EPS材料減荷效應及工程應用評述

劉宇翼，從衛民，蘇運河，佘躍心，楊 琴，潘 鑫，湯 奇

(1. 淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223001)(2. 中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)(3. 淮安市建設工程施工圖審查處，江蘇 淮安 223001)

EPS材料減荷效應及工程應用評述

劉宇翼1,2，從衛民3，蘇運河1，佘躍心1，楊 琴1，潘 鑫1，湯 奇1

(1. 淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223001)(2. 中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)(3. 淮安市建設工程施工圖審查處，江蘇 淮安 223001)

佘躍心

EPS是由苯乙烯在分散劑作用下懸浮于水中，經引發劑引發聚合，再加液體發泡劑浸漬而成的泡沫材料。EPS泡沫具有輕質、壓縮性高、穩定性好、耐久性長、吸濕性低、隔熱保溫效果好等優點，是一種理想的降低土壓力緩沖材料，在礦業、公路、建筑等工程中已得到實踐驗證，在廣泛收集、認真查閱前人研究成果的基礎上，總結了EPS材料的密度、耐久性、熱穩定性、熱傳導性等物理力學特性，重點闡述了礦井井筒、填土涵洞、擋土結構三種不同類型結構中使用EPS作為減荷材料的應用效果，并從能量學、土拱效應、土壓力理論等角度詮釋了EPS材料的減荷機理。針對礦井井筒中的EPS減荷材料，提出高應力狀態下EPS材料的變形特性、復雜環境中EPS材料的熱力性能、巖土-EPS-井壁相互作用以及EPS材料減荷效應的試驗驗證是今后研究的主要發展方向。

EPS材料；減荷效應；減荷機理；礦井井筒；填土涵洞；擋土結構

Abstract：Expanded Polystyrene (EPS) is a kind of foam material which is made from styrene that suspended in water under the action of a dispersing agent, then polymerized by initiator and impregnated with liquid foaming agent. Tested in mining, roads, building and other projects, EPS is regarded as an ideal buffer material to reduce soil pressure due to its advantages like light weight, high compressibility, good stability, long durability, low moisture absorption, good heat insulation and preservation performance,etc. Based on the predecessors’ research, the density, durability, thermal stability, thermal conductivity as well as other physical and mechanical properties of EPS materials are summarized, and the load-reducing effects are analyzed emphatically when EPS materials are applied in the mine shaft wall, culvert under stacked soil and retaining structure. The load-reducing mechanism of EPS material has been illustrated according to energetics, soil arching effect and earth pressure theory. Finally, it puts forward that the studies on mechanical behaviors of EPS under high stresses, thermal performance of EPS in a complex environment, the rock(soil)-EPS-wall interaction and test verification of load-reducing effect of EPS materials are the main directions of further research.

Key words：EPS materials; load-reduction effects; load-reduction mechanism; mine shaft wall; culverts under stacked soil; retaining structure

1 前 言

可發性聚苯乙烯(Expanded Polystyrene, EPS)，是由苯乙烯在分散劑作用下懸浮于水中，經引發劑引發聚合，再加液體發泡劑浸漬而成的泡沫材料。EPS經預發、熟化和模塑成型即可制得發泡塑料制品。目前，在全世界發泡塑料中，EPS產量排第二位[1]。EPS成型過程中，聚苯乙烯顆粒的戊烷受熱汽化，在顆粒中膨脹形成許多封閉的空腔。EPS材料的顆粒結構如圖1所示。

圖1 EPS材料的顆粒結構[1]Fig.1 Particle structure of EPS[1]

這種均勻的封閉空腔結構決定了EPS具有獨特的性質：質輕、防震、絕熱、絕緣、耐潮等，為此被廣泛用作包裝、保溫、隔熱、建筑裝潢等方面。北歐在20世紀60年代后期開始在工程建設領域使用EPS材料。1971年挪威國家道路研究實驗室(NRRL)首次在FLOM大橋引道改造工程中用EPS代替1 m厚普通填料，成功控制了橋頭段的不均勻沉降。進入20世紀80年代后，日本、瑞典、荷蘭等國家也逐步在公路項目中使用EPS材料[2]。我國1995年在杭甬高速公路望童跨線橋橋頭路堤首次使用EPS，取得了較好效果。EPS材料作為一種輕質工程材料，在工程建設領域中體現出優良的減荷效果，專家學者和技術人員嘗試采取各種研究手段(理論分析、模型試驗、數值計算、原位測試)探索EPS材料的減荷原理及影響。

本文在廣泛收集、認真查閱前人研究成果的基礎上，總結了EPS材料的物理力學特性，重點闡述了礦井井筒、填土涵洞、擋土結構三種不同類型工程中使用EPS作為減荷材料的應用效果，并從能量學、土拱效應、土壓力理論等角度詮釋了EPS材料的減荷機理，評述了目前的研究進展及研究中存在的問題，并對礦井井筒領域今后的研究方向進行了展望。

2 EPS材料的物理力學特性

2.1 EPS材料的物理特性

(1)密度

EPS的密度由成型階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數決定，介于10～40 kg/m3之間，工程中常用密度為15～30 kg/m3。目前許多土工工程中用作輕質填料的EPS，其密度常為20 kg/m3，僅為普通填料的1/50～1/100。密度是EPS的一個重要指標，與其各項力學性能關系密切[3]。

(2)耐久性

EPS在水中和土壤中化學性質穩定，不會被微生物分解，也不會釋放出對微生物有利的營養物質，但可被汽車燃料油溶解。另有研究資料表明，在特定條件下白蟻可對EPS造成破壞[4]。EPS在紫外線照射下一段時間后表面由白色變為黃色，在某種程度上呈現脆性。因此，EPS與許多高分子土工材料一樣，不允許長時間暴露在紫外線下。

聚苯乙烯本身是憎水的，而且EPS的封閉空腔結構也使水的滲入極其緩慢。EPS的吸水率與EPS的形狀有關，直徑100 mm、高200 mm的EPS圓柱試件浸水1年后的平均體積吸水率為1.54%，而EPS薄板的體積吸水率可達到9%[3]。

(3)熱穩定性

75～80 ℃ 以下， EPS的使用基本不受影響，但溫度接近150 ℃時，EPS將熔化。如果附近有火源，EPS也可燃燒。但如果聚苯乙烯顆粒發泡成型時就加入了阻燃劑，EPS燃燒3 s內可自熄，且阻燃劑對EPS的性能沒有不利的影響[5]。

(4)熱傳導性

EPS的封閉空腔結構決定了其具有優良的隔熱性，因此EPS最初在道路工程中用于保溫層，以滿足嚴寒季節對道路防凍的要求。但EPS的吸水量對其熱傳導性的影響很明顯，隨吸水量的增大，熱傳導系數也增大。研究資料表明[3]，EPS體積吸水率小于1%時，其熱傳導系數可增大5%；體積吸水率達到3～5%時，熱傳導系數則可增大15～25%。

2.2 EPS材料的力學特性

白冰[6]、張忠坤[7]、張衛兵[8]、顏志平[9]、伊哈卜[10,11]、曹周陽[12]等通過室內單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗、蠕變試驗、加卸載試驗等研究了EPS的力學特性。

(1)壓縮性能。EPS材料整個受壓變形過程大致可分為3個階段，即線彈性階段OA、屈服階段AB和硬化階段BC，見圖2[9]。國內外多數研究資料認為可取壓縮應變為5%時對應的應力值作為其抗壓強度。壓縮速率不同，其應力應變關系也不同，速率快時表現出來的強度高。

圖2 EPS在無側限壓縮下的應力應變關系[9]Fig.2 Relation of stress-strain of EPS in unconfined compression[9]

(2)蠕變性能。EPS的應變發展規律隨荷載的大小不同而不同，荷載大于75 kPa時應變在短時間內迅速增大，而當荷載小于70 kPa時應變增長較慢。可以認為70 kPa是EPS發生屈服與否的標志，這也就給出了EPS材料的工作范圍。

(3)反復荷載作用下的力學特性。由圖3[11]中可知，在壓縮過程中當達到某一荷載值(如P=50 kPa)時進行卸荷然后再壓，會發現EPS的回彈再壓縮曲線像是前段荷載作用下的壓縮曲線的延續，猶如在此期間沒有經過卸載和再壓的過程一樣。

圖3 EPS加卸載試驗[11]Fig.3 Loading and unloading tests of EPS[11]

(4)不同密度EPS材料的應力-應變關系。不同密度的EPS樣品的應力-應變曲線趨勢是一致的，都存在線彈性、屈服和硬化三個變形階段，但是對應同一應變值的應力值不同；隨著材料密度的增大，對應同一應變的應力值在不斷加大，硬化點在不斷提前。

(5)EPS材料的基本力學指標。基于室內試驗[13]，獲得了EPS材料的基本力學指標的取值范圍見表1所示。

表1 EPS材料的基本力學性能[13]

3 礦井井筒中EPS材料的減荷效應

EPS材料在礦井井筒中的應用，工程實踐先于理論研究。大屯孔莊礦風井，深250 m，該井首次在外壁和井幫之間鋪設一層30 mm厚泡沫塑料，設計時井壁承受的壓力按減少20%計算。淮北桃園煤礦主、副井，穿過表土層289.5 m，該井在井壁和井幫之間墊一層75 mm厚的EPS泡沫，設計時凍結壓力按減少0.4 MPa計算[14]。兩個工程案例均采用泡沫塑料可縮性井壁，但由于當時沒有這方面的計算理論，設計時凍結壓力一個比常規壓力減少20%，一個減少13.3%。出于安全考慮，是可以理解的，但缺乏理論依據和實測數據。

何積善[15]開始研究這種泡沫塑料可縮性井壁，將井幫的厚度看作無限大，在垂直和水平壓力作用下內壁有一確定的變位，利用軸對稱荷載作用下厚壁筒的計算公式，推導了井壁上的壓力公式和應力公式，如下：

(1)

(2)

(3)

預留值u難以準確確定，但理想的u應是在井幫穩定條件下，井壁所受壓力最小。何積善關于預留值u這一論述實際上就是目前學術界和工程界比較流行的現代予力技術中的“預位移”技術[16]。

楊永敏[17]在礦井建設實踐中，為了探索泡沫塑料板作為可縮保溫層對外層井壁凍結壓力的影響，在淮南謝橋矸石井垂深237 m處的粘土層中作了實測研究，見圖4。實測結果表明：①加了泡沫塑料板的外層井壁，塑料板可縮時井壁受力很小。當塑料板受凍結壁擠壓緊密后， 井壁受力立即增大，并隨即達到最大值。②加泡沫塑料板后，外層井壁處于正常的溫度、含水量、無壓條件下養護，可延緩高峰壓力出現的時間，避免了混凝土井壁在初凝期就承受巨大的凍結壓力。

圖4 謝橋矸石井粘土層凍土壓力實測曲線[17]Fig.4 Testing curve of frozen soil pressure in Xieqiao well[17]

賴應得[18]在國內首次應用能量學原理來考慮井筒井壁問題，創造并發展了基于文克爾假定的能量支護學[19]，推導了圍巖和支護的能量平衡方程，提出用于釋放能量的可縮性材料的選擇原則(一定的抗壓強度、一定的彈性、一定的抗沖擊振動能力、耐酸堿、抗腐蝕性能和保溫性能)，并指出EPS材料是各種可縮性材料的首選。其他學者在研究凍結壁和井壁時，也發現了泡沫塑料層的減荷效果。崔廣心、楊維好等[20]提出：“外層井壁和凍結壁之間墊泡沫塑料以25～75 mm為宜，起降低傳冷(隔熱)作用，也可防止混凝土析水被凍結成為凍害，同時由于凍結壁徑向變形壓縮，泡沫塑料層能起到緩和凍結壓力的作為。粘土層使用效果較明顯。”

圖5為EPS泡沫塑料可縮性井壁的設計實例[20]。計算結果表明，這種釋放能量的可縮性井壁結構，適用凍結深度大、穿過粘土和鈣質粘土凍結能量和凍結壓力均大的凍結井筒，其經濟效益相當可觀。

圖5 泡沫塑料可縮性井壁示意圖[20]Fig.5 Schematic plot of shrink tier well wall used EPS[20]

礦井井筒中EPS材料的減荷機理可用能量學原理加以詮釋：支護形式和支護強度確定之后，吸收的支護能量基本確定，所以井筒凍結壁的位移越大，釋放凍能越多，圍巖對支護的壓力就越小，支護結構便可以設計得越薄。但是能量不能釋放過多，位移過大，會危及凍結管的安全。利用能量支護原理，采用EPS泡沫材料作為井壁和凍結壁之間的緩沖材料，設計可縮性井壁結構，使支護既有一定強度，以吸收圍巖的一部份能量，又可縮，以釋放多余的能量。當凍能大于支護吸收能量時，釋放多余的能量；凍能小于支護吸收的能量，支護不收縮，不釋放能量。這樣，支護既不被壓壞，又能維護井筒空間。

4 填土涵洞中EPS材料的減荷效應

隨著我國高等級公路建設的迅猛發展，特別是向重丘和山嶺區的延伸，高填土路堤下涵洞(或涵管)的受力、變形、沉降與開裂問題引起了工程界的普遍關注。如何正確計算涵洞的實際受力，以及采取何種工程措施減小洞周土壓力具有重要的研究意義。

顧安全指出一些設計部門采用了計算值偏小的公式或經驗曲線計算涵洞頂的垂直土壓力，是開裂病害產生的主要原因。他在國內首次發現采用柔性材料作為涵洞頂填料，可以改變洞頂應力集中現象。通過多組實驗證明了柔性材料具有明顯的減荷效應，以此提出了采取減荷措施的垂直土壓力計算公式[21]。關于柔性材料的選取，Sladen J A[22]指出，EPS泡沫便是最佳選擇。白冰[6]的模型試驗發現：在填土較低的情況下，使用EPS顆粒比EPS板材減壓效果更為明顯，采用EPS顆粒情況下側向土壓系數K最小可達到0.3。

王曉謀[23]基于顧安全的思想，進行了用海棉來模擬EPS材料鋪設在涵洞上的室內模型試驗，研究了不同厚度、不同變形模量海綿的減荷效果。試驗結果表明：海綿的厚度(h*值)越大，減荷效果越好，但是隨著填土高度H的增加，減荷效果會迅速衰減，見圖6。此外，海綿的變形模量E值越小，減荷效果越顯著，但隨著填土的增高，減荷效果同樣迅速衰減。

圖6 不同厚度海綿的減荷試驗結果[23]Fig.6 Load reducing test results of different thickness of the sponge[23]

金濱[24]認為，要達到經濟和技術均佳的減荷效果，EPS材料的壓縮強度和鋪設厚度至關重要，而EPS材料的選擇又取決于填土高度、涵洞高度等參數。

郭婷婷[25]、顧安全[26]結合四川南廣高速填土涵洞工程實例，進行了涵頂與涵側同時鋪設柔性材料 EPS 板的減荷效果試驗對比。實測結果驗證了EPS材料的顯著減荷效果，并且EPS 板厚度越大，洞頂和洞側的土壓力越小。顧安全[27]根據以往EPS 板的現場減荷試驗成果和涵洞土壓力理論公式，建立了簡明的 EPS 板減荷設計方法，主要包括涵洞頂和涵側EPS板密度和厚度的確定，EPS 板切割、鋪設以及施工要點。

已有理論分析成果、模型試驗和現場實測結論解釋了EPS材料應用于填土涵洞的減荷機理：剛性涵洞近乎于不可壓縮，而兩側與涵洞同高填土層可以壓縮，導致涵洞兩側外土柱沉降大于涵頂內土柱沉降，在涵頂平面內外土柱間出現沉降差+δ，于是在填土施工期間及后期固結過程中，涵洞兩側外土柱對內土柱產生向下的摩擦力(即附加土壓力)，從而使涵頂垂直土壓力大于涵頂內土柱自重壓力。為此，在涵頂鋪設一定厚度的壓縮性大于填土的EPS柔性材料，促使涵頂平面內外土柱間的沉降差為-δ，于是外土柱對內土柱產生向上的有利摩阻力，從而使涵頂垂直土壓力小于內土柱自重壓力。在土力學中，把這類移動的土體將部分自重壓力通過摩擦力的形式轉嫁給相對靜止的土體，從而使移動土體向下的壓力減小的這一現象，稱之為土拱效應。

5 擋土結構中EPS材料的減荷效應

擋土結構所受土壓力的大小和計算理論，一直是土力學中的熱點和難點問題。隨著土工合成材料的迅速發展，國外學者發現在擋土結構和填土之間布設一定厚度的可壓縮土工合成材料作為緩沖層，可以降低擋土結構所受土壓力[28]。

Horvath認為EPS泡沫具有輕質、壓縮性高、穩定性好、耐久性長、吸濕性低、隔熱保溫效果好等優點，是一種理想的降低側向土壓力的緩沖材料，并創造性提出了基于EPS泡沫減壓效應的減壓擋土墻(Reduced Earth Pressure Wall, REP-Wall)[29-31]。張小平[32]也認為用輕質泡沫材料作為擋土墻后的填料，可減少豎向荷載，同時輕質材料是一種很好的膠結材料，它不產生側向荷載，可減少沉降。

關于EPS泡沫的減荷效果，Murphy G[33]、葛折圣[34]、Zarnani S[35]、崔曉東[36]、汪益敏[37]、韋杰[38]、Trandafir A C[39.40]、Ertugrul O L[41,42]、Zekkos A A[43]等開展了大量的模型試驗和數值模擬研究。結果表明：無論是靜荷載還是動荷載、剛性墻還是柔性墻，使用EPS泡沫作為緩沖層都起到顯著的減壓效果，側向土壓力減小幅度可達30～60%，且與EPS的厚度、壓縮模量密切相關。從工程經濟學角度分析發現，對于3～12 m高重力式擋墻，采用10 cm厚EPS泡沫作為緩沖層，大約能減少工程造價28%左右，可見其經濟效益十分顯著[44]。

將EPS泡沫作為擋土結構和填土之間的緩沖層，其減壓原理如下：

根據土壓力理論，擋土墻后的土壓力與墻體位移密切關系，如圖7所示。當墻體沒有側向移動時，作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力E0；墻體向填土方向移動，墻后土體發生擠壓，當位移量達到被動極限平衡狀態位移Δp時，墻后填土臨近破壞狀態，此時作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力Ep，即土壓力的最大值；墻體背向填土移動，墻后土體因側限放松而有下滑趨勢，土內潛在滑動面剪應力增加，土的抗剪強度得以發揮，土壓力隨墻體移動而減小，當位移量達到主動極限狀態位移Δa時，墻后填土臨近破壞，此時作用在擋土墻上的土壓力稱為主動土壓力Ea，即土壓力的最小值[45]。

圖7 土壓力與擋墻位移關系Fig.7 Relation of soil pressure and displacement of the wall

如果給擋土墻一定的離開土體方向的位移量，那么作用在墻體上的土壓力將減小，利用這一點，將EPS板的壓縮變形視為擋土結構背向填土方向產生的位移，則作用在擋土結構上的土壓力可接近或達到主動狀態，其值遠小于靜止土壓力。

6 結 語

通過上文的分析可以得知，EPS作為一種減荷材料，在國內外逐漸引起工程界和學術界的重視，并在礦井、涵洞以及擋土結構中得以成功應用。但由于EPS材料本身性能的復雜性以及研究方法的局限性，在使用過程中尚有許多需要解決的問題。而且在不同的工程應用中，EPS材料所表現的減荷效應也不盡相同。

針對礦井井筒中EPS材料的減荷效應及機理研究，今后可從以下幾個方面開展深入研究：

(1)高應力條件下EPS材料的變形特性

在礦井井筒的外井壁和凍結壁(井幫)之間使用EPS作為減壓材料，EPS在高應力條件下的壓縮性能、蠕變性能等變形特性需要進一步明確。

(2)復雜環境中EPS材料的熱力性能

礦井井筒處于惡劣的工程環境之中，十分必要研究地下水、溫度變化以及水熱力耦合作用下EPS材料的含水率、滲透性、抗壓性能、抗剪性能、導熱性能。

(3)巖土-EPS-井壁相互作用

基于相互作用理論，探討EPS與巖土、EPS與井壁界面的接觸性狀和力學響應，從而分析其減荷效應，此外，由于含水層疏水，引起上覆土體下沉，使井壁產生向下的豎直附加力，故需研究EPS材料的存在對豎直附加力的影響。

(4)EPS材料減荷效應的試驗驗證

創新研究方法，采用模型試驗、數值試驗等手段，驗證礦井井筒中EPS材料的減荷效應，分析其影響因素，根據試驗結論提出井壁受力計算的經驗公式。

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(編輯 吳 琛)

Reviews of Load-Reduction Mechanism andEngineering Application of EPS Materials

LIU Yuyi1,2, CONG Weimin3, SU Yunhe1,SHE Yuexin1,YANG Qin1, PAN Xin1,TANG Qi1

(1.Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223001, China)(2. State Key Laboratory for Geomechenics and Deep Underground Engineering, China University of Mining& Technology, Xuzhou 221008, China)(3. Department of Construction Plan Examination of Huaian, Huaian 223001, China)

U449

A

1674-3962(2017)09-0681-07

2016-05-04

住房與城鄉建設部科技項目(2014-K3-030)；江蘇省 政策引導類計劃(產學研合作)項目(BY2016061-12)； 江蘇省建設系統科技項目(2015ZD01)

劉宇翼，男，1982年生，博士，講師

佘躍心，男，1963年生，教授，碩士生導師， Email:y.x.she1963@163.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.09.11