（岩土工程专业论文）砂土eps颗粒混合轻质土（lses）的击实特性研究.pdf

摘要 摘要 砂土e p s 颗粒混合轻质+ ( l s e s ) 是在砂土中添加e p s 颗粒、固化材料后经固化 形成的一种轻质土，它具有强度高、密度和强度可以调节的优点。l s e s 在施工中采 用压实施工的方法，压实施工在室内利用击实来模拟，击实方法对l s e s 的物理力学 性质存在很大的影响。 本文针对l s e s 的击实特性开展研究，明确了击实方法对l s e s 的物理力学性质 的影响，探究了击实方法影响其物理力学性质的机理，建立了适宜于评价l s e s 的轻 质高强性的指标密强。并基于密强确定了l s e s 的最优击实方法。详述如下： ( 1 ) 利用室内试验的方法，研究了不同的击实功能和击实含水率对l s e s 的密度、 强度和变形性质的影响。发现l s e s 的密度和强度随着击实功能的增加而增 加：l s e s 的密度随着击实含水率变化的规律类似于砂土的密度随着含水率 变化的规律，l s e s 的强度随击实含水率的增加先增加后减小，存在使强度 最大的击实含水率。 ( 2 ) 击实方法对l s e s 的影响源于对拌和物中的孔隙和e p s 颗粒的压缩，建立了 l s e s 的击实模型，推导了l s e s 的干密度和抗剪强度参数的计算式，其中 干密度风2 百：匝j 亘亘兰萎羞鼍耋螽p w ，粘聚力c 5 t ， 0 一h 。) ( 1 一a e ) g 。 l 一肝 摩擦角伊= f ( h ) ，利用室内试验测试了模型中的参数，证实了击实模型的正 确性。 ( 3 ) 在l s e s 采用密度和强度分别进行评价的背景下，提出了综合考虑密度和强 度的评价方法一密强法，并基于密强法进行了l s e s 的击实功能和击实含水 率的优选。发现l s e s 的击实次数以4 次为宜，最优击实含水率 埘一2 去。c + 百而p e a t 。十也，随着水泥添加m - e p s 颗粒添加量的增加面 线性增加。 关键词：轻质土、击实、物理力学性质、机理、优选、密强 a b s t r a e t a b s t r a c t l i g h t w e i g h ts a n de p s b e a d ss o i l ( l s e s ) i sak i n do fl i g h t w e i g h ts o i lm a d eb ym i x i n g e p sb e a d sa n ds o l i d i f y i n gm a t a r i a l si n t oo r d i n a r ys o i l t h es t r e n g t ho fl s e si sh i 【g h t h e d e n s i t ya n dt h es t r e n g t ho fl s e sc a l lb ea d j n s t e d i ts h o d db ec o m p a c t e di nc o n s t r u c t i o n p r o c e s s c o m p a c t i o nm e t i l o d s a f f e c ti t sp r o p e r t i e sal o t t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h er e s e a c ho nt h ec o m p a c t i o np r o p e r t i e so fl s e s t h e e f f e c to fc o m p a c t i o nm o t h o d so ni t sp h y s i c o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h em e c h a n i c a lo ft h e e 角la n dt h eo p t i m i z a t i o no fc o m p a c t i o nm e t h o dw e 把s t u d i e d t h ep a r t i c u l a rc o n t e n t i n e l u d e s ： ( 1 ) b a s e do nl a b o r a t o r yt e s t s ，t h ee f f e c to f c o m p a c t i o nw o r ka n dw a t e rc o n t e n to nt h e d e n s i t y , s t r e n g t ha n dt r a n s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl s e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ed e n s i t ya n ds t r e n g t ho fl s e si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f c o m p a c t i o n c a p a c i t ya n dc o m p a c t i o nt i m e s t h ed e n s i t yc h a n g e sw i t ht h ec h a n g eo fw a t e r c o n t e n t a n dt h er o l ei si i k et ot h er u l eo fs a n d ys o i l t h es t r e n g t hi n c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a c eo fw a t e rc o n t e n tw h e nt h ew a t e rc o n t e n ti sl i t t l e b u tr e v e r s e dw h e n w a t e rc o n t e n ti st o oh i g h ( 2 ) t h ec o m p a c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do na n a l y s i n gt h ew o r ko f c o m p a c t i o n 。叫咖蓟哆风2 忑巧惫鲁逢葑成， ( 1 + ! 尘竖+ 二坐二! 土) l ( 1 一r 。) ( 1 - 口。) g c 1 一疗 c o h e s i o nc = c 。仇，a n df r i c t i o na n g l e 矿= f ( 玎) t h ep a r a m e t e r so ft h em o d e l w e r em e a s u r e da n dt h ec o m p a c t i o nm o d e lw a sv a l i d a t e d ( 3 ) a ne v a l u a t i n gi n d i c a t o rw a se s t a b l i s h e df o r t h ee v a l u a t i n go fc h a r a t e r i s t i co fl o w d e n s i t ya n dh i g hs t r e n g t h t h eo p t i m i z a t i o no ft h ec o m p a c t i o nm e t h o d so fl s e s ： w a sc a r r i e do u t i ti sf o t m d e dt h a tt h em o s ts u i t a b l ec o m p a c t i o nt i m e si s4 ，a n d m eo p t i m u mw a t e rc o n t e n t 口一2 k c + 若麓”t ，讪i c n i n c r e a s e s l i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s eo fe p sb e a d sc o n t e n ta n dc e m e mc o n t e n t k e yw o r d s ：l i g h t w e i g h ts o i l ；c o m p a c t i o n ；p h y s i c o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m e c h a n i s m ； o p t i m i z a t i o n ；d e n s i t y s t r e n 昏h 前言 刖舌 在软基上进行土建工程时，由于软基承载力低，容易产生过大的沉降，进而引起 上部结构的破坏。该问题一般通过软基加固的方法来处理，如堆载预压、真空预压技 术等。轻质土技术则从上部荷载入手，即通过减轻上覆荷载来降低对地基的要求，达 到不进行地基处理的目的。轻质土的关键在于如何制作成密度小的土材料，一种方法 是把已有的轻质材料当成土来用，如聚苯乙烯泡沫塑料( e p s ) 等，另一种方法是将 轻质材料混合到土体中，如e p s 颗粒混合轻质土和气泡混合轻质土。砂土e p s 颗粒 混合轻质土( l s e s ) 就是在土体中混入e p s 颗粒和固化材料制作而成的，它的密度、 强度和变形性质可以通过改变材料配比来调节，是一种性质优越的轻质土。 l s e s 在工程中采用压实施工的方法，压实施工在室内利用击实来模拟。击实会 对l s e s 中的孔隙和e p s 颗粒的体积产生压缩作用，这既会增加l s e s 的密度，也会 对l s e s 的强度和变形性质产生影响。在击实过程中，不同的击实功能和击实含水率 对l s e s 的孔隙和e p s 颗粒的压缩作用也不一样，会对l s e s 的物理力学性质产生不 同的影响。 在工程应用方面，明确击实方法对l s e s 的物理力学性质的影响，并确定l s e s 的最优击实方法，具有很高的工程指导价值。在理论方面，作为一种内含低强度材料 ( e p s 颗粒) 和固化材料的特殊土，探究击实方法对l s e s 的物理力学性质产生影响的 机理是对传统土体击实理论的重要补充。 在土体性质的评价方面，天然土的目标是承载力高、压缩性小，基于土体密度越 大承载力就越高的认识，以密实度为评价指标。水泥、石灰改性土和轻质土的出现， 打破了土体的密度越大承载力就越高的基石：另一方面，土体既是上部荷载的承载物， 也是下层土的荷载，因此只要强度满足要求，土体的密度越小越好。作为一种轻质土， l s e s 的目标是密度小、强度高，结合l s e s 的评价建立轻质高强性的评价指标，对 于土体的评价体系也有一定的参考价值。 在上述背景下，本文针对l s e s 的击实特性丌展工作，特色和创新之处主要在于： ( 1 ) 明确了击实功能和击实含水率对l s e s 的密度、无侧限抗压强度、三轴抗剪 强度和变形特性的影响。 ( 2 ) 建立了l s e s 的击实模型，利用室内试验测试了模型参数，并对模型进行了 验证。 ( 3 ) 在分别利用密度和强度评价l s e s 的轻质性和高强性的背景下，建立了轻质 高强性的综合评价方法一密强法。 ( 4 ) 根据击实方法对l s e s 的物理力学性质的影响，基于密强法确定了l s e s 的最 优击实方法。 图目录 图目录 图1 1 1e p s 颗粒混合轻质土组成示意图2 图1 1 2 砂土e p s 颗粒混合轻质土击实示意图3 图1 2 1e p s 的强度与密度的关系5 图1 2 2 气泡混合轻质土中的孔洞6 图1 2 3 气泡混合轻质土的强度：7 图1 3 1e p s 颗粒混合轻质土的强度9 图1 3 2 淤泥e p s 颗粒混合轻质土的e 锄p 关系1 0 图1 3 3 含水率对流动性的影响1 3 图1 3 4 水灰比对无侧限抗压强度的影响1 4 图1 3 5 动力触探击数与轻质土深度的关系1 4 图1 4 1 风积沙在不同击实方法下的最大干密度1 5 图1 4 2 粗粒土干密度与击实功之间的关系1 6 图1 4 3 风积沙在不同击实方法下的击实特性1 6 图1 4 4 含砂低液限粉土干密度与击实次数之间的关系1 7 图1 4 ，5 四种典型的击实曲线1 8 图1 4 6 击实功对最优含水率的影响一1 8 图1 4 7 粗粒含量对最优含水率的影响1 9 图1 4 8 水泥和石灰改良粉粘土的击实性能2 0 图1 5 1 击实的三种基本机理2 l 图1 5 2 低液限粉土击实后的饱和度2 1 图1 7 1研究技术路线图2 4 图2 1 1 砂土的粒径分布曲线2 5 图2 1 2 砂土击实曲线2 6 图2 1 3 试验用e p s 颗粒2 7 图2 2 1 试样制备过程2 8 图2 2 2s e l s 的混合搅拌2 9 图2 2 _ 3 击实制样过程2 9 图2 3 1 击实制样仪器和方法3 0 图2 3 2 击实含水率的设置3 2 图2 4 1 试样质量称量_ 3 3 图2 4 2s e l s 的含水率对无侧限抗压强度的影响3 4 图2 4 3 无侧限抗压强度试验3 4 图目录 图4 2 3 水分法分离砂粒和e p s 颗粒6 4 图4 3 1 击实功能对e p s 颗粒压缩率的影响6 7 图4 3 2 击实功能对孔隙率的影响o 6 7 图4 3 3 击实含水率对孔隙率的影响一6 8 图4 3 4 击实含水率影响孔隙率的原因示意图6 8 图4 3 。5 击实含水率对e p s 颗粒压缩率的影响6 9 图4 3 6 不同击实功能下干密度与e p s 颗粒压缩率之间的关系6 9 图4 3 7 不同击实功能下干密度与孔隙率之间的关系7 0 图4 3 8 不同击实功能下计算干密度与实测干密度的比较7 0 图4 3 9 不同击实含水率下干密度与孔隙率的关系7 1 图4 3 1 0 不同击实含水率下计算密度与实测密度的比较7 2 图4 4 1 击实功能对孔隙水泥率的影响7 3 图4 4 2 击实含水率对孔隙水泥率的影响7 3 酉4 4 3 一汞页眍对汞泥汞死率阿j 莎_ 啊一1 希 图4 4 4 不同击实功能下粘聚力与孔隙水泥率的关系，7 4 图4 4 5 不同击实功能下摩擦角与孔隙率的关系7 5 图4 4 6 不同击实功能下无侧限抗压强度与孔隙水泥率的关系7 s 图4 4 7 不同击实含水率下无侧限抗压强度与孔隙水泥率的关系7 6 图4 4 8 不同击实含水率下粘聚力与孔隙水泥率的关系7 7 图4 4 9 水灰比对混凝土强度的影响7 7 图4 4 1 0 不同击实含水率下摩擦角与孔隙率的关系7 1 3 图5 t 1 密强图8 l 图5 1 2 常见材料在密度一强度关系图上的情况8 2 图5 1 3 密强8 2 图5 】4s e l s 的密强8 3 图5 1 5 密强的计算示意图8 4 图5 2 1 击实功能对s e l s 的密强的影响8 5 图5 2 r 2 击实功能对密强的模的影响8 5 图5 2 3 击实功能对密强方向角的影响8 6 图5 2 4 击实次数对密强改进量的影响8 6 图5 - 2 5 击实次数对密强延伸量的影响8 7 图5 2 6 击实次数对密强改进角的影响8 7 图5 2 7 击实能量对密强改进量的影响8 8 图5 2 8 击实能量对密强延伸量的影响8 8 图5 2 9 击实能量对密强改进角的影响8 9 i x 图目录 图5 3 1s e l s 最优击实含水率存在性分析示意图9 0 图5 3 2 击实含水率对密强的影响9 l 图5 3 3 击实含水率对密强的模的影响9 l 图5 3 4 击实含水率对密强方向角的影响9 2 图5 3 5 击实含水率对密强改进量的影响9 2 图5 - 3 6 击实含水率对密强延伸量的影响9 3 图5 3 7 击实含水率对密强改进角的影响9 3 图5 3 8 需水量的构成9 4 图5 3 9 各配比的最优击实含水率9 5 x 袁且录 表目录 表1 2 1目前常用的轻质土类型4 表l - 2 2 各种轻质土的主要特点4 表1 2 3 轮胎颗粒及其混合土的物理力学性质8 表1 4 1 不同土样的最优含水率1 9 表2 1 1 试验用水泥的基本参数2 6 表2 3 1 击实功能对物理力学的影响试验中的击实参数3 l 表2 3 2 击实含水率影响物理力学性质的试验的配方设计3 2 表4 2 1 水泥水化反应方程6 6 表5 1 1 不同材料领域比强中的密度和强度8 l 表5 3 1 各配比s e l s 的最优击实含水率9 3 x l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：查翌目整孑刀。驴年弓月习日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办 理。 论文作者( 签名) ： 夺翌互l 盘蛴弓月刁日 河海人学博士学位论文 第章绪论 在软基上进行工程建设时存在地基承载力低、沉降大的问题，通常需要进行地基 处理。为了减少地基处理的工程量，减少上部荷载的轻质土技术是解决该问题的有效 途径。砂土e p s 颗粒混合轻质土( l s e s ) 具有强度和密度可以调节的优势，是一种性质 优良的轻质土。l s e s 在现场施工中需要通过采用分层压实才能满足使用需要，对于 l s e s 的使用要求是在较低的密度时具有较高的强度，这与天然土在达到较大的密度 时具有较高的强度不同。本文主要针对l s e s 的击实问题，从击实功能和击实含水率 两个方面研究了击实方法对l s e s 物理力学性质的影响及其机理，并进行击实方法的 优选。 本章首先介绍论文的选题背景，从一般轻质土、e p s 颗粒混合轻质土、土的击实 方法和击实机理四个方面进行相关研究现状综述，最后给出本文的工作内容和技术路 线。 1 1 研究背景和意义 世界上的发达地区大多集中在沿海、沿河和沿湖区域，这些地方土建工程量大， 而下部地基却以软基居多。在软土地基上进行工程建设时，上覆荷载在地基中产生的 附加应力使得软土地基沉降大、容易失稳。其解决办法有两种，一种是对软土地基进 行加固，另一种是减小上覆荷载】。 通过减轻上部荷载的方法解决软基问题的方法就是轻质土技术，该技术通过填筑 密度小于常规土的土体来减轻上覆荷载，继而起到降低竖向土压力和水平土压力的作 用，可以用于软基填土以提高稳定、减小沉降，用于边坡工程以减小滑动荷载，用于 挡墙背后的填土以减小挡墙结构，用于桥头填土以缓解桥头跳车问题。因此，轻质土 技术是一种降低地基处理要求的岩土工程新技术，并且已经成为处理岩土工程难题的 的重要方法【2 j 。 轻质土的制作有两种方法，一种方法是直接利用轻质材料作为填土，例如 e p s ”1 ( e x p a n d e dp o l y s t r e n e ，聚苯乙烯泡沫塑料，简称e p s ) 块材、废旧轮胎碎屑1 4 1 、 粉煤灰1 5 j 等，另一种方法是将轻质材料混入土体制作成混合轻质土，如e p s 颗粒混合 轻质土1 6 】、气泡混合轻质土阶j 和废旧轮胎碎屑混合轻质土i s l 。 e p s 颗粒混合轻质土是将e p s 颗粒混入基质土中形成的一种轻质士，为了提高其 强度，往往还需要加入水泥，如图1 1 1 所示。e p s 颗粒混合轻质土的基质土可以是砂 土、粘土和淤泥，可以充分利用现场发生土。e p s 颗粒混合轻质土具有密度和强度可 调节、压缩模量大、自立性、快硬性、耐久性、隔热性等优点，并可以再生利用废旧 一1 第一章绪论 泡沫塑料嗍，是一种非常具有应用前景的轻质土。 图1 1 1e p s 颗粒混合轻质土组成示意图 e p s 颗粒混合轻质土按照施工方法可以分为两类：一类是浇注型e p s 颗粒混合轻 质土，这种施工方法先将原料土、e p s 颗粒、固化材料和水混合成为具有流动性的浆 体，然后以泵为动力提供装置、以管道为媒介将浆体输送到施工现场，进行浇注施工。 其特点是施工方便快速，但由于其含水量较大，所以强度相对较低，适用于粘性土和 高含水率的淤泥。另一类是击实型e p s 颗粒混合轻质+ ( l s e s ) ，这种旎工方法先将原 料土、e p s 颗粒、固化材料和水混合搅拌为均匀的松散状拌和物，然后通过运输车将 拌和物运输到施工现场，通过分层碾压或者夯实使其密实，随着龄期的增加，水泥的 固化作用逐渐显现，从而形成具有需要强度的整体性良好的土。由于在碾压过程中含 水率较小，在相同的水泥添加量下，击实型e p s 颗粒混合轻质土的强度要高于浇筑型 e p s 颗粒混合轻质土，这种施工方法适宜于砂土、粉土和低含水率的黏土l i o j 。 目前，通过研究基本明确了l s e s 的密度、强度、变形和渗透性及其随材料添加 量变化的规律，并对其物理力学性质的产生机理进行了解释，建立了相关的计算表达 式和本构模型。但是，多数研究都是在制样成功后即进行物理力学性质的研究，不同 的研究者所采用的方法大都不同。压实施工是保证l s e s 强度的一个重要环节，并对 l s e s 存在很大的影响，要不要开展研究。 l s e s 的击实在室内利用击实来模拟，如图1 1 2 所示，它与常规土的击实存在三 个方面的区别。 在击实特性方面：在常规土中混入e p s 颗粒和水泥以后，l s e s 的击实特点也必 然会发生变化。击实施工会使得土体密度增加从而使其轻质性有所下降；另外，过度 的击实施工可能会使e p s 颗粒产生塑性变形从而增大其密度，这是与其密度小的目标 一2 一 河海大学博上学位论文 相违背的。击实施工会提高l s e s 的强度，虽然与强度高的目标一致，但是l s e s 的 强度主要来源于水泥水化产物的胶结作用。l s e s 的击实簏工中同样存在着使其性质 最优的含水率，但是又受到不同材料配比的影响。这都是与常规土不同的，因此有必 要研究击实方法对l s e s 物理力学性质的影响。 击实功 图1 1 2 砂土e p s 颗粒混合轻质土击实示意图 在击实机理方面：水泥的加入一方面会使得击实改变孔隙的能力发生变化，另一 方面，强度的产生机理除了原来的土颗粒胶结和摩擦，引入了效果更明显的水泥水化 产物的胶结作用。e p s 颗粒作为一种软的憎水材料，它软的特性使得击实不仅能减少 土体中的7 l 隙，也能减小e p s 颗粒本身的体积；它僧水的特性可能会使得最优击实含 水率的机理发生很大的变化。这也都是与常规土不同的，因此有必要针对该材料的击 实机理进行相应的研究。对于l s e s 这种具有软夹杂的水泥改性土的击实机理的研究 是土体击实理论的重要补充。 在击实目标方面：常规土的击实目标是强度高、压缩性小，评价指标是击实度( 干 密度) 大。但l s e s 的击实目标是密度尽可能小、强度尽可能大。因此l s e s 在击实的 评价上对与一般土不同，因此，对物理力学性质影响方面必须选择新的合适的评价指 标。 综上，击实方法对l s e s 存在很大的影响，但这种影响不同于常规土的击实，因 此本文选择l s e s 的击实方法为题开展研究。明确击实方法对l s e s 的物理力学性质 的影响，寻找最优击实方法，对于工程应用具有重要指导意义。明确这种软夹杂水泥 改性土的击实机理是对土体击实理论的重要补充，适宜的评价指标的建立对于常规土 的评价方法也有一定的参考意义。 3 一 第一章绪论 1 2 轻质土的研究与应用现状 轻质土是指应用于土方填筑工程中密度小于一般土体的材料。利用轻质土可以起 到两方面的作用：( 1 ) 利用轻质土密度小的特点减轻作用在下部地基上的荷载，从而 减小软弱地基的沉降量和地基处理成本。佗) 减小作用在挡土墙上的水平土压力，减 小重力式挡墙的体积，提高挡墙的稳定性。因此，轻质土技术是应用于软弱地基上的 路基填土【1 1 1 ”、桥头跳车治理f 1 6 1 和边坡工程【1 0 15 1 刀中的重要新技术。 本节先介绍轻质土的类型和特点，然后对目前研究和应用较多的e p s 块材、气泡 混合轻质土和废旧轮胎混合轻质土的研究与应用现状进行综述 1 2 1 轻质土的类型及特点 从1 9 7 2 年首次有意识的采用轻质土技术1 1 8 开始，在3 5 年的发展过程中，产生了 很多种轻质土，m i h ih i r o s h i 对轻质土进行的分类见表1 2 1 1 1 9 1 ，他将轻质土分为两大类、 9 个品种，密度均在1 5 9 跚a 3 以下，并对各种轻质土的特点进行了汇总，如表1 2 2 所 示。 表1 2 1目前常用的轻质土类型【1 9 j 耋型墅堕盐整墨整童l 生丝笸 单一轻质材料 复合轻质材料 天然材料 人工材料 泡沫塑料 气泡 轻质砂石 木屑 发泡聚苯乙烯( e p s 、 发泡氨基甲酸乙脂 粉煤灰 轮胎颗粒 e p s 颗粒混合轻质土 气泡混合轻质土 】0 以上 o 7 一1 0 o 0 1 0 0 3 o 0 3 一o 0 4 1 o 1 5 o 7 0 9 0 7 以上 0 5 以上 轮胎颗粒 轮胎颗粒混合轻质土 1 0 左右 河海大学博士学位论文 1 2 a 3e p s 块材用作轻质土的研究与应用现状 e p s 是e x p a a d e dp o l y s t y r e n e 的缩写，即聚苯乙烯泡沫塑料，它是由粒状聚苯乙 烯发泡制成的。e p s 的密度由成型过程中聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定。一般介于 1 0 - 4 0k g m 3 之间刚，工程中常用密度为1 5 3 0k g m 之间的e p s 块材1 3 1 ，仅为普通填 土的1 5 0 l 1 0 0 ，可见e p s 块材对减小土压力有显著作用。 密度是e p s 块材的一个重要指标，其各项力学性能都和它有着密切的关系。图 1 2 1 是b a s f 公司于1 9 9 1 年测试的e p s 块材的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、抗 弯强度和弹性极限随密度变化的情况。由图可见，e p s 块材的各种强度均随着密度的 增加而增加，抗弯强度和抗拉强度增加最快，其次是抗剪强度和抗压强度，弹性极限 增加最慢。e p s 块材之间的摩擦系数在0 6 左右；e p s 块材与混凝土之阃的摩擦系数 在o “左右：e p s 块材与砂土之间的摩擦系数将随着砂厚的增加而减小，当砂厚在 5 - 4 0 m m 之问时，其摩擦系数在0 6 7 - 0 5 3 之间1 2 0 j 。 密度，k g m 3 图1 2 1e p s 的强度与密度的关系( b a s f ，1 9 9 1 ) 1 9 7 2 年，挪威公路研究所首次把泡沫聚苯乙烯块体作为轻质土应用于道路的路堤 工程并获得成功1 2 ”。1 9 8 5 年，针对奥斯陆市3 m 厚泥炭层和1 0 m 厚的淤泥软弱地基上 路基沉降问题，挪威公路研究所采取e p s 块材进行换填，沉降量由每年1 0c m 减小到 每年lc m 吲。1 9 8 5 年在奥斯陆市召开的国际道路会议上公开了该项技术，从此e p s 块材在瑞典、荷兰、法国、加拿大、日本等国也得到了广泛的应用，并取得了许多 成功经验【“l 。法国在a 8 高速公路上，使用了1 7 0 0 0 m 3 的聚苯乙烯，是目前世界上采 用聚苯乙烯修建的最大轻质路堤工程，较圆满地解决了路堤和桥台相接处的差异沉降 问题1 2 2 1 。在我国，1 9 9 5 年浙江省某高速公路在施工中由于桥头路基侧向土压力过大， 导致桥台变形过大，桥头路基改用e p s 块材后成功地解决了桥台的侧向位移。目前 浙江省已有数条高速公路采用e p s 块材来解决桥头失稳路段，取得较好效果，解决了 一 芒)l，趟嚼 第一章绪论 桥头路段失稳和跳车问剧2 5 1 。1 9 9 7 年3 月，广东惠澳大道淡澳大桥南岸到北岸的修建 过程中，桥台后出现两次大规模的路基滑移，采用e p s 块材进行处理后，地基稳定性 系数为1 3 7 ，解决桥头跳车的效果很好洲。但e p s 材料的价格比较昂贵( 2 0 0 0 0 元，口屯) ， 大面积使用e p s 块材将大大增加工程造价，所以目前国内道路工程中对e p s 材料的使 用集中在东南沿海经济发达、软基分布广泛地区，且多数用于应急补救工程田l 。 1 2 4 气泡混合轻质土的研究与应用现状 气泡混合轻质土( f o a mt r e a t e dl i g h ts o i l ) 就是通过在原料土中加入气泡和固化剂 ( 如水泥) 固化后形成的轻质高强的土工材料，其中含有大量孔洞( 如图1 2 2 所示) 。气 泡混合轻质土的生产方式有机械混合发泡法和预先发泡法两种，机械混合发泡法是通 过将原料土和起泡剂在机械强制混合搅拌时形成气泡，预先发泡法是先发出气泡再与 原料土和固化剂进行混合搅拌，目前大多采用预先发泡法 2 8 1 。气泡混合轻质土的密度 可在0 5 1 5g c m 3 之间任意调节1 7 。2 9 1 。 图1 2 2 气泡混合轻质土中的孔洞( 放大1 0 0 倍) ( 安原一哉，2 0 0 0 ) 气泡混合轻质土在日本的研究和应用比较多。安原一哉【刈研究了以粉煤灰为基质 土的气泡混合轻质土的密度特性和强度特性，发现随着搅拌时间的增加，轻质土的密 度开始时迅速增加，超过2 分种后基本不变；养护7 天和2 8 天后的密度与搅拌时的密 度基本一致；无侧限抗压强度的变化情况如图1 2 3 所示，它随着固化材料添加量的增 加而增加，随着密度的增加较小，随着养护龄期的增加而增加但是增加速度逐渐减慢。 安原一哉等p l l 还研究了不同养护方式下气泡混合轻质土的强度差异及其机理，发现海 水中养护的气泡混合轻质土的强度最高，淡水中养护的次之，空气中养护的强度最低； 通过x 射线衍射研究发现海水中养护的试样生成了 3 c a o ( a i , f e ) 2 0 y 3 c a ( s 0 4 ，( o h ) 2 3 h 2 0 针状结晶物，淡水中养护的试样内部生成了3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 。3 h 2 0 针状结晶物，空气中养护的试样内部没有针状结晶物生成。山内 6 河海丈学博士学位论文 丰聪等网就对气泡混合轻质土的反复单轴压缩特性进行了研究，频率设定为5 h z ，循 环次数设定为1 0 万次，发现在荷载为7 0k p a 时应变随着循环次数的增加几乎没有变 化：荷载为1 5 0k p a 时循环次数大于2 0 0 次时应变就会剧增。张小平口3 1 、李琪 2 2 1 等对 由砂土、发泡剂和水泥等组成的气泡混合轻质土进行了试验研究，发现气泡混合轻质 土干燥状态比饱和状态时的抗压强度小，强度损失约在1 0 - 2 8 。 固化材料添加量蚓一 图1 2 - 3 气泡混合轻质土的强度( 安原一哉，1 9 9 2 ) 在工程应用方面，1 9 8 5 年，美国波斯顿在世界贸易中心的建设中使用了7 8 0 0 0m 3 的气泡轻量混合土换填地基，减轻了对下部地基的压力。同时在高速公路桥墩部位也 使用了气泡轻量混合土。使用结果都比较理想 3 4 1 。1 9 9 5 年，日本用气泡混合轻质土修 复在阪神大地震中受到损坏的岸壁，证实其在水下浇筑的效果和陆地上差距很小。 2 0 0 5 年，我国在广佛高速公路上进行了试验工程 3 6 1 ，并在中江高速公路上进行了应用， 效果良好【3 7 3 9 1 。 气泡混合轻质土中气泡的稳定性控制难度比较大，气泡控制的优劣往往决定着气 泡混合轻质土的优劣l 柏j 。 1 2 5 废旧轮胎颗粒混合轻质土的研究与应用现状 现代社会中汽车的使用越来越普遍，汽车轮胎在达到一定的使用寿命时就要进行 废弃，因此产生了大量的废旧轮胎1 4 1 1 。这些废旧轮胎最初是集中放置的，随着其产生 量的增加，存放的空间要求越来越大。另一方面内，大量的废旧轮胎放在一起很容易 发生火灾。将废旧轮胎破碎后用作填土，既可以解决废旧轮胎的处置问题，也可以减 小填土荷重，纯废旧轮胎颗粒填土后，仍然容易发生火灾，废旧轮胎颗粒与土的混合 轻质土则可以解决此问题1 4 2 】。轮胎的比重为1 2 ，填土密度一般在1 0g c m 3 左右。在 与土混合后，密度在1 o - 1 5g c m 3 之间，也是一种密度可调节的轻质土娜l 。 7 一 咖 枷 枷 抛 d )l，避嚼幽蝠受蕈限 第一章绪论 美国学者h u m p h r e y i , “, 4 5 1 研究了废旧轮胎颗粒的性质，发现其压缩性随着压力的 增大而减小，但侧向土压力系数随压力的增加而增加。m a s a d m 开展了废旧轮胎和土 混合后用作工程材料的研究，研究了其密度、比重、渗透性和三轴压缩特性，认为该 材料具有良好的工程应用前景。t e s c h n e 等【4 刀和h e 衄f f 删等对其密度和抗剪特性进行了 研究，结果如表1 2 3 所示 表1 2 3 轮胎颗粒及其混合土的物理力学性质( t e s c h n e ，1 9 9 4 ) 在工程应用方面，1 9 9 9 年，加拿大在马尼托巴湖周围的公路建设中采用了废旧轮 胎颗粒作为路基以减小沉降，其轮胎颗粒含量为2 5 ，填土高度为1 5m ，应用中发 现轮胎轻质土的密度为1 5g c m 3 ，不可恢复变形占总变形的6 5 4 9 。美国也对废旧 轮胎颗粒混合轻质土进行了研究和工程应用，认为它是一种力性质比较良好的轻质填 土( 5 0 5 ”。 1 3e p s 颗粒混合轻质土的研究与应用现状 e p s 颗粒混合轻质土是将原料土、e p s 颗粒、固化材料和水混合搅拌均匀后经固 化形成的一种轻质土。e p s 颗粒混合轻质土的原料土可以采用砂土、粘土或淤泥等各 种土，e p s 颗粒可以采用发泡聚苯乙烯球粒或破碎的废旧泡沫塑料颗粒等，固化材料 可以采用水泥、石灰等，拌和水可以用自来水、河湖水或海水。e p s 颗粒混合轻质土 利用低密度的e p s 颗粒置换原料土中空间，并利用胶结材料将土颗粒和原料土固定成 形，从而得到密度小、强度高的填土材料。 1 3 1e p s 颗粒混合轻质土的特点 e p s 颗粒混合轻质土具有以下特点： 密度可调节：通过调整e p s 颗粒的添加量， 行调节1 5 2 1 。 强度可调节：通过调整固化材料的添加量， k p a 的范围内进行调节【5 3 1 。 g 一 其密度可以在o 7 1 4k g m 3 内进 其无侧限抗压强度可以在0 - 1 5 0 0 河海大学博士学位论文 压缩模量大：压缩模量e 如可以控制在2 0 - 9 1m p a 1 ，比普通土大很多【柳。 流动性高：以粘土和淤泥为原料土的e p s 颗粒混合轻质土一般调整到流塑状 态进行施工，它具有良好的流动性，可通过管道泵送，可进行远距离施工。 也可以在小空间内旌工1 5 舅。 自立性和快硬性：由于使用水泥作为固化剂，通常在浇筑5 h 后就会开始固化， 固化后可以自立，可进行垂直填土，且对挡土结构物几乎没有推挤力，养护 一个月后即可使用，可以缩短施工工期( 1 9 1 。 耐久性：属水泥稳定材料，与高分子材料相比，其耐久性、耐热及抗油污能 力较强【例。 隔热性：e p s 颗粒混合轻质土中有大量的e p s 颗粒，e p s 颗粒是热的不良导 体，隔热性较好【1 9 1 。 环保性：能够利用废旧泡沫塑料和建设废土，兼顾环境问题【5 6 】。 均匀性好：e p s 颗粒混合轻质土在搅拌过程中，各种原材料的分布会趋于均匀， 所以e p s 颗粒混合轻质土通常表现为各向同性。 1 3 2e p s 颗粒混合轻质土的研究现状 ( 1 ) 物理力学性质的研究 密度：顾欢达i 期、董金梅1 5 耵、姬风玲f 5 2 】分别研究了以砂土、粘土和淤泥为原料 士的e p s 颗粒混合轻质土的密度，均发现其密度随着e p s 颗粒添加量的增加而明显减 小，而随水泥量的变化改变很小。姬风玲吲经过大量试验建立了密度与材料组成的计 算关系式 强度：大量研究者发现e p s 颗粒混合轻质土的强度随水泥添加量的增加而增加， 随e p s 颗粒添加量的增加而减小，这主要是粘聚力变化引起的，摩擦角几乎不变1 5 3 5 9 - 6 3 1 。姬风玲1 5 2 l 经过大量试验建立了强度与材料组成的关系式吼2 t ( “一a o ) ，如图1 3 1 所示。 水泥添加量k g m 一 图l r 3 1e p s 颗粒混合轻质土的强度( 姬凤玲，2 0 0 5 ) 9 啪瑚踟湖枷姗抛o 芷倒晒蟮星蕈限 第一章绪论 压缩性：山田纯男i 删等研究发现砂土e p s 颗粒混和轻质土的压缩指数由e p s 颗粒的添加量决定。土田孝1 6 5 1 等采用东京湾疏浚淤泥制备的e p s 颗粒混合轻质土的压 缩试验结果如图1 3 2 所示，屈服应力在单轴抗压强度的1 2 - 1 5 倍范围内，屈服前e p s 颗粒混合轻质土的压缩指数很小，而屈服后的压缩指数是屈服前的1 0 - 2 0 倍，水中养 护时e p s 颗粒混合轻质土的初始孔隙比较小，压缩变形也较小；水中养护和空气中养 护的屈服应力相差不大。 4 0 3 6 妄3 2 逝 晶2 8 2 4 2 o 竖向压力k p a 图1 3 2 淤泥e p s 颗粒混合轻质土的p 1 0 9 p 关系( 土田孝，1 9 9 6 ) k u n i om i n e g i s h i 等【6 6 】对粘土e p s 颗粒混合轻质土在循环荷载作用下的力学特性 进行了研究。发现e p s 颗粒混合轻质土在循环荷载作用下的软化特性，随着荷载比的 增加而增加，随着围压的增加而降低。 在动力特性方面：k a z u y a y a s u h a r a d 等旧研究了将e p s 颗粒混合轻质土对交通 荷载所引发的震动的响应，发现其震动水平随着其弹性模量的增加而增加。高玉峰等 1 6 8 - 7 0 】对l s e s 的动强度进行了研究，发现应该以变形作为动强度标准，其破坏分为初 压阶段、强化阶段和破坏阶段，破坏应变随围压和e p s 颗粒添加量的增加而增加。 在渗透性方面：寺师昌明等1 7 1 1 的研究也指出了原料土的粒度特性对e p s 颗粒混 合轻质土的透水性有影响，原料土为砂土，透水性大，但随着固化材料添加量的增加， 渗透系数降低显著。随着养护龄期的增加，渗透系数降低。山田纯男等m j 研究发现影 响砂土e p s 颗粒混合轻质土透水特性的主要因素是原料土，以粗粒土为原料土时渗透 系数大，以细粒土为原料土时渗透系数小；当e p s 颗粒直径在l 一5 m m 范围内变化时， e p s 颗粒混合轻质土的透水性随着e p s 颗粒粒径的增加而增加。 在本构模型方面：k a s a m a 提出了考虑骨节效