控制了管道的环境温度，减小了内外鼙的温差，延长了管道寿命，此外， 在地下结构的抗爆设计研究中，泡沫混凝土为围岩和钢筋混凝土之间的常用回填材料之 对于气泡轻质混合土的研究，其关键为稳定的发泡剂及其参数。日本的星野克之等 ( 2 6 对蛋白类界面活性粼、芳香类赛面活性剂等1 2 种发泡剂箭特性进行了研究，指出了 台理的发泡参数。而矢岛等2 q 对气泡轻质混合土的强度进行了系统的研究，并对气泡混 入率对气泡轻质混合土的力学性质的影跪进行了定量的研究。在国离，朱伟、张志允以 室内试验为依据，开发研制了一种发泡装置；研究分析了发泡剂的配制规律，并配制出 了几种适宜气泡轻质混合土用的发泡剂；研究了气泡轻质混合的器q 作工艺，并且分析 研究了气泡稳定性、气泡混入率、固化材料掺入率对气泡轻质混合土的力学性质影响a 张小平驯进行了泡沫轻质材料的研制并确定最优配比，通过三轴试验提出泡沫轻质材料 的强度准则，并对江苏大丰县斗龙港闸的应用进行了研究。 河海大学硕士学位论文 4 、e p s 轻质混凝土 针对废弃包装e p s 污染环境问题，国内有学者采用粉碎后的废弃e p s 颗粒为骨料， 添加胶结材料( 如水泥) 矿物外加剂、增粘剂、憎水剂，制备轻质混凝土作为建筑保温 材料【8 0 , 8 1 i 。王武祥 8 2 1 利用e p s 来改善混凝土的结构性能和物理力学性能，矿物外加刹可 改善其成型性，掺加憎水剂改善混凝土的含水量。通过密度、导热、憎水性试验和压缩 试验研究认为超轻混凝土利用增粘剂可出现明显憎水性。郑秀华【8 3 】通过抗压试验提出 满足建筑要求的e p s 混凝土配合比。这种材料在黄山、山西运城、江苏徐州等地已经应 用。 综上所述，我国对于轻质材料的研究和应用还处于起步阶段。而以疏浚淤泥和废弃 泡沫塑料为原料，辅以水泥为固化材料所开发的新型轻质材料的研究，国内还没有先例。 在处理两种废弃物同时产生高附加值的土工材料，具有巨大的经济效益、社会效益和环 境效益。其不但克服了板材的成本高的缺点，且兼具有其优点，具有广阔的市场前景。 1 4 本文的主要研究工作 本文主要对废弃泡沫塑料粉碎成再生废弃泡沫颗粒的工艺，以及w e p s 轻质混合土 的制作方法进行了研究，并针对所制作的w e p s 轻质混合土，通过大量的室内试验，对 w e p s 轻质混合土的物理、力学特性进行了深入系统的研究与分析，在此基础上选取了本 构模型并提取了参数，所做的工作如下： l 、通过密度试验，研究了此种土工材料的轻质性，探讨了影响这种轻质材料的密 度的主要因素，为现场应用提供参考。 2 、通过无侧限试验，对w e p s 轻质混合土单轴强度和变形等力学特性进行初步研究， 分析了再生废弃泡沫塑料颗粒添加量、水泥添加量、试样龄期及废弃泡沫塑料颗粒粒径 对其力学特性的影响。 3 、在无侧限试验的基础上，进行常规三轴固结不排水剪试验( c u 试验) 。对疏浚 淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土的( 吼一吒) 一e 。、孔压曲线等变形特征，及其影响因 素进行分析。并得出了其强度特征、抗剪强度参数及其变化规律，说明了本试验条件下 w e p s 轻质混合士的破坏