（岩土工程专业论文）动荷载下粘土与eps颗粒混合轻质土的变形和强度特性试验研究.pdf

河海大学博i ：学位论文：动荷载下私十o je p s 颗粒混合轻质十的变形和强度特性试验研究 摘要 粘土与e p s 颗粒混合轻质土是一种新型的土工材料，它具有轻质、高强、自立性好、 施工工期短、废物再生利用和环保等优点，因此具有广泛的工程应用前景。本文以淤泥 质粘性土为原料土，e p s 颗粒为轻质材料，水泥为固化材料，制备了粘土与e p s 颗粒混 合轻质土( l i g h t w e i g h tc l a y - e p sb e a d ss o i l ，简称l c e s ) 试样，通过室内动三轴试验系 统地研究了动荷载作用下l c e s 的强度和变形特性，主要内容包括： ( 1 ) 通过一系列的室内动三轴试验研究了l c e s 在动荷载作用下的变性特性，着重 研究了固结压力、水泥掺量、e p s 掺入比、试样养护龄期、加载次数以及振动频率的影 响。试验结果表明，l c e s 的动应力应变骨干曲线形态符合双曲线；在相同的动应力作用 下，l c e s 产生的动应变随着固结压力、水泥掺量、试样养护龄期和振动频率的增大而减 小；在动应变相同的情况下，随着固结压力、水泥掺量、试样养护龄期和振动频率的增 大，l c e s 的动模量增大而阻尼比减小；随着加载次数的增大，l c e s 的动模量在开始阶 段显著降低，然后趋于稳定，但当加载次数达到几百次时，动模量又有增大的趋势；不 同e p s 掺入比的l c e s 的动应力应变骨干曲线、动模量随应变变化曲线和阻尼比随应变 变化曲线都发生了相交，交点前后e p s 掺入比的大小对l c e s 动力变形特性的影响趋势 是截然相反的，交点处的动应变值一般在o 5 3 o 范围内变化，其大小与l c e s 的配 比以及固结压力有关。与固结压力、水泥掺量以及试样养护龄期相比，e p s 掺入比和振 动频率对l c e s 的动力变形特性影响较小。 ( 2 ) 根据l c e s 的动应力应变骨干曲线形态符合双曲线的特点，对其进行转换计算 得到了各配比l c e s 的最大动剪切模量g 。在分析单一影响因素与l c e s 的g ，。和口一 之间的关系以及各影响因素之间的关系基础上，通过对所有试验点进行回归分析，得到 了l c e s 的g 。和p 一的经验公式。 ( 3 ) 通过一系列的室内动三轴试验研究了l c e s 在动荷载作用下的强度特性首先 确定了压应变达到5 是适合l c e s 的动力破坏标准，然后着重研究了固结压力、水泥掺 量、e p s 掺入比、试样养护龄期以及振动频率的影响。试验结果表明，l e e s 的动强度随 着圃结压力、水泥掺量、试样养护龄期和振动频率的增大而增大，但固结压力对l c e s 动强度的影响程度随着水泥掺量的增大而逐渐减小；随着e p s 掺入比的增大，l c e s 的 动强度先增大后减小，所以对于l c e s 的动强度来说，可能存在一个最佳e p s 掺入比。 ( 4 ) 在动荷载作用下，随着水泥掺量的增大，l c e s 的摩尔应力圆逐渐增大，跃过 了原点。根据不同固结压力下摩尔圆的包络线得到了各配比l c e s 的动强度指标白和。 基于本次试验所有的动强度试验点，提出了l c e s 的动抗剪强度与破坏振次之间的经验 关系式，并根据该关系式将l c e s 的动强度曲线进行了归一化。 ( 5 ) 引入了修正系数k ，建立了能够反映粘土与e p s 颗粒混合轻质土动力特性的修 i i i 摘要 正h a r d i n d m e v i c h 模型，给出了模型参数的确定方法，并对模型进行了验证，结果表明 修正的h a r d i n d m e v i c h 模型能够反映l c e s 动力变形特性的基本规律。 关键词：粘土与e p s 颗粒混合轻质土；循环荷载；破坏标准；变形；强度；频率； 最大动剪切模量：本构模型 i l f 海大学博f ：学位论文：动荷载下粘十勺e p s 颗粒混合轻质十的变形和强度特性试验研究 a b s t r a c t l i 曲t w e i g h te l a y - e p sb e a d ss o i l ( l c e s ) i san e wg e o t e c h n i c a lm a t e r i a l ，w h i c hi sl i g h ti n s e l f - w e i g h t ，h i g hi ns t r e n 昏ha n dt h e r e f o r eh a st h ec a p a c i t yo fs e l f - s t a n d i n g b e s i d e st h e a d o p t i o no fl c e sr e d u c e sc o n s t r u c t i o nt i m ea n dm i n i m i z e st h ep o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t s o l c e sh a se x t e n s i v ep r o s p e c to fa p p l i c a t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , t h e l c e sw a sp r e p a r e db yt r e a t i n gm u c k yc l a yw i t l ie p sb e a d sa n dc e m e n t a n das e r i e so f l a b o r a t o r yd y n a m i ct r i a x i a lt e s t sw e r ec a r r i e do u tt 0s t u d yt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so f l c e s t h e m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so f t h es t u d ya l ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e d0 1 1t h ed y n a m i ct r i a x i a lt e s t s ，t h ed y n a m i cd e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fl c e sa r e s t u d i e d ，t h ee f f o r ti sf o c u s e do nt h ei n f l u e n c eo fc e n f m i n gp r e s s u r e ，c m e n tc o n t e n t , e p s c o n t e n lc u r i n ga g e sa n dc y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c y t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti t sd y n a m i c s t r e s s - s t r a i nc u r v ei s h y p e r b o l i ct y p e t h ed y n a m i cs t r a i n o fl c e sd e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gc o n f i n i n gp r e s s u r e ，c e m e n tc o n t e n t , c u r i n ga g e sa n dc y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c yw h e n i ti ss u b j e c t e dt ot h es a m ed y n a m i cs t r e s s ( d a tt h es a m ed y n a m i cs t r a i n ，t h ed y n a m i cs e c a n t e l a s t i cm o d u l u s ( 玩0o fl c e si n c r e a s e sa n dt h ed a m p i n gr a t i o ( d ) d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g c o n f i n i n gp r e s s u r e ，c e m e n tc o n t e n t ，c u r i n ga g e sa n dc y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c y t h ec u r v e so f o d - e a , e c 。e da n dd dw i t hd i f f e r e n te p sc o n t e n ti n t e r s e c tr e s p e c t i v e l y , t h et r e n do f l c e s d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt oe p sc o n t e n tn e a rt h ei n t e r s e c t i o n t h e v a l u eo fd y n a m i cs t r a i na tt h ei n t e r s e c t i o ni sa b o u t0 5 3 o t h em a g n i t u d eo fw h i c hi s r e l a t e dt ot h em i x i n gp r o p o r t i o n sa n dc o n f i n i n gp r e s s u r e c o m p a r e dw i t l lt h e c o n f i n i n g p r e s s u r e ，c e m e n tc o n t e n ta n dc u r i n ga g e s ，t h ee p sc o n t e n ta n dc y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c yh a v e l i a l ee f f e c to nt h ed y n a m i cd e f o r m a t i o no f l c e s ( 2 ) b a s e do nt h ep r o p e r t i e so ft h es t r e s s - s t r a i nc i l r v e so fl c e s ，t h em a x i m u md y n a m i c s h e a rm o d u l u s ( g do fl c e si nv a r i o u sm i x i n gp r o p o r t i o n si s o b t a i n e d c o n s i d e r i n g s y n t h e t i c a l l yt h ei n f l u e n c e so fc o n f i n i n gp r e s s u r e ，c e m e n tc o n t e n t , e p sc o n t e n t , c u r i n ga g e s a n dc y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c y , t h ee m p i d e a lf o r m u l ao f g h 口a n dd “a r eo b t a i n e db ys t a t i s t i c a l r e g r e s s i o na n a l y z i n go nt h et e s tr e s u l t s ( 3 ) b a s e do nt h ed y n a m i ct r i a x i a lt e s t s ，t h ed y n a m i cs t r e n g t hp r o p e r t i e so fl c e sa r e s t u d i e d ，t h ee f f o r ti sf o c u s e do nt h ei n f l u e n c eo fc o n f i n i n gp r e s s u r e ，c e m e n tc o n t e n t , e p s c o n i c n t - c u r i n ga g e sa n dc y c l i cl o a d i n gf i e q u e n c y f i r s t l y , t h em a t e r i a lw i l lb ei nf a i l u r ew h e n t h ec o m p r e s s i v es t r a i nr e a c h e s5 w h i c hc a nb ec o n s i d e r e dt ob eas u i t a b l ed y n a m i cf a i l u r e c r i t e r i o no f l c e s ，a n dt h e nt h ee f f o r ti sf o c u s e do nt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e ，c e m e n tc o n t e n ta n d e p sc o n t e n te f f e c to nt h ed y n a m i cs 扛e n g t hp r o p e r t i e so fl c e s t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a t t h ed y n a m i cs t r e n g t ho f l c e si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gc o n f i n i n gp r e s s u r e ，c e m e n tc o n t e n t ， v 摘要 c u r i n ga g e sa n dc y c l i cl o a d i n gf r e q u e n c y ，b u tt h ee f f e c to fc o n f i n i n gp r e s s u r eo nt h ed y n a m i c s t r e n g t hd e c l i n e sw h e nt h ec e m e n tc o n t e n ti n c r e a s e s t h ed y n a m i cs t r e n g t ho fl c e si n i t i a l l y i n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fe p sc o n t e n t ，s ol c e sm a yh a sa no p t i m a l e p sc o n t e n tf o rt h ed y n a m i cs t r e n g t h ( 4 ) w i t hi n c r e a s i n go fc e m e n tc o n t e n t ，t h em o h rc i r c l e sd i a m e t e ro fl c e si n c r e a s e sa n d e x c e e d st h eo r i g i n b a s e do nt h ed y n a m i cs t r e n g t he n v e l o p e ，t h ed y n a m i cp a r a m e t e r , c da n dc a , o fl c e si so b t a i n e d t h ee m p i r i c a lf o r m u l ab e t w e e nd y n a m i cs h e a rs t r e n g t ha n df a i l u r ec y c l i c n u m b e ri so b t a i n e db a s e do nt h ed y n a m i cs t r e n g t ht e s tr e s u l t s ，a n dt h e nt h ed y n a m i cs h e a r s t r e n g t hc u r v e so f l c e sa r en o r m a l i z e d ( 5 ) b a s e do nt h eh a r d i n d m e v i c hc o n s t i t u t i v em o d e l ，a l li m p r o v e dc o n s t i t u t i v em o d e li s i n t r o d u c e d , w h i c hi st a k i n gi n t ot h ec o n s i d e r a t i o no fs p e c i a ls t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fl c e sb y u s i n gc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n tt t h em e t h o do f d e d u c i n gt h ec o r r e c t i o nc o e f f i c i e n tw a sd i s c u s s e d i nd e t a i l t h ev a l i d a t i o ns h o w st h a tt h e b a s i cd y n a m i cd e f o r m a t i o nr u l eo fl c e sc a nb e r e f l e c t e db yt h ei m p r o v e dm o d e l k e yw o r d s ：l i g h t w e i g h tc l a y e p sb e a d ss o i l ( l c e s ) ；c y c l i cl o a d i n g ；d e f o r m a t i o n ；f a i l u r e c r i t e r i o n ；m a x i m u md y n a m i cs h e a rm o d u l u s ；f r e q u e n c y ；d y n a m i cs t r e n g t h ； c o n s t i t u t i v em o d e l v i 河海大学博i 。学位论文：动楠载下粘十i e p s 颗粒混台轻质十的变形和强度特性试验研究 前言 我国沿海地区及部分内陆城市广泛分布着深厚的软粘土层，近年来在这些地区兴建 了大量的高速公路、高速铁路、机场跑道和桥梁等建、构筑物，然而这些软粘土的工程 性质往往达不到设计要求，所以出现了各种各样的问题，如刚性桥台与柔性台后填土的 差异沉降而造成的桥头跳车以及由于路堤自重过大而地基承载力低造成的公路、铁路、 机场跑道等沉降量过大。针对这些问题，采用粘土与e p s 颗粒混合轻质土作为填土材料 是一种理想的解决方法。 粘士与e p s 颗粒混合轻质土是轻质土的一种，它是由粘性土、水泥、e p s 颗粒和水 按照一定的比例混合搅拌压实而成，它具有轻质、高强、自立性好、硬化成型快、流动 性好、施工技术简单方便、强度和密度可调节以及价格低等优点。另外，由于粘土与e p s 颗粒混合轻质土的原料土可以采用工程弃土，轻质材料可以采用废弃泡沫塑料，所以采 用粘土与e p s 颗粒混合轻质土置换软弱土层或者作为填土材料，不仅可以减小上部荷载， 提高地基的稳定性，降低地基的沉降量，还可以兼顾环境问题。因此，粘土与e p s 颗粒 混合轻质士具有广泛的工程应用前景。 在实际工程应用中，粘土与e p s 颗粒混合轻质土不可避免地会受到交通、地震、波 浪等动荷载的作用，因此，研究其在动荷载作用下的力学特性有着非常重要的理论及实 际意义，然而目前关于粘土与e p s 颗粒混合轻质土动力特性的研究工作开展的非常少且 不系统，国内还未见相关研究成果。 本文通过室内动三轴试验对粘土与e p s 颗粒混合轻质土的动力特性开展了较系统的 研究，重点研究了固结压力、水泥掺量、e p s 掺入比、试样养护龄期和振动频率对其动 力特性的影响。主要创新成果有： ( 1 ) 通过动三轴试验研究了粘土与e p s 颗粒混合轻质土的动力变形特性，在此基础 上提出了粘土与e p s 颗粒混合轻质土的最大动剪切模量g ，。和最大等效阻尼比口一的经 验公式。 ( 2 ) 通过动三轴试验研究了粘土与e p s 颗粒混合轻质土的动强度特性，提出了粘土 与e p s 颗粒混合轻质土的动抗剪强度与破坏振次之间的经验关系式，并根据该经验关系 式将粘土与e p s 颗粒混合轻质土的动强度曲线进行了归一化。 ( 3 ) 引入了修正系数k ，在h a r d i n - d r n e v i c h 模型的基础上，建立了能够反映粘土与 e p s 颗粒混合轻质土动力特性的修正h a r d i n - d r n e v i c h 模型，并给出了修正系数七的计算 方法。 i 4 海人学博i ：学位论文：动荷载下粘十e p s 颗粒混合轻质十的变形和强度特性试验研究 符号说明 l c e s 粘土与e p s 颗粒混合轻质土： e p s e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ，聚苯乙烯； “水泥掺量； 聆e p s 掺入比； r 试样养护龄期； ，振动频率； 。固结压力； 幻轴向动应力； 一有效应力； a 动加载速率； 轴向动应力幅值； 田大主应力； 毋小主应力； 砀。动剪应力； 即。试样破坏面上的剪应力； b 最大动剪应力； 句轴向动应变； 妇动剪应变； 动剪应变幅值； 办。参考应变； 8 m 不同聆的l c e s 的动应力应变骨干曲线交点处的轴向动应变值； 五o 。割线动弹性模量； d 等效阻尼比； 口。最大等效阻尼比； g 。动剪切模量； g 。最大动剪切模量； _ i 反映l c e s 动力特性的修正系数； w 。含水率； 厶塑性指数； v l i 符吁i 兑明 e 孔隙比； g s 比重； v 泊松比； & 固结不排水剪切强度： 乜固结比： g 。经验公式中的拟合参数，表示的是固结压力的影响程度 c a 动荷载作用下l c e s 的凝聚力； 臼动荷载作用下l c e s 的有效凝聚力； 蚰一动荷载作用下l c e s 的内摩擦角； “动荷载作用下l c e s 的有效内摩擦角； 振动周数； 肌破坏振次； 心等效循环周数。 v i u 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) ： 学位论文使用授权说明 月肜日 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、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( 签孙聋刻圣砷( 月倍 海人学博f 。学位论文：动曲载下枯十崎e p s 颗粒混台轻质十的变形和强度特件试验研究 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着我国经济的快速发展，公路、铁路、桥梁等基础设施项目越来越多， 规模也越来越大。但随着工程建设项目的不断增多，遇到的岩土工程问题也越多，特别 是在广泛分布着深厚软粘土层的我国东部沿海地区，这些软粘土的工程性质往往达不到 设计要求，出现了各种各样的问题，如刚性桥台与柔性台后填土的差异沉降而造成的桥 头跳车以及由于路堤自重大而地基承载力低而造成的公路、铁路、机场跑道等沉降量过 大。这些岩土工程问题产生的原因大致可以分为两大类：一是上部荷载过大、地基土抵 抗变形的能力弱而造成地基变形过大；二是上部荷载过大、地基承载力低而造成地基土 强度破坏。传统的地基处理方法如塑料排水板排水固结法、真空一堆载联合预压法、水 泥搅拌桩复合地基法、置换法、加筋法等都是从提高地基的承载力角度出发的，这些方 法工期长，工程造价较高。事实上，分析岩土工程中的变形和强度两大问题的特点可知 两者都与上部荷载有关，因此，若有方法可以减小上部荷载从而满足工程对地基承载力 和变形的设计要求则是我们希望的。 在进行公路、桥梁、河道清淤、城市房地产等工程建设过程中，可能会产生大量的 工程弃土；在工业生产和人们日常生活中会产生许多的工业垃圾和家庭垃圾，如用于包 装的泡沫塑料、矿渣、废弃轮胎等。如何处理这些废弃物成了我们不可避免的环境问题。 基于上述背景，轻质土工材料孕育而生。轻质土工材料将各种工程废弃土、废弃泡 沫塑料和废石膏等废弃物变废为宝，、用于工程建设。因此采用轻质土工材料置换软弱土 层或者作为填土材料，不仅可以减小上部荷载，提高地基的稳定性，降低地基的沉降量， 还可以兼顾环境问题。 由于以上这些明显的优越性，轻质土工材料在国外得到了广泛的应用，并且众多学 者对其物理力学性质已经开展了一些研究工作，而国内在这方面的研究尚处于起步阶段。 但由于轻质土工材料的可变因素较多，力学性质相对复杂，所以到目前为止，关于轻质 土工材料性质的研究还不是很系统、透彻，因此，为了正确地认识轻质土工材料，找出 其内在的力学性质规律，以便更好地将其应用到工程实践中去，对轻质土工材料开展全 面而系统的研究很有必要。 1 2 轻质土工材料简介 1 2 1 轻质土工材料的分类 轻质土工材料一般是指应用于岩土工程中密度小于天然土体的材料。在现有的轻质 土工材料中，绝大多数都是通过人工混合配置而成，所以可以通过原材料的选择和配比 的变化而改变其密度、变形和强度特性，以适应不同工程的需要。 第一章绪论 目前，轻质土工材料的种类较多，可以大致分为以下四大类【l l ： ( 1 ) 化学材料，如聚苯乙烯( e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ，简称e p s ) 和气泡聚氨酯 ( a i r - f o a m e du r e t h a n e ) 等： ( 2 ) e p s 颗粒混合轻质土【2 那，是将原料土、e p s 颗粒、固化材料和水混合搅拌均 匀后，经固化作用形成的一种轻质土工材料； ( 3 ) 气泡混合轻质土( 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 ，简称f l m ) ，是将原 料土、固化材料、气泡( 或泡沫浆) 和水混合搅拌均匀后，经固化作用形成的一种轻质 土工材料； ( 4 ) 废弃材料，如废弃轮胎4 ，5 1 、矿渣、废塑料、废玻璃、粉煤灰 6 1 等。 1 2 2 常用轻质土工材料介绍 在现有的轻质土工材料中，目前应用比较广泛的是e p s 块体、气泡混合轻质土和 e p s 颗粒混合轻质土，下面对这三种轻质土工材料作较为详细的介绍。 ( 1 ) e p s 块体 e p s 块体是由粒状聚苯乙烯发泡制成，通常称为泡沫塑料。密度是e p s 块体的一个 重要指标，其各项力学性能都与它有着密切的关系，研究表明1 7 一，e p s 的密度越大，其 抗压强度越高。实际上，e p s 块体的密度是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 0 k g m 3 ，目前应用较多的e p s 块体的密度一般为1 5 3 0 k g m 3 ，是普通土 体的几十分之一，所以应用e p s 块体对减小土压力的作用十分明显。 e p s 块体的优点【9 ，1o 】突出：相比于一般天然土体，e p s 块体的密度8 1 l d , ，使用e p s 块体作为填土材料可以大大减小上部填筑荷载对下部地基的影响；由于e p s 块体自立 性好，所以在用作挡土结构时，可以减小对结构的水平压力；施工方便，大大节约工 期和人力，并且施工时无振动、无噪音，对环境污染小。 但e p s 块体的缺点也很明显：e p s 块体造价高，应用e p s 处理地基的价格约为 3 5 0y r m 3 ；e p s 可以被汽车燃料( 汽油或煤油) 溶解，然而e p s 块体的主要用途就是 用作公路路基，所以e p s 块体在公路工程应用中要有相应的处理措施1 e p s 在紫外线 ( u v ) 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 不允许长时间暴露在紫外线中，这给施工增加了难度； e p s 的密度太小，在地下 水位较高的地方，需要考虑水的浮力引起的稳定性问题。由于上述明显的缺点，e p s 块 体在我国还没有得到广泛的应用。 ( 2 ) 气泡混合轻质土 在1 9 世纪8 0 年代末期，日本、荷兰等国家研制出了新型的轻质土工材料，它由气 泡、原料土、固化材料和水拌制而成气，其制作过程如图1 1 所示。气泡混合轻质土的 密度一般在0 5 1 5 c m 3 之间变化【1 1 2 1 ，而且其密度随着气泡混入率的增加而线性降低 1 3 1 。气泡混合轻质土密度较小的原因是由于气泡在浆体中占据了大量的空间，当固化材 料将士颗粒胶结在一起后，轻质土中留有大量的小孔隙，从而使得原料土的密度降低。 2 河海人学博j ：学位论文：动荷载下粘十与e p s 颗粒混合轻质寸：的变形和强度特性试验纠f 究 原料土和水混合物 固化剂 泥浆搅拌 搅拌器 ( 调节含水量) 轻质土 图1 - 1 气泡混合轻质土的制作过程( y a s u h a r ak ，2 0 0 2 ) 气泡混合轻质土的主要优点有：密度较小且可根据工程需要进行调节：强度可 调节。通过固化材料的调节，气泡混合轻质土的静力抗压强度可以在3 0 0 1 0 8 0 k p a 范围 内变化f 1 4 ，15 】；自立性好。由于固化材料的作用，使得气泡混合轻质土在凝固后可以自 立，可用于垂直填土；流动性好。可以采用管道泵送【l l l ，还可以远距离施工和在小的 空间内进行灌注，施工方便效率高；耐久性。与高分子材料相比，其耐久性、耐热能 力强，具有与水泥材料同等的耐久性；隔热性。由于气泡混合轻质土中含有大量的气 泡，所以其具有良好的隔热性能。 但气泡混合轻质土也存在一些很大的缺点：气泡混合轻质土吸水性强，长期浸水 会引起密度增大，另外，施工过程中由于气泡本身的压缩会引起气泡混合轻质土密度的 增大，所以在施工完成后的气泡混合轻质土表面容易产生裂缝【l t j ，对工程产生危害； 气泡混合轻质的制作过程相对复杂，难度大，气泡的性质不易控制。 ( 3 ) e p s 颗粒混合轻质土 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而成。e p s 颗 粒混合轻质土的原料土可以采用砂土、粘土、淤泥等；e p s 颗粒可以采用工厂生产的发 泡聚苯乙烯球粒，也可以将废旧泡沫塑料破碎成颗粒加以利用；固化材料可以采用水泥、 石灰等；水可以是自来水、河水和海水。 e p s 颗粒混合轻质士的密度较小，最小可到o 6 6 k g c m 3 左右l i s l ，从e p s 颗粒混合轻 质土的材料组成可知，这是由于e p s 颗粒置换了等体积的原料土，而e p s 颗粒的密度较 小，从而降低了混合轻质土的密度。 按照施工方法的不同，e p s 颗粒混合轻质土可以分为两类【1 9 1 。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 旄工。其特点是施工方便快速，对于高含水率的淤泥和粘性土特别适用；另外一类是碾 压型e p s 颗粒混合轻质土，这种施工方法是先将原料土、e p s 颗粒、固化材料和水混合 为松散状拌和物，然后用货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，再经过固化形成具有需要强度的整体，这种施工方法的关键是含水率的控制，施工 第一章绪论 相对麻烦，适宜于含水率较低的砂土和粉土。 e p s 颗粒混合轻质土的优点较多，长坂勇二和山田纯男认为e p s 颗粒混合轻质 土是一种既保持了土的一些基本性质又具有轻量性的土工材料。e p s 颗粒混合轻质土的 主要特点有：密度较小，且可通过调节e p s 颗粒的掺入比束改变e p s 颗粒的密度大小 以满足工程的需要；强度可调节。通过固化材料的调节，e p s 颗粒混合轻质土的无侧 限抗压强度可以在0 1 0 0 0 k p a 范围内变化2 2 i ；压缩模量大。和普通均质土体相比， e p s 颗粒混合轻质土的压缩模量大，对减小沉降量有利。以砂土为原料土的e p s 颗粒混 合轻质土的压缩模量可以控制在2 啦9 0 m p a 范围内【2 3 1 。流动性好。通过调节含水量， e p s 颗粒混合轻质土可具有良好的流动性，可采用管道泵送】，还可以远距离施工和在 小的空间内进行灌注，施工方便、效率高；自立性好。由于固化材料的作用，使得e p s 颗粒混合轻质土在凝固后可以自立，可用于垂直填土；快硬性好。一般使用水泥作为 固化材料，e p s 颗粒混合轻质土在浇筑后开始固化，逐渐可以自立，养护一个月后即可 使用，可大大缩短工期【冽；耐久性。e p s 颗粒混合轻质土的耐久性、耐热能力强，具 有与水泥材料同等的耐久性；隔热性。由于e p s 颗粒混合轻质土中含有大量的e p s 颗粒，所以其具有良好的隔热性能。隔振性。具有较好的隔振作用l l j ；环保性强。 可以利用工程废弃土和废弃泡沫塑料，变废为宝，有利于环保。 1 3e p s 颗粒混合轻质土的应用 通过上述关于e p s 块体、气泡混合轻质土和e p s 颗粒混合轻质土的特点分析可知， 相比于e p s 块体和气泡混合轻质土，e p s 颗粒混合轻质土的优点突出，无明显缺点，在 岩土工程领域具有广泛的应用前景。下面将较详细地介绍e p s 颗粒混合轻质土在岩土工 程领域的应用情况。 1 3 1e p s 颗粒混合轻质土的主要应用范围。 针对e p s 颗粒混合轻质土的优点，其在岩土工程中的应用主要在以下几方面： ( 1 ) 减小软弱地基的总沉降量和差异沉降量1 1 , 2 5 , 2 6 】 针对软弱地基承载力不足、变形大的缺点，可以利用e p s 颗粒混合轻质土密度小的 优点，采用e p s 颗粒混合轻质土置换软弱土层，减小上部荷载，降低地基中的应力水平， 提高地基的稳定性，减小沉降量。图1 - 2 为e p s 颗粒混合轻质土置换公路软弱土层地的 示意图。 高速公路桥头跳车是道路桥梁工程中经常遇到的问题，也是一个世界性的难题。其 产生的主要原因是桥台处地基软弱，压缩性大，而台后填土高，且天然土的重度较大， 这使得刚性桥台与柔性台后填土的差异沉降较大，造成桥头跳车。这种情况下采用e p s 颗粒混合轻质土置换软弱土层或者采用e p s 颗粒混合轻质土为台后填土材料，可以减小 刚性桥台与柔性台后填土的差异沉降，并且还可以减小台后填土对桥墩的侧向压力。图 1 3 是采用e p s 颗粒混合轻质土置换软弱土层或者作为台后填土材料的大致示意图。 4 i i 海人学博i 学位论文：动荷载下拈七e p s 颗粒混合轻质十的变形和强度特性试验研究 图l - 2e p s 颗粒混合轻质土置换公路软弱土层 图1 - 31 e p s 颗粒混合轻质土应用于桥台后填土 ( 2 ) 减小侧向土压力1 1 , 2 5 1 因e p s 颗粒混合轻质土的重度小，自立性好，所以经常应用于挡土墙、码头的隔墙 以及桥墩等背面的填土，如图1 - 4 所示。 圈1 - 4e p s 颗粒混合轻质土用作挡土墙背后填土 ( 3 ) 管道填埋【l 2 0 , 2 5 l 在天然气管道、自来水管道、输油管道等地下管道铺设完成后，需要进行土料回填， 然而由于管道的圆形结构特点，在回填土料时存在不能压实填密的问题。此时，可以利 用e p s 颗粒混合轻质土流动性好、重度小的特点进行土料回填，这样既不需要压实，还 可以有效降低管道所承受的上部压力。图1 5 为e p s 颗粒混合轻质土用作管道回填材料 的示意图。 第一章绪论 图1 - 5e p s 颗粒混合轻质土应用于管道回填材料图1 - 6e p s 颗粒混合轻质土应用于陡坡施工 ( 4 ) 陡坡施工i l j 在陡峭的山坡上施工时经常遇到如下两类问题：一类是由于山坡较陡，回填普通填 土材料时不易自立，施工难度大；另一类是考虑到普通填土材料的重度大，山坡稳定性 得不到保障，容易引起滑坡。针对这些问题，可以利用e p s 颗粒混合轻质土重度小、自 立性好的特点，采用e p s 颗粒混合轻质土作为填土材料，如图1 6 所示。 ( 5 ) 公路拓宽填土施：e 2 5 , 2 7 , 捌 在公路拓宽过程中，很可能存在用地紧张，不能放坡，工期紧等问题。采用e p s 颗 粒混合轻质土作为填土材料，因其自立性好，所以无需放坡或者坡度可以比较大；利用 e p s 颗粒混合轻质土重度小的特点，可以减小对老路基和临近建筑物的影响；利用e p s 颗粒混合轻质土快硬性的特点，可以大大缩短工期。图1 7 为e p s 颗粒混合轻质土应用 于公路拓宽工程的示意图。 图1 - 7e p s 颗粒混合轻质土应用于公路拓宽工程 ( 6 ) 公路减振l l 】 人口密度大的城市和国家，交通车辆引起的振动已经成为一个重要的环境问题，越 来越受到人们的重视。e p s 颗粒混合轻质土因其具有较好的隔振效果，所以在公路减振 方面也得到了一定的运用。 ( 7 ) 人造漂浮景观【2 9 】 6 河海人学博j 。学位论文：动荷载下枯七与e p s 颗粒混合轻质_ = 的变形和强度特性试验研究 利用e p s 颗粒轻质土的密度可以小于1 o g c m 3 的特点，可以在湖面上制造漂浮景观。 1 3 2e p s 颗粒混合轻质土的应用现状 e p s 颗粒混合轻质土在日本得到了广泛的应用，相关技术处于国际领先地位。1 9 8 8 年，日本神户首次采用e p s 颗粒混合轻质土减小桥台背后的土压力，修复岸壁并获得了 成功。1 9 8 9 年，日本奇玉县久喜市采用e p s 颗粒混合轻质土对长为3 5 9 3 m 的下水管道 进行填埋，旌工后的监测结果显示，轻质土的压缩量只有4 m m ，是其厚度的o 5 ，满 足工程设计要求【2 q2 1 1 1 9 9 0 年，日本茨城县古河市，需要对某挡土墙背面填土，采用现 场就地取土为原料土的方法制成e p s 颗粒混合轻质土进行全面处理，施工总量达到 2 6 0 0 m 3 ，施工过程中不仅避免了产生过大的土压力，而且e p s 颗粒混合轻质土的密度也 达到了预先设计密度，施工基本上是成功的1 2 “。1 9 9 5 年在日本佐贺县鹿岛市的有明海海 堤建设中，由于现场堆积着很厚的软弱有明粘土，若采用普通天然土作为海岸堤防填土， 不能确保海岸的稳定性，因此采用e p s 颗粒混合轻质土作为填土材料，从而减小了地基 的上部荷载，确保了岸堤稳定。施工过程中，原料土采用现场挖掘堆积的有明粘土，轻 质填料为e p s 球粒，使用原位搅拌的方式进行混合，结果表明，虽然采用软弱粘土进行 现场搅拌，但却可以制造出性质稳定的e p s 颗粒混合轻质土，其无侧限抗压强度满足设 计强度，经过施工后的现场观测，岸堤变形稳定，表面没有裂纹出现【3 0 1 。直到2 0 0 0 年， 日本首次采用现场制作e p s 颗粒混合轻质土，现场旋工，结果e p s 颗粒混合轻质土的密 度和强度都达到了设计要求【3 1 2 1 。从1 9 8 8 年第一次在实际工程中得到应用以来，日本 的e p s 颗粒混合轻质土施工总量已经超过了4 x1 0 4 m 3 1 3 3 1 。 我国应用e p s 颗粒混合轻质土的工程相对较少，尚处起步阶段。2 0 0 4 年，在新安江 电厂8 8 - 7 0 开关站道路建设工程中，为了解决边坡稳定性问题，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程，目前运营状况良好刚。 从e p s 颗粒混合轻质土的特点