纖維EPS輕質土抗壓與動變形性能分析

［摘 要］ 通過無側限抗壓強度試驗與動三軸試驗研究EPS摻量、纖維摻量以及水泥摻量對纖維EPS輕質土力學特性的影響。結果表明：纖維EPS輕質土的無側限抗壓強度和水泥摻量呈正相關，和EPS摻量呈負相關。纖維的加入提高了試樣的無側限抗壓強度峰值、殘余強度和整體性。纖維摻量大于0.3%時，提升效果減弱。纖維EPS輕質土的動應力應變曲線表現為非線性上升；相同動應力和圍壓下，EPS摻量越大，試樣的動應變越大；動彈性模量隨EPS摻量增加而降低，隨動應力的增加逐漸降低，圍壓的升高增加了試樣的剛度。

［關鍵詞］ 輕質土； 無側限抗壓強度； 動三軸； 動彈性模量

［中圖分類號］ TU411.6 ［文獻標識碼］ A

EPS輕質土是一種由EPS顆粒、固化劑、原料土和水混合制成的復合土工材料[1]。其特點為輕質高強，保溫抗震。EPS顆粒本身密度小，質量輕，由廢棄塑料泡沫回收制造，可以緩解環境壓力，是一種環境友好型材料；水泥的加入使得輕質土有足夠的強度；原料土為工程棄土，工程應用時方便就地取材；輕質土作為工程填土材料時可以減輕地基承擔的豎向壓力；以上的優點讓輕質土有廣泛的應用前景，挪威、日本等國已經有具體的工程應用實例[2]。

目前國內對于輕質土的研究已經取得了一些成果。湯峻等[3]等通過無側限抗壓強度試驗研究了壓實條件與含水率對EPS輕質土密度和強度的影響；結果表明：合適的壓實次數和最優含水量能夠使試樣的強度達到最大值。辛凌等[4]等通過無側限抗壓強度試驗和微觀研究，研究了加入橡膠顆粒輕質土的受力特性及微觀特性；結果表明：應力應變曲線都表現為軟化型，并總結受力過程中壓密、彈性變形、塑性變形和軟化的4個階段。莊心善等[5]等通過無側限抗壓強度試驗和靜三軸試驗研究不同纖維添加量、EPS添加量、水泥添加量對輕質土抗壓和抗裂性能的影響；結果表明：輕質土的無側限抗壓強度隨著EPS顆粒的增加而下降，伴隨水泥的增加而上升；摻加適量纖維能夠增加輕質土的無側限抗壓強度。何奇寶等[6]通過室內動三軸試驗研究水泥含量、EPS含量、圍壓對EPS輕質土的動變形特性影響規律；結果表明：水泥含量對輕質土的動變形特性影響相對較大。水泥含量較低情況下，EPS含量對輕質土動變形性能影響相對較小；水泥含量較高時，EPS含量對輕質土動變形特性影響相對較大。輕質土的動彈性模量都因為動應變的增大而降低。粘土的動彈性模量下降速度變大，而輕質土的動模量衰減速度降低。

目前對于纖維EPS輕質土動變形特性方面的研究較少，本文將通過無側限抗壓強度試驗及室內動三軸試驗研究水泥摻量、EPS摻量和纖維摻量對于輕質土力學行為的影響并分析受力及破壞機理。為纖維EPS輕質土在工程當中的實際應用提供參考依據。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

原料土取自武漢市某工地，為距離地表4 m的黏土，原料土的性質見表1。EPS塑料顆粒的直徑為1～2 mm，純顆粒密度為0.024 g·cm-3，堆積密度為0.02～0.04 g·cm-3。水泥為42.5級的硅酸鹽水泥。纖維的性質見表2。試驗用水選自來水。

1.2 試樣制備與試驗方案

EPS摻量、水泥摻量、纖維摻量以及含水率都以干土質量為基準計算，EPS摻量設定為1%、2%、3%、4%，水泥摻量設定為3%、6%、9%，纖維摻量設定為0%、0.1%、0.2%、0.3%以及0.4%，含水率為30%。原料土在烘箱中以105°C烘干，用攪土機攪碎后過2 mm篩；將原料土和水泥攪拌在一起，攪拌完成后加入自來水，繼續攪拌至水泥土均勻；隨后加入EPS顆粒與纖維，纖維分多次加入，以免出現纖維積聚現象，使試樣出現薄弱處，影響試樣的強度。將輕質土裝入三瓣膜中分3層擊實，每層25擊，試樣直徑39.1 mm，高度80 mm。之后試樣在恒溫恒濕環境下養護28 d，養護結束進行無側限抗壓強度試驗，試驗儀器為全自動無側限壓力儀，下壓速率設置為1 mm/min。

動三軸試驗選取纖維摻量為0.3%、水泥摻量為6%，EPS摻量分別為2%、3%的兩組試樣在圍壓50、100、150 kPa下進行動荷載試驗，模擬真實場景下輕質土作為路基填土時的受力情況。試驗儀器為英國GDS真/動三軸儀，如圖1所示。在試驗前，使用真空泵對試樣抽真空飽和，之后裝入動三軸儀器中反壓飽和，接著在所選的圍壓下固結8 h以上；試驗時的加載波形設置為正弦波，頻率設置1 Hz[7]；動應力幅值σd起始值為10 kPa，分12個振級每級遞增10 kPa進行加載至120 kPa每個振級循環振動10次，加載至12級循環振動結束試驗終止。最終得到三種圍壓、兩種EPS摻量下的滯回曲線。

2 試驗結果與分析

2.1 EPS摻量與水泥摻量對輕質土密度的影響

試樣中纖維的質量分數比過小，因此密度分析時忽略纖維的因素，密度試驗固定纖維摻量為0.2%，水泥摻量為3%、6%、9%，EPS摻量為1%、2%、3%、4%。由圖2可知：輕質土的密度區間在0.926～1.51 g/cm3，均小于土體的天然密度。水泥摻量為3%、6%、9%時，EPS摻量從1%增加至4%，輕質土密度分別降低了37%、38%、35.7%。可見EPS摻量對輕質土密度有較大影響。EPS摻量相同時，不同水泥摻量下的試樣密度變化很小，可以看出，水泥對輕質土密度影響較小，明顯弱于EPS摻量。在試樣體積相同的條件下，添加EPS顆粒后輕質土密度下降，體現了輕質土輕質的特性。

2.2 EPS摻量對輕質土無側限抗壓強度的影響規律分析

圖3為纖維摻量為0.2%時，不同EPS摻量下的無側限抗壓強度曲線；隨著EPS摻量的增加，應力應變曲線非線性下降。水泥摻量越大，曲線下降速度越快，EPS摻量對纖維EPS輕質土無側限抗壓強度的影響越大。水泥摻量為6%時，EPS摻量從1%增加至4%，無側限抗壓強度從737 kPa下降到了283 kPa，下降幅度為61.6%。強度下降的原因是EPS顆粒本身為空腔結構，相對水泥土強度較低；EPS摻量的增加，導致EPS顆粒在試樣中的體積占比增大，水泥土的體積占比降低，試樣中的孔隙增多。水泥土承擔著大部分的軸向應力，水泥土減少，試樣能夠承擔的軸向應力降低。

2.3 水泥摻量對輕質土無側限抗壓強度的影響規律分析

圖4為纖維摻量為0.2%時，不同水泥摻量下的無側限抗壓強度曲線；隨著水泥摻量的增加，無側限抗壓強度變大；其中EPS摻量為1%和2%的抗壓強度上升較快，EPS摻量為3%和4%的抗壓強度呈非線性上升，上升速度較慢。EPS摻量為2%時，水泥摻量從3%增加至9%，無側限抗壓強度從190 kPa增加到了1000 kPa，上升幅度為426.3%。EPS摻量較小時，水泥摻量的增加明顯增強了纖維EPS輕質土的無側限抗壓強度；當EPS摻量超過2%時，水泥摻量的增加對試樣強度的增強作用明顯減弱。當水泥摻量為3%時，不同EPS摻量的試樣強度變化不大，此時的水泥摻量過小，導致水泥的粘結作用大大減弱。水泥增強輕質土強度的主要原因是：水泥在輕質土中通過水泥水化反應，利用產生的膠結物質將黏土顆粒和EPS顆粒粘結在一起[8]；水泥摻量越高，水泥遇水發生水化反應時產生的膠結物質越多，土顆粒之間、EPS顆粒表面與纖維之間的膠結物質越多，三者之間粘聚力越大。膠結物質同時能夠填充在試樣的孔隙之中，降低了試樣的孔隙率，使得抗壓強度提高。

2.4 纖維摻量對輕質土無側限抗壓強度的影響規律分析

圖5為EPS摻量為2%時，不同纖維摻量下的抗壓強度曲線；纖維EPS輕質土的無側限抗壓強度伴著纖維摻量的增多而變大，在纖維摻量為0.3%時達到峰值；水泥摻量為6%時，纖維摻量0.3%的試樣相較于沒有摻加纖維的試樣，無側限抗壓強度從485 kPa增加到了550kPa，上升幅度為13.4%。纖維摻量增加到0.4%時，三條曲線開始出現下降趨勢；可以認為，無側限抗壓強度不是單一地伴著纖維摻量的變多而上升。纖維摻量為0的試樣在達到屈服強度后，強度大幅度下降，試樣出現貫穿式裂縫，應變繼續增加，試樣不斷有塊體掉落，繼續受力試樣徹底破壞；摻加纖維的試樣破壞后出現多處裂縫，試樣膨脹式開裂，但沒有出現掉塊現象，試樣整體性好。圖6為從左到右依次為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%纖維摻量下試樣破壞后的試樣形態；圖7為EPS摻量為2%時，不同水泥摻量下，不同纖維摻量試樣的應力應變曲線，纖維摻量為0.3%的峰值強度與殘余強度均強于其他纖維摻量的試樣，可以認為0.3%的纖維摻量為最優摻量。摻加纖維的作用在于改變了試樣內部原本單一的空間結構，摻加纖維越多，纖維在試樣內部形成的網狀結構越錯綜復雜，受力時纖維限制水泥土顆粒的位移和變形的能力更強，這種改善空間結構的作用在纖維摻量為0.3%時達到最大；當纖維摻量超過0.3%時，過多的纖維可能在試樣內部出現了積聚現象，纖維積聚的位置水泥土過少，導致該位置出現薄弱面，改善作用減弱，造成試樣整體性、殘余強度、峰值強度降低。在試樣達到屈服強度以后，沒有摻加纖維的試樣應力應變曲線下降速率明顯大于摻加了纖維的試樣，殘余強度均小于摻加纖維的試樣。這是因為摻加的纖維的試樣在破壞之后，纖維對試樣殘余強度的增強作用明顯，斷裂面之間有纖維連接，纖維兩端嵌在水泥土之中，纖維與水泥土之間存在的摩擦力為試樣提供了較大的殘余強度來抵抗變形。

2.5 動應力應變曲線變化規律分析

動應力選取每級第5次滯回曲線的最大動應力與最小動應力差值的一半；動應變選取每級第5次滯回曲線的最大動應變與最小動應變差值的一半。以此來繪制兩種EPS摻量、三種圍壓下的動應力應變曲線。

圖8為纖維摻量為0.3%、水泥摻量為6%，EPS摻量分別為2%、3%的兩組試樣在不同圍壓下的動應力應變曲線。曲線都為應變硬化型，隨著動應力的遞增，試樣的動應變增大。EPS摻量為3%的試樣相比于EPS摻量為2%的試樣，在相同的動應力和圍壓下，其產生的應變更大，原因與2.1節無側限抗壓強度實驗中EPS摻量對試樣強度的影響原因相同。圍壓越大，試樣達到同樣動應變時所需要的動應力越大；因為圍壓增大，試樣在固結過程中會變得更加密實[9]。試樣內部的水泥土、EPS顆粒和纖維更加緊密地貼合在一起，三者之間的粘聚力增大，試樣強度增大，因此在相同的動應力下，圍壓越高，產生的動應變越小。

2.6 動彈性模量變化規律分析

在動三軸實驗中，一個滯回曲線兩端點連線斜率為輕質土的動彈性模量Ed，即一個滯回曲線最大動應力與最小動應力差值和最大動應變與最小動應變差值的比值；體現了在當前動應力幅值下試樣抵抗變形能力以及彈性性能的大小[10]。

圖9為水泥摻量為6%時，不同EPS摻量下試樣的動彈性模量曲線，兩組試樣的動彈性模量曲線都遵循了隨著動應力的發展，動彈性模量減小的規律，原因是動應力的增加，輕質土從彈性變形朝塑性變形發展，水泥土骨架逐漸破壞，試樣強度逐漸降低；由于EPS摻量增加導致試樣中的水泥土體積占比減小，抵抗變形能力降低，剛度變弱，相同圍壓下EPS摻量為2%試樣的動彈性模量均高于EPS摻量為3%的試樣，兩組試樣的動彈性模量都表現出隨圍壓的上升而增大的特性，圍壓的增大使得試樣強度增大。

3 結論

1）EPS摻量對輕質土的密度特性影響較大，EPS摻量增加使得試樣密度明顯降低，土體加入EPS顆粒后達到了輕質的效果。

2）纖維EPS輕質土的無側限抗壓強度與水泥摻量呈正相關，與EPS摻量呈負相關；纖維的加入對于試樣的無側限抗壓強度具有一定增強作用，但作用要弱于水泥。

3）纖維的加入能夠改善輕質土的峰值強度、殘余強度和整體性。纖維摻量為0.3%時改善效果最好，大于0.3%改善效果降低。

4）纖維EPS輕質土的動應力應變曲線呈現為應變硬化型；相同動應力和圍壓下，EPS摻量越大，試樣產生的動應變越大；動彈性模量隨EPS摻量增加而降低，隨動應力的增加逐漸降低，圍壓的升高增加了試樣的剛度，提高了輕質土的動彈性模量。

［ 參 考 文 獻 ］

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Analysis of Compressive and Dynamic Deformation Performance of Fiber EPS Lightweight Soil

CHENG Tianbao

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract： The effects of EPS content， fiber content and cement content on the mechanical behavior of fiber EPS lightweight soil were studied by unconfined compressive strength test and dynamic triaxial test. The consequences show the strength of fiber EPS lightweight soil is positively correlated with cement content， and negatively correlated with EPS content. The addition of fiber increases the maximum strength residual strength and integrity. When the fiber content is greater than 0.3%， the lifting effect is weakened. The dynamic stress-strain curve of EPS lightweight soil shows a nonlinear rise. Under the same dynamic stress and confining pressure， the dynamic strain of the sample rises with the increase of EPS content. The dynamic elastic modulus declines with the rise of EPS content， and gradually declines with the rise of dynamic stress. The rise of confining pressure increases the stiffness of the sample.

Keywords： lightweight soil; unconfined compressive strength; dynamic triaxial; dynamic modulus of elasticity

［責任編校： 裴 琴］

［收稿日期］ 2022-04-30

［第一作者］ 程天寶（1997-），男，河南平頂山人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為土工合成材料。