（岩土工程专业论文）砂土与eps颗粒混合的轻质土（lses）动力特性的试验研究.pdf

摘要 摘要 砂土与e p s 颗粒混合的轻质土( l s e s ) 是以砂土为原料土，以水泥为固化材 料，e p s 颗粒为轻质材料的种新型土工材料，将几种组分按照不同配比进行混 合、加水搅拌、压实后就可以得到不同特性的l s e s ，它在实际应用中不可避免 地会受到动荷载作用，对其进行动力变形及强度特性的研究具有重要意义，本文 的主要工作有如下内容： 一、l s e s 的基本特性 ( 1 ) 探讨了在室内制备l s e s 试样的方法，并分析了其硬化机理。通过医用c t 扫描设备研究了不同配比l s e s 的细观结构特点，认为l s e s 是种结构性土工 材料，并分析影响其原生结构性的主要因素； 二、l s e s 的动变形特性 ( 2 ) 利用多功能三轴仪对e p s 块体以及不同配比的l s e s 进行了室内动三轴试 验，得到了l s e s 的动应力应变关系。分析了水泥掺量、e p s 颗粒含量、围压、 循环次数对l s e s 模量衰减特性的影响，并根据e p s 块体的动变形性状探讨了 e p s 的性质对l s e s 动变形特性的影响； ( 3 ) 根据l s e s 模量衰减曲线的特点，提出了l s e s 中临界循环应力比的概念， 据此将l s e s 的模量衰减特性分为平缓型和陡降型。通过分析大量的试验数据， 建立了统一的剪切模量衰减经验公式，定量地反映了围压、循环应力比、循环次 数、剪应变等因素对动剪切模量的影响，并给出了该经验公式在不同配比下的 l s e s 的参数： 三、l s e s 的动强度特性 ( 4 ) 基于l s e s 在动荷载下的应变增长曲线，得到了以应变表达的l s e s 动力 破坏指标，并分析了影响其大小的主要因素。通过l s e s 的动强度试验，研究了 水泥掺量、e p s 颗粒含量、围压等因素对l s e s 动强度曲线的影响； ( 5 ) 利用几何方法，分析了l s e s 陡降型模量衰减曲线，并结合模量衰减经验 公式，得到了动强度n f 的经验表达式，继而研究了l s e s 的动摩尔圆及动强度 包线特征，得到了不同配比的l s e s 在特定破坏周数下的动强度指标； ( 6 ) 通过分析l s e s 中各组分的特性，指出了l s e s 与常规非饱和土在受力特 点上的差异，由此探讨了l s e s 的动强度理论。 四、动荷载下l s e s 的结构变化特性 ( 7 ) 详细讨论了l s e s 的结构性理论。结合动三轴试验和c t 扫描试验，分析了 l s e s 在动荷载作用下的细观结构变化特点，并通过比较细观结构状态参数和总 观状态参数，全面分析了l s e s 的动变形及强度机理。 关键词：砂土与e p s 颗粒混合的轻质土；动荷载；变形；模量衰减；强度；细观 结构；结构性。 “g l l t w e i g h ts a n d e p sb e a d ss o i l ( h e r e a f t e ra sl s e s ) i san o v e lg c o m a t e r i a l ， w i t hs a n d ，c e m e n t ，e p sb e a d sa si t sb a s i cs o i l ，c e m e n ta g e n ta n dl i g h t w e i g h tm a t e r i a l ， r e s p e c t i v e l y a f t e rb l e n d e dw i t hw a t e ra n d t h e nm i x e da n d c o m p a c t e du n d e rd i f f e r e n t c o n t e n t ，t h e s em a i ni n g r e d i e n t st u r nu pt ol s e sw i t hv a r i o u sp r o p e r t i e s s i n c e i n e v i t a b l ys u b j e c t e dt od y n a m i cl o a d i n gi np r a c t i c a le n g i n e e r i n g , t h ed e f o r m a t i o na n d s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fl s e su n d e rd y n a m i cl o a d i n ga r eq u i t ew o r t ht os t u d y t h e m a i nr e s e a c hc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： b a s i cp r o p e r t i e so fl s e s ( 1 ) t h em e t h o do fl a b o r a t o r ys a m p l ep r e p a r a r i o nf o rl s e si sd i c u s s e d ，a n dt h e h a r d e n i n gm e c h a n i s mo fl s e si sa l s oa n a l y z e d t h r o u 【g ham e d i c a lc ts c a n n i n g a p p a r a t u s ，t h em e s o s t r u c t u r eo fl s e si ss t u d y e d ，a n di ti ss u g g e s t e dt h a tl s e si sa s t r u c t u r a l g e o m a t e r i a lb a s e do nt h es c a n i n gr e s u l to fs a m p l e su n d e rd i f f e r e n t i n g r e d i e n tc o n t e n t s t h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo fl s e si s a l s op r o p o s e d d e 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 su n d e rd y n a m i cl o a d i n g ( 2 ) l a b o r a t o r yd y n a m i c t r i a x i a lt e s t so ne p sb l o c k sa n dl s e sa r ec o n d u c t e du s i n ga m u l t i f u n c t i o nt r i a x i a lt e s ta p p e r a t u s ，a n dt h er e s p e c t i v es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p sa r e o b t a i n e d t h ee f f e c t so fc e m e n tc o n t e n t ，e p s b e a dc o n t e n t ，c o n f i n i n gp r e s s u r ea n d c y c l en u m b e ro n t h er e d u c t i o nb e h a v i o ro f d y n a m i cm o d u l u sa r ed i s c u s s e d m e a n w h i l e ，t h ee f f e c to fe p sb e a d so nt h ed y n a m i cd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l e s eb a s e do ht h o s eo fe p sb l c o k s ( 3 ) b a s e do nt h er e d u c t i o nb e h a v i o ro fd y n a m i cm o d u l u s ，c r i t i c a lc y c l i cs t r e s sr a t i oo f l s e si sp r o p o s e d ，w h i c hc l a s s i f i e st h em o d u l u sr e d u c t i o nc a l v ei n t ot w oc a t i g o r i e s ： s m o o t ht y p ea n df a s t - d r o p p i n gt y p e n u m e r o u st e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e dt oo b t a i na n u n i f i e de m p i r i c a lf o r m u l ao fm o d u l u sr e d u c t i o n ，q u a n t i t a t i v e l yr e f l e c t i n gt h ee f f e c t so f s o m ef a t o r s ，a n dt h ep a r a m e t e r sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n ti n g r e d i e n tc o n t e n t sa r ea l s o s u g g e s t e d & n n g t hc h a r a c t e r i s t i c so fl s e su n d e rd y n a m i cl o a d i n g ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h es t r a i na c c e l e r a t i o na l l v e ，t h ed y n a m i cf a i l u r ec r i t e r i ao fl s e sa r e e x p r e s s e da ss t a i na n dt h em a i nf a c t o r sa r ea n a l y z e d t h o u g ht h ed y n a m i cs t r e n g t h t e s t s ，t h ee f f e c t so fc e m e n tc o n t e n t ，e p s - b e a dc o n t e n ta n dc o n f i n i n gp r e s s u r eo nt h e d y n a m i cs t r e g n t hc u r v ea r ed i s c u s s e d ( 5 ) b yc o m b i n i n gt h ef a s t d r o pt y p em o d u l u sr e d u c t i o nc u w ea n dt h ee m p i r i c a l 1 v 河海人学博士论文 f o r m u l aw i t hm a t h e m a t i c a lm e t h o d ，t h ee m p i r i c a le x p r e s s i o no fd y n a m i cs t r e n g t hn f i so b t a i n e d ，b a s e do nw h i c ht h ed y n a m i cm o o r ec i r c l e sa n dd y n a m i cs t r e n g t h e n v e l o p e sa r ea n a l y z e da n dt h ed y n a m i cs t r e n g t hi n d e xu n d e rg i v a nc y c l i cf a i l u r e n u m b e ra r eo b t a i n e d ( 6 ) b ya n a l y z i n gt h ep r o p e r t i e so fi n g r e d i e n t si nl s e s ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nl s e s a n dc o n v e n t i o n a lu n s a t u r a t e ds o i la r ed i s c u s s e d ，a n dt h ed y n a m i cs t r e n g t ht h e o r yo f l s e si sh e r e b ys t u d y e d v a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl s e ss t r u c t u r eu n d e r d y n a m i cl o a d i n g ( 7 ) t h es t r u c t u r et h e o r yo fl s e si sd i s c u s s e di nd e t a i l t h r o u g hc ts c a n n i n ga n d d y n a m i ct r i a x i a lt e s t s t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl s e ss t r u c t u r eu n d e rd y n a m i c l o a d i n ga r ea n a l y z e d b yc o m p a r i n gt h es t a t ep a r a m e t e r so fm e s o s t r u c t u r ea n d m a c r o s t r u c t u r e ，t h ed y n a m i cd e f o r m a t i o na n ds t r e g n t hm e c h a n i s m so fl s e sa r c s t u d y e dr o u n d l y k e y w o r d s ：l i g h t w e i g h ts a n d e p sb e a d ss o i l ，d y n a m i cl o a d i n g ，d e f o r m a t i o n ， m o d u l u sr e d u c t i o n ，s t r e n g t h ，m e s o s t r u c t u r e ，s t r u c t u r e v 前言 随着经济的高速发展，我国的基础设施建设取得了举世瞩目的成就，而在这 个过程中，很多岩土工程问题也逐渐凸现，诸如高速公路桥头跳车、路基下沉、 边坡失稳等。上世纪6 0 年代源于挪威的轻质土工材料可以有效地降低填料容重， 并通过减轻上部荷载使得地基达到稳定，解决了很多由于填料过重而产生的岩土 工程问题，因而可以说，这样一种新型土工材料对于解决我国出现的岩土问题有 着良好的前景。在实践应用中，轻质土工材料衍生出适用于不同条件下的多种类 型，如e p s 块体、e p s 颗粒混合轻质土、气泡混合轻质土等等。日本由于其特 殊的地理环境和地质条件，在轻质土工材料的工程应用方面走在了世界的前列， 许多成功的工程范例发展了完备成熟的施工工艺，相比之下，轻质土的理论研究 则稍显滞后，其变形和强度特性的研究还没有形成共识，模型研究还多是在土力 学中经典模型的基础上加以修正。轻质土与常规土体相比，有着更为复杂的结构， 这决定了其理论和实践的统一具有相当的难度。 在已有的关于轻质土工材料的研究中，多是着眼于静力条件下的特性，然而 作为岩土材料，轻质士在实际应用中不可避免地会受到诸如地震、波浪、车辆等 动力荷载作用，因此，对其进行动荷载作用下的变形及强度特性研究具有重要意 义。近年来，土动力学作为土力学的一个分支，逐渐受到研究者们的广泛关注， 无论在对动力性质的认识还是在工程中的应用；都有新的发现和进展。可以说， 对轻质士动力特性的研究一方面丰富了土动力学理论，另外对工程实践也具有积 极的指导作用。 本文结合国家自然科学基金“动荷载作用下e p s 颗粒混合轻质土的变形及 强度特性的试验研究( n o 5 0 4 7 9 0 2 0 ) ”，对由e p s 颗粒、砂土、水泥、水组成的 轻质土一砂土与e p s 颗粒混合的轻质土( l i g h t w e i g h ts a n d - e p sb e a d ss o i l ，简 称：l s e s ) 在动荷载作用下的变形及强度特性进行了系统韵研究，以下几方面 是本文最具创新性的工作： ( 1 ) 基于动三轴试验结果，将l s e s 的变形特性( 模量衰减特性) 和强度特性( 破 坏周数n t ) 通过数学手段有机的结合起来，得到统一的变形及强度经验模型； ( 2 ) 将c t 扫描技术应用至岩土结构性研究中，并与动三轴试验结合，对l s e s 的原生结构和次生结构状态变化进行了细观层面的研究； ( 3 ) 对c 们式验得到的细观状态参数和动三轴试验得到的总观状态参数进行比 较，深入地分析了动荷载下l s e s 的变形及强度机理。 符号说明 符号说明 c c一水泥掺量，以水泥在砂中所占的质量百分比表示 w c一水灰比，以水与水泥的质量比表示 v 。，一e p s 颗粒含量，以自然堆积状态下e p s 颗粒与砂的体积比表示 pl s e s 的密度 m ec t 试验中扫描截面的平均c t 值 s dc t 试验中扫描截面c t 值的方差 o 。一动三轴试验中的固结应力 od一动三轴试验中施加在试样上的轴向动应力 ed 一动三轴试验中试样的轴向动应变 口。、包一e p s 块体动应力应变曲线的拟合参数 n一动三轴试验中的荷载循环次数 e 。一割线动弹性模量，od ed 滞回圈顶点连线的斜率 g 。一割线动剪切模量 g l 、g 。_ n 一第1 周和第n 周滞回圈对应的割线动剪切模量 i i一泊松比 yd一动剪应变 yd - l 、yd - n一第1 周和第n 周滞回圈对应的动剪应变 s一循环应力比，定义为：s = o 。2o 。 s t h一临界循环应力比 口1 、现、n l s e s 第一周割线动剪切模量经验模型的拟合参数 6 a 、m 、n a 1 、a 2 、p 1 、 p 2 、n 1 、n 2 如、p 6 、p 7 、 p 8 、p 9 、p o ， m 1 、1 1 1 2 l f n f c d 、fd a w 、a c 、a s 、 一模量衰减系数，定义为：6 ；妥业 u k c 1 一l s e s 的g l yd - 1 经验公式中的拟合参数 一平缓型6 n 模型中的拟合参数 一陡降型6 n 模型中的拟合参数 一l s e s 在循环荷载下的破坏应变 破坏周数 一动强度指标 一l s e s 中孔隙水和e p s 颗粒与固相接触面积以及固相间接触面积 河海大学博士论文 a p s 、a a 盯。、0 、0s a l d a 、a 9 0 1 一e p s 颗粒与固相接触的泡孔膜面积以及泡孔内气体面积 一分别为l s e s 断面上的有效应力、总应力、固相问应力 一分别为c t 扫描截面上低密度区域和兴趣域的面积 一细观结构状态参数 细观结构状态参数变化率 平均细观结构状态参数 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c 签孙上毕韭叩年s 月，7 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) ： 砷年占月夕日 河海大学博士论文 第一章绪论 1 1 轻质土工材料简介 1 1 1 概述 近年来，公路、铁路、城市地铁等基础设施建设实现了持续、快速和有序的 发展，特别是1 9 9 8 年以来，我国高速公路的建设得到快速发展，年均通车里程 超过了4 0 0 0 公里，截至2 0 0 5 年9 月，高速公路总里程数己达3 4 万公里，居世 界第二位，而我国公路桥梁总数已达2 8 万座计l 万公里。各种类型、不同跨度 的桥梁层出不穷。在这些桥梁中，主跨4 0 0 米以上的桥梁建成3 5 座，在建6 座； 主跨6 0 0 米以上的桥梁建成1 3 座，在建3 座；主跨8 0 0 米以上的桥梁建成6 座， 在娃1 座；主跨1 0 0 0 米以上的桥梁建成2 座，在建1 座。 随着这些基础建设项目的不断增多，其问碰到的岩土工程问题也逐渐凸显， 尤其在我国的东部及沿海地区，大量的深厚软基由于承载力不足、稳定性差、沉 降大，常常导致挤压桩台和桥台跳车等严重问题，此外，在回填土方工程中，若 回填土的重度过大，则边坡在较高的侧向荷载下极易产生塌方。这些岩土问题的 产生总的来说可以归结为两个原因：一是上部荷载过大，二是地基承载力不足。 目前工程界在碰到此类问题时往往针对后者采取各种地基处理的方法，主要有： 混凝土桩基、化学灌浆、水泥深层搅拌等，但由于施工机械的落后、施工人员素 质的低下，以及缺乏对作为隐蔽工程质量有效的监督管理手段，这些地基处理方 法常常难以取得令人满意的效果，此时，减轻上部荷载以满足承载力需求的处理 方法逐渐受到青睐，而轻质土工材料f 是其中的典型代表。 1 1 2 轻质土工材料的分类 轻质土工材料是指用于回填土时能有效降低上部荷载的土工材料，目前常用 的轻质土工材料主要有以下几种：( 1 ) 轻质化学产品如聚苯乙烯( e x p a n d e d p o l y s t y e n e ，简称e p s ) 或气泡聚氨酯( a i r - f o a m e du r e t h a n e ) 块体；( 2 ) 将e p s 颗粒与原料土及水泥掺和在一起，加水搅拌压实，制成e p s 颗粒混合轻质土；( 3 ) 气泡混合轻质土，在原料土中按一定比例添加固化剂、水和预先制作的气泡群， 进行充分的混合搅拌而成：( 4 ) 废弃轻质材料，粉煤灰、矿渣、废塑料、废玻璃 等。它们共有的特点就是含有密度较低的材料，因而具有轻质的特点。此外，轻 质土工材料还有以下一些特点【l 】： ( 1 ) 可以利用废旧e p s 、废轮胎、锯木屑等废弃材料以及疏浚淤泥。目前 我国e p s 总产量已超过5 0 万吨，其中用于包装的约5 0 ，主要用于家用电器、 第一章绪论 工业配件等产品的减震包装以及建筑材料和冷库保温隔热等，大约4 万吨被用于 一次性快餐盒、餐具等。包装制品每年以1 0 的速度递增，而三分之二以上的 e p s 包装制品次性用后被遗弃成为无用的垃圾，这类泡沫塑料制品用后即弃， 不仅数量大，而且体大质轻不便回收，又难以自行降解，不但造成资源的巨大浪 费，对环境的污染也将日趋严重。我国还是世界上废旧橡胶产生量最大的国家之 一，2 0 0 4 年废旧橡胶产生量约2 7 2 万吨，其中主要是废旧轮胎，约有1 亿多条， 如此大量的废轮胎必然要面临一个再生循环利用的问题。此外，随着我国港口、 航道等工程的日益增多，每年会产生大量的疏浚淤泥，如果不能很好利用，将直 接影响河道安全。而轻质土工材料能大量地处理这些废弃物，变废为宝，有效地 缓解人类活动产生的垃圾对环境造成的危害，因此它是一种环保的土工材料： ( 2 ) 施工方便快捷，对施工人员要求不高，因此适用于对工期要求较高的 工程，如e p s 块体，由于质量超轻、形状均为长方体，在现场施工中搬运方便， 无需大型机械，工人铺设速度很快； ( 3 ) 自立性好。如e p s 颗粒混合轻质土和气泡混合轻质土由于用水泥作为 固化剂，在浇筑5 h 后就开始固化，并可以自立，可进行垂直填土，对挡土结构 几乎无挤压； ( 4 ) 流动性好。气泡混合轻质土具有良好的流动性，可通过管道泵送，最 大输送距离可达1 5 0 0 m ，而且这种特性也使得气泡混合轻质土可以在空间很小 的范围内施工，只需一个输送管便可灌浆，尤其适于管道的填埋： ( 5 ) 强度可调节。可以通过改变固化剂和轻质材料的含量来调节轻质土的 强度，从而用于要求不同的工程： 图1 1 为气泡混合轻质土在现场施工时的典型流程。 固化剂 图1 1 气泡混合轻质土的典型施工流程 1 1 j 3 轻质土工材料在岩土工程中的应用 轻质土工材料在国外已有3 0 多年的应用历史，尤其在只本，其大规模的应 用研究已经形成产业化。总体而言，轻质土工材料在岩土工程中的应用主要体现 河海大学博士论文 在以下几方面i ： 1 1 3 1 1 4 1 。 ( 1 ) 控制软土路基的沉降 由于轻质土工材料能有效降低路基上部荷载，因此可以很好地控制软弱地基 的沉降，这种性质也决定了它能应用在许多不同条件下的工程，如桥台填土、高 速公路拓宽等工程，图1 2 为e p s 块体用作桥台填料的示意图。 图1 2e p s 块体在桥台填土的应用示意图 ( 2 ) 管道填埋 在进行道路施工时，难免会遇到天然气管道、水管、油管等，由于管道多为 圆形，因此在回填土时很难压实填密，而应用流动性好、容重小的气泡混合轻质 土，则可以泵送到非常窄小的管道空间施工，并且浇筑时不需要振捣和碾压，利 用其良好的自立性与快硬性，可以快速地完成施工，并有效缓解对管道的荷重。 ( 3 ) 地震后岸壁的修复工程 地震对许多近水设施如岸壁、桥墩、挡土墙的破坏是巨大的，而震后对这些 工程的修复也是非常迫切的，因为这关系到城市居民的生命安全和港口的经济发 展。图1 ，3 是利用轻质土工材料在地震后的近海区域对集装箱码头进行重力式防 波堤的修复工程，在地震中，混凝土沉箱从原来的位置侧向移动了几米。碎石后 的砂土用挤密砂桩进行处理。以增强其抵御未来地震的能力，在此区域上部是气 泡轻质混合土，以减小防波堤后部的侧向压力。 图1 3 气泡混合轻质土修复岸壁工程的示意图 第一章绪论 ( 4 ) 减轻车辆产生的振动 随着城市的发展和人口的膨胀，城市中道路、车辆日益增多，人口密度逐渐 增大，人们的办公、生活区域因此受到车辆振动的影响也越来越受到重视，尤其 在某些大城市中的城市轨道交通( 如地铁、轻轨) 产生的振动对环境的影响尤为 严重，而采用轻质路堤可以有效地缓解车辆引起的振动，减轻环境污染。 1 2 轻质土工材料的应用现状 1 2 1e p s 块体的工程特性及应用现状 ( 1 ) e p s 的生产【5 】 e p s 只能预制，不能现场制作，主要的产品类型是棱柱体块材。块材是由膨 胀的聚苯乙烯树脂用模室法生产。聚苯乙烯树脂珠粒包括聚苯乙烯和溶解的戊烷 ( 发泡剂) ，珠粒中也可加入一些防火添加剂。珠粒直径约为2 3 咖( 中粗砂粒 径范围) ，一般近于小粒径，粒径不影响块体工程性质。珠粒无色，制成块材则 为白色。然而，制造过程中染色形成其它颜色，是为了产品的识别和市场的需要。 e p s 块体生产经过两个阶段，即预膨胀之后进行成模工艺。预膨胀阶段是将珠粒 置于容器中加热至8 0 1 1 0 ，气化的发泡剂使受热软化的聚苯乙烯膨胀为原珠 粒体积的5 0 倍，每一个球体包括大量的封闭单元。预膨胀是在封闭的、固定边 壁的模具中进行，结果，制造出来的块材就包括大量颗粒，形状为多面体，多面 体融结在一起，其间无空隙或有很小问隙。多面体的这种结构使得从表面上就能 将e p s 与其它泡沫分辨出来，因为其它材料是均质的。从模室中释放出来后， 块材风干几天。风干后需用特制机械装置的受热金属丝进行切割，以满足生产上 特定的块体尺寸要求。在美国，最终切成的块材基本上是高6 1 0 7 6 2 m m ，宽 1 2 2 0a i m ，长2 4 4 0 咖。然而，出于在轻质填料上应用的考虑，对于长为4 8 8 0 m m 块材的要求同渐增加。各国的块材大小略有不同，但基本相似。风干后的块材也 可切成薄板，用于一些岩土工程使用，如作为热绝缘材料用于路面下，垃圾填埋 场粘土衬挚层上，或地下室边墙外侧。在这些应用中，e p s 板只需2 5 1 0 0 m m 厚，出于在建筑上应用的考虑，也可将其切成复杂的形状，工厂是用热金属丝切 割，在工地上可用链锯切割。 ( 2 ) e p s 的工程特性1 6 密度 e p s 的密度由成型阶段聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定，介于1 0 4 0 k g m 3 之间，工程中常用密度为1 5 和3 0 k g m 3 之间的e p s ，目前许多土工工程中用作 轻质填料的e p s ，其密度常为2 0 k g m 3 ，仅为普通填料的1 5 0 1 1 0 0 ( 本文以下 若无特殊说明，都指密度为2 0 k g m 3 的e p s ) 。密度是e p s 的一个重要指标，与 河海大学博士论文 其各项力学性能有着密切的关系。 吸水特性 e p s 吸水特性与制造工艺有关，型内发泡法生产的e p s 内分布着独立气泡， 与外界不贯通，只是表面层吸取水分，而且吸水过程主要发生在浸水后最初的一 两天内，挪威某工程实例表明，设置在地下水位下的部分e p s 路堤在经过9 年 后，其吸水率仅为l o 左右。事实上，吸水率的考虑是为了计算浸水后的e p s 块体对下卧层产生的静载，而对e p s 材料本身的力学特性并无显著影响。e p s 块体饱水2 8 天的吸水率平均值为5 6 ，受密度变化的影响不大。将e p s 块体 切开，发现其内部很干燥，这是因为e p s 材料有无数独立气泡组成，材料本身 具有憎水性，因此仅材料表面独立气泡间的空隙内存在部分水分。因此e p s 的 吸水率在达到表面部分饱和后，其值基本不随时间增长。 摩擦特性 试验表明，e p s 与钢筋混凝土之间的摩擦系数一般为o 7 ，与干松砂间的摩 擦系数为0 4 ，与湿砂( 较松) 的摩擦系数为0 3 ，e p s 与e p s 块体之间的摩擦 系数为o 5 。e p s 与砂垫层之间的摩擦系数较小，因而铺设在e p s 下的砂层应进 行充分碾压以增大两者间的摩擦系数；当砂垫层位于地下水位以下而处于饱水状 态时，需注意抗滑稳定性验算或者采取措施降低地下水位。 耐热性和燃烧性 e p s 的热变形温度大约在7 0 8 0 。c ，在此温度附近e p s 开始软化。采用e p s 施工应该考虑遇到火灾温度急剧上升的情况，因此在设计中采用两侧用土或其他 型式的护坡加以保护。，日本曾将e p s 块体浅埋于地表进行火灾试验，结果表明： 在覆盖一定厚度的土后，地面火灾对地下e p s 块体几乎没有影响。从增加施工安 全的角度考虑，日本方面仍建议采用阻燃型e p s 块体作为路堤填料。e p s 点燃后 离开火源，在3 秒钟内自行熄灭的即为阻燃型e p s 。 耐久性 e p s 在水中和土壤中化学性质稳定，不能被微生物分解，也不会释放出对微 生物有利的营养物质但有研究资料表明，在特定条件下白蚁可对e p s 造成破坏。 e p s 在紫外线照射下一段时间后表面由白色变为黄色，材料在某种程度上呈现脆 性。因此，e p s 与许多高分子土工材料一样，不允许长时间暴露在紫外线下。 e p s 在大多数溶剂中性质稳定，但可被汽车燃料油( 汽油或煤油) 溶解，因此，e p s 用作轻质路堤填料时，必须在其表面覆盖保护层。 ( 3 ) e p s 块体的应用现状 1 9 7 2 年，在挪威的奥斯陆，e p s 块体首次成功应用于软土地基上的路堤工 程，这被称作“轻质工材料的曙光”。目前，挪威相继有2 0 0 多个工程应用了 e p s 块体，主要用作道路下面的隔热层，可以减轻由于冰冻温度侵袭公路而引起 第一章绪论 的路面开裂以及温度回升后泥土发生膨胀而使路面上升【”。日本于1 9 8 5 年将e p s 块体首次应用于札幌市的桥台填土中，接着1 9 8 6 年建设省沼津事务所在国道1 号的扩建工程中也使用了e p s 块体，至今已有1 5 0 多个工程采用了e p s 块体， 主要用于铺设在道路下面以减少来往车辆行驶时对地基引起的振动【s 】：自上世纪 8 0 年代中期开始，德国的工程师们对e p s 块体应用于道路工程产生了浓厚的兴 趣，1 9 8 9 年，高速公路和交通研究学会的“土方和基础工程”课题组成立了轻 质路基材料的工作委员会，制定了e p s 块体在德国的应用方针，自此，德国也 大面积地开展了e p s 块体的应用【9 】。e p s 块体在我国的应用自上世纪9 0 年代开 始逐渐增多，并成功应用于广东惠澳大道淡澳大桥桥台路基回填、沪宁高速公路 拓斟”l 、上海f 1 国际赛车场赛道路基等重大项目工程中，但由于e p s 块体价格 相比其他地基处理方法较高( 约3 5 0 7 r i m 3 ) ，因此目前在我国的应用还没有得到 大规模的推广。 ( 4 ) 工程实例 e p s 超轻质材料在淡澳河大桥引道软基处理中的应用【l l 】 淡澳河大桥位于惠州市大亚湾淡澳河入海口。由于淡澳河大桥跨越大亚湾城 市规划的滨江大道，因此，该桥头引道高7 1 0m 。根据工程地质报告，自上而 下地层分布为：细砂层厚2 4 m ，淤泥层厚1 8 1 1 0 1 1 1 ，淤泥质粘土层1 5 - 8 0 m ， 属于软弱地层；粗砂层，松散，厚度较小，约1 5m ，粉质粘土层，由原岩风化 而成，以下为强风化、中风化红砂岩。路基原设计决定利用3 4m 厚砂硬壳层 作为路基基础，路基采用附近挖方碎石土填筑。但是在1 9 9 6 年初，由于路基施 工单位填土速度过快，当填土至5m 高度时，在桥台后约1 5 0m 处出现滑移， 下滑范围约2 0 0m ，下滑高度约2 m 。该路段至路基设计标高还差1 0 - 4 8m ，由 于建设资金不到位，己停工3d 多。由于该段为填石路基，对路基下的软弱地基 用常规方法处理加固非常困难，唯有采用轻质材料填筑路基，减少地基压力。为 解决该问题，惠州市道路桥梁勘察设计院与广东省交通科研所、长沙交通学院共 同合作，决定采用在桥台后5 0 内填筑泡沫聚苯乙烯( 简称e p s ) 的方法解决淡 澳大桥引道路基滑移问题。淡澳河大桥引道e p s 复合地基施工完成后，通过观 测台背压力、地基沉降和桥头锥坡表面状况，没有异常情况发生。e p s 路堤平均 压缩变形4 0 c m ，基本和e p s 路堤理论压缩变形值相同，材料的蠕变不明现，路 基回弹模量平均值为7 8 9m p a ，远高于普通填土路基。这些都说明，e p s 材料具 有一定的强度，和路堤表面的钢筋混凝土板一起可以构成稳定的满足强度和刚度 要求的路堤。采用e p s 材料由于其质量的超轻性，路堤和地基的稳定性都得到 了保障，并可大大减少下覆地基的沉降，有利于减少工后沉降，解决由此引起的 桥头跳车问题。由此可见，e p s 是软土地基上路堤填筑的良好材料。 美国纽约州2 3 a 号公路e p s 块体路堤换填【1 2 】 河海大学博士论文 纽约州的2 3 a 号公路与保障纽约城市供水的s c h o h a r i e 河平行，1 9 6 6 年，由 于洪水使得s c h o h a f i e 河水位暴涨，造成严重损失，此后，纽约公共事务局重修 了2 3 a 号公路，比原路更宽，位置也更高，公路修好后不久，发现一段3 0 0 英 尺长的路堤段面朝s c h o h a r i e 河方向缓慢滑动，路面也因此产生很多裂缝，1 9 7 8 年，纽约州交通厅( n y s d o t ) 对路堤下土层进行了地质勘探，发现地下水位 在地表下5 到1 5 英尺深，1 9 7 9 年，在边坡的坡脚处设置了一系列水平排水沟， 以降低地下水压，但此后1 4 年的测斜数据显示此举并未达到效果。1 9 9 4 年， n y s d o t 决定采用e p s 土工泡沫换填土体来减轻侧向压力，并由此增强边坡稳 定性，图1 4 为e p s 块体换填的断面示意图。工程e p s 块体总用量达到2 8 0 0m 3 ， 净减土压力5 9 0 0 t 。 图1 4e p s 块体用于路基换填的示意图o u t k o s f s k y , 1 9 9 8 ) 1 2 2e p s 颗粒混合轻质土的应用现状与工程实例 目前，日本关于e p s 颗粒混合轻质土的应用在国际上是最多的。自1 9 8 8 年 应用以来，在日本的施工总量已超过4 0 ，0 0 0 m 3 【1 3 】。1 9 8 8 年，日本神户首次采用 e p s 轻质土减小桥台背面的土压力，修复岸壁并获得成功。1 9 8 9 年在日本奇玉 县久喜市，采用e p s 颗粒混合轻质土对正在施工的下水管道进行填埋，管道长 3 5 9 3 m ，对施工后的结果进行观测，轻质土的压缩量只有4 m m ，是其厚度的0 5 ， 满足工程设计要求f 1 4 1 。1 9 9 5 年在日本佐贺县鹿岛市的有明海海堤建设中，现场 堆积有很厚的软弱有明粘土，为将其换填，以e p s 球粒为轻质材料，使用原位 搅拌的方式与现场挖掘的有明黏土进行混合，制成了性质稳定的e p s 颗粒混合 轻质土。施工后的观测结果表明，变形稳定，路面没有裂纹出现，这也说明了原 位搅拌的方式尤其适用于施工规模较小的场所i l ”。我国2 0 0 4 年1 0 n 1 2 月在新 安江电厂7 0 8 8 开关站道路工程中，为了解决边坡稳定问题，进行了2 0 0 m 3 的废 弃泡沫塑料颗粒混合轻质土的换填工作，证实了e p s 颗粒混合轻质土可以起到 缩短工期和提高工程安全性的目的i l “。 1 2 3 气泡混合轻质土的应用现状与工程实例 气泡混合轻质土有几种名称：f l m ( f o a m e dm i x t u r el i g h t w e i g h tm a t e r i a l ) 、 第一章绪论 f c b ( f o a m e dc e m e n t e db a n k i n gm e t h o d ) 、s g m ( s u p e rg e o m a t e r i a l ) 等等， 它是在原料士中按一定比例添加固化剂、水和预先制作的气泡群，进行充分的混 合搅拌而成【1 7 1 。其中，固化剂分为主剂和辅剂，主剂主要是指起固结、增强土 体骨架作用的各种水泥，而辅剂是指石膏粉、硅粉等，目的在于减少主剂用量、 降低造价，气泡则是通过将适量倍率稀释的发泡剂( 表面活性剂或蛋白质等) 定 量泵送到发泡装置后，与压缩空气充分混合后产生的【l 引。 日本关于气泡混合轻质土的应用开始于1 9 8 6 年，用来减轻东北公路八户线 一户区的边坡填土荷重 。1 9 8 8 年，日本东名高速公路和京叶高速公路j 2 d 】在进 行道路拓宽时，由于公路靠近民房和街道，施工场地狭窄、交通量大，施工和材 料的运输都很困难。因此只能在现有场地条件下拓宽，不能增加用地面积。拓宽 时引起的地基变形对原有道路、邻近建筑物的影响应尽可能小，采用气泡混合轻 质土进行处理，施工简便，节省投资，在施工过程中和施工结束后；对现场进行 地表下沉和地中水平位移动态观测均满足工程设计要求。美国华盛顿西雅图市， 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2 层，在 管道的周围用气泡混合轻质土充填，此项工程获得了1 9 8 8 年华盛顿顾问工程师 委员会发起的最高工程设计奖【2 “。此外，日本还采用气泡混合轻质土在阪神大 地震中受到损坏的岸壁修复工程中进行水下施工，效果也很不错瞄】。气泡混合 轻质土于2 0 0 3 年在我国首次成功应用于广东中江高速公路田j ，到目前为止已成 功应用于京珠高速公路粤境段、广州市新光快速干线、国道3 0 1 线内蒙古牙克石 至海拉尔一级公路、武汉长江大桥桥头堡加固等工程项目。 1 3 轻质土工材料的理论研究进展 1 3 】e p s 块体的理论研究进展 ( 1 ) e p s 块体静力特性 e p s 块体的应力应变特性主要取决于其密度、荷载大小、制作工艺以及环境 因素，另外，e p s 块体问和e p s 块体与土f 日j 的接触使得e p s 块体的性状更加复 杂，因此，要准确了解e p s 块体在土中的力学行为是比较困难的。目前关于e p s 块体的理论研究多集中在静力学方面。 p r e b e r 等【2 4 j 和h o r v a t h 2 5 j 认为静力荷载下，e p s 在初始弹性变形阶段过后 会有显著的粘塑性特征，但不会出现明显的破裂或滑移，出于无显著的剪切出现， 因此难以确定其破坏状态。l t o r v a t h 2 6 l 推荐将e p s 线弹性阶段时的弹性极限应力 以及初始切线模量作为其静力参数。 e p s 的流变性【27 1 也是其重要特征，e p s 的蠕变量是密度和施加荷载的函数， 荷载越大，产生的蠕变量越大，因此，在设计时，e p s 必须应用于合适的荷载范 河海大学博士论文 围内。e p s 还有着显著的各向异性f 2 引，