（岩土工程专业论文）聚苯乙烯轻质混合土工程特性的试验研究.pdf

摘蛰 摘要 聚苯乙烯轻质混合土是刘汉龙教授等人j j ：发的种新型轻质填上利料( 利申请号 为0 2 1 1 2 8 1 2 x ) 。在室内试验的基础上，对其物理、强度和变形特性进行了系统、深入 地研究，主要内容包括： ( 1 ) 通过混合土密度的测定，得到其随配比的娈化规律：聚苯乙烯颗粒含量是影 响密度的主要因素，水泥掺入比、含水量、原料上的上质对密度也有影响：试验方法、 养护条件对密度也有一定影响。研究密度的影响因素，对于设计其工程应用密度具有重 要意义。 ( 2 ) 在无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验的基础 ，研究了该混合土的应力应 变特性：水泥掺入比、含水量、密度和龄期对单轴应力应变特性有不同程度的影响； u u 试验和c u 试验的应力应变特性，也因配比和龄期不同而有所不同。 ( 3 ) 单轴、三轴应力应变曲线的拟合结果表明：单轴应力应变曲线符合双曲线模 型和软化曲线模型，三轴应力应变曲线符合弹性幂次强化模型，为今后轻质混合土木 构模型的研究和有限元分析中计算模型的选定提供参考。 ( 4 ) 为了定性地了解混合土的破坏方式和变形计算参数的变化规律，研究了破坏 应变的影响因素和变形模量与抗压强度的关系：破坏应变随水泥掺入比、含水量、密度 和龄期而变化，与抗压强度呈乘幂关系：变形模量与抗压强度也为乘幂的关系；三轴压 缩试验中变形模量随围压的增大而降低。 ( 5 ) 通过单向压缩固结试验，研究了该混合土的压缩变形特性：水泥掺入比、密 度、含水量和龄期对压缩变形特性均有不同程度的影响，并确定了压缩屈服应力和压缩 变形模量，为控制轻质混合土在工程中的沉降变形提供依据，对其压缩变形与时间的关 系作了初步探讨，认为混合土的变形大部分为瞬时沉降变形。 ( 6 ) 抗压强度随配比的变化规律研究：首先对单轴抗压强度随水泥掺入比、密度、 含水量和龄期的变化规律进行了分析，为根据目标强度确定混合土的配比提供依据；然 后通过水泥掺入比和水泥含量的换算，得到抗压强度的经验计算公式，便于工程应用； 综合考虑了影响聚苯乙烯轻质混合土抗压强度的主要因素，结果表明，水泥含量是午要 影响因素，其次是含水量，龄期，e p s 颗粒含量的影响通过密度体现出来，对抗压强度 的影响很小。 ( 7 ) 抗压强度与屈服应力之间的关系：根据兀侧限抗j 长强度试验、三轴压缩试验 和单向压缩固结试验的结果，分析了抗压强度与压缩屈服应力的关系、弹性极限和抗压 强度的关系、三轴压缩试验的屈服应力与围压的变化关系，根据抗压强度确定具体上程 中的上部荷载、屈服应力等。 ( 8 ) 三轴压缩试验的抗剪强度特性研究：c u 试验的强度包络线近似符合摩尔库伦 i i 摘鳢 强度理论，而u u 试验则不符合摩尔席仑强度珲论。水泥掺入比、密度利龄期对抗剪强 度指标( 粘聚力和内摩擦角) 均有影响。 本文通过对聚苯乙烯轻质混台上工程特性的试验研究，为其今后在青土_ l 程领域的 进一步研究和应用提供科学依据。 关键词：聚苯乙烯轻质混合土，应力应变特性，抗压强度，水泥掺入比，密度，含水量 龄期，压缩变形特性 a b s t r a c t b e i n gan e wk i n do fl i g h tf i l l i n gm a t e r i a l s l i g h t w e i g h t s o i lm i x e dw i t h e x p a n d e d p 0 1 y s t ”e n e ( h e r e a r e ra sl s m e p s ) h a sb e e nd e v e l o p e da s an c wt e c h n i q u ef o rf o u n d a t i o n t r e a t m e n ta tp r e s e n t ( p a t e n t n o ：0 2 1 1 2 8 1 2 x 、i t h a sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s f i o mc o n v e n t i o n a l s o i lm a t e r i a l s b a s e do nl a b o r a t o r yt e s t s ，t h ep h y s i c s ，s t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fl s m e p sa r es t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e ri nt h ev i e wo ft h ea p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g i n c o n c r e t e ，i ti n c l u d e st h ew o r k s a sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do l lt e s t i n gt h ed e n s i t yo ft h el s m e p sa td i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o n i t s d e n s i t yc h a n g er u l ev a r i e dw i t hm i x i n gp r o p o r t i o ni s o b t a i n e dt h er e s u l t so ft e s t si n d i c a t e t h a tt h ec o n t e n to f e x p a n d e dp o l y s t y r e n eg r a i n si st h em a i ni n f l u e n c ef a c t o rt ot h ed e n s i t yo f l s m - e p s t h ec e m e n t m i x e dr a t i o ，w a t e rc o n t e n ta n dt h ep r o p e r t i e so fs o i la l s oh a v es o m e i n f l u e n c e st oi t 7d a y sl a t e r t h ed e n s i t yi sa l m o s ti n d e p e n d e n to f t h ea g e t h et e s t i n gm e t h o d s c u r i n gc o n d i t i o n sa n d s oo nh a v es o m ei n f l u e n c et ot h ed e n s i t y t h a ts h o u l db ep a i da t t e n t i o n t o d u r i n gt h et e s t i th a sac o m p a r a t i v es i g n i f i c a n c et os t u d yt h ec h a n g er u l eo fd e n s i t yo f l s m e p sw i t hd i f f e r e n tc e m e n t m i x e dr a t i o ，w a t e rc o n t e n t ，e p sg r a i n sc o n t e n t ，a n da g ea n d s oo nf o r a d j u s t i n g t h er e q u i r e dd e n s i t y ( 2 ) b a s e do nu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v et e s t sa n dt r i a x i a ls h e a rt e s t s ，t h es t r e s s s t r a i n p r o p e r t i e so f l s m e p s a r ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eu n i a x i a ls t r e s s s t r a i nc h r v e s a r ea f f e c t e db yc e m e n tm i x e dr a t i o ，w a t e rc o n t e n t ，d e n s i t ya n da g ea tv a r i o u sd e g r e e s t h a t m e a r l st h ep r o p e r t i e so fs t r e s s - s t r a i na r ei n f l u e n c e db ym i x i n gp r o p o r t i o na p p a r e n t l y t h e s t r e s s - s t r a i np r o p e r t i e so ft h eu ut e s ta n dc ut e s ta r ed i f f e r e n tw i t ht h ed i f f e r e n tm i x i n g p r o p o r t i o na n da g e s ( 3 ) 1 1 1 es i m u l a t i o no fs t r e s s s t r a i nc u l w e s t h eu n i a x i a la n dt r i a x i a ls t r e s s - s t r a i nc u r v e s a r es i m u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tah y p e r b o l i cm o d e la n ds t r a i ns o f t e n i n gm o d e lc a n r e a s o n a b l y s i m u l a t et h es t r e s s 。s t ! r a i nr e l a t i o n su n d e ru n i a x i a ls t r e s s e sc o n d i t i o n sa n da e l a s t i c 1 i n e a r h a r d e n i n gm o d e lc a nr e a s o n a b l y s i m u l a t et h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n su n d e r t r i a x i a ls t r e s s e sc o n d i t i o n s i tc a nb em a d et h eb a s ef o rc o n s t i t u t i v em o d e lo fl s m e p s f 4 、t h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o rf a i l u r es t r a i na n dd e f o r m a t i o nm o d u l u so fl s m - e p sa r e a n a l y z e d t e s t sr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tf a i l u r es t r a i nc h a n g e sw i t ht h ec h a n g co fc e m e n t m i x e dr a t i o ，w a t e r c o n t e n t ，d e n s i t y ，a g ea n d h a sal i n e a rr e l a t i o nw i t ht h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，w h i l e d e f o r m a t i o nm o d u l u sa n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hh a v et h es a m er e l a t i o n d e f o r m a t i o nm o d u l u si sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n f i n i n gp r e s s u r ei nt h et r i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t i t sm a i nf o rf i n d i n go u t t h ef a i l u r em o d ea n da c q u i r i n gt h ed e f o r m a t i o n f v a b s t r a c l c a l c u l a t i o np a r a m e t e r so fm i x e ds o i l ( 5 ) c o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i co f l s m e p si s a n a l y z e da c c o r d i n g t o u n i a x i a lc o n s o l i d a t i o nc o m p r e s s i o nt e s t s t e s tr e s u l t ss h o vt h a tc e m e n tm i x e dr a t i o ，d e n s i t y ， w a t e rc o n t e n t ，a n d a g e h a v ea ni n f l u e n c eo n c o m p r e s s i o n d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci n d i f f e r e n tl e v e l ，o nt h i s b a s e ，t h ec o m p r e s s i v ey i e l d s t r e s sa n d c o m p r e s s i v ed e t b r m a t i o u m o d u l u so fl s m e p sa r ec o n f i r m e d ，w h i c hp r o v i d et h eg i s tf o rc o n t r o l l i n gt h ed e f o r m a t i o n q u a n t i t yo fl s m e p sd u r i n ge n g i n e e r i n g t h er e l a t i o n b e t w e e nd e f o r m a t i o na n dt i m eo f m i x e ds o i ld u r i n gc o m p r e s s i o ni sm a d eap i l o ts t u d y i tt a k e sf o rt h a tm o s to ft h ed e f o r m a t i o n o fm i x e ds o i li sf i n i s h e dm o m c n t l y ( 6 ) t h ec h a n g er u l eo f m r n 嘲v es t r e n g t hf o rl s m e p si sa n a l y z e d f i r s t l y ，t h er u l eo f m f i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t hc h a n g i n gw i t hc e m e n t - d o s a g e ，w a t e rc o n t e n t ，d e n s i t ya n da g ei s a n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e t h eb a s i sf o rd e t e r m i n i n gt h em i x i n g p r o p o r t i o na c c o r d i n gt ot h ea i m s t r e n g t h a f t e rc o n v e r s i o n b e t w e e nt h ec e m e n tm i x e dr a t i oa n dt h ec e m e n tc o n t e n t ，t h e e x p e r i e n c e d c a l c u l a t i o nf o r m u l aa r eo b t a i n e d ，w h i c h a r ec o n v e n i e n tf o r e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n t h e m a i ni n f l u e n c ef a c t o r st ot h e c o m p r e s s i v es t r e n g t h o fl s m e p sa r e c o n s i d e r e ds y n t h e t i c a l l y r e s u l t ss h o wt h a tc e m e n tc o n t e n ti st h em o s t l yi n f l u e n c ef a c t o rt o t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fl s m e p s ，a n dt h ef o l l o w i n gi sw a t e rc o n t e n t ，a g ea n dd e n s i t y d e n s i t yh a sa l i t t l ei n f l u e n c et ot h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，w h i c hm a t e r i a l i z e db yt h ec o n t e n t o fe p s g r a i n ( 7 ) t h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e n g t h a n dy i e l ds t r e s si sa n a l y z e d t h er e l a t i o n sb e t w c c n c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dc o m p r e s s i o ny i e l ds t r e s s ，e l a s t i c l i m i ta n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ， y i e l ds t r e s sa n dc o n f i n i n gp r e s s u r ed u r i n gt h e t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s ta r ea n a l y z e db a s e do n t h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t s ，t r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s ta n do n e d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o n c o m p r e s s i o nt e s t s t h e nd e t e r m i n et h eu p s i d el o a d a n dy i e l ds t r e s se t c o fc o n c r e t ep r o j e e t a c c o r d i n g t ot h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ( 8 ) s h e a rs t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i co fl i g h t w e i g h t s o i lw i t h e x p a n d e dp o l y s t y r e n e s h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so ft h eu n c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e da n dc o n s o l i d a t e d u n d r a i n e dt f i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t sa r ea n a l y z e dm a i n l y t h e n t a k ef o rt h e s t r e n g t he n v e l o p e s o f c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e dt r i a x i a l t e s ti si na c c o r d a n c ew i t hm o h r c o u l o m bt h e o r y a p p r o x i m a t e l y a tt h es a m et i r n e ，t h e i n f l u e n c eo fc e m e n tm i x e dr a t i o ，d e n s i t ya n da g et o s h e a rs t r e n g t h p a r a m e t e r s ( c ，) a r ea n a l y z e d s i m p l y ，w h i c hp r o v i d c s t h eb a s i sf o r d e t e r m i n i n gt h e s h e a rs t r e n g t he x a c t l yi np r a c t i c e s h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r sa r et h em o s t i m p o r t a n tc a l c u l a t i o np a r a m e t e r sf o rt h es t a b i l i t yc a l c u l a t i o no f m i x e ds o i l i t st h ek e yp o i n t f o r d e s i g nq u a l i t y a n d e n g i n e e n n g s u c c e s sw h e t h e rt h e s h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so f v 1 i g h t w e i g h tm i x e ds o i lc a nb ee x a m i n e dr i g h t l y k e yw o r d s ：l i g h t w e i g h ts o i lm i x e d w i t he x p a n d e d p o l y s t y r e n e ，s t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，c e m e n t m i x e d r a t i o d e n s i t y ，w a t e rc o n t e n t ，a g e c o m p r e s s i o nd e f o n n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 日u面 h j j亓 随着道路的扩建、住宅而积的丌发等，软土地基上的填一卜施_ 急剧增加，于是广：生 了崮结下沉问题。轻质混合土在减轻填上荷重、降低护壁十压力方面的优点引起了天沣， 它足针对天然轻量十砂、聚苯乙烯块体等轻量填上工法的不足i f r t jf 发研制的一种新型填 土材料，几j 以通过减轻e 部填土重最来降低地基中的应力水平，是种不进行地基处理 的软基处理方法。目前，关f 轻质混合土工程特性的研究在国外f 始较早，到现在已取 得了一定的研究成果，在岩土工程中也得到了广泛地应用，而我困研究起步较晚，应用 尚属空白。为使轻质混合土在我国岩土工程中得到推广应用，本文在室内试验的基础 j ， 对淤泥质粉质粘土为原料土的聚苯乙烯轻质混合土的工程特性，进行了初步探讨，主要 工作及创新成果有： ( 1 ) 淤泥质粉质粘土不同于砂土，它有一定的粘聚性，难以搅拌，本文的试样制 备方法不同于以砂土为原料土的制样方法，研究淤泥质粉质粘为原料土的聚苯乙烯轻 质混合土的试样制备方法也很有必要。 ( 2 ) 关于聚苯乙烯轻质混合上物理特性方面的研究主要体现在密度随配比的变化 规律方而，系统分析了密度大小受水泥掺入比、含水量、e p s 颗粒含量、龄期和试验剀 素影响。 ( 3 ) 分析了轻质混合土的变形特性，主要介绍了单轴应力应变曲线、三轴虑力应 变曲线和压缩变形曲线随水泥掺入比、密度、含水量和龄期的变化规律，获得实际工程 沉降变形计算巾主要参数与配比的关系。 ( 4 ) 进行了聚苯乙烯轻质混合土抗压强度特性的试验研究，得到了抗压强度随水 泥掺入比、密度、龄期和含水量的变化规律；并且还得到了影响聚苯乙烯轻质混合土抗 压强度的主要因素和抗压强度的经验计算公式，便于工程应用。 轻质混合土的研究不但在于它的轻量性，同时还要考虑施工、环境等方面的问题， 除具有流动性、自硬性、轻量性、均质性、易加t 等特点，还要充分利用建筑废料、工 业废料以及弃土淤泥等，本文在这方面的研究对推进轻质混合土在岩上工程中的发展和 应用有着积极的意义。 本课题获得国家自然基金课题( 5 0 4 7 9 0 2 0 ) “动荷载作用下e p s 颗粒轻质土的强度 及变形特性的试验研究”资助。 主要符号 c 一混合土的粘聚力( k p a j ； c 一有效粘聚力( k p a ) ； c 一水泥含量： e - - e p s 的百分含量( ) ，e p s 质量与干土质量之比。 e ，压缩模量( m p a ) ； e 。一变形模量( m p a ) ； g ，一土粒比重； k 一混合土的固化系数； k 一强度系数； p ，一压缩屈服应力( k p a ) ； q 。一抗压强度( k p a ) ； 口。一弹性极限应力( k p a ) ； q 。一三轴试验中的屈服应力( k p a ) ； q 。一龄期7 天的抗压强度( k p a ) ； q 。一龄期2 8 天的抗压强度( k p a ) ； 7 一龄期( 天) ； 口一内摩擦角( 度) ； 口一有效内摩擦角( 度) ； r 一抗剪强度( k p a ) ； s ，一破坏应变( ) ； 矾一口3 一主应力差( k p a ) ； p 一密度，单位g c m 3 ； a 。一水泥掺入比( ) ，水泥质量与干十质量之比； m 一含7 k 量( ) 学位论文独创性声明： 本人所早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) ：童筮缒2 0 0 5 年3 月4 日论文作者( 签名) ： 盥盆：互丝 2 0 0 5 年3 月日 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什或电子文 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) ： 茎么髫 2 0 0 5 年3 月，i 日 河海大学博j 学位1 2 义：聚采乙烯轻甄混俞土i 栏特陛的试验州 究 第一章绪论 1 1 轻质混合土的研究目的及其意义 1 1 1 概述 轻质混合土是基于材料本身的轻量性、易施工性及可利用建设废弃物、弁土淤泥、 工业废料等废弃物而开发研制的一种新型填土材料 1 】。轻质混合土的研究目的主要出于 以下两个方蕊的原因。一是解决现在基础设施建设中碰到的难以解决的问题，随着我国 国民经济的高速发展，公路、铁路、市政等基础设施建设得到飞速发展，与此同时，出 现了各种各样的问题，如高速公路由于桥台后道路沉降造成与结构物的高差超过定 数值而引起的桥头跳车现象，已成为一个世界性难题，主要原因是地基土软弱，压缩性 大；再加上路堤填土高，土的重度大，很容易造成路堤过大的工后沉降。地基上软弱可 通过地基加固来解决，但工程费用大，工期长；而土的重度大目前还没有很好的解决方 法。挡土墙稳定也涉及到土，挡土埔稳定设计取决于挡土墙后上压力的大小，而上压 力的大小则又取决于挡土墙后回填土的重度，回填土重度大，土压力就高，如果采取加 大挡土墙断面的措施，必然导致工程费用的增加，增添施工难度。对于管道沟，由于 其圆形结构的特性，进行土料回填时通常存在压实不密的问题，影响管道周围的充填程 度。边坡填土，需要开挖或回填土方，而回填土的重度对边坡稳定性有重要的影响， 其重度过大会使边坡垮塌。轻质混合土是针对解决这些问题而开发的一种新型材料，它 不仅可以大大减小土的重度，降低软弱地基的沉降，提高其稳定性，还叮减轻对构造物 的土压力、减轻滑坡土体的荷重等，而且无需压实，就可以使管道、空洞的充填问题得 到很好地解决。 二是从环保的角度出发，从对建筑废料、工业废料再利用的角度进行废料处理，将 废料研制成新型材料进行再利用，使废料资源化，这也正是环境岩土工程正在兴起和发 展的主要研究方向之一。在工程施工中，通常会产生火量的工程弃土，传统的处理方法 既浪费时间，又浪费人力、财力，还会对环境造成不良影响，如果采用轻质化的方法， 在现场废弃土中加入固化剂、轻质材料等混合为轻质混合土，使其成为具有轻量化、流 动性好、韧性强的高性能土t 材料，在工程中进行二次利用，则可节约工程成本，缩短 施工工期，保护施工环境。同时，在混合过程中，作为固化剂还i j _ 以使用大量的粉煤灰、 废石膏、生石灰等工业废料，共同提供混合土的强度；轻质材料使用废泡沫塑利、废旧 轮胎粒了等生活废弃物。在日本对建设废弃土的处理途径之一就是将废弃土进行改良， 将其混合成气泡轻量混合土、聚苯乙烯轻质混合土和水泥固化土等新型上t 材料重叛加 以利剧 2 1 。 第一章：结论 轻质混合土除r 可以利用建筑废料年几 业坡判外，迩有个重要方面就是对港湾地 区疏浚淤泥的处理。近年来，我国的港口工程、航道上裂、水利工柙等建设项目迅速增 加，在各种航道的疏浚过程和港口新建、扩建】一程中，通常会产牛大量的疏浚泥上。掘 不完全统计，我国每年废弃的疏浚淤泥达到1 0 0 0 0 万l n 3 【3 】以上，疏浚淤泥处埋的一l 。程量 非常可观。目前经常采用的疏浚淤泥处理方法有两种，。是把淤泥抛入海中，二足在近 岸处围堰充填造陆。抛泥处理的主要问题在于现有倾倒区使用多年，容量口趋饱和，难 以容纳未来大型工程的淤泥倾倒，而且同流作用使得清淤效果大打折扣。另外直接抛泥 处理会污染周围的水域或陆上环境，目6 “抛泥方法己越米越多的受到各方面的限制。在 近岸处围堰充填造陆，经常出现充填淤泥大量泄漏、严熏回流现象。由于淤泥特殊的工 程性质，充填淤泥固结时间很长，通常需要几年甚至更长时间，而且在充填后需要花费 大量的费用对地基进行处理。随着我国交通港口和围涂设施的大规模建设，海堤、路基、 场地建设需要大黄的筑堤材料，目前主要是通过开采周围的山体来解决，既影响了山体 的生态环境，石料重度大又加大了地基处理的难度。利用疏浚淤泥高含水量的特点，在 现场进一步调整它的含水率，形成具有一定流动性的泥浆体，同时混合轻质材料、固化 材料使其具有一定的自硬能力，在达到规定龄期后，将具有与一般土同等程度或更好的 工程性质，这样，则可将疏浚淤泥进行再生资源化，并作为填筑材料加以综合利用。将 附近的淤泥处理成为筑堤材料，用于工程，可变废为宝，则既可节省大量的砂石料，又 可保护环境，减少地基处理的费用和难度。 日本对工程弃土、疏浚淤泥等的处理，多采用固化的方法，就是在照料上中加入大 量的水，进行含水量调整后，加入水泥等固化剂混合，成为具有一定强度的周化土f 4 ； 我国的顾欢达 4 】等人也对我国江南地区的河道淤泥固化上的工程特性进行过研究，结论 为固化土具有与一般土同等程度或更好的工程性质，轻质混合土与固化土的混合过程有 很大的相似性，就是比固化土多加入了一种轻质材料佟) ，或为聚苯乙烯泡沫颗粒，或为 废旧轮胎粒子，或为发泡剂等，因此也就具有比固化土优越的特性，即轻量化，在对重 度要求比较高的工程中，轻质混合土的适用范围更大。轻质混合土的开发、应用已经成 为减少建设副产物、作为再生资源利用技术的重要一环。 1 1 2 轻质混合土的原材料组成及特点 轻质混合土是一种新型的轻质填土材料，由原料土、轻质材料、固化剂和水混合而 成，原料土可采用购买的标准砂，也可利用疏浚淤泥、工程弃土、粘性土等；轻质材料 通常采用发泡聚苯乙烯颗粒、发泡剂，也可利用废弃的泡沫塑料，形状为球粒、碎粒、 碎片等，或废弃的轮胎粒子等，达到环保的目的：固化剂一般为水泥，但也可加入适量 的生石灰、粉煤灰、废石膏等，组成固化剂系，既口r 提高混合土的强度，义可减少工业 废料，达到降低水泥使用量的目的；水为清洁的江河水或自来水，起调节混合上流动性 和促进崮化剂固化的目的。由于轻质混合土中特有的纽成材料，使得轻质混合土具有如 河海大学博士学位论文：聚幕乙烯轻赝混合上工摧特肚的试骑研们 f 特点： 1 重度小，由于轻质材料的加入，混合十密度降低，并且j 在定范闸内f 【j 【| 以渊坚， 具有不同程度的轻量性，可以减轻剥地基、构造物的荷载作用及地震时的惯l 生力，提高 地基支持力和滑坡稳定性7 1 0 儿 1 1 2 】。 2 直立性好，由于固化作用，使得轻质混合土凝同后可直立，在垂直荷载作用下， 几乎不会产生侧向压力，可支撑简易墙体，还可用作模板等9 。 3 轻质混合土具有快硬径f ”f ，可以缩短填土施工工期，产生时问效益。对于_ 十质路 基，尤其是软土地基柔性路面情况，须待基层压实稳定基本完成后再铺筑路面。轻质混 合土，路基构筑完成，即可马上铺筑路面，1 i 必担心基层沉降未稳定而会造成崩裂和塌 陷，如用于工翟抢险，还具有快速优势，在修筑山洪冲毁的公路、铁路路基时，利用轻 质混合土预制砌块铺筑路床或铁轨，即刻便可恢复交通。 4 流动性好，通过含水量的调整，可以改变轻质混合土的流动性，方便施工。含水 量较高的情况，流动性好，可以采用输泥管等施工设备进行施工1 8 1 i 9 1 1 10 1 ，即使是很小的 角落或不规则的洞穴都可进行灌注，不需要压实，施工方便效率高，从一个搅拌装置可 接长约5 0 0 米的管予进行压送，在l 公里范围内施工吲；含水量很低时，流动性差，可 以采用碾压的方式施工。 5 不需要压实i 仲) ，用简易的施t 机具就可以完成，需运进现场的材料和机具很少， 施工机械规模小，进出场地方便，在用地有限的地方尤其适用，而且施工后的体积是搬 运材料的几倍。轻质混合土既可以利用现场的工程弃上，在现场搅拌，也可以提前预制 成轻质混合土块体，然后运到施工现场。在日本的佐贺县鹿岛市施工现场，就利用现场 的软弱有明粘土，加入聚苯乙烯颗粒和水泥固化剂，采用油压回转式搅拌机，进行原位 搅拌的方法，对海岸堤防的填土进行处理，结果表明处理后的混合土工程特性很好【”1 。 6 强度、密度可以调节，根据具体的工程要求，改变水泥含量、含水量和轻质材料 含量，可调整轻质混合土的强度、压缩模量、流动性和密度；同时还能够利用废泡沫塑 料、建设废土和疏浚淤泥等，作为再生资源有效利用，兼顾环境的保护 1 。 由于轻质混合土具有上述优点，如今在国外已被广泛用于软弱地基处理、桥头跳年 问题、滑坡和边坡填土处理、海港护岸工程等基础设施建设中，应用前景广泛，值得大 力推广应用。 1 1 3 轻质混合土在岩土工程中的应用 轻质混合土在国外的研究、应用丌始较早，尤其是厂| 本进行了大规模的研究应用， 到目前为止，已经形成产业化，广泛应用丁岩士工程中的以下几个方面： 1 软弱地基处理c 1 4 j ( 图1 - 1 ) 。对于软弱十，传统的处理方法有翅料板排水固结法、 水泥搅拌桩复合地基法、真空一堆载联合预压法、加筋法、置换法等，这蝤方法工期长， 工程造价高。如果采用轻质混合土置换软弱土层，则r u 减轻上部填上重量，降低地堪巾 的应力水平，提高稳定性和减少沉降，刈及时开h 因向节省了工期和投资，c i = i 减少r 对地下构筑物的竖向压 剧l l 2 减轻高速公路桥头跳车问题【9 】( 图卜2 ) 。高速公路桥头跳车，已成为道桥界 关注的一大技术难题。一方面是由于地基土软弱，压缩陛大，另方面是由于路堤填十 高，土的重度大。二者都易导致桥台与路堤连接处的差异沉降过大，从而引起桥头跳车 现象。用轻质混合上置换软土地基或在引桥路面以下至桥墩之间进行填土，可减小引桥 路面沉降和桥墩所受的侧向压力。采用轻质混合土处理高速公路桥头跳车问题，最初是 源于采用e p s 材料，日本、美国、加拿大等国都曾使用聚苯乙烯( e x p a n d e dp o y s t y r e n e 简称e p s ) 材料减轻了桥头跳车危害，我国的广东等地也有工程实例。1 9 9 7 年3 月， 广东某大桥南岸路堤，原设计采用挖方石渣填筑，当路堤填筑到4 m 左右高度时，在桥 台后出现2 次较大规模的路基滑移。为了防止路基继续滑移破坏，减少桥台地基差异沉 降，决定采用e p s 材料进行填筑，从实际使用效果看，e p s 材料具有足够的承载力，满 足上部路面结构层和行车荷载作用的强度要求，并且依靠e p s 材料的超轻量性减少了桥 台侧压力和工后沉降，提高了路堤结构的稳定性1 1 6 1 1 7 1 8 4 8 5 1 。乍j 本的东京都荒川区、宫 城县志田郡、宫城县黑田郡分别在1 9 9 1 年3 月、1 9 9 2 年2 月和1 9 9 3 年3 月采用聚苯 乙烯轻质混合土减轻了高速公路桥头跳车问题【l 。 图l 一2 3 陡坡地区施工【8 【1 0 1 4 1 ( 图卜3 ) 。在陡峭的山坡上丌挖或回填士方，回填土的罩度 刘边坡稳定性有重要影响，普通填土材料重度过大，滑坡稳定性低，会造成边坡垮塌r 河两火学埘十学位论文：泉苯乙烯轻顷棍台十工程特件屿试验矾丸 施工极为困难。用轻质混合上填方则重度小，白良好的自立，陆，易存陡坡上侏持白身 定，而且施_ l = 非常简单。1 9 8 9 年日小i l i 彤县东m 川郡采用聚苯乙烯轻质混合上处州笪 路两旁的滑坡，降低了滑坡的下澍力，确保了滑坡的稳定性、日本【丈野县内的巾央公 路沿线，地形复杂，土质条件很差，在| j = = 约2 7 2 公里的隧道地段，圾易发生滑坡，经 过对多种滑坡对策经济性、安全胜方面的比较，决定聚用轻量填上t 法，从1 9 9 1 年9 月到1 1 月，在两个半月之内就完成了对滑坡的处理，施工期问虽经j 力了秋雨的洗礼， 但稳定性很好，并对处理后的结果进行动态观测，观测结果表明滑坡断而是安全的 【1 0 】 19 1 图l 一3 4 减轻对构造物的土压力1 4 1 ( 图卜4 ) 。主要应用于码头( 隔墙、板桩挡墙) ，轻质 材料作为挡土墙后的填土，因其重度小，可减小竖向荷载，而且不产生侧向压力，同时 还可减少地震时产生的土压力，提高抗震性能。日本在1 9 9 5 年，阪神、淡路大地震后， 对神户港受灾后的码头挡墙，采用轻质混合土进行处理，结果得到了预期的设计断面， 现场施工也比较成功【2 0 】。 图1 4 5 管道填埋( 图卜5 ) 。剐于地f 天然i 管道、油管道、化学管道、污水管道等， 由于其圆形结构的特性，在回填土料时，存在压实不密的问题，利用轻质混合上流动性 好、重度小的特点进行填埋，不需要压实，非常有效。日本在水下隧道的周用，为了减 轻对隧道的荷重，也采用了轻量混合土，施工监测结果满足设计要求。1 9 8 9 年，l - i 木围道3 6 号线，路段下方出现直径2 0 c m 的空洞，利用流动性较好j 的轻质混合上，进行 修复，判闭效果很好”l 。1 9 9 0 年，崎玉县将聚苯乙烯轻质混合土作为软弱地基下水管 道的填埋材料，处理下水道l 程，施工完成后的压缩量只有4 r r , r o ，足总厚度的0 5 ，最 终沉降虽1 5 r a m ，没有出现异常情况 ”1 。日本国道1 _ 号梅田管道沟也采用气泡轻量混合 十进行充填，结果在止水性、流动性和经济性等方面都表现良好1 2 3 1 。 图1 5 6 ，拓宽填土施l e t 9 ( 图卜6 ) 。在城市拓宽公路路堤，面临用地紧张，作业面狭窄， 不能放坡，工期短等困难，采用普通的填土材料难以旌工，由于轻质混合土具有良好的 自立性，因此，不需要放坡，便可保持稳定；而且轻质混合土重量轻，不会引起大的沉 降，可减小对1 临近