特征含水率對輕量土基本性質的影響規律

侯天順

（西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

1 引 言

輕量土主要有EPS（expanded polystyrene）、發泡顆粒混合輕量土、氣泡混合輕量土、次生材料混合輕量土等種類。與常規土相比，其突出特點是密度小、強度高、密度與強度可以根據實際工程進行調節。每一類輕量土都有其獨特之處，但從社會的可持續發展來看，發泡顆粒混合輕量土與次生材料混合輕量土可以大規模消納廢物、保護環境，所以這兩類輕量土應該是今后研究與應用的重點。

國外關于輕量土的研究報道較多，尤其是日本，其研究及應用都十分廣泛，這種技術引入中國不過十年時間，所以有很多問題有待探索。Oh等[1]采用下層黏土、上層輕量土的模型試驗研究了混合土的地基承載力。Yoonz等[2]采用無側限抗壓強度試驗與三軸試驗研究了疏浚泥輕量土的力學特性，并且指出地基改良土強度達到200 kPa時的最優配比：EPS質量比為 3%～4%，疏浚泥初始含水率為165%～175%。Yajima等[3]研究了非飽和輕量土的初始吸力與結構屈服應力，發現這種土的應力路徑與破壞準則能夠很好地用一個獨立有效強度公式來描述。Nagatome等[4]利用工業X射線CT掃描設備研究了海岸工程中海水對輕量土性能的影響，結果表明，配比對吸水性影響顯著。國內的董金梅[5]、姬鳳玲[6]亦做了大量的工作，侯天順等[7]在朱偉等[8]成果的基礎上建立了混合土最優含水率模型。

土石方工程中，控制填土密實是非常重要的。由于混合土中含有一些固化劑，所以可以采用碾壓法（或夯擊法等）施工，也可以采用澆注法施工。前者必須控制含水率在wop±(2～3)%附近，后者則需要考慮到混合土的和易性。顧歡達等[9]對河道淤泥的固化與流動化進行了研究。結果表明，流動化處理土滲透系數很小、止水能力強、長期變形小，但沒有添加輕質材料，無法知道流動性EPS顆粒混合土的性能。另外，流動性輕量土與最優含水率時的輕量土的性能究竟有多大差異，這些問題還不是十分清楚。本文試圖通過試驗，揭示輕量土在最優含水率、流動性上、下限含水率3個特征點附近的性質差異，為工程設計與施工提供參考。

2 試驗概況

原料土為東海溫州灣靈（昆島）－霓（嶼島）北堤的典型海相沉積淤泥，其基本物理參數見表1。為了保證試驗精度，以干土質量為標準，將淤泥烘干以后進行粉碎，然后過0.5 mm篩，將少量雜質濾出。輕質材料采用2～3 mm的EPS球粒，其堆積體密度為0.025 g/cm3，EPS純顆粒密度為0.038 g/cm3。固化劑為華新水泥有限公司制造的華新堡壘牌C32.5復合硅酸鹽水泥。水為普通自來水。

表1 試驗所用淤泥的基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of test silt

2.1 最優含水率試樣制備

按照配比稱量好各種原材料，先把水泥加入干土中，用抹刀攪拌 5 min，直到拌勻；然后加水，形成水泥土，攪拌 5 min，直到形成均勻漿體；最后，加入EPS顆粒，強制攪拌10 min，形成均勻的干硬性混合土。用2 000 g電子秤稱量計算好的輕量土，分3層填入高為8 cm、直徑為3.91 cm的三瓣模。填料之前，模具內壁套好保鮮膜，用橡皮筋扎牢。每填一層，采用三軸擊實儀擊實 25次，錘重300 g，落距為30 cm。將帶模具的樣品送進標準養護箱內養護，養護溫度為20±2 ℃，濕度大于95%，養護24 h后脫模，迅速裝入保鮮膜密封，再放入養護箱中養護到規定齡期。

2.2 流動性含水率試樣制備

先把水泥加入干土中，用抹刀拌勻；然后加水，再次拌勻；最后，加入EPS顆粒，攪拌5 min，直到均勻。靜置 5～10 min，再次攪拌均勻。在三瓣模內壁安裝保鮮膜，并且固定，然后用小鐵勺把流動性混合土裝入下端放有玻璃片的模具中，用鐵絲輕輕攪拌密實。將樣品連同模具送入養護箱，用保鮮膜覆蓋其上部與四周，養護條件同上。養護 7 d后脫模，迅速裝入保鮮膜密封，再放入養護箱中養護到規定齡期。

取樣后測定密度，然后采用無側限壓縮儀[10]測定強度。一切步驟按照規范[11]要求進行。每個配比各有 3個樣，最后取均值作為測定值。試驗方案見表2，wop為最優含水率，wfmin為流動下限含水率，wfmax為流動上限含水率。

表2 試驗方案Table 2 Test schemes

3 3種特征含水率的確定

為了研究特定含水率時混合土的性能，首先必須給出3個特征含水率。侯天順的成果[7]說明，基于最大干密度理論、最大強度理論、最大比強理論3種方法確定的最優含水率沒有顯著差別。所以本文按照ρd-w模型[7]確定最優含水率：ae=3%，ac=10%，wop=38.33%；ae=3%，ac=15%，wop=40%。

輕量土流動化施工，國內尚無相關規范可循。流動化施工必須綜合考慮流動性、黏聚性、保水性。在混合土中添加了輕質材料，如果含水率過高，EPS顆粒處于上浮狀態，無法保證材料均勻，存在流動上限含水率wfmax；如果含水率過低，混合土無法流動，也存在流動下限含水率wfmin。根據文獻[5, 9, 12－13]介紹，流動性含水率的確定方法：①在實驗桌上放置一塊40 cm×40 cm的方形玻璃板，然后在玻璃板正中央放置直徑為8 cm、高度為8 cm的圓筒；②用小勺把流動性混合土裝入圓筒，直到與圓筒上端齊平；③迅速提起圓筒，測定1 min后攤開土餅的最大直徑與垂直方向直徑，均值作為流動性指標值，一般為180±20 mm。也就是說，流動值dfmin=160 mm對應的含水率就是wfmin；流動值dfmax=200 mm對應的含水率就是wfmax。為了得到流動性特征含水率，按照上述制樣方法與流動值測定方法，做了很多次流動值測定試驗，最終成果見圖1、2。

圖1 混合土流動性指標試驗(ae=3%, ac=15%, dfmin=160 mm)Fig.1 Liquidity indexes test of mixed soil(ae=3%, ac=15%, dfmin=160 mm)

圖2 混合土流動性指標試驗(ae=3%, ac=15%, dfmax=200 mm)Fig.2 Liquidity indexes test of mixed soil(ae=3%, ac=15%, dfmax=200 mm)

由試驗過程和圖1、2可知：①采用日本流動性指標測定方法確定的df=180±20 mm，是基本可行的。②混合土經過流動化處理以后，含水率越高，流動性越好，但圖2(b)中出現了泌水現象，說明保水性變差了。③當df=200 mm時，2～3 mm的EPS顆粒開始出現明顯的上浮現象，每次裝料前需要反復攪拌，說明取dfmax=200 mm是可信的，否則輕質材料上浮，混合土無法均勻。注意：①筆者使用的圓筒取自廢物回收站一個塑料杯，下口內徑為8 cm，上口內徑為7.98 cm，高度為8 cm，不是標準圓筒，測試得到的流動值與真實值略有差異。②混合土的流動值與它在碗中的靜置時間有一定關系，靜置時間過短，材料沒有充分吸水，流動值很大，反之會減小。③水泥劑量變化很小時，流動值變化不敏感。

根據擊實試驗與流動性指標測定試驗，得到了不同配比輕量土的3個特征含水率，見表3。

表3 不同配比輕量土的3個特征含水率Table 3 Three characteristic water contents of light weight soil with different mixed ratios

4 試驗結果與分析

4.1 含水率對無側限應力-應變關系的影響規律

由圖3、4可知，①對于同一配比的輕量土來說，隨著含水率的增加，變形模量減小，強度減小，破壞應變增大；②相同配比、相同含水率的輕量土，隨齡期增長，強度不斷增大；③相同條件下，不管含水率高低，水泥劑量增加 5%可以顯著改善土壤強度；④流動性指標最大值與最小值之差為40 mm，但對應的含水率之差僅為10%，流動上、下限含水率對應的應力-應變關系曲線幾乎重合，說明流動性指標采用df=180±20 mm是可行的，而沒有必要設定一個精確值，施工過程中可以在一定范圍內適當調節含水率。

4.2 含水率對強度的影響規律

碾壓法或夯擊法施工，土壤往往處于塑性狀態，能夠得到很高的強度，減小壓縮性與滲透性，獲取優良的工程性質。但是處于最優含水率時，混合土難以完全攪拌均勻。把土壤流動化處理以后，采用澆注法施工，便于攪拌與運輸，尤其適用于充填窄小空間，然而前期強度很小，影響施工進度。

圖3 不同齡期的應力-應變關系曲線（ae=3%, ac=10%）Fig.3 Stress-strain relation curves (ae=3%, ac=10%)

圖4 不同齡期的應力-應變關系曲線（ae=3%, ac=15%）Fig.4 Stress-strain relation curves (ae=3%, ac=15%)

由圖 5可知，不同配比的輕量土在相同齡期時，隨含水率增加強度減小，而且強度減小趨勢受到齡期與水泥摻入比的影響，但流動性上、下限含水率對應強度差別很小。施工過程中，一般非常關注28 d時的強度值。通過回歸分析，得到：

（1）當ae=3%，ac=10%時，有

（2）當ae=3%，ac=15%時，有

由圖6可知，不同配比的輕量土，在相同含水率時，強度隨齡期增長而增大。通過回歸分析可得

圖5 無側限抗壓強度-含水率關系曲線Fig.5 Unconfined compressive strength-water content relation curves

圖6 無側限抗壓強度-齡期關系曲線Fig.6 Unconfined compressive strength-age relation curves

式中：a、b均為試驗常數，可以采用雙曲線模型預測土壤強度增長情況。另外，任意配比、任意含水率的混合土，90 d與28 d強度存在如下經驗關系：

當 wfmin≤ w ≤ wfmax，7 d與28 d強度存在經驗關系：

4.3 含水率對變形的影響規律

由圖7、8知，對于不同配比的輕量土，處于最優含水率時，直徑與高度都不隨齡期發生變化；流動化處理以后，土樣的直徑與高度都出現了收縮。從圖7可知，含水率越高，土樣收縮越嚴重，土樣在28 d以后收縮量很小。無論含水率高低，土樣初始直徑都是3.91 cm，但流動化處理后的土樣的初始高度則是無法精確測定的，加之高度測定過程中的誤差，所以高度的收縮現象沒有直徑的明顯。

圖7 直徑-齡期關系曲線Fig.7 Diameter-age relation curves

圖8 高度-齡期關系曲線Fig.8 Height-age relation curves

圖9 線收縮率-齡期關系曲線Fig.9 Line shrinkage ratio-age relation curves

圖10 體積收縮率-齡期關系曲線Fig.10 Volume shrinkage ratio-age relation curves

4.4 含水率對濕密度的影響規律

由圖11可知，輕量土在最優含水率狀態時，濕密度不隨齡期變化；流動化處理后，土壤的濕密度隨齡期逐漸增大，28 d以后基本無變化。

混合土的濕密度是工程設計與施工中基本技術指標之一，通常采用理想密度模型進行預測。理想密度模型為[10]

式中：ρ輕為輕量土的密度；ms為輕量土中土顆粒的質量；ρs為土粒相對密度；mc為水泥的質量；ρc為水泥顆粒相對密度；me為EPS顆粒的質量；ρe為EPS純顆粒密度；mw為水的質量；ρw為常溫下水的相對密度。

圖11 濕密度-齡期關系曲線Fig.11 Wet density-age relation curves

為了驗證模型的適用性，把模型計算值與各種配比的輕量土28 d時的濕密度做對比。定義：絕對誤差=相對誤差=絕對誤差/實測密度。由表4可知，最優含水率時，土壤理論密度與實測密度基本一致；高含水率時，土壤理論密度的相對誤差范圍為3.834%～8.231%。綜合分析，采用理想密度模型基本上可以正確預測不同含水率時混合土的濕密度。

表4 濕密度理論值與實測值比較表Table 4 Comparison of predictive values and measured values for wet density theory

5 結 論

（1）采用日本流動性指標180±20 mm控制輕量土的流動性，基本可行。對于一般配比的輕量土（28 d強度接近普通土），在不同齡期時，流動性上、下限含水率時的無側限應力-應變關系曲線幾乎重合，說明流動性上、下限含水率范圍內，土壤的性能比較接近，實際施工過程中可以適當調節含水率，方便施工。

（2）不同配比的輕量土，含水率增加，強度急速衰減，但流動性上、下限含水率對應強度差別不大。不管含水率高低，強度隨齡期增長，都可以采用雙曲線模型進行預測，并且總結了7 d、90 d強度與28 d強度之間的經驗關系。

（3）輕量土在最優含水率時，收縮性微小，可以不予考慮；經過流動化處理以后，線收縮率范圍為1.53%～4.71%，體積收縮率范圍為4.53%～13.46%，收縮性受含水率、水泥劑量等因素影響。

（4）濕密度計算值與實測值相比較，最優含水率時，二者基本一致；在流動性上、下限含水率范圍內，二者的相對誤差范圍為3.834%～8.231%。所以，可以采用理想密度模型對濕密度進行近似預測。

[1]OH S W, LEE J K, KWON Y C, et al. Bearing capacity of light weight soil using recycled styrofoam beads[C]//Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference. Kitakyushu: International Society of Offshore and Polar Engineers, 2002: 670－674.

[2]YOONZ G L, JEON S S, KIM B T. Mechanical characteristics of light-weighted soils using dredged materials[J]. Marine Georesources and Geotechnology,2004, 22(4): 215－229.

[3]YAJIMA J, MYDIN S H. Mechanical properties of the unsaturated foam composite light-weight soil[C]//4th International Conference on Unsaturated Soils. [S. l.]:American Society of Civil Engineers, 2006: 1639－1650.

[4]NAGATOME T, HASHIMOTO T, OTANI J, et al.Absorption property evaluation of light weight soil with air foam due to different mixing conditions[J]. Journal of the Society of Materials Science, Japan, 2010, 59(1): 68－73.

[5]董金梅. 聚苯乙烯輕質混合土工程特性的試驗研究[D].南京: 河海大學, 2005.

[6]姬鳳玲. 淤泥泡沫塑料顆粒輕量土力學特性研究[D].南京: 河海大學, 2005.

[7]侯天順, 徐光黎. 輕量土最優含水率模型與檢驗[J].巖土工程學報, 2011, 33(7): 1129－1134.HOU Tian-shun, XU Guang-li. Optimum water content models and tests of light weight soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(7): 1129－1134.

[8]朱偉, 李明東, 張春雷, 等. 砂土EPS顆粒混合輕質土的最優擊實含水率[J]. 巖土工程學報, 2009, 31(1): 21－25.ZHU Wei, LI Ming-dong, ZHANG Chun-lei, et al. The optimum moisture content of sand EPS beads mixed lightweight soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(1): 21－25.

[9]顧歡達, 陳甦. 河道淤泥的流動化處理及其工程性質的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2002, 24(1): 108－111.GU Huan-da, CHEN Su. Engineering properties of river sludge and its stabilization[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(1): 108－111.

[10]侯天順. 淤泥發泡顆粒混合輕量土力學性質的試驗研究[D]. 武漢: 中國地質大學, 2008.

[11]中華人民共和國水利部. GB/T50123－1999土工試驗方法標準[S]. 北京: 中國計劃出版社, 1999.

[12]三木博史. 土の流動化處理工法の各種用途への利用技術[J]. 土木技術資料, 1995, 37(9): 32－37.MIKI H. Flow treatment technology of soil and its applications[J]. Civil Engineering Technology Data,1995, 37(9): 32－37.

[13]橫田圣哉, 三嶋信雄. 泡沫混合輕量土[J]. 于曉波譯.路基工程, 1997, (4): 81－86.YOKOTA, MISHIMA N. Foam light-weight soil[J]. YU Xiao-bo, translator. Subgrade Engineering, 1997, (4): 81－86.