動荷載下EPS顆粒混合輕量土的動強度特性試驗研究

董 理，侯天順,，駱亞生，Sibel Pamukcu

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 里海大學土木與環境工程系，美國 賓夕法尼亞州伯利恒市 18015)

輕量土是指由原料土、輕質材料、固化劑和水按照一定的配比混合而成的混合土[1]。根據輕質材料的不同，一般分為聚苯乙烯(expanded polystyrene，簡稱EPS)混合輕量土、氣泡混合輕量土、次生材料混合輕量土等[2]。在這些原料的共同作用下，輕量土具有環保、輕質、強度高、可塑性強、密度與強度可調節以及隔熱性好的特點[3]。原料土一般選用砂、黏土或者疏浚淤泥[1,4]。水選用自來水或無污染的江河水。輕質材料目前應用較多的是EPS顆粒，主要影響混合土的密度，實際生產應用中選取3～5 mm的EPS球粒[5]。固化劑選用水泥，主要影響混合土的強度。因此，該輕量土又稱作EPS顆粒混合輕量土。朱偉等[4]通過無側限抗壓試驗對混合土進行研究，發現混合土抗壓強度隨著水泥摻入量的增大而增大，隨著EPS顆粒摻入量的增大而減小。

目前關于EPS顆粒混合輕量土動力特性的研究較少。高玉峰[1]、黎冰等[6]通過室內動三軸試驗對輕質土的變形特性進行研究，主要分析圍壓、水泥摻入比以及EPS顆粒摻入比對輕質土動變形特性的影響。王庶懋等[7]通過動三軸試驗對砂土與EPS顆粒混合輕質土的強度標準進行研究，將混合土在動荷載作用下所產生的最大壓應變作為破壞應變。黎冰等[8]研究了不同振動頻率對黏土與EPS顆粒混合輕質土的影響，試驗結果表明振動頻率降低，試樣的軸向動應變增大，動強度減小。關于EPS顆粒混合輕量土的動力特性缺少系統全面的研究，尤其是關于EPS顆粒混合輕量土動強度特性的研究。

因此，本文選取陜西扶風地區黃土作為原料土制備EPS顆粒混合輕量土，進行動三軸試驗。研究EPS顆粒摻入比、水泥摻入比和圍壓等因素對EPS顆粒混合輕量土動強度特性的影響。

1 試驗材料方法

1.1 試樣材料

EPS顆粒混合輕量土是由黃土、EPS顆粒、水泥和水混合攪拌而成的。本次試驗原料土為陜西扶風地區黃土，取土深度8～10 m，呈黃褐色，屬Q3黃土，其物理力學性質指標如表1所示。所用EPS顆粒為球粒狀，粒徑3～5 mm，堆積密度0.008 7 g/cm3，純顆粒密度0.013 7 g/cm3。固化劑采用盾石牌冀東普通硅酸鹽水泥，強度等級32.5。試驗用水選用自來水。

表1 陜西扶風地區黃土的物理性質Tab.1 Physical properties of Fufeng loess in Shaanxi area

1.2 試樣制備

相比較一般的土樣而言，EPS顆粒混合輕量土的組成成分較為復雜。在此主要研究水泥與EPS顆粒對EPS顆粒混合輕量土動強度特性的影響。為了便于試驗研究，在此定義水泥摻入比和EPS顆粒摻入比這兩個變量。本文試樣的密度采用理想密度模型進行預測[2]，試驗以干土質量ms作為標準，水泥摻入比ac=mc/ms×100%，EPS顆粒摻入比ae=me/ms×100%，其中mc為水泥質量；me為EPS顆粒質量。

制備EPS顆粒混合輕量土試樣時，如表2所設計的配比。按照黃土、水泥、水、EPS顆粒這樣的順序放入容器中進行攪拌，使其混合均勻。把混合土裝入直徑為39.1 mm、高為80.0 mm的三瓣模中。為了方便脫模，事先在內壁套上一層保鮮袋，在澆注的過程中要盡可能的搗實，底面為光滑干凈的玻璃片。然后做好標簽將其放入標準養護箱內養護24 h后脫模，脫模后繼續放在標準養護箱內養護[9]。養護至預定齡期28 d后，將試樣抽真空2 h進行飽和，然后放入水中浸泡24 h后進行動三軸試驗。

表2 試驗方案Tab.2 Test schemes

注：土的含水率是指制備試樣的時候，摻入水泥之前，水的質量和干土質量的比值。

對于重塑黃土試樣，采用三軸擊實儀分3層進行擊實制樣[10]。制樣時其單位體積擊實功能為592.2 kJ/m3，統一每層錘擊次數為23次。控制重塑黃土試樣的最優含水率為20.95%，干密度為1.60 g/cm3。將試樣放入飽和器中，在抽氣缸中抽真空2 h，然后置于水中浸泡24 h進行動三軸試驗。

1.3 試驗方法

本試驗是在西安力創材料檢測技術有限公司生產的STD-20型土動三軸試驗機上進行。為了研究EPS顆粒混合輕量土的動強度特性，采用固結不排水試驗，分別對不同配比的EPS顆粒混合輕量土進行動三軸試驗。首先，打開閥門，施加圍壓進行排水固結，固結應力比為1.0。固結結束后，關閉排水閥門，施加波形為正弦波的循環荷載，加載頻率為1.0 Hz。在試驗過程中根據不同的試驗條件，預先設置動荷載大小(以5 kPa為最小單位調整動荷載大小，進行重復試驗，從而使動應力與破壞振次的點較為分散)，直到試樣破壞停止加荷。

2 破壞標準的確定

動強度是在一定動荷載往返作用次數N下土體產生某一指定破壞應變εd或滿足某一破壞標準所需要的動應力[11]。常用破壞標準包括孔壓標準、屈服標準和應變標準。因此，動強度數值的大小與指定的破壞應變或破壞標準有著密切的關系。本次試驗采用抽真空浸水飽和，將試樣從水中拿出時會有大量的水流出，EPS顆粒混合輕量土不能夠達到飽和狀態。已有研究表明，由于EPS顆粒混合輕量土中孔隙發達，各種不同的孔隙分布較為廣泛，因而采用抽真空浸水飽和、反壓飽和或者二氧化碳通水飽和，EPS顆粒混合輕量土均不能夠達到飽和狀態，所以EPS顆粒混合輕量土不滿足孔壓破壞標準的適用條件[12]。

如圖1所示為不同配比下EPS顆粒混合輕量土以及重塑黃土的動應變與加載次數的關系曲線。由圖1可以看出，不同配比的EPS顆粒混合輕量土動應變變化比較穩定。隨著振動次數的增大，EPS顆粒混合輕量土的動應變主要分為兩個階段：第一階段，EPS顆粒混合輕量土的動應變包含壓應變和拉應變，其中壓應變較小，拉應變較大。在動荷載作用起始階段，加載周數較少，由于水泥水化物的膠結作用，從而試樣具有較好的抗壓性能，因此在動荷載作用下EPS顆粒混合輕量土的壓應變較小，而且增長比較緩慢。另外，在試驗中發現，當動荷載施加較大時，橡皮膜拉伸幅度很大，有的甚至在試驗過程中破裂。等到試驗結束后，可以觀察到試樣未產生明顯的破壞并且具有較高的強度，而且試樣一開始所產生的拉應變基本接近定值未發生變化，因此認為該拉應變存在一部分是由橡皮膜拉伸所產生的[7]。第二階段，EPS顆粒混合輕量土的壓應變增長幅度有所提升且穩定增長，拉應變明顯小于壓應變，或者不產生拉應變。隨著振動周數的增加，不同配比的EPS顆粒混合土試樣在不同的圍壓下所產生的壓應變明顯大于拉應變，表現出明顯的偏壓情況。水泥摻入比為15%的試樣所產生的偏壓程度明顯大于水泥摻入比為10%的試樣所產生的偏壓程度。此現象主要是由于水泥含量的不同引起的，當水泥摻入比較大時，試樣內部的顆粒黏結得更加緊密，從而不容易產生拉應變。

圖1 不同配比下EPS顆粒混合輕量土以及重塑黃土的εd～N曲線Fig.1 εd～N curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various mixed ratio

考慮到EPS顆粒混合輕量土在動荷載作用過程中，雖然變形分為兩個階段，但兩個階段銜接比較平穩且沒有出現變形急速陡轉的情況，隨著振動次數的增加，EPS顆粒混合輕量土產生的壓應變逐漸大于拉應變，表現出明顯的偏壓現象。同時觀察試驗現象，在動荷載作用下未出現明顯的剪切破壞面，因此采用應變破壞標準。對于這類土體進行研究，通常選擇軸向總應變或者單軸應變到達2.5%、5%、10%或20%作為破壞標準[13]。

如圖1所示，當EPS顆粒混合輕量土的壓應變為2.5%時，壓應變與加載次數的關系曲線比較平緩，試樣并未產生較大變形，不能夠充分發揮EPS顆粒混合輕量土的強度。另外，試驗中設置EPS顆粒混合輕量土破壞標準為10%時，包裹EPS顆粒混合輕量土的橡膠膜易破裂，試樣應變無法達到10%，而且隨著加載次數的增加，壓應變的變化更加顯著，即壓應變與加載次數關系曲線更陡。所以若選取壓應變為10%或20%作為破壞標準偏于不安全。結合工程實際，EPS顆粒混合輕量土一般用于公路工程，有著較高的變形要求[14]。因此本試驗選擇5%壓應變作為EPS顆粒混合輕量土的破壞標準，進而分析研究其動強度特性。

比較圖1(i)～圖1(l)所示重塑黃土的動應變與加載次數的關系曲線。可以發現在動荷載作用下，重塑黃土的動應變增大是逐漸變化的且沒有明顯的突變點，因此不能采用屈服標準，否則人為主觀因素將會影響試驗結果[15]。而且在試驗過程中孔隙水壓力變化較小，所以無法使用孔壓標準。重塑黃土和EPS顆粒混混合輕量土的動應變與加載次數關系曲線情況相似，不同的是重塑黃土所表現的動應變狀態為拉應變與壓應變基本對稱，因此重塑黃土可以選取5%拉應變或壓應變作為破壞標準。為了便于將重塑黃土的動強度特性與EPS顆粒混合輕量土的動強度特性進行比較，所以同樣采用5%壓應變作為重塑黃土的破壞標準。

3 試驗結果與分析

根據5%壓應變的破壞標準，選取對應的動應力以及振動次數分別作為動強度和破壞振次。用動應力σd與達到破壞標準時的振動次數Nf的關系曲線表示EPS顆粒混合輕量土的動強度變化，其中用σd表示試驗過程中的作用動應力，Nf表示達到破壞標準時的破壞振次。

3.1 圍壓的影響

不同圍壓下EPS顆粒混合輕量土與重塑黃土的動強度曲線如圖2所示。可以發現：隨著圍壓的增大，EPS顆粒混合輕量土和重塑黃土的動強度均增大，而且重塑黃土動強度曲線的斜率絕對值大于EPS顆粒混合輕量土動強度曲線的斜率絕對值。本次試驗選取了4個圍壓，在50～200 kPa范圍內，圍壓每增大50 kPa，則EPS顆粒混合輕量土動強度增大的幅度為7.9%～21.9%，重塑黃土動強度增大的幅度為35.6%～40.6%。

圖2 不同圍壓下EPS顆粒混合輕量土以及重塑黃土的動強度曲線Fig.2 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various confining pressure

這是因為在圍壓的作用下，土體顆粒擠密，土體中的孔隙減小，從而使土體抵抗外部荷載的能力有所提高。另外，EPS顆粒混合輕量土中含有一定量的水泥，混合土體中的水與水泥發生水化反應產生一定量的水泥水化物，包括硅酸鈣凝膠C-S-H和氫氧化鈣晶體Ca(OH)2等。這些水化物一方面將土顆粒和EPS顆粒包裹并黏結在一起，從而增大了混合土體的黏結力。另一方面水化物可以將混合土中的孔隙填密，從而使得混合土體更加密實。在這兩方面的共同作用下，EPS顆粒混合輕量土具有很好的結構性，因此相對于重塑黃土，圍壓對EPS顆粒混合輕量土的動強度影響程度較小。需要指出，對于EPS顆粒摻入比為1.31%的試樣，EPS顆粒占據試樣的體積比可化簡為50%，水泥對于試樣內的顆粒包裹不夠充分，試樣強度較低，而且在固結加壓的過程中，軸向荷載和徑向圍壓不是同時施加，存在一定的時間差，當固結圍壓設定為150、200 kPa時，試樣軸向變形明顯增大，內部的孔隙已經貫通，在施加不同大小的動荷載時，試樣均在振動次數10以內達到破壞標準，儀器停止試驗。

3.2 EPS顆粒含量的影響

不同EPS顆粒摻入比的EPS混合輕量土與重塑黃土的動強度曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在相同的破壞振次條件下，隨著EPS顆粒摻入比的增大， EPS混合輕量土的動強度減小。進一步分析可以發現：①在其他條件相同的情況下，當EPS顆粒摻入比由0.14%增大到1.31%時，EPS顆粒混合輕量土的動強度減小幅度為14.50%～70.47%。其中當EPS顆粒摻入比由0.54%增大到0.86%時，EPS顆粒混合輕量土的動強度急劇下降。②與重塑黃土作對比，不同配比的EPS顆粒混合輕量土的動強度均有大幅度增加，提升幅度為20.8%～232.9%。

造成上述現象是因為當EPS顆粒摻入比較小時，所占土體體積較小，水泥土能夠充分地將其包裹，從而形成孔隙比較小的混合土，強度較高。而隨著EPS顆粒摻入比的逐漸增大，其所占土體體積也在逐步增大，水泥含量一定時，將會造成一定量的EPS顆粒直接接觸，使得土體孔隙比增大，強度降低。另外，由于EPS顆粒混合輕量土中含有一定量的水泥，水泥水化作用產生的一系列物質對混合土的結構有一定的加固作用。本文所制備的重塑黃土經過抽真空且浸水飽和后，黃土顆粒之間的黏結力減小。因此在圖3表現為EPS顆粒混合輕量土的動強度均大于重塑黃土的動強度。

3.3 水泥含量的影響

不同水泥摻入比的EPS顆粒混合輕量土與重塑黃土的動強度曲線如圖4所示。可以發現：在相同振次條件下，隨著水泥摻入比的增大，EPS顆粒混合輕量土的動強度增大，且不同水泥摻入比的EPS顆粒混合輕量土的動強度均大于重塑黃土動強度。其中，當水泥摻入比由10%增大到15%時，EPS顆粒混合輕量土的動強度增長幅度為49%～55.7%，當水泥摻入比由15%增大到20%時，EPS顆粒混合輕量土的動強度增長幅度為19.3%～23.2%。相比較于重塑黃土，當EPS顆粒摻入比為0.86%時，不同水泥摻入比的EPS顆粒混合輕量土的動強度增長幅度為20.8%～247.5%。

圖3 不同EPS摻入比下EPS顆粒混合輕量土以及重塑黃土的動強度曲線(ac=10%)Fig.3 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various EPS contents(ac=10%)

圖4 不同水泥摻入比下EPS顆粒混合輕量土以及重塑黃土的動強度曲線(ae=0.86%)Fig.4 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various cement contents(ae=0.86%)

以上現象是由于EPS顆粒混合輕量土中的水泥在與水、原料土進行拌和時，水化產生硅酸鈣凝膠C-S-H和氫氧化鈣晶體Ca(OH)2等水化物，其中硅酸鈣凝膠C-S-H水化物的膠結作用是構成混合土強度的主要因素。當EPS顆粒混合輕量土中的水泥摻入比較大時，即混合土孔隙水中的Ca2+、OH+含量較多或處于過飽和狀態時，一方面根據硅酸鈣凝膠C-S-H生成的熱力學平衡式6Ca2++5HSiO-+7OH-→6CaO·5SiO2·6H2O(簡稱C-S-H)可知，硅酸鈣凝膠C-S-H等水化物不受其他因素影響繼續生成。另一方面土顆粒中的活性材料將與氫氧化鈣晶體Ca(OH)2進行硬凝反應，生成硅酸鈣凝膠C-S-H水化物[16]。而且，水泥在攪拌過程中發生水解反應以及水化反應，在EPS顆粒和原料土顆粒之間產生一定量的鈣釩石晶體顆粒等水泥水化物，將EPS顆粒混合輕量土顆粒之間的孔隙填充，使得孔隙減小。因此，隨著水泥摻入比的增大，EPS顆粒混合輕量土的動強度增大。

4 結 語

(1)在對不同配比的EPS顆粒混合輕量土的εd～N曲線進行分析的基礎上，確定以5%壓應變作為EPS顆粒混合輕量土的破壞標準。

(2)EPS顆粒混合輕量土隨著動荷載的增大，達到破壞標準的振動次數逐漸減少。

(3)EPS顆粒混合輕量土的動強度隨著EPS顆粒摻入量的增大而減小，而隨著水泥摻入量的增大而增大，且不同配比的EPS顆粒混合輕量土的動強度均大于本次試驗所制備的重塑黃土動強度。與本次試驗所制備的重塑黃土動強度進行比較，不同配比的EPS顆粒混合輕量土的動強度增大幅度為20.8%～232.9%。

(4)EPS顆粒混合輕量土的動強度均隨著圍壓的增大而增大。在50～200 kPa范圍內，圍壓每增大50 kPa，則EPS顆粒混合輕量土動強度增大的幅度為7.9%～21.9%。

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