（岩土工程专业论文）eps轻质材料力学特性及工程应用试验研究.pdf

_ ，： j h 摘要 本文对e p s 轻质材料的物理性质和适用范围进行了综述，通过压缩试验和三 轴试验对e p s 轻质材料的力学性能进行了研究。文中就e p s 材料的应力与应变基 本关系、不同密度下e p s 材料的应力与应变关系、侧限与无侧限条件下e p s 材料 的应力与应变关系、侧限与无侧限条件下不同密度e p s 材料的应力与应变关系、 e p s 材料的蠕变性能关系及不同密度下e p s 材料的蠕变性能关系进行了对比分析。 利用加荷一减荷试验，研究了e p s 材料在重复荷载作用下的变形力学特性；通过 三轴试验，分析了( 0 。一0 。) 。和e 。e 。及( o 。一o 。) ，的关系。利用 甘肃兰一海高速公路特高填路堤下的涵洞实体工程，通过现场埋设e p s 轻质材料 板研究其在工程实际中的变形特性，通过研究不同厚度的e p s 板在工程应用中的 减荷性状，分析总结经济便捷的施工设计方法。研究成果对特高填路堤下涵洞结 构的合理设计与施工具有重要指导意义。 关键词：e p s 力学性能工程应用减荷措施受力性状 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sf o rt h el i f em a t e r i a l ss u c ha st h e e p s ( e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ) t w ok i n d so ft e s t s w a sm a d e ，t h ef i r s tw a st h e c o m p r e s s i v et e s t ，t h es e c o n dw a st r i a x i a lt e s ti no r d e rt of e n do u tt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f t h ee p s i nt h i s p r o j e c t ，i n t h ec a s e so fs e v e r a l d e n s i t y a n dc o n f i n e m e n ta n d u n - c o n f i n e m e n to ft h ee p ss a m p l e st h er e l a t i o n so ft h es t r e s sa n ds t r a i n ，a n dt h ec r e e p p e r f o r m a n c ew a sd i s c u s s e d t h em e c h a n i c a ld e f o r m a t i o np r o p e r t i e so ft h ee p sw a s d i s c u s s e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fl o a d i n ga n du n l o a d i n ga nt h es a m p l e s a f t e rt h e t r i a x i a lt e s t st h er e l a t i o n s( a 1 一0 3 ) e ；a v e ：aa n d ( c l 0 3 ) vw a s a n a l y z e d b a s e do nt h ee n g i n e e r i n go fc u l v e r tu n d e rt h ee m b a n k m e mo ft h es p e c i a l 1 1 i g h s t a c k e ds o i li nt h ef r e e w a yf i - o ml a n z h o ut oh a i s h i w a ni ng a ns up r o v i n c e t h e d e f o r m a t i o no ft h ee p sw a st e s t e d s e v e r a lt e s t sf o rs e v e r a ls a m p l e sw i t hd e f f e r e n t t h i c k n e s si nt h a tl o c a t i o n ，a n dt h ee c o n o m i c a l ，q u i c ka n dc o n v e n i e n to fc o n s t r u c t i o n d e s i g nw a sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d i ti ss i g n i f i c a n tt og u i d es i g n i f i c a n tr e s e a r c h f i n d i n g st h a tr a t i o n a l l yd e s i g na n dc o n s t r u c tc u l v e r tu n d e rh i g hf i l le m b a n k m e n t k e y w o r d ：e p s ( e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ) m e c h a n i c a lp r o p e r t y p r o j e c tu t i l i t y l o a d s h e d d i n gm e a s u r e m e n t m e c h a n i c sc h a r a c t e r t l 一 - | 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着公路交通的发展，土工合成材料( g e o t e x t i l e ) 的应用日益普遍，其中 聚苯乙烯泡沫塑料( e x p a n d e dp o l y s t y r e n e ，简称e p s ) 是令人注目的品种之一， 它的出现使土工中原来难以解决的问题获得了令人满意的效果。 近年来，在高速公路的设计中，高填方路堤下设置的涵洞工程越来越多，然 而对涵洞的设计与计算理论至今仍不完善，导致计算结果和实际结果相差很大， 致使涵洞病害不断发生，严重影响到了高速公路的正常运营和人们对高等级公路 的综合评价。为了经济、便捷的减除这些病害，e p s 依据其良好的变形特性成为 路堤下结构物减荷的有效措施；依据其力学特性成为替换填土，协调路堤不均匀 沉降的新型设计施工手段；依据其良好的保温特性，成为解决道路冻害问题的有 效方法。 目前，国外已开始重视对e p s 泡沫材料的工程应用，也利用室内试验手段对 其进行了一系列的力学特性试验，我国在这方面的试验研究要略迟于国外，尤其 是在公路工程建设设计中，此项技术及其所涉及的技术参数还不完善。因此，为 了使e p s 泡沫塑料材料能有效地、广泛地应用于国内的工程实践，近年来国内一 些专家针对e p s 的物理力学性能作了进一步研究，但由于e p s 材料在工程中的用 途不同，其研究的侧重点各有不同。本文对e p s 泡沫材料的研究，旨在针对其应 用于公路路堤下结构物减荷优化中所体现出来的e p s 力学变化特性。通过多组， 多种室内试验对不同密度e p s 泡沫板材的力学特性进行全方面的研究，推断其在 工程实践使用过程中体现出来的变形性状。并结合依托工程中现场埋设的e p s 减 荷板监控数据分析了其在工程应用中的变形与受力性状。 1 2 研究现状述评 泡沫塑料为工业塑料中的一类产品，也是土工合成材料中具有特殊性质的一 类品种。泡沫塑料是以合成树脂为原料制成的内部具有无数微小气孔的材料。泡 沫塑料是一种泡沫体，泡沫体由泡孔组成，泡孔中又都充满气体。因此，它具有 质量轻、隔热好、隔音佳的特殊性能。根据其软硬程度不同可以分为轻质泡沫塑 料和硬质泡沫塑料两种；根据基材树脂的原料不同可以分为聚苯乙烯泡沫塑料、 聚氯乙烯泡沫塑料等；其中聚苯乙烯泡沫塑料即可以满足工程上的要求，而且价 格又较为便宜。聚苯乙烯泡沫塑料根据其生产方法不同可以分为e p s 和x p s 两种。 e p s 是由模室法生产的泡沫塑料；x p s 是由挤出法生产的泡沫塑料。 泡沫塑料在岩土工程中的应用是从2 0 世纪6 0 年代开始的。当时曾使用厚度 约1 5 c m 的聚苯乙烯泡沫塑料板作为隔热材料来解决道路的冻害问题获得成功。 1 9 7 2 年挪威道路研究所首次将l m 厚的普通填料层换成聚苯乙烯，成功地遏止了 与桥台连接路堤的过渡沉陷，从而开创了在土工中应用e p s 的新方向。1 9 8 5 年在 奥斯陆召开的在道路工程中应用泡沫塑料的国际学术会议上，集中交流了使用土 工泡沫塑料的经验。目前，瑞典、日本、荷兰、法国和加拿大等许多国家也有不 少应用e p s 的成功经验。e p s 被广泛用于路基填料、桥台台背填料、滑坡抢修、 直立挡墙、涵洞上填料等一系列工程，甚至用来铺设公园广场，车站月台等处。 近年来，国内随着改革开放的深入，科研技术水平的提高，在土工合成材料 方面的开发应用也逐步启动。 1 9 8 9 年9 月，王晓谋在关于上埋式管道垂直土压力的减荷措施研究文中 针对管顶填筑柔性填料( 海绵) 的刚性上埋式管道，在室内进行了比较系统的模 型试验获得了柔性填料( 海绵) 的变形模量、厚度以及管道突出地面高度等因 素对管项垂直土压力的影响规律。文中针对减荷采用的海绵柔性材料即e p s 泡沫 减荷板的雏形。 随着顾安全柔性减荷理论的进一步发展，e p s 泡沫减荷板材逐渐成为工程应 用中的首选材料之一。因此，1 9 9 2 年6 月，白冰在泡沫塑料用于减轻上埋式结 构物土压的研究文中提出在结构物顶部填筑聚苯乙稀泡沫塑料( e p s ) 板材或粒 状，来减小这一压力的新方法。首先对e p s 的基本力学性能进行了试验，在若干 模型试验中，观测了土体内部位移场和压力场的变化，探讨了用它做为减压材料 的机理和效果。试验结果表明减压效果十分明显。该文中还给出了一个减荷措施 条件下结构物顶部土压力的计算公式。1 9 9 2 年1 2 月，白冰在泡沫塑料在道路工 程中的应用文中指出聚苯乙烯泡沫塑料是一种新的超轻型填料。在软弱地基及 其它不良地基上修筑道路桥梁时，这种填料能代替换土垫层、砂井预压、粉煤灰 填料等常见方法，更好地解决承载力不足和过度沉降等问题。着重介绍该材料的 物理力学性能和在道路工程的应用。1 9 9 8 年，白冰在减荷条件下上埋式圆形结 构物周边土压力分析文中简要分析了影响上埋式结掏物周边土压力分布的各种 因素，并建议在结构物顶部填筑聚苯乙烯泡沫塑料来改善其应力集中状态。通过 对一圆形结构物进行有限元计算，重点分析减荷条件下结构物周边土压力分布。 白冰就e p s 材料的特性，从理论深度到应用推广上填补了国内在该土工合成材料 上的空白。 1 9 9 7 年9 月，张忠坤等在聚苯乙烯泡沫塑料路堤填料三轴试验研究文中 利用三轴试验仪器研究了e p s 泡沫材料不同围压下应力与应变的关系，指出e p 8 这 种轻质材料作为路堤填料时，减小了路堤本身的重量，即减小了路堤对下卧层的 压力，进而减小了下卧软土层的压缩量，同时e p s 块体自身变形量很小，因而总 体上减小了路面的沉降，故e p s 是一种比较理想的路堤填料。 1 9 9 8 年5 月，张忠坤等在e p s 的力学特性及其块体载荷试验有限元分析文 中考虑到e p s 的工程实用情况和研究现状，试图从三轴试验和大块体载荷试验的 角度对密度p = o 2 k n m 3 的e p 8 进行研究，找出其内在的力学性质规律性，以便为 工程应用服务。 2 0 0 1 年5 月，杜骋等在聚苯乙烯泡沫( e p s ) 的特性及应用分析文中也指出 聚苯乙烯泡沫是一种性能优良的路基轻质填料，具有轻质、高强、较强的化学稳 定性和水稳定性、良好的力学性能且施工方便简单等优点，在国外道路工程中有 较为广泛的应用。e p s 能较圆满地解决软基的过度沉降和差异沉降以及桥台和道 路相接处的差异沉降，减少桥台的侧向压力和位移等问题。我国对e p 8 的研究和 应用较少，文章对e p s 的物理化学性能、力学性能、e p s 作为路基轻质填料的结构 设计方法、e p s 在道路工程中的应用等方面作了较为全面的介绍和分析，对我国 使用e p s 有借鉴作用。 2 0 0 3 年1 月，凌建明等在压缩条件下发泡聚苯乙烯的本构关系和疲劳特性 文中研究了对不同密度的国产发泡聚苯乙烯( e p s ) 采用刚性试验( m t s ) 进行了单 轴压缩条件下的加载试验及疲劳试验。通过对试验结果的研究分析，阐述了压缩 条件下e p s 的本构关系和疲劳特性，并给出了材料的抗压强度和弹性模量设计取 值。研究结果对于e p s 的工程应用具有一定的参考价值。 2 0 0 4 年，黄琴龙在e p s 轻质填料处治平原软基地区路基拓宽工程文中指 出平原软基地区高等级公路拓宽时，新老路基间微小的差异变形就会导致产生相 关病害。而在相关处治措施中，轻质填料法是较为合适的一种。e p s ( 发泡聚苯乙 烯) 填料，具有超轻质、耐压、耐水、抗老化等特点。理论分析和工程验证均表 明，采用e p s 填筑拓宽部分路堤，对下卧土体的影响深度要明显浅于常规填土路 堤，可显著减小拓宽路堤下卧地基土层的侧向位移，大幅度降低新路基的总沉降 量，从而大大减小新老路基不协调变形，是平原软基地区高等级公路拓宽时非常 有效的处治措施之一。 2 0 0 5 年，顾安全等在高填土涵洞( 管) 采用e p s 板减荷的试验研究文中针 对高填土涵洞，对涵项与涵侧同时铺设柔性材料e p s 板的减荷效果进行了多种情 况的试验对比，结果表明，这种措施不仅对减小洞顶和洞侧的土压力效果十分显 著，同时还可解决涵洞在填土中引起的路面沉降不均，改善涵洞纵向垂直土压力 与沉降的分布不均。研究成果可供各种上埋式构筑物工程设计参照，并可作为各 部门有关的设计规范、设计规程与设计手册修订依据。 1 3 研究思路和方法 本文主要通过室内压缩试验、静三轴试验以及依托工程原位测试来综合研究 e p s 的物理力学性能以及其在工程运用中，工期时效下的力学变形性状。论文对 不同密度e p s 泡沫材料的应力与应变、蠕变性能、体变与轴向应变以及加荷一卸 荷等力学特性进行了室内测试研究，并通过现场埋设不同厚度e p s 泡沫板，研究 了该土工合成材料对路堤下涵洞结构物的减荷效能。研究结合室内试验成果和现 场测试数据，应用数学归纳统计的方法，阐述了e p s 泡沫塑料板在工程应用中的 变形特性和减荷条件下结构经济价值优化。 鉴于该依托工程为高填土，试验段全方位埋设元件，对不同位置，不同时间、 不同填土高度及处理与未处理段的对比分析，找出其变化特征。同时，结合室内 试验得出的土性参数及e p s 板变形规律，分析铺设e p s 板减荷措施下的涵洞受力 性状。 1 4 主要研究内容 本文为了全方面研究e p s 泡沫塑料的力学变形特性，通过室内试验对以下几 个方面进行了研究： 4 1 e p s 泡沫塑料的应力与应变基本关系； 2 不同密度下e p s 泡沫塑料应力与应变关系比较； 3 有侧限与无侧限条件下，e p s 泡沫塑料应力与应变关系比较； 4 有侧限与无侧限条件下，不同密度下e p s 泡沫塑料应力与应变关系比较； 5 e p s 泡沫塑料蠕变性能关系； 6 不同密度下e p s 泡沫塑料蠕变性能关系比较； 7 有侧限与无侧限条件下，e p s 泡沫塑料蠕变性能比较； 8 有侧线与无侧限条件下，不同密度下e p s 泡沫塑料应力与应变关系比较； 9 加荷一减荷试验，研究e p s 泡沫塑料在重复荷载作用下的变形力学特性； 1 0 通过三轴试验，分析( o 。一0 。) e 。和e 。e 。的关系，以及( 0 ，一 o 。) v 的关系； 1 1 通过现场埋设e p s 泡沫塑料板研究其在工程实际中的变形特性； 1 2 通过研究不同厚度的e p s 泡沫塑料板在工程应用中的减荷性状，分析总 结经济便捷的施工设计方法。 第二章e p s 轻质材料的物理性质及力学试验 2 1e p s 轻质材料的物理性质。” 在岩土工程中使用泡沫塑料主要是利用它所具有的下列一些特性：1 ) 特别轻 的容重；2 ) 独特的变形特性；3 ) 有一定的结构强度，具有好的自立性：4 ) 施工方 便且速度快；5 ) 好的缓冲性能；6 ) 良好的隔热性能。 e p s 为一种硬质闭孑l 结构的泡沫塑料。它的吸水性小，介电性能优良，质量 轻，且具有较高的机械强度。其外观上颜色为白色，外形应基本平整，无明显的 膨胀和收缩变形，泡沫之间熔结良好，无明显的掉粒现象，同时也无明显的油渍 和杂质。它的物理机械性能应符合表1 。 e p s 的基本性能表1 弯曲强度密度 0 0 2 0 01 8 密度( g c 岔) 0 3 0 ( m p a ) 密度：00 2 0 0 0 3 5 0 2 2 吸水性( k g m 2 ) 00 8尺寸稳定性( ) ( 温度7 0 一4 0 ) 4 - 05 压缩强度( 变形密度 00 2 0 1 5 导热系数 k c a l ( h ) 00 3 8 为5 0 ) ( m p a )密度00 2 0 0 3 50 2 0 泡沫塑料材料气泡的大小对其性能有一定的影响。当气泡大时，其壁厚也变 大，故其刚度也大一些，导热性也好一些，压缩时屈服特征明显。相反，气泡小 的泡沫塑料具有更高的强度和更大的破坏应变。这是由于此时它具有更多的泡 壁，压缩时为一逐渐破坏的过程。 e p s 的机械和力学性能与它的结构有密切的关系。其中，密度是其影响的主 要因素。表2 给出了e p s 的密度与强度的密切关系。般而言，泡沫塑料的密度 与强度之间有良好的幂函数关系。泡沫塑料的透水、透气和吸水等性能也与它的 密度有关。e p s 的密度由成型阶段聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定，一般介于1 0 4 5 k g m 3 之间，作为工程中使用的e p s 其表观密度一般在1 5 3 0 k g m 3 ，目前在道 路工程用作轻质填料的e p s ，其密度为2 0 k g m 3 ，为普通道路填料的1 2 。密度 是e p s 的一个重要指标，其各项力学性能几乎与它的密度成正比关系。 e p s 的密度与强度的关系表2 容重( k n 寸) 02 0 603 0 40 3 9 20 4 9 1 抗压强度( k p a ) ( 应变2 5 ) 1 4 42 1 62 9 63 5 8 抗弯强度( k p a ) 3 0 23 8 05 1 75 2 7 抗冲强度( k p a ) 4 6 34 9 05 6 08 1 6 e p s 在水中和土壤中的化学性质比较稳定，不能被微生物分解，也不能释放 出对微生物有利的营养物质；但有研究资料显示，在特殊条件下白蚁科对e p s 能 造成破坏。e p s 的空腔结构也使水的渗入极其缓慢；此外，长时间受紫外线的照 射，e p s 的表面会有白色变为黄色，而且材料在某种程度上呈现脆性；在大多数 溶剂中e p s 性质稳定，但它可以在汽油或煤油中溶解。鉴于上述原因，在把e p s 用作轻质路堤等填料时要注意覆盖保护表面。由于e p s 泡孔中的气体不容易产生 对流作用，而气体又是热的不良导体，因而使得e p s 具有优良的隔热性能，常用 在道路工程中的隔温层，以满足严寒季节对道路防冻的要求。其次，e p s 中存在大 量的微小气孔，在工业和民用建筑业中也是一种良好的吸音和装饰材料。 2 2 聚苯乙烯泡沫( e p s ) 的适用范围 e p s 在岩土工程中的应用概括起来有以下几个方面：防止软基上填土的沉降， 防止桥台和道路垂直错位，修建直立挡墙，地基的置换，作为一种减压、防冻、 防渗材料。其适用范围为：( a ) 软基上的轻型填料；( b ) 防止道路和桥台垂直错位； ( c ) 减轻结构物顶部土压；( d ) 斜坡上的填料；( e ) 修建直立挡墙；( f ) 地基的置换 填料；( g ) 隔离材料；( h ) 基础底座垫层；( i ) 结构物上轻型填料：( j ) 轻基上埋设 管道。 2 3e p s 轻质材料的力学试验 2 3 1 聚苯乙烯泡沫( e p s ) 试样的制作 目前试样的尺寸规格不尽相同，有选5 0 m m x 5 0 r a m x5 0 m j n 的，有选5 2 m m 5 2 n m l 5 2 m 的。根据施工试验检验大全( 下册) ( s g 2 3 2 8 1 ，聚苯乙烯塑料排水板) 本文研究选用的是巾5 0 m m x 2 0 r a m 尺寸在标准固结仪上进行了单轴压缩试验。单轴 压缩试验是进行有侧限压缩，采取应力控制式的加荷方式。另外，对同样试件作 无侧限压缩试验，以进行对比。选取e p s 试样尺寸中3 9 1 n u n x 8 0 m m ，在三轴剪切 仪上进行快剪试验，围压分别为0 ：= o 。= 2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 k p a ，共测 试3 组试样，得其偏应力( 0 。一o 。) 与轴向应变e 。之间的关系，体积应变e ， 与轴向应变e 。之间的关系及体积应变e ，与围压0 。关系。 本文选用了6 种密度的e p s 泡沫塑料进行了试验，分别是9 3 6 k g m 3 ， 1 3 6 7 k g m 3 ，1 4 6 3 k g m 3 ，1 6 o o k g m 3 ，2 0 2 6 k g m 3 ，2 3 k g m 3 。其中选用9 3 6 k g m 3 ， 1 6 o o k g m 3 ，2 0 2 6 k g m 3 = 个密度进行蠕变性能试验。 试样制作利用锯条粗成型，然后再用细砂纸仔细打平。压缩试验选用中压固 结仪，三轴试验在g d s 静三轴试验仪器上进行。 2 3 2 聚苯乙烯泡沫( e p s ) 压缩性能试验 2 3 2 】e p s 泡沫塑料的应力与应变基本关系 通过分析密度为1 6 o o k g m 3 的e p s 泡沫塑料无侧限单轴压缩试验结果，如图1 ， 表明： 四2 0 0 星1 5 0 。1 0 0 r5 0 翅0 0 0 0 2 0 0 04 0 0 0 6 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 应变 图11 6o o k g m 3 无侧限条件下应力与应变关系 ( 1 ) e p s 块体受压变形时其体内空腔结构从最初的均匀密闭到逐渐破坏表现 为应力一应变曲线由直到曲的逐渐变化，当空腔结构完全破坏后材料产生明显的 塑性变形。e p s 块体整个受压变形过程大致分为三个阶段：线弹性阶段、弹塑性 过渡阶段( 屈服阶段) 和塑性阶段。 ( 2 ) 材料受压下其应力一应变曲线上不存在弹性与塑性间的明确分界点， r 其屈服对应的是某一范围。这说明e p s 的抗压强度取值位于材料塑性区域，当接 近或超过该值的受压状态下材料将产生不可恢复的变形，即此时e p s 的空腔结构 己遭破坏，产生明显的塑性变形。国内外多数研究资料认为可取压缩应变为5 时对应的应力值作为抗压强度。 2 3 2 2 侧限与无侧限条件下e p s 材料应力与应变关系 通过对6 种不同密度的e p s 泡沫塑料进行有侧限与无侧限单轴压缩试验，可 以得到如图2 ，图3 所示曲线。 日 口_ z o r 堪 图2 有侧限条件下不同密度e p s 应力与应变关系 应变e 图3 无侧限条件下不同密度e p s 应力与应变关系 应变 0 0 由图2 可知，除密度为9 3 6 k g m 3 的e p s 泡沫塑料以外，其他密度试样均体 0 o o 0 o o o 0 撕 加 m o 蛊。r 毯 现出了e p s 应力与应变的三个变形阶段；密度为9 3 6 k g m 3 的e p s 泡沫塑料在压 缩荷载。 6 0 时，各e p s 密度达到同样应变值时，对应有侧限条件下的应力值要大 于无侧限条件下的应力值，表明有侧限条件下，因为侧向位移的约束，一定程度 上提高了e p s 材料的变形模量；当应变值 2 0 2 6 k g 酽的应变值仅为o 1 0 ， 且应变值的变化随密度变化不大。 9 3 6 k g m 31 3 6 7 k g m 3 1 4 6 3 k g m 3 1 6 o o k g m 32 0 2 6 k g m 32 3 o o k g m 3 密度p k g m 3 图6 a6 0 k p a 应力作用下侧限与无侧限条件下应变关系 1 0 0 0 0 9 0 0 0 8 0 o o 7 0 o o 萼6 0 0 0 交5 0 o o 型4 0 ，o o 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 o o 0 o o 9 3 6 k g m 31 3 6 7 k g m 31 46 3 k g m 31 6 o o k g m 3 2 0 2 6 k g m 32 3 o o k g m 3 密度p k g m 3 图6 b1 0 0 k p a 应力作用下侧限与无侧限条件下应变关系 2 3 2 6 最大荷载时不同密度的最大应变 选取不同e p s 泡沫密度在达到最大应变时的最大应力值绘于图7 中，可以看 到不同密度与最大应变值、最大应力值的变化关系。 采用二次回归的数理统计方法，可以得到不同密度与最大应力值的经验公式为： o o o o 0 o 0 o o 0 o o o o 0 0 o o o o o o o o 0 o o o o o o 0 o o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 女。斟聋 仃= 0 2 8 5 7 p 2 + 1 3 1 4 3 p + 8 4 式中：仃为最大应力值( k p a ) ；p 为e p s 泡沫塑料密度( k g m 3 ) 。 不同密度与最大应变值的经验公式为： = 0 4 3 4 8 p 2 5 5 3 9 2 p + 8 9 式中：e 为最大应变值( ) ；p 为e p s 泡沫塑料密度( k g m 3 ) 。 通过经验公式可以在进行路堤结构物减荷设计时，根据所采用减荷优化材料 e p s 密度来初步预测其工后期e p s 减荷板的最总变形量，同时可以预算出达到最 大应变值时的应力值，从而有利于根据内外土柱差来计算结构所受土压力，确定 e p s 板的减荷性能。 芝1 0 c l 交8 0 翻 6 0 。 4 0 2 0 盘 n 詈锄 蚕m 图7 最大荷载时不同密度的最大应变情况 2 3 2 7e p s 材料的蠕变性能 为了研究e p s 在一定荷载作用下应变随时间的变化过程，选用密度为 2 3 o o k g m 3 的e p s 泡沫塑料进行了蠕变性能试验，分别就2 5 k p a ，5 0 k p a ， 7 5 k p a ，l o o k p a ，1 5 0 k p a 五种荷载进行了试验。试验装置与应力控制式压缩试验相 同。试验结果如图8 所示。 可以看出应变随时间的变化规律如下：不同荷载作用下，s l g t 关系曲线是 不同的。在该密度情况下当盯 7 5 k p a 以后，s l g t 曲线开始随时间变化；由图中还可以看到，e p s 泡沫塑料在每级荷 载加载前期变形响应延迟，即前期变形量较平缓，其应变主要发生后期的蠕变过 程中。由此说明在利用e p s 泡沫塑料板进行减荷优化时，在施工期应防止和减小 机械碾压对其产生的变形损伤，以便e p s 减荷板能在后期充分发挥其蠕变性能， 营造合理的工后沉降差，促进减荷效能充分发挥；通过评测e p s 泡沫塑料的蠕变 性能还在路堤优化工程中起到控制工后沉降的意义。 水 u 斟 毯 oo 51152 53 l g t 图8e p s 密度2 3o o k g m 3 蠕变性能 2 5 k p a 5 0 k p a 7 5 k p a 1 0 0 k p a 15 0 k p a 2 3 2 8 侧限与无侧限条件下不同密度下e p s 材料的蠕变性能比较 对比不同密度下，有、无侧限对其蠕变性能的影响情况如下图9 、l o 、1 l 所 示。通过蠕变性能研究对比两种状态下的e p s 力学性能可以清楚的看到，有侧限 的试样比无侧限的试样随时间变化，应变值的变化幅度要略大。由此可见，有侧 限条件下，侧壁的反作用力对e p s 的结构起到了破坏作用，这也是e p s 变形特点 之一。因此，在运用e p s 泡沫板进行路堤结构物减荷时，应注意其边界条件，保 证埋设的边界有足够的孔隙，并且在孔隙中填充虚土，以便其有足够的侧向位移。 由图9 a ，9 b 可以看到，密度为9 3 6 k g m 3 的e p s 泡沫塑料的前期变形占主导 影响，即在施工期就发生了较大变形，不利于减荷性能的发挥，因此，在进行减 荷优化时不能选取密度过低的e p s 泡沫塑料。9 3 6 k g m 3 密度下，有侧限条件比无 侧限条件前期变形幅度要大，表明该密度下，侧限影响较明显，在荷载施加后期， 随时间的变化，后期变形量不大。密度越小，达到塑性变形的过程就越短，应变 值后期增长趋势就越小。 跗伯加如。 由图1 0 a ，1 0 b 可以看到，密度为1 6 0 0 k g m 3 的e p s 泡沫塑料在侧限条件， 当仃6 0 k p a 以后，一l g t 关系曲线就出现了较大的变化，表明该情况下，e p s 泡沫塑料在侧限反力的作用下，导致应变值随时间的变化增大，说明了侧限的存 在引起了结构的破坏；但在加载后期由于侧限的作用和破坏后密实的结构促使应 变值在每级荷载作用下变化基本均等。通过分析其无侧限条件下的变形情况，可 以看到每级加载的应变值分布均匀，也就是说在无侧限条件下的e p s 泡沫塑料变 形在加载前期比较稳定，但是一旦超过屈服强度就立刻产生了很大的塑性变形， 而加载后期变形余度不大。 由图1 l a ，1 l b 可以看到，密度为2 0 2 6 k g m 3 的e p s 泡沫塑料在侧限条件， 当仃1 0 0 k p a 时，可以看到在 g t = 0 5 1 0 之间发生了台阶式的应变变化，而 对应的无侧限条件下的应变变化比较稳定，此处再一次证明了侧限在加载前期对 e p s 结构是不利的。这点与土有差别。 通过以上三种不同密度的e p s 泡沫塑料蠕变性能试验，可以看到侧限的作用 在前期反作用于结构，结构破坏早于无侧限情况；有侧限情况，e p s 泡沫塑料的 屈服过程较为平缓，应变值的变化随时间变化较为均匀，不会很快产生应变突变， 但无侧限情况，e p s 泡沫塑料的屈服过程前期较为平稳，加载后期由于荷载的超 限，泡沫结构会迅速产生很大应变，即其变形前后不均匀，综合该力学变形特性， 可以指导在进行结构的减荷优化时，埋设e p s 减荷板周边边界应为虚土填充，并 且保证前期未有机械或其他外加荷载提前促使e p s 材料变形，以备e p s 板材能有 足够的富余变形在后期填土过程中发挥。 1 0 0 0 0 8 0 0 0 长 、6 0 0 0 髫4 0 0 0 2 0 0 0 o 0 0 0 0 00 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 l g t 图9 ae p s 密度9 3 6 k g m 3 有侧限条件下蠕变性能情况 1 0 0 o o 9 0 o o 1 0 0 0 o 0 0 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 芽5 0 0 0 最4 0 0 0 毯3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 o o o o o 9 0 8 0 7 0 誉6 0 ：5 0 髦4 0 3 0 2 0 1 0 0 o 0 00 5 0 1 0 01 5 02 ，0 0 b 一2 0 k p a 1 卜4 0 k p a 卜6 0 k p a * 一8 0 k p a 2 5 0 l g t 图9 be p s 密度9 3 6 k g m 3 无侧限条件下蠕变性能情况 o0 00 5 01 0 0l _ 5 02 0 0 e 卜2 0 l c p a r - 一6 0 k p a 1 0 0 k p a * - 1 4 0 k p a 2 5 0 l g t 图1 0 ae p s 密度1 6o o k g m 3 有侧限条件下蠕变性能情况 + 4 8 7 0 00 5 1 522 5 1 9 c 图1 0 be p $ 密度1 6o o k g m 3 无侧限条件下蠕变性能情况 1 8 船阳加 。锹域 至一 ， 9 0 0 0 0 8 0 0 0 0 7 0 0 0 0 女6 0 0 0 0 ：5 0 0 0 0 餐4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 o o 8 0 o o 7 0 o o 女6 0 0 0 ：5 0 0 0 毯4 0 _ 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 _ 0 0 0 0 0 卜6 0 i 出a 1 一1 0 0 k p a 卜1 4 0 k p a 卜1 8 0 k p a _ 2 2 0 k p a 0 0 0 0 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 l g t 图1l ae p $ 密度2 0 2 6 k g m 3 有侧限条件下蠕变性能情况 - - 4 1 - - 6 0 k p a _ 1 0 0 k p a 卜1 4 0 k p a * _ 1 8 0 k p a - 2 2 0 k p a 0 0 00 5 01 0 0 l _ 5 02 0 0 2 5 0 l g t 图1 1be p s 密度2 02 6 k g m 3 无侧限条件下蠕变性能情况 2 3 2 9 加荷一减荷试验 本文通过加荷一减荷试验研究了e p s 泡沫塑料在重复荷载作用下的变形力学 特性。在与前述试验相同的试验装置上，加荷稳定1 2 小时后读数，卸荷时回弹 稳定就读数。得其试验曲线如图1 2 。由图中可知，在压缩过程中当达到某一荷载 ( 如p = 7 5 k p a ) 时进行卸荷然后再压，会发现e p s 的回弹再压缩曲线是前段荷载 作用下的压缩曲线的延续，犹如在此期间没有经过卸载和再压的过程一样。这一 点与土比较类似。 盘2 5 0 2 0 0 藿瑚 1 0 0 5 0 0 o1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 蔽 图1 2 密度为2 3o o k g m 3 的e p s 加荷一减荷试验曲线 2 33 聚苯乙烯泡沫( e p s ) 三轴压缩性能试验 2 3 3 1 ( o l o3 ) 。与v 。及( 0 1 一o ，) 一，的关系 利用g d s 静三轴剪切仪可以得到( 0 ，一0 。) 。和。e 。及( 0 。一0 。) e 。的关系，试验成果如图1 3 、1 4 、1 5 所示。 ( 1 ) 根据三轴试验结果可以看到，e p s 在三向应力状态下和单向应力状态下 的受压过程基本类似，也表明e p s 是一种弹塑性材料；当应变值为5 ，e p s 的应 力应变关系也出现明显转折。 ( 2 ) 由图1 3 可知，密度为2 3 o o k g m 3 的e p s 泡沫塑料在围压增大时，体变以o - ， = 8 0 k p a 为界线分为两个阶段，且两个阶段的体变与盯，基本呈线性变化；当d 、 8 0 k p a 时，s 。的变化值仅为5 ，而当d ， 8 0 k p a 以后，s ，的变化幅度很大，表明 围压的增大，e p s 会产生不可恢复的体积应变，这也反映了单轴压缩试验中在有 侧限影响下，加载前期e p s 结构较无侧限情况下容易破坏的现象。 ( 3 ) 由图1 4 可知，当围压0 。从o 增大至u 6 0 k p a 过程中，e p s 试样结构达到破坏 时所需的偏应力( 0 。一o 。) ，减小，也即结构强度减小，这一点与土的三轴试验 结构恰恰相反，该过程可视为e p s 本身结构破坏过程，因而强度降低：而当围压 o 。从6 0 k p a 增加到1 2 0 k p a 的过程中，试样达到破坏时所需的偏应力( 0 。一0 。) ， 却增大，这一情况又与土的三轴试验结果一致，该过程可视为试样本身破坏已完 成而致密，又进入了再压缩阶段，因为表现为强度增大。 ( 4 ) 由图1 4 可知，当轴向应变e 。5 时无论围压是多少，e 。与，之间的 关系均为直线关系，且直线与轴的夹角均接近4 5 。线。这充分说明，这时的体积 应变接近于轴向应变，即侧向变形小，也i ! p e p s 的泊松比恨小；当e 。 5 时，只 有o3 = 2 0 k p a 时，直线才明显表现出偏离，发生弯曲，这是由于侧向压力限制较 小而导致的侧向变形所致，其余直线虽有不同程度的微小弯曲，但基本上保持了 原来的直关系，这些特点明显不同于土的性质。 ( 5 ) 由图1 5 三向应力状态下体积应变与围压之间的关系曲线可以看出，当 围压较小时，仅发生很小的体积应变，只有当围压增至一定值后，试样才发生明 显体积应变。而且随着围压的增大，e p s 会产生不可恢复的体积应变，这是结构 破坏所致。l 图1 3e p s ( o ，一os ) v 关系曲线 _ 一03 = 2 0 k p a r _ o3 = 6 0 k p a l - 0 3 = 4 0 k p a 卜o3 = 8 0 k p a 图1 4e p s 主应力差与轴向应变关系曲线 2 l 们 册 帅 帅 0 7 ：i 口 0 两 的 沥 o 弱 的 _ 一o3 = 2 0 k p a 05l ul bz uz a3 u3 5 4 0 4 5 。 图1 5 主应力差与体变关系曲线 2 4 小结 1 、e p s 块体整个受压变形过程大致分为三个阶段：线弹性阶段、弹塑性过渡 阶段( 屈服阶段) 和塑性阶段。 2 、e p s 的抗压强度取值位于材料塑性区域，当接近或超过该值的受压状态下 材料将产生不可恢复的变形，即此时e p s 的空腔结构已遭破坏，产生明显的塑性 变形。 3 、较小密度的e p s 板不适合作为优化路堤填料的替代品；随密度的增大，其 结束弹性变形的荷载也就越大，但达到屈服阶段时的应变值与密度呈反比。 4 、有侧限条件下的e p s 变形特性接近于减荷工程中深埋于结构体上的工况， 因此正确确定弹性模量直接影响到道路的正常运营。结合不同密度下达到屈服的 应变值情况，可以得出当密度1 3 6 7 k g m 3 时，抗压强度值取应变值为3 时对应 的应力值；当密度 1 3 6 7k g m 3 时，抗压强度值取应变值为5 时对应的应力值。 5 、无侧限条件下，6 种密度e p s 泡沫材料达到屈服阶段的应力值整体要较有 侧限条件下低。 6 、随e p s 密度的增加，达到相同应变值的应力增量不均等，近似以e p s 密度 1 6 0 0 k g m 3 为界线，可见当密度增大n 2 0 2 6 k g m 3 以后，其模量和屈服时应变值 的提高并不大。 7 、随着试样密度的增大，有、无侧限条件下线弹性阶段的斜率逐渐趋于相 近，由此可以看到选用较大密度的e p s 泡沫塑料用于路堤填料优化时，侧限对路 基沉降的影响较小。 8 、当密度2 0 2 6 k g m 3 以后，侧限在前期对e p s 的力学性能是不利的，但随 加 0 着e p s 内部结构破坏后的逐渐密实挤压，一定程度上又提高了其受力性能。 9 、通过经验公式可以在进行路堤结构物减荷设计时，根据所采用减荷优化 材料e p s 密度来初步预测其工后期e p s 减荷板的最总变形量，同时可以预算出达到 最大应变值时的应力值，从而有利于根据内外土柱差来计算结构所受土压力，确 定e p s 板的减荷性能。 1 0 、在施工期应防止和减小机械碾压对其产生的变形损伤，以便e p s 减荷板 能在后期充分发挥其蠕变性能，营造合理的工后沉降差，促进减荷效能充分发挥： 通过评测e p s 泡沫塑料的蠕变性能还在路堤优化工程中起到控制工后沉降的意 义。