粘土與EPS顆粒輕質(zhì)混合土的變形特性單軸試驗(yàn)研究

葉三霞 吳文佑

（中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川成都 610072）

粘土與EPS顆粒輕質(zhì)混合土的變形特性單軸試驗(yàn)研究

葉三霞 吳文佑

（中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川成都 610072）

采取某基坑開挖粘土為原料土，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探討EPS參入量及水泥參入量對(duì)輕質(zhì)混合土變形規(guī)律的影響，認(rèn)真分析現(xiàn)有研究結(jié)論，對(duì)有矛盾、分歧的研究結(jié)論點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

輕量土；變形；強(qiáng)度；粘土

0 引言

輕質(zhì)混合土是指由原料土、固化劑、輕質(zhì)材料和水混合，經(jīng)攪拌，壓實(shí)養(yǎng)護(hù)而成的，具有一定強(qiáng)度的輕質(zhì)密度人工混合土[1][2][3]。輕質(zhì)材料減輕其只身密度，減小自重荷載；固化劑提高自身強(qiáng)度，增強(qiáng)抵抗變形的能力，兩種特性綜合有效解決巖土工程界強(qiáng)度和變形兩大問題。其具有環(huán)保、輕質(zhì)、強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)、密度與強(qiáng)度可調(diào)節(jié)、隔熱、自立性好、成型快、易施工等特點(diǎn)。

為了更好的將本輕質(zhì)材料更好的應(yīng)用到工程中，本文通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，探索不同粒徑和混凝土配比對(duì)輕量土變形特性影響。

1 試樣制備與方案

1.1 試驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)主要通過0.72、1.08、1.44、1.8、2.16、1.8等6個(gè)不同EPS參入比和 10%、15%、20%、25%等 4個(gè)水泥參入比，采取正交試驗(yàn)方式，研究水泥和EPS顆粒參入量對(duì)粘土與EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的變形特性和強(qiáng)度特性的影響。

表1 試驗(yàn)配比方案

1.2 試驗(yàn)制備

本試驗(yàn)所用粘土采自某基坑內(nèi)粘土，屬第四系上更新統(tǒng)洪坡積、殘積粘性土，見圖1。硬塑、飽和、局部偶夾可塑粉質(zhì)粘土層、含少量鐵錳氧化物、鐵錳結(jié)核、條帶狀高嶺土（局部富集成團(tuán)塊狀）、偶夾碎石。主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表3所示。根據(jù)篩分試驗(yàn)結(jié)果，粘土的顆粒組分及粒徑分布曲線分別如表2。

圖1 試驗(yàn)所用粘土

表2 粘土的顆粒組分

表3 粘土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

為了保證試驗(yàn)精度，本文以干土質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，將粘土烘干以后粉碎，然后過0.5mm篩，將少量雜質(zhì)濾除。烘干粉碎過篩后干土的堆積體密度為

使用的EPS顆粒是從塑料廠購買的成品，為圓球顆粒，平均粒徑分別為3cm，堆積密度為0.017g/cm3，顆粒密度為0.03g/cm3。

所用的固化劑為華新水泥有限公司制造的32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥顆粒密度為，水泥堆積體密度為。

試樣制備包括稱料、拌合、裝料、養(yǎng)護(hù)等過程。制樣裝料過程中為了方便后續(xù)取樣，需將高 8cm、直徑 3.91cm的三瓣膜固定好，在裝料之前先均勻套一層保鮮膜，以方便脫模。保鮮膜厚度要適中，太薄制樣過程中容易破損；太厚對(duì)試樣尺寸影響大；在試驗(yàn)臺(tái)底部墊一塊涂有凡士林的玻璃片，將三瓣膜固定其上，開始裝料；裝料要采用質(zhì)量控制、分層搗實(shí)成型的方法，分三層裝入模具內(nèi)，每層厚度要稍厚于1/3的模具高度，以便在每搗實(shí)一層后，添加新的拌合料前，需將結(jié)合面拉毛，防止試樣出現(xiàn)斷層；將裝料搗實(shí)完成的試樣頂部及底部蓋上玻璃片，防止水分散失，等待進(jìn)入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。

已制備好的試樣見下圖2

圖2 已成型試樣

將制作好的試樣貼上標(biāo)簽，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù) 24小時(shí)，養(yǎng)護(hù)溫度為 20士2°C,養(yǎng)護(hù)濕度98%。

2 粘土與EPS顆粒混合輕質(zhì)土的變形特性

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律

（1）單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線隨EPS含量的變化規(guī)律

本次試驗(yàn)中固定含水量為45%，EPS顆粒參入體積比依次為0.72、1.08、1.44、1.80、2.16，水泥參入比為10%、15%、20%、25%，養(yǎng)護(hù)齡期為14天，各試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3～6所示。隨著EPS參入量的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線有從應(yīng)變軟化類型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵贓PS顆粒參入量越小，EPS顆粒混合輕質(zhì)土受力柱體截面積越大，結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，此時(shí)表現(xiàn)出來更多的是超固結(jié)粘土的性質(zhì)；隨著EPS顆粒參入量增大，輕質(zhì)土

圖3 不同EPS參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αc=10%，D=3.0mm）

圖4 不同EPS參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αc=15%，D=3.0mm）

圖5 不同EPS參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αc=20%，D=3.0mm）

圖6 不同EPS參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αc=25%，D=3.0mm）

受力柱體截面積越小，結(jié)構(gòu)性越差，此時(shí)表現(xiàn)EPS顆粒的應(yīng)變硬化特性越明顯[6]。在圖像上表現(xiàn)的為經(jīng)過破壞峰值后，隨著EPS顆粒參入量增大，各應(yīng)力應(yīng)變曲線平緩度增加；出現(xiàn)脆性破壞的現(xiàn)象也隨著EPS顆粒參入量增大而減弱，破壞峰值、破壞應(yīng)變等都隨EPS顆粒參入量變化而呈反比例關(guān)系。仔細(xì)分析還發(fā)現(xiàn)，隨著水泥參入量的增加，各應(yīng)力應(yīng)變曲線破壞類型、破壞峰值、破壞應(yīng)變等變形特性之間的差值越來越小，特別是EPS參入量在1.44以后，圖4～6中表現(xiàn)的更為明顯，初步認(rèn)為，隨著水泥參入量增加，水泥土的結(jié)構(gòu)特性不斷增強(qiáng)，EPS顆粒含量變化對(duì)EPS顆粒混合土的變形特性的影響減小，水泥土的結(jié)構(gòu)性對(duì)EPS顆?；旌贤恋淖冃翁匦杂绊懻贾鲗?dǎo)地位。應(yīng)力應(yīng)變曲線的應(yīng)變軟化特性在低EPS顆粒參入量、高水泥參入量時(shí)表現(xiàn)的最為明顯，如圖 6所示；同理，應(yīng)力應(yīng)變曲線的應(yīng)變硬化特性在高 EPS顆粒參入量、低水泥參入量時(shí)表現(xiàn)的最為明顯，如圖 3所示，這是由EPS顆粒及水泥兩種變形特性完全相反的材料參入后耦合的必然結(jié)果。

（2）單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線隨水泥含量的變化規(guī)律

固定EPS參入量，不同水泥參入量時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7～11。圖中可看出，隨著水泥添加量的增大，試樣脆性破壞表現(xiàn)明顯，試樣的峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變減小，試樣應(yīng)變軟化特性增強(qiáng)；隨著水泥參入量的降低，試樣的強(qiáng)度和剛度降低，塑

圖7 不同水泥參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αe=0.72,D=3.0mm）

圖8 不同水泥參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αe=1.08,D=3.0mm）

圖9 不同水泥參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αe=1.44,D=3.0mm）

圖10 不同水泥參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αe=1.80,D=3.0mm）

圖11 不同水泥參入量時(shí)單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線（αe=2.16,D=3.0mm）

性增強(qiáng)，同時(shí)，破壞應(yīng)變?cè)龃?。那是因?yàn)殡S著水泥添加量的增加，水泥水化反應(yīng)生成物增多，水泥水化生成物與粘土礦物之間的離子交換吸附及硬凝反應(yīng)也加強(qiáng)了，從而使輕質(zhì)混合土試樣內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度及其所占據(jù)的空間增大[4]。圖8、11中有些曲線破壞應(yīng)變不是遵循完全隨著水泥添加量增大而減小的規(guī)律，判斷可能有試驗(yàn)誤差所致。

所有的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本上都表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，只是在αe=1.80、αe=2.16時(shí)，低水泥添加量應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)有應(yīng)變硬化特性的趨勢(shì)，如圖 9、11所示。說明水泥參入量，不會(huì)改變應(yīng)力應(yīng)變曲線的類型，但會(huì)改變曲線的形態(tài)。

2.2單軸壓縮破壞應(yīng)變變化規(guī)律

（1）水泥參入量與破壞應(yīng)變的關(guān)系

圖12 破壞應(yīng)變與水泥參入比的關(guān)系

水泥作為輕質(zhì)混合土的重要組成材料，其對(duì)破壞應(yīng)變的影響是不容忽視的，在固定EPS參入量、含水量、齡期的因素情況下，水泥參入比越大，輕質(zhì)混合土的受力柱體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越好，脆性表現(xiàn)越明顯，試樣破壞應(yīng)變?cè)叫　Ｈ鐖D12所示。

由圖12可以看出，破壞應(yīng)變與水泥參入比基本上呈反比例線性關(guān)系，但是不同的EPS顆粒參入比時(shí)，線性的參數(shù)不一樣，在EPS參入比為0.72、1.08、1.44時(shí)，破壞應(yīng)變隨水泥參入比變化的變化量小，在EPS參入比未1.80、2.16時(shí)，破壞應(yīng)變隨水泥參入比變化的變化突然表現(xiàn)很明顯，正好與董金梅及侯天順的密度與破壞應(yīng)變關(guān)系研究結(jié)果相符合，因EPS參入比大，密度就小。

（2）EPS參入量與破壞應(yīng)變的關(guān)系

EPS顆粒作為一種輕質(zhì)材料，其在混合輕質(zhì)土中最大的特點(diǎn)，是體積置換作用，從而達(dá)到輕質(zhì)的效果，它對(duì)輕質(zhì)混合土材料延展性的影響主要表現(xiàn)在下面三個(gè)方面：（1）EPS顆粒自身是一種極強(qiáng)的塑性材料，與水泥、土混合后，在材料性質(zhì)耦合作用下，改變混合土的材料性質(zhì)，EPS顆粒參入比越大，則EPS顆粒塑性效應(yīng)表現(xiàn)越明顯；（2）EPS顆粒的加入，使混合土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，單位體積內(nèi)受力柱體截面積發(fā)生變化，混合土內(nèi)孔隙比增加，導(dǎo)致混合土結(jié)構(gòu)性減弱，塑性增強(qiáng)；（3）EPS顆粒導(dǎo)致端面效應(yīng)，即小應(yīng)力產(chǎn)生大應(yīng)變，最終導(dǎo)致破壞應(yīng)變?cè)龃骩3][6]。本文中實(shí)際的破壞應(yīng)變與EPS顆粒參入量的關(guān)系如下圖13所示。

圖13 破壞應(yīng)變隨EPS參入量的變化

由圖中可以看出，隨著EPS顆粒參入量的增加，破壞應(yīng)變?cè)黾?，呈曲線增長(zhǎng)形勢(shì)。

（3）抗壓強(qiáng)度與破壞應(yīng)變的關(guān)系

工程上以抗壓強(qiáng)度高，破壞應(yīng)變大的材料為理想材料，而實(shí)際中二者往往不可兼得，定量的研究抗壓強(qiáng)度與破壞應(yīng)變的關(guān)系在實(shí)際應(yīng)用中顯得尤為重要?？箟簭?qiáng)度與破壞應(yīng)變呈乘冪關(guān)系，隨抗壓強(qiáng)度增高而逐漸減小，這與水泥土破壞應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系相符，因輕質(zhì)混合土由EPS輕質(zhì)材料與水泥土骨架共同組成，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受水泥土骨架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制較明顯，故其抗壓強(qiáng)度與破壞應(yīng)變關(guān)系變化趨勢(shì)與水泥土的變化趨勢(shì)一致，再一次證明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)表征現(xiàn)象的可靠性。本文研究的輕質(zhì)混合土強(qiáng)度與破壞應(yīng)變關(guān)系如14圖所示

圖14 EPS輕質(zhì)混合土抗壓強(qiáng)度與破壞應(yīng)變關(guān)系

圖中可以看出在抗壓強(qiáng)度為200～500kPa之間時(shí)，破壞應(yīng)變?cè)?.015與 0.03之間平緩的變化，且是抗壓強(qiáng)度越大，破壞應(yīng)變?cè)叫?；抗壓?qiáng)度小于200kPa時(shí)，有較大的破壞應(yīng)變，這點(diǎn)與董金梅的研究結(jié)果一致[2]；抗壓強(qiáng)度大于500kPa時(shí)，破壞應(yīng)變較小，整體的破壞應(yīng)變?cè)?.014～0.05之間變化。水泥土的破壞應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系與圖14相似，但破壞應(yīng)變多分布在0.05～0.2之間[5]，說明EPS顆粒的參入明顯的改善了混合土的塑性特性。與水泥土相比，實(shí)際工程應(yīng)用中，在抗能滿足壓強(qiáng)度要求的情況下，EPS顆?；旌陷p質(zhì)土是一種抗壓強(qiáng)度高、破壞應(yīng)變大的理想工程材料。

2.3 單軸壓縮狀態(tài)下的變形模量變化規(guī)律

變形模量E是表征變形特性的一個(gè)重要參數(shù)，表示土柱在豎直方向的應(yīng)力增量與同一方向上產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽康谋戎?，即，是反映材料抵抗彈塑性變形能力的參?shù)，可應(yīng)用于彈塑性變形問題的計(jì)算。但是輕質(zhì)混合土作為一種彈塑性材料，在受力變形過程中，變形模量是隨著應(yīng)力水平變化的變量，通常的表述為，故輕質(zhì)混合土的E叫變形模量，不叫彈性模量（楊氏模量）[6]。借鑒土體的變形模量定義法，為了方便工程應(yīng)用及比較，在此處采用輕質(zhì)混合土的平均變形模量E50：，式中σ1/2是壓縮應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變一半時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力，E50可視為此時(shí)的割線模量。平均變形模量也受水泥參入比、EPS參入量、強(qiáng)度、齡期、含水量等因素的影響，如圖15、16所示。

圖15 平均變形模量與水泥參入比的關(guān)系

圖16 平均變形模量與EPS參入量的關(guān)系

由上圖可知試樣的平均變形模量隨水泥參入比的增加而增加，呈曲線增長(zhǎng)模式，隨著EPS顆粒含量的增加，曲線增長(zhǎng)斜率減小。平均變形模量隨EPS顆粒含量的增加而減小，呈指數(shù)遞減關(guān)系，水泥參入量越高，遞減的范圍值越大。

3 單軸試樣的破壞形態(tài)

試樣的破壞形態(tài)在一定程度上反應(yīng)了土體的結(jié)構(gòu)性，EPS顆粒輕質(zhì)混合土也具有結(jié)構(gòu)性，但它的結(jié)構(gòu)性特征與一般土體的結(jié)構(gòu)性有所不同，它的高孔隙比主要是由于添加了EPS顆粒造成的，它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取決于水泥固化反應(yīng)在試樣內(nèi)部所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱[1][2]。輕質(zhì)混合土試樣的破壞是試樣內(nèi)部裂隙的延展、開裂、發(fā)展而導(dǎo)致成的，根據(jù)其網(wǎng)狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的不同，在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出了三種不同形式的破壞模式[3][1][33]，如圖 17～20所示試樣的典型破壞模式。（1）裂隙沿著兩個(gè)方向大量出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)塑性流動(dòng)區(qū)，試樣發(fā)生共軛剪切壞；（2）裂隙大部分沿單一方向發(fā)展，與中線呈一定夾角，試樣發(fā)生單斜截面剪切破壞；（3）裂隙沿軸向發(fā)展，試樣發(fā)生脆性劈裂破壞。

圖17 試樣的劈裂破壞圖

18試樣的共軛剪切破壞

圖19 試樣的單斜截面剪切破壞

圖20 輕質(zhì)混合土試樣的破壞模式

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，統(tǒng)計(jì)有 60%的試樣是圖所示單斜截面剪切破壞模式，有30%是圖所示共軛剪切破壞模式，10%為圖所示劈裂破壞模式，且EPS參入量高、水泥參入量小和EPS參入量低、水泥參入量高的試樣更容易發(fā)生劈裂破壞模式，分析認(rèn)為：在外荷載作用下，試樣內(nèi)部的孔洞及EPS顆粒結(jié)合界面最先發(fā)生應(yīng)力集中，當(dāng)水泥土網(wǎng)絡(luò)骨架與EPS顆粒結(jié)合界面發(fā)生屈服后，裂隙迅速從這些地方發(fā)生并延伸、擴(kuò)展至固化土區(qū)域，裂隙的發(fā)展到一定的數(shù)目和規(guī)模后，試樣整體發(fā)生破壞；而高EPS顆粒參入量、低水泥參入量時(shí)，試樣內(nèi)部結(jié)合薄弱面多，試樣骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，試樣容易沿著中間貫通的薄弱結(jié)合面產(chǎn)生劈裂破壞；低 EPS參入量、高水泥參入量時(shí)，試樣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，整體性好，薄弱結(jié)合面相對(duì)少，試樣自身的強(qiáng)度很高，同樣容易使試樣發(fā)生瞬間的“爆發(fā)式”劈裂破壞；而對(duì)于配比處于中間地帶的試樣，都處于這兩種極端情況的中間態(tài)，材料更多表現(xiàn)出的是塑性破壞模式。在破壞后觀察，試樣內(nèi)部被水泥土骨架包裹的EPS顆?；径纪旰?，說明EPS顆粒只發(fā)生了彈性變形，由變形協(xié)調(diào)性觀點(diǎn)來看，說明EPS顆粒的塑性較水泥土骨架的強(qiáng)的多，這也正好說明了EPS顆?；旌陷p質(zhì)土較水泥土塑性強(qiáng)的特征。

4 結(jié)論（1）EPS混合輕質(zhì)土試樣變形分為試樣接觸微調(diào)階段及裂紋及孔洞的閉合OA段、近直線AB段、塑性屈服BC段、破壞后CF段五個(gè)階段。如圖21所示。在單軸試驗(yàn)中，

圖21 典型的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

水泥含量高，EPS含量低及水泥含量低，EPS含量高的試樣脆性特性明顯，應(yīng)力應(yīng)變曲線破壞后階段又分為近直線的負(fù)增長(zhǎng)階段 CD、試樣結(jié)構(gòu)重新壓實(shí)階段DE、壓實(shí)后破壞階段EF.；配比在兩極端之間的多表現(xiàn)為直接的下降階段CF。

（2）單軸試驗(yàn)破壞應(yīng)變隨著水泥參入比增大而越??；隨著EPS顆粒參入量的增加而增加，呈曲線增長(zhǎng)形勢(shì)。

（3）輕質(zhì)混合土變形模量變化規(guī)律在單軸實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨水泥參入比的增加而增加，呈曲線增長(zhǎng)模式，隨著EPS顆粒含量的增加，曲線增長(zhǎng)斜率減??；隨EPS顆粒含量的增加而減小，呈指數(shù)遞減關(guān)系，水泥參入量越高，遞減的范圍值越大。

（4）混合土試樣單軸壓縮破壞模式主要有共軛剪切壞、單斜截面剪切破壞；脆性劈裂破壞。

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