（岩土工程专业论文）eps颗粒混合轻质土（lses）与砂土的动力特性对比试验研究.pdf

摘要 摘要 混合轻质士是自2 0 世纪8 0 年代日本等国研究发展起来的一种新型土工材 料，具有轻质、强度和密度可调节性强、流动性好、自立性强、施工简便、环保 和价格低等众多优点，在国内外软弱地基的处理、边坡工程填土、桥台填土解决 桥头跳车问题、管道回填土、道路拓宽等工程中已经有了广泛的应用。砂土与 e p s 颗粒混合轻质土( l s e s ) 是混合轻质土的一种，本文对l s e s 和其原料砂 土进行了动力特性对比试验研究，主要进行的工作与得到的结论如下： ( 1 ) 对试验仪器、试验原料与配比作了简单介绍，详细阐述了砂土与l s e s 之间可比性的建立干密度控制原则，对制样过程与试验过程进行了详细的介 绍。 ( 2 ) 针对试验数据初始阶段不合理的情况，提出了起始点的处理方法；通 过塑性变形修正，分析了适用于l s e s 的动弹性模量与等效阻尼比的求取方法。 ( 3 ) 通过对处理得到的动应力一动应变关系曲线、动弹性模量曲线、等效 阻尼比曲线的分析，将l s e s 和砂土的动力变形特性作了全面的对比研究，结论 表明： l s e s 与纯砂的动弹性模量具有同样的随应变的增大而减小的性质： l s e s 的动弹模普遍高于纯砂的动弹模，在水泥掺入比较低且e p s 颗粒体积含量 较高时，l s e s 的动弹模与纯砂的相接近，随着水泥掺入比的增大和e p s 颗粒体 积含量的减少，l s e s 的动弹模与纯砂相比越来越大；l s e s 与纯砂均显示出动 弹模随围压的增大而增大的特性，围压对l s e s 动弹模的影响与纯砂相比相对较 大。 l s e s 与纯砂的等效阻尼比在整体上具有同样的随应变的增大而增大的 性质。水泥掺入比较低时，l s e s 的等效阻尼比与纯砂相近，随着水泥掺入比的 增大，l s e s 的等效阻尼比降低，均低于纯砂的等效阻尼比；l s e s 与纯砂均显 示出等效阻尼比随围压的增大而减小的特性，围压对l s e s 与纯砂等效阻尼比的 影响程度相近。 ( 4 ) 对不同e p s 颗粒体积含量和水泥掺入比的l s e s 与砂土在不同围压下 进行了动力强度特性对比试验研究，结论表明： 摘要 l s e s 与纯砂均存在随着动荷载的增大，达到破坏的振动周数逐渐减小 的规律。当水泥掺入比较低且e p s 颗粒体积含量较高时，l s e s 与纯砂的动强度 相近，随着水泥掺入比的增高和e p s 颗粒体积含量的减少，l s e s 与纯砂相比动 强度越来越大。 l s e s 与纯砂均具有动强度随着围压的升高而增大的性质。不同围压下， l s e s 的动强度均大于纯砂。纯砂与l s e s 动强度的差距随着围压的增大而减小。 关键词：砂土与e p s 颗粒混合轻质土；砂土；动力强度；动力变形；对比试验 研究 a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h t w e i g h ts o i li sak i n do fn e ws o i le n g i n e e r i n gm a t e r i a l s i ti si n v e n t e da n d d e v e l o p e db yj a p a nf r o m 1 9 8 0 s i th a sm a n ym e r i t ss u c ha s l i g h t n e s s ，g r e a t c h a n g e a b i l i t i e so fs t r e n g t h a n d d e n s i t y , f l u i d i t y , s e l f - s u p p o r t , s i m p l e n e s s o f c o n s t r u c t i o n , p r o t e c t i o no fe n v i r o n m e n t ，c h e a p n e s s i th a sb e e nw i l d l ya p p l i e di n m a n ye n g i n e e r i n ga th o m ea n da b r o a d ，s u c ha ss o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n t , s l o p ef i l l ， s o l v eo fv e h i c l ej u m pp h e n o m e n aa tb r i d g eh e a d , b a c k f i l lo fp i p e l i n e s ，h i g h w a y b r o a d e n i n g , a n ds oo n l i g h t w e i g h ts a n d - e p sb e a d ss o i l ( l s e s ) i sak i n d o f l i g h t w e i g h ts o i l i nt h i se s s a y , c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho nd y n a m i c b e h a v i o r so fl i g h t w e i g h ts a n d e p sb e a d ss o i lw i t hs a n di st a k e n m a j o rw o r ki sa s f o l l o w s ： ( 1 ) s i m p l ei n t r o d u c t i o n sa r et a k e na b o u tt e s t i n gi n s t n a n e n t , m a t e r i a la n dm i x i n g p r o p o r t i o n t h ee s t a b l i s h m e n to fc o m p a r a b i l i t yi se x p o u n d e di np a r t i c u l a r , t h a ti s p r i n c i p l eo fd r yd e n s i t yc o n t r o l l i n g a l s o ，t h ep r o c e s s e so fs p e c i m e np r e p a r i n ga n d 把s ta r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ( 2 ) t h ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sa r ea d v a n c e dt os o l v et h ei r r a t i o n a l i t yo f o d g i n a dp o i n t s p l a s t i cd e f o r m a t i o nc o r r e c t i o ni sa d v a n c e dt oe v a l u a t et h ed y n a m i c e l a s t i cm o d u l u sa n d e q u i v a l e n td a m p i n gr a t i oo f l s e s ( 3 ) c o m p a r a t i v er e s e a r c ho nd y n a m i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fl s e sw i t hs a n d i st a k e na b o u tt h ec u r v e so f d y n a m i cs t r e s s - d y n a m i cs t r a i n , d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s a n de q u i v a l e n td a m p i n gr a t i o e x p e r i m e n tr e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a t ： 历( d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s ) o fl s e sa n ds a n db o t hd e c r e a s ew i t ht h e i n c 麟eo f s t r a i n e ao f l s e sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n t so f c e m e n ta n de p sb e a d sa r ea l l l a r g e rt h a nt h a to fs a n d e ao fl s e si ss i m i l a rt os a n dw i t hl o wc o n t e n t so fc e m e n t a n dh i g hc o n t e n t so f e p sb e a d s ，a n dw i l lb el a r g e rw i t hh i g h e rc o n t e n t so fc e m e n ta n d l o w e rc o n t e n t so fe p sb e a d s 历o fl s e sa n ds a n db o t l li n c r e a s ew 油( c o n f i n i n g p r e s s u r e ) ，b u tt h ei n f l u e n c eo f t ol s e si sm o r en o t a b l e d ( e q u i v a l e n td a m p i n gr a t i o ) o fl s e sa n ds a n db e t hi n c r e a s ew i t hs t r a i n d o fl s e sa p p r o x i m a t e st ot h a to fs a n dw h e nc o n t e n to fc e m a n ti sl o w , a n di ss m a l l e r n l a b s t r a c t w i t hh i g h e rc o n t e n t do fl s e sa n ds a n db o t hd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fd r c , a n d t h ei n f l u e n c eo f o ct odi ss i m i l a r ( 4 ) c o m p a r a t i v er e s e a r c ho nd y n a m i cs t r e n g t hb e h a v i o r so fl s e sw i t hs a n di s t a k e nu n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e s ，a n dd i f f e r e n tm i x i n gp r o p o r t i o n so fl s e s a r ec o n s i d e r e d e x p e r i m e n tr e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a t ： t h ef a i l u r ec y c l en u m b e r so fl s e sa n ds a n db o t hd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e o fd y n a m i cs t r e s s t h ed y n a m i cs t r e n g t ho fs a n di ss i m i l a rt ot h a to fl s e sw i t hl o w c o n t e n to fc e m e n ta n dh i g hc o n t e n to fe p sb e a d s ，a n dc o m p a r e dw i t hs a n d , t h e d y n a m i cs t r e n g t ho f l s e sw i l lb es t r o n g e rw i t hl o w e rc o n t e n to f e p sb e a d so rh i g h e r c o n t e n to f c e m e n t , a n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e mw i l li n c r e a s e t h ed y n a m i cs t r e n g t h so fl s e sa n ds a n db o t hi n c r e a s ew i t hc o l l f i n i n g p r e s s u r e t h ed y n a m i cs 仃e n g t ho fs a n di sw e a k e rt h a nt h a to fl s e sl l n d e rd i f f e r e n t c o n f i n i n gp r e s s u r e s ，a n dt h ed i f f e r e n c e sb c t w e f f nt h e mw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e o f c o n f i n i n gp r e s s u r e 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 ；s a n d ；d y n a m i cs t r e n g t h ；d y n a m i c d e f o r m a t i o n ；c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tr e s e a r c h l v 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 年弓脚 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) ： 、 西净乡慨日 河海大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 1 1 1 概述 在岩土工程领域，岩土体的强度与变形是最受关注的两大问题，岩土工程的 所有理论与方法均围绕着分析与解决强度与变形的问题而展开。从整体上看，解 决强度与变形问题的方法可以分为两类，一类是提高岩土体的强度与抗变形能 力，这类方法比较普遍，以边坡工程中的锚固、地基工程中的桩基与其他各种地 基加固方法、基坑工程中的各种形式的支护等为代表；另一类是减少岩土体所受 荷载，这种方法以边坡工程中的减小边坡坡度、路基工程中的轻质路堤等为代表。 混合轻质土是自2 0 世纪8 0 年代日本等国研究发展起来的一种新型的土工材 料【，由原料土、固化剂、水和轻质材料混合，经搅拌均匀后，压实养护而成。 固化剂的作用是提高了混合物的强度与抗变形能力，属于第一类解决方法；轻质 材料的作用是减小了混合物的重量，减轻了混合轻质土工程中填土的自重与对下 部地基的荷载，属于第二类解决方法【5 , 6 1 。由此可见，混合轻质土是一种能够有 效处理强度与变形问题的新型土工材料，如图1 1 所示。 解 决 办 法 日固化材料 日轻质材料 图1 - 1 混合轻质土工程意义 混 a 口 轻 质 土 1 1 2 混合轻质土的性质 混合轻质土因其特殊的组成材料与制作方式，使得其具有众多优越的工程性 质。 ( 1 ) 环保 环保性是混合轻质土的一项主要特性。混合轻质土由原料土、固化剂、水和 轻质材料混合而成。其中轻质材料除了可以采用常见的发泡聚苯乙烯( e p s ) 颗 粒或发泡剂之外，还可以通过将废弃泡沫塑料1 7 1 和废弃轮胎 8 1 等打碎加工成球状 载 与力 荷 度能 受 强形 所 高变 小 提抗 减 ，、 两大河题 、l， 度 形 强 变 第一章绪论 或片状颗粒加以利用；原料土除了可以采用砂土与粘土之外，还可取用疏浚淤泥 【9 】、工程废弃土等。以上方法均可达到废物利用、减少污染的环保效果。 ( 2 ) 轻质 轻质材料的添加使得混合土的密度与原料土相比明显降低，减小了自重和对 下部地基的荷载。 ( 3 ) 强度高 固化剂的存在使得混合轻质土具有了与水泥土相类似的强度的提高。 ( 4 ) 可塑性强 由于固化剂的添加，使得混合轻质土可以随环境与应用需要，以任意外观形 状硬化成型。 ( 5 ) 密度与强度可调节性强 根据具体工程要求，通过改变轻质材料含量可以灵活调节混合轻质土的密 度，通过改变固化剂的掺入比可以方便调节混合轻质土的强度5 一。 ( 6 ) 隔热 因轻质材料( 气泡或e p s ) 一般具有良好的隔热保温性能，故以其为原材料 制作的混合轻质土亦具有优越的防冻胀性，适合在寒区的相关工程中使用【i o l 。 1 1 3 混合轻质土的分类 根据原料土的不同，可以将混合轻质土分为砂土与轻质材料混合轻质土、粘 土与轻质材料混合轻质土、疏浚淤泥与轻质材料混合轻质土和工程废弃土与轻质 材料混合轻质土等。 根据轻质材料的不同，可以将混合轻质土分为原料土与e p s 颗粒混合轻质 土、原料土与气泡混合轻质土、原料土与橡胶颗粒混合轻质土等等。其中，根据 e p s 颗粒的形状不同，原料土与e p s 颗粒混合轻质土又可分为球粒e p s 混合轻 质土、碎粒e p s 混合轻质土、片状e p s 混合轻质土。 分类情况可由下图表示： 2 河海大学硕士学位论文 图1 - 2 混合轻质土的分类 1 i 4 混合轻质土的工程应用 混合轻质土由于具有上述众多优越的工程性质，所以在工程中得到了广泛的 应用，主要体现在管道回填工程、桥头跳车问题的处理、路面加宽工程、路堤工 程、边坡填土工程等，如图l - 3 所示。 平填轻质土 c = = = = = = = = = = = ； ( a ) 管道回填 桥 眵屦 l i l 软基 ( b ) 桥头跳车问题处理 第一章绪论 ( c ) 路面加宽 路面 支撑撞 。：。轻质土一： 、 终广一、烬 ( d ) 道路路堤 ( e ) 边坡填土 图1 3 混合轻质土的工程应用图例 在以上所述轻质土工程中，以e p s 颗粒混合轻质土与气泡混合轻质土的应 用最为广泛。下文详细说明这两种混合轻质土在国内外的应用情况。 1 1 4 1e p s 颗粒混合轻质土的应用 e p s 颗粒混合轻质土的应用起始于日本。1 9 8 8 年，日本神户首次将e p s 颗 粒混合轻质士用于修复岸壁，显著了减小桥台背面土压力。自此，e p s 颗粒混合 轻质土在工程中不断得到应用，至1 9 9 4 年，累积达到1 7 项工程翻。其中，具有 代表性的是1 9 8 9 年日本奇玉县久喜市，将e p s 颗粒混合轻质土作为下水管道填 埋土，施工完成后的观测显示，e p s 颗粒混合轻质土的沉降量仅仅为4 m m ( 厚 度的o 5 ) ，取得了很好的控制沉降的效果f l 】。此外，1 9 9 0 年，日本茨城县古河 以e p s 碎片与现场土为原料制作e p s 颗粒混合轻质土作为挡土墙背面填土，总 施工量达到2 6 0 0 m 3 1 3 1 。1 9 9 5 年，日本佐贺县鹿岛市将现场粘土与e p s 球粒混合 作为海岸堤防填土，结果显示此种e p s 颗粒混合轻质土强度与变形性质均满足 要求。同年青森县八户市将e p s 颗粒混合轻质土填筑于桥头引桥路面至桥墩之 4 河海大学硕士学位论文 间用于解决桥头跳车问题，填土完成后经受住了两次地震的考验。 国内2 0 0 4 年河海大学朱伟教授在新安江电厂7 0 8 8 开关站道路工程中，用 废弃泡沫塑料制作的e p s 颗粒混合轻质土置换了边坡土体，有效解决了边坡稳 定问题t “j 。 1 i 4 2 气泡混合轻质土的应用 气泡混合轻质土的应用最早出现在美国，1 9 8 5 年在波士顿世界贸易中心的 建设中，使用了7 8 0 0 0 立方米气泡混合轻质土进行了地基处理【1 2 1 。日本在1 9 8 6 年的东北公路八户线一户区，用气泡混合轻质土作为道路填土以减轻荷重，从而 对道路滑坡进行了有效治理1 1 2 ：3 1 。此后，1 9 8 8 年美国华盛顿西雅图市在城市下 水管道的扩建中应用气泡混合轻质土作为管道回填土，获得年度华盛顿顾问工程 师委员会发起的最高工程设计奖【1 4 1 。同年，英国伦敦d o r kl a n d 地区浇注了 2 7 0 0 0 m 3 的气泡混合轻质土作为道路路基，减小了地基的上部荷载，有效控制了 路面沉降，且与桩基相比大大节约了工程造价【1 5 1 。日本也于这一年将气泡混合轻 质土应用到了东名高速公路和京叶高速公路的拓宽工程中，成功控制了新老路面 的差异沉降【2 】。1 9 9 6 年，日本将气泡混合轻质土应用在国道l 号梅田管道沟工程 中，作为隧道的周围填土，减小了对构造物的侧向压力峋。同年，日本将气泡混 合轻质土和e p s 颗粒混合轻质土共同用作东京国际机场工程中挡墙的背后填土。 国内2 0 0 4 年在3 0 1 国道牙海线上将气泡混合轻质土用作道路地基，体现了 比较好的隔热保温、防冻胀的性能【1 6 1 。 由以上叙述可知，混合轻质土具有诸多良好的工程特性，已经在众多岩土工 程中得到了应用，是一种能够有效解决岩土工程中强度与变形问题的新型土工材 料。随着混合轻质土得到越来越广泛的应用，对其性质的研究也就越来越必要， 越来越深入，下文将详细叙述混合轻质土的研究现状。 1 2 混合轻质土的研究现状 由于e p s 颗粒混合轻质土与气泡混合轻质土的应用最为广泛，所以对它们 的研究也相对比较充分。 1 2 1e p s 颗粒混合轻质土研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 第一章绪论 最初的研究开始于1 9 8 9 年，山田纯男【l j 等研究了以砂土为原料土、e p s 颗粒 为轻质材料的混合轻质土的基本力学特性。试验表明：混合轻质土的压缩指数受 e p s 颗粒体积含量的影响最大；c b r i 直( 承载比) 随水泥添加量在5 1 0 范围 内变化；透水性则主要受原料土的影响，随e p s 颗粒粒径的增加透水性也增大； e p s 颗粒球形的轻量化效果好于碎片状的，但强度稍差。日本曾集合北海道开发 局开发土木研究所等全国2 0 个部门对e p s 颗粒混合轻质土与气泡混合轻质土的 力学特性进行研究。对e p s 颗粒混合轻质土的研究显示其在高围压下应力一应变 关系曲线为硬化型，体变有减缩现象。随着围压的降低，应力一应变关系曲线向 应变软化型转化，在小应变下，体变减缩，随应变增大，逐渐变为剪涨【”l 。日本 学者对e p s 颗粒混合轻质土在水压作用下的力学性质做了特别研究【1 8 ，1 9 1 。研究表 明：在水压的作用下，e p s 颗粒收缩，混合轻质土内部结构发生变化，抗压强度 降低。长濑公一对采用废聚苯乙烯碎片和建设废土制成的混合轻质土进行了工程 应用研究，现场制作的混合轻质土密度为1 0 9 c m 3 。强度达到2 0 0 3 0 0 k p a ，满足 工程应用要求1 2 0 】。 ( 2 ) 国内研究现状 马时冬1 7 1 在2 0 0 1 年研究了以砂土为原料土的e p s 颗粒混合轻质土的基本静 力性质，e p s 颗粒分别采用球粒、碎粒和片状。研究发现，加球粒、碎粒的e p s 混合轻质土密度在1 0 9 c m 3 左右，具有轻质、高强性，能满足工程需要。e p s 球 粒混合轻质土的性能最好。2 0 0 3 【2 1 】年又研究了聚苯乙烯混合轻质路堤稳定性和沉 降。顾欢达在2 0 0 3 年研究了发泡颗粒轻质土材料的基本性质 2 2 1 ，2 0 0 5 年又对发 泡颗粒轻质土材料的吸水性瞄1 和干湿循环作用下发泡颗粒轻质土的稳定性作了 研究1 2 4 。董金梅【2 5 - 3 0 在2 0 0 4 至2 0 0 6 年对以粘土为原料土的聚苯乙烯轻质混合土 的物理特性、强度与变形特性、渗透特性等进行系统的研究。马殿光【9 1 在2 0 0 5 年进行了以疏浚淤泥为原料土，以废弃泡沫塑料为轻质材料的轻质土的力学特性 研究。姬风玲1 3 t , 3 2 12 0 0 5 年对以淤泥为原料土的e p s 颗粒混合土进行了工程应用 配比、微观结构、强度机理，并在改进椭圆一抛物双屈服面模型的基础上，建立 了淤泥泡沫塑料颗粒轻质混合土的结构性双屈服面本构模型。李明东【3 3 l2 0 0 6 年 研究了e p s 颗粒混合轻质土的施工技术。 6 河海大学硕士学位论文 1 2 2 气泡混合轻质土研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 矢岛阴1 在1 9 9 5 年系统研究了气泡混合轻质土的强度特性，并定量研究了气泡 掺入量对气泡混合轻质土力学性质的影响。瓦川善三等【3 习在2 0 0 0 年通过无侧限抗 压强度试验研究了掺入粉煤灰对气泡混合轻质土强度的影响，试验结果表明，粉 煤灰的掺入有助于提高气泡混合轻质士的强度。上文所述日本2 0 个部门对轻质土 所做试验研究中关于气泡混合轻质土的c d 试验结论为：气泡与砂土混合轻质土 的应力一应变关系曲线存在峰值强度，破坏后具有较大残余强度；对于气泡与粘 土混合轻质土，随着围压的减小，其应力一应交关系曲线有硬化型向软化型转变。 安原一哉、金泽浩明、山崎、颔久保等 3 6 - 3 9 分别对在空气、河水、海水中以不同 时间养护的气泡混合轻质土的力学性质作了试验研究，得出结论认为气泡混合轻 质土的力学性质主要与其内部结晶物有关。安原一哉f 帅】进而通过显微镜、x 射线 衍射和c t 扫描对气泡混合轻质土内部结构进行研究，研究表明，在龄期较短时， 空气、河水、海水三种养护方式的气泡混合轻质土强度差别不大，较长龄期下， 海水中养护的气泡混合轻质土强度最大，空气中养护的最小，并从微观上对此现 象进行了解释。 ( 2 ) 国内研究现状 张小平等i 4 1 1 对掺入粉煤灰的气泡混合轻质土进行了试验研究，单轴压缩试验 表明其具有多个峰值，即破坏后还有随应变发展应力回升的情况。三轴试验具有 相似的特点，进而指出气泡混合轻质土破坏带上的破坏机制为压碎一压缩逐渐扩 展，孔隙结构被压碎后，破碎颗粒填充相邻的孔隙，在应力作用下被压缩使强度 有所提高。此外，还对气泡混合轻质土试验研究的均匀设计方法及配方优化作了 探讨1 4 2 。李琪等h 3 1 研究了不同龄期和围压下气泡混合轻质土的强度与渗透特性。 顾欢达等脚1 对气泡混合轻质土中气泡掺入量对其施工过程中的流动性、分离性等 作了研究，给出了相关制作与旅工建议。2 0 0 1 年朱伟、张志允等h 5 ，4 6 研制了室 内制作气泡混合轻质土的装置，并研究了以砂土为原料土的气泡混合轻质土的基 本力学性质，得出结论：其破坏应变在2 左右，并随密度的增大而线性减小。 1 2 3 混合轻质土动力特性研究现状 在混合轻质土工程中，不可避免会遇到交通荷载、波浪荷载、地震荷载等动 7 第一章绪论 荷载作用，因此研究混合轻质土在动荷载下的力学特性也非常必要。在混合轻质 土动力特性研究方面也是日本研究比较充分，1 9 8 9 年山内丰骆，浜田英治m 对 气泡混合轻质土在5 h z 的频率下进行循环单轴压缩试验，结果显示，在较小动 荷载( 7 0 k p a ) 下，加载周数达到1 0 6 次试样仍然完好，动应变变化很小；在较 大动荷载( 1 5 0 k p a ) 下，加载周数达到2 0 0 时动应变便会剧增。1 9 9 4 年森筢行、 佐藤常雄、桑原正彦等 4 s 1 通过对气泡混合轻质土在1 h z 的频率下的试验也得出 相似结论。森千田士村 4 9 1 、今井7 多少二内山掣5 0 通过对e p s 颗粒轻质土的 研究得出相似结论：如果对e p s 颗粒混合轻质土施加的动荷载小于单轴抗压强度 的一半，则循环荷载达到1 0 6 时其仍不发生破坏。1 9 9 6 年溻怡新，奥村树郎，石 毂和宏等【5 1 】对e p s 颗粒混合轻质土在1 h z 的正弦荷载下进行循环单轴压缩试验， 试验表明当最大轴差应力在单轴抗压强度的6 0 时，动荷载施加1 0 6 1 0 7 次后 动应变仍小于1 o 。1 9 9 6 年，横田圣哉、三鸠信雄【5 2 】通过研究发现气泡混合轻 质土在反复冻融条件下，动强度不会降低，有很好的耐久性。2 0 0 1 年，规矩大 峨，安原一哉【5 3 1 通过对e p s 颗粒混合轻质土受地震荷载作用时特性的研究发现其 具有良好的抗震性能。2 0 0 2 年k u n i om i n e g i s h i 等 5 4 1 将e p s 颗粒混合轻质土与水 泥固化土在动荷载下进行比较试验，试验表明：e p s 颗粒混合轻质土与水泥固化 土具有相近的强度；e p s 颗粒混合轻质土具软化特性，且随着动荷载的增大而增 强，随围压的增大而减弱。同年，k a z u y a y a s u h a r a d 掣5 5 】研究了混合轻质土在交 通荷载下的力学性质。国内2 0 0 6 年河海大学俞峰研究了砂土与e p s 颗粒混合轻 质土( l s e s ) 在低围压下的动力变形特性i s 6 1 ，2 0 0 6 年河海大学王庶懋研究了砂 土与e p s 颗粒混合轻质土( l s e s ) 的破坏机理及动本构模型。 1 3 本文研究内容 本文选取砂土为原料土、e p s 颗粒为轻质材料制作砂土与e p s 颗粒混合轻 质土( l s e s ) 。由上文叙述可知，l s e s 的基本动力特性已经得到了研究，在实 际工程中，l s e s 与其原料砂土的取舍是必须面对的问题，而两者之间动力特性 的对比没有见到相关研究。本文就通过动力对比试验，从动力角度将l s e s 与其 原料砂土进行系统的对比研究，具体工作如下： ( 1 ) 在l s e s 与纯砂样干密度保持一致的原则下进行不同e p s 颗粒体积含 量与不同水泥掺入比的l s e s 配比设计，并按配比制作l s e s 试样。 8 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 对不同配比的l s e s 与纯砂样在不同围压下进行动三轴试验。 ( 3 ) 针对l s e s 的动应力一动应变关系曲线的特点，分析适用于l s e s 的 动三轴试验数据处理方法。 ( 4 ) 对不同e p s 颗粒体积含量与不同水泥掺入比的l s e s 和纯砂样在不同 围压下的动力变形特性进行对比研究，分析两者动弹性模量与等效阻尼比的关 系。 ( 5 ) 对不同e p s 颗粒体积含量与不同水泥掺入比的l s e s 和纯砂样在不同 围压下的动力强度特性进行对比研究，分析两者动剪应力一破坏周数关系曲线与 动强度指标之问的关系。 9 河海大学硕士学位论文 第二章试验基本情况介绍 在对比试验研究中，试验的设计与开展是前提。本章首先对动三轴试验的仪 器加以介绍，其次简单介绍试验原料与配比，接着详细阐述可比性的建立干 密度控制原则，最后对制样过程与试验过程加以详细介绍。 2 1 试验仪器介绍 本试验主要在河海大学与日本圆井株式会社共同研制的多功能全自动三轴 仪上完成。试验仪器主要构成如图2 1 所示： 图2 1 多功能全自动三轴仪 该多功能三轴仪主要由以下六个部分组成 5 7 , 5 s l ： 计算机控制部分 该部分由计算机和试验软件构成，是试验的控制中枢，可以对试验参数、试 验过程、数据采集进行全面的控制，此外，试验过程中采集到的数据信息也可通 过数据和图表的形式得到相应的显示。 伺服控制单元 第二章试验基本情况介绍 该部分通过数模转换将计算机发出的数字信号转换成为模拟信号，实现对各 加载设备的控制。同时，通过由传感器反馈的测量值与目标值的对比，实现加载 部分的伺服控制。 量测单元 该部分通过传感器量测试验过程中的相关数值，并通过模数转换将传感器接 收到的模拟信号转变为数字信号显示。 压力及加载系统 该部分由油压泵、空气压缩机和伺服电机组成。对试样施加的内外侧压力及 反压由空气压缩机产生的气压施加，轴压与扭矩由油泵和伺服电机施加， 压力室 该部分用于承装试样，并形成密闭环境以便对试样施加围压。装有各种荷载 与变形传感器以便对试验的全过程进行数据采集与控制。 附属部分 包括真空泵、冷却塔、无气水制备器、不间断电源等设备。 此试验设备可以进行常规静、动三轴试验，静应力路径控制试验，静动扭剪 试验，双向循环加载耦合试验，任意地震波模拟输入试验。可实现应力控制与应 变控制，并可以在试验过程中实现控制方式的切换。该试验设备具有试验参数可 变区间大的特点，对于静三轴试验，最大轴向荷载达3 0 0 0 0 n ，应力控制时的轴向 荷载变化率范围为9 8 n m i n - - 1 9 6 n r a i n ，应变控制时的轴向变形变化率范围为 0 0 0 2 r a m r a i n - - 2 r a m r a i n ；对于动三轴试验，最大轴向动荷载为1 0 0 0 0 n ，动荷载 的频率范围为0 0 1 5 h z ，基本涵盖了常见动荷载的频率，最大围压为l m p a ，最 大反压为0 6 m p a ，动荷载最大连续加载周数为9 9 9 周5 7 ，5 8 1 。 2 2 试样制备 2 2 1 原料介绍 为制备砂土与e p s 颗粒混合轻质土( l s e s ) ，试验所用原料主要为砂土、水 泥、聚苯乙烯( e p s ) 颗粒和水。 砂土取用南京本地洁净砂，将直径大于2 m m 的砂颗粒剔除，测得砂颗粒平 河海大学硕士学位论文 均密度为2 7 1 0 9 c m 3 ，各粒组含量和级配曲线分别如表2 - 1 和图2 - 2 所示。 表2 - 1 原料砂土的粒组含量 i粒径( 姗) 2l0 50 2 50 0 7 5 i 小于该粒径的颗粒含量( ) l o o9 1 6 3 45 7 8 6 21 8 6 0 90 7 3 3 、 、 、 l 、 气 1 01d - l0 d 】 粒直径( n ) 图2 - 2 原料砂土的级配曲线 水泥用标号为3 2 。的南京产雨花牌普通硅酸盐水泥。所用e p s 颗粒为南京 友邦泡沫塑料有限公司所产球形发泡e p s 颗粒，颗粒密度为o 0 2 7 0 9 c m 3 ，堆积 密度为d 0 1 3 2 9 c m 3 ，平均粒径为2 m m 。水取用普通自来水。 2 2 。2 配比介绍 e p s 颗粒与水泥的存在是l s e s 区别于普通砂土的主要因素，在l s e s 与砂 土的对比试验中，势必要将e p s 颗粒含量和水泥掺入比作为变量，分析不同e p s 颗粒含量和水泥掺入比的l s e s 与砂土的动力特性之间的关系。 e p s 颗粒含量以试样中的e p s 颗粒体积含量( c 刍) 来量化，即试样中e p s 颗粒的体积( p o ) 占试样总体积( y ) 的百分比。由于l s e s 是由砂与水泥浆的 混合体( 水泥砂浆) 包裹e p s 颗粒而成型，所以如果e p s 颗粒体积含量过高便 会导致水泥砂浆无法将e p s 颗粒全部包裹，试样也无法正常直立成型，故e p s 颗粒体积含量有上限。通过试验发现，e p s 颗粒体积含量的极限约为4 5 。此 时的l s e s 勉强能够成型，但是强度很低，不符合工程应用的需要。在对比试验 帅们加寻加0 第二章试验基本情况介绍 中，将e p s 颗粒体积含量最大值取为4 0 ，并在0 4 0 中均匀选取不同e p s 颗粒体积含量，详见表2 - 2 。 水泥掺入比( ) 指的是l s e s 中水泥质量与干砂质量的比值取百分数。水 泥在l s e s 中起的是固化剂的作用，为保证l s e s 具有足够的强度，因此其含量 不能过低；另一方面，l s e s 是属于混合轻质土的范畴，水泥掺入比也不能过高， 以免强度太大，成为轻质混凝土 s 9 - 6 ”。本文将水泥掺入比的变化区间定为3 1 2 ，并在其中均匀选取不同的值，详见表2 - 2 。 表2 2e p s 颗粒体积含量和水泥掺入比的取值 e p s 颗粒体积含量( g 咖) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 水泥掺入比( 0 3 6 9 1 2 上表2 - 2 中c 矗= o 与= o 仅同时取得，指的是纯砂试样。不出现c 矗 = o 而锄o ( 即胶结砂) 与= o 而c 盔o ( 即纯砂中掺有e p s 颗粒) 的试样。其他e p s 颗粒体积含量( c ) 与水泥掺入比( ) 选取所有不同配比 组合。 在试验过程中将不同配比的试样以不同编号标识，编号方式为：c 赢。例 如，编号9 - - 4 0 表示的是= 9 、c 赢= 4 0 的试样。 2 2 3 干密度控制 2 2 3 1 干密度控制原理 本课题是l s e s 与砂土的动力特性对比试验研究，为了确保l s e s 与砂土具 有可比性，试验采用干密度控制l s e s 的制样，使得在不同水泥掺入比( ) 和 不同e p s 颗粒体积含量( c 刍) 的情况下，砂土的干密度都保持相等，且等于纯 砂样的干密度。下面，将混合轻质土中砂土的于密度定义作简要说明。 砂土与e p s 颗粒混合轻质土( l s e s ) 的体积构成可由下图2 - 3 表示。 1 4 河海大学硕士学位论文 e p s 颗粒 砂 水泥浆 孔隙 、 l 打 图2 - 3 l s e s 体积构成图 由图可知，l s e s 试样总体积( y ) 由e p s 颗粒的体积( ) 、砂的体积( 圪) 、 水泥浆体积( 珞) 和孔隙体积( ) 构成，即： 矿= k p + + 匕+ ( 2 - 1 ) 以v 表示混合轻质- i - d o 除e p s 颗粒以外的体积，则： v = v k p = 圪+ + ( 2 - 2 ) 将l s e s 中砂土的干密度以下式定义： n = 罟- - - _ l s ，( 2 - 3 ) p4 2v | 将式2 - 2 带入可得： 岛2 等2 高矗 q 钔 胪矿2 万幸万 q 削 其中，水泥浆体积是随着水泥掺入比的不同而变化。而对于纯砂样， a w 。0 ，即2 0 ，贝上式变为： 见2 两m s ( 2 - 5 ) 见2 i 万 2 。5 此式即为砂土的干密度定义。由此可见，式2 - 3 对l s e s 干密度的定义是与 砂土干密度定义统一的。 亦可直接将砂土干密度的定义式( 式2 - 5 ) 应用到l s e s 中，该定义方式与 第一种定义方式有所不同：对于第一种定义方式，在某一e p s 颗粒体积含量下， 第二章试验基本情况介绍 不同水泥掺入比时试样中砂的质量是不变的；而对于第二种定义方式，不同配比 试样均对应不同的含砂量。故而本试验采用第一种定义方式，有利于在一定e p s 颗粒体积含量下单独考察水泥掺入比对l s e s 动力特性的影响，以及与砂土的比 较。 2 2 3 2 干密度的确定 在上述干密度控制原理的指导下，需选取一恰当的干密度值。砂的干密度的 选取须满足两个条件：一是纯砂样可以做成；二是不同水泥掺入比的l s e s 试样 都可以做成。 对于第二个条件，由于l s e s 中砂的于密度定义为砂的质量与砂、水泥浆、 孔隙体积和的比值，且在所有l s e s 试样中是一个定值，考虑在同一e p s 颗粒体 积含量下的情况，此时砂、水泥浆与孔隙体积之和被确定，砂的质量与体积可根 据干密度值而确定，故不同水泥掺入比改变的只是水泥浆与孔隙之间的体积分 配。如砂的干密度选取不当，可能造成高水泥掺入比时试样不能制成：考虑极端 情况，若取水泥掺入比为最小值( = 3 ) ，且试样充分击实时的砂干密度作为 控制干密度。此时水泥掺入比最小，水泥浆所占体积最小，又因为试样充分击实， 故孔隙体积也很小。水泥浆与孔隙所提供的体积之和则不足以提供水泥掺入比为 最高值( = 1 2 ) 时水泥浆所需的体积。因此，选取砂干密度采用以下方法。 按照水泥掺入比为最高时的配比制样，制样时充分击实，计算制成试样中砂 的干密度，以此干密度为控制干密度。充分击实的原因是，使最高水泥掺入比时 l s e s 中砂的干密度尽可能大，确保纯砂样能够制成。按照以上方法确定的干密 度，在低水泥掺入比时，孔隙体积增大，水泥浆体积减小，所有配比的试样均可 制成。 按照以上方法，通过试验确定砂的控制干密度为1 6 7 9 c m 3 ，以此干密度制 纯砂样，正好可通过轻度压实制样。 在制样时，均以此干密度计算出不同配比试样所需原料质量，实现所有l s e s 试样与纯砂样的可比性。 1 6 河海大学硕士学位论文 2 2 3 3 不同配比的原料质量与试样密度 根据干密度控制原则和上述选取的干密度值( 几= 1 6 7 9 c m 3 ) ，算得