动荷载下EPS颗粒混合轻量土的动强度特性试验研究

2018-07-09侯天顺骆亚生SibelPamukcu

中国农村水利水电 2018年6期

董理，侯天顺,，骆亚生，Sibel Pamukcu

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2. 里海大学土木与环境工程系，美国宾夕法尼亚州伯利恒市 18015)

轻量土是指由原料土、轻质材料、固化剂和水按照一定的配比混合而成的混合土[1]。根据轻质材料的不同，一般分为聚苯乙烯(expanded polystyrene，简称EPS)混合轻量土、气泡混合轻量土、次生材料混合轻量土等[2]。在这些原料的共同作用下，轻量土具有环保、轻质、强度高、可塑性强、密度与强度可调节以及隔热性好的特点[3]。原料土一般选用砂、黏土或者疏浚淤泥[1,4]。水选用自来水或无污染的江河水。轻质材料目前应用较多的是EPS颗粒，主要影响混合土的密度，实际生产应用中选取3～5 mm的EPS球粒[5]。固化剂选用水泥，主要影响混合土的强度。因此，该轻量土又称作EPS颗粒混合轻量土。朱伟等[4]通过无侧限抗压试验对混合土进行研究，发现混合土抗压强度随着水泥掺入量的增大而增大，随着EPS颗粒掺入量的增大而减小。

目前关于EPS颗粒混合轻量土动力特性的研究较少。高玉峰[1]、黎冰等[6]通过室内动三轴试验对轻质土的变形特性进行研究，主要分析围压、水泥掺入比以及EPS颗粒掺入比对轻质土动变形特性的影响。王庶懋等[7]通过动三轴试验对砂土与EPS颗粒混合轻质土的强度标准进行研究，将混合土在动荷载作用下所产生的最大压应变作为破坏应变。黎冰等[8]研究了不同振动频率对黏土与EPS颗粒混合轻质土的影响，试验结果表明振动频率降低，试样的轴向动应变增大，动强度减小。关于EPS颗粒混合轻量土的动力特性缺少系统全面的研究，尤其是关于EPS颗粒混合轻量土动强度特性的研究。

因此，本文选取陕西扶风地区黄土作为原料土制备EPS颗粒混合轻量土，进行动三轴试验。研究EPS颗粒掺入比、水泥掺入比和围压等因素对EPS颗粒混合轻量土动强度特性的影响。

1 试验材料方法

1.1 试样材料

EPS颗粒混合轻量土是由黄土、EPS颗粒、水泥和水混合搅拌而成的。本次试验原料土为陕西扶风地区黄土，取土深度8～10 m，呈黄褐色，属Q3黄土，其物理力学性质指标如表1所示。所用EPS颗粒为球粒状，粒径3～5 mm，堆积密度0.008 7 g/cm3，纯颗粒密度0.013 7 g/cm3。固化剂采用盾石牌冀东普通硅酸盐水泥，强度等级32.5。试验用水选用自来水。

表1 陕西扶风地区黄土的物理性质Tab.1 Physical properties of Fufeng loess in Shaanxi area

1.2 试样制备

相比较一般的土样而言，EPS颗粒混合轻量土的组成成分较为复杂。在此主要研究水泥与EPS颗粒对EPS颗粒混合轻量土动强度特性的影响。为了便于试验研究，在此定义水泥掺入比和EPS颗粒掺入比这两个变量。本文试样的密度采用理想密度模型进行预测[2]，试验以干土质量ms作为标准，水泥掺入比ac=mc/ms×100%，EPS颗粒掺入比ae=me/ms×100%，其中mc为水泥质量；me为EPS颗粒质量。

制备EPS颗粒混合轻量土试样时，如表2所设计的配比。按照黄土、水泥、水、EPS颗粒这样的顺序放入容器中进行搅拌，使其混合均匀。把混合土装入直径为39.1 mm、高为80.0 mm的三瓣模中。为了方便脱模，事先在内壁套上一层保鲜袋，在浇注的过程中要尽可能的捣实，底面为光滑干净的玻璃片。然后做好标签将其放入标准养护箱内养护24 h后脱模，脱模后继续放在标准养护箱内养护[9]。养护至预定龄期28 d后，将试样抽真空2 h进行饱和，然后放入水中浸泡24 h后进行动三轴试验。

表2 试验方案Tab.2 Test schemes

注：土的含水率是指制备试样的时候，掺入水泥之前，水的质量和干土质量的比值。

对于重塑黄土试样，采用三轴击实仪分3层进行击实制样[10]。制样时其单位体积击实功能为592.2 kJ/m3，统一每层锤击次数为23次。控制重塑黄土试样的最优含水率为20.95%，干密度为1.60 g/cm3。将试样放入饱和器中，在抽气缸中抽真空2 h，然后置于水中浸泡24 h进行动三轴试验。

1.3 试验方法

本试验是在西安力创材料检测技术有限公司生产的STD-20型土动三轴试验机上进行。为了研究EPS颗粒混合轻量土的动强度特性，采用固结不排水试验，分别对不同配比的EPS颗粒混合轻量土进行动三轴试验。首先，打开阀门，施加围压进行排水固结，固结应力比为1.0。固结结束后，关闭排水阀门，施加波形为正弦波的循环荷载，加载频率为1.0 Hz。在试验过程中根据不同的试验条件，预先设置动荷载大小(以5 kPa为最小单位调整动荷载大小，进行重复试验，从而使动应力与破坏振次的点较为分散)，直到试样破坏停止加荷。

2 破坏标准的确定

动强度是在一定动荷载往返作用次数N下土体产生某一指定破坏应变εd或满足某一破坏标准所需要的动应力[11]。常用破坏标准包括孔压标准、屈服标准和应变标准。因此，动强度数值的大小与指定的破坏应变或破坏标准有着密切的关系。本次试验采用抽真空浸水饱和，将试样从水中拿出时会有大量的水流出，EPS颗粒混合轻量土不能够达到饱和状态。已有研究表明，由于EPS颗粒混合轻量土中孔隙发达，各种不同的孔隙分布较为广泛，因而采用抽真空浸水饱和、反压饱和或者二氧化碳通水饱和，EPS颗粒混合轻量土均不能够达到饱和状态，所以EPS颗粒混合轻量土不满足孔压破坏标准的适用条件[12]。

如图1所示为不同配比下EPS颗粒混合轻量土以及重塑黄土的动应变与加载次数的关系曲线。由图1可以看出，不同配比的EPS颗粒混合轻量土动应变变化比较稳定。随着振动次数的增大，EPS颗粒混合轻量土的动应变主要分为两个阶段：第一阶段，EPS颗粒混合轻量土的动应变包含压应变和拉应变，其中压应变较小，拉应变较大。在动荷载作用起始阶段，加载周数较少，由于水泥水化物的胶结作用，从而试样具有较好的抗压性能，因此在动荷载作用下EPS颗粒混合轻量土的压应变较小，而且增长比较缓慢。另外，在试验中发现，当动荷载施加较大时，橡皮膜拉伸幅度很大，有的甚至在试验过程中破裂。等到试验结束后，可以观察到试样未产生明显的破坏并且具有较高的强度，而且试样一开始所产生的拉应变基本接近定值未发生变化，因此认为该拉应变存在一部分是由橡皮膜拉伸所产生的[7]。第二阶段，EPS颗粒混合轻量土的压应变增长幅度有所提升且稳定增长，拉应变明显小于压应变，或者不产生拉应变。随着振动周数的增加，不同配比的EPS颗粒混合土试样在不同的围压下所产生的压应变明显大于拉应变，表现出明显的偏压情况。水泥掺入比为15%的试样所产生的偏压程度明显大于水泥掺入比为10%的试样所产生的偏压程度。此现象主要是由于水泥含量的不同引起的，当水泥掺入比较大时，试样内部的颗粒黏结得更加紧密，从而不容易产生拉应变。

图1 不同配比下EPS颗粒混合轻量土以及重塑黄土的εd～N曲线Fig.1 εd～N curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various mixed ratio

考虑到EPS颗粒混合轻量土在动荷载作用过程中，虽然变形分为两个阶段，但两个阶段衔接比较平稳且没有出现变形急速陡转的情况，随着振动次数的增加，EPS颗粒混合轻量土产生的压应变逐渐大于拉应变，表现出明显的偏压现象。同时观察试验现象，在动荷载作用下未出现明显的剪切破坏面，因此采用应变破坏标准。对于这类土体进行研究，通常选择轴向总应变或者单轴应变到达2.5%、5%、10%或20%作为破坏标准[13]。

如图1所示，当EPS颗粒混合轻量土的压应变为2.5%时，压应变与加载次数的关系曲线比较平缓，试样并未产生较大变形，不能够充分发挥EPS颗粒混合轻量土的强度。另外，试验中设置EPS颗粒混合轻量土破坏标准为10%时，包裹EPS颗粒混合轻量土的橡胶膜易破裂，试样应变无法达到10%，而且随着加载次数的增加，压应变的变化更加显著，即压应变与加载次数关系曲线更陡。所以若选取压应变为10%或20%作为破坏标准偏于不安全。结合工程实际，EPS颗粒混合轻量土一般用于公路工程，有着较高的变形要求[14]。因此本试验选择5%压应变作为EPS颗粒混合轻量土的破坏标准，进而分析研究其动强度特性。

比较图1(i)～图1(l)所示重塑黄土的动应变与加载次数的关系曲线。可以发现在动荷载作用下，重塑黄土的动应变增大是逐渐变化的且没有明显的突变点，因此不能采用屈服标准，否则人为主观因素将会影响试验结果[15]。而且在试验过程中孔隙水压力变化较小，所以无法使用孔压标准。重塑黄土和EPS颗粒混混合轻量土的动应变与加载次数关系曲线情况相似，不同的是重塑黄土所表现的动应变状态为拉应变与压应变基本对称，因此重塑黄土可以选取5%拉应变或压应变作为破坏标准。为了便于将重塑黄土的动强度特性与EPS颗粒混合轻量土的动强度特性进行比较，所以同样采用5%压应变作为重塑黄土的破坏标准。

3 试验结果与分析

根据5%压应变的破坏标准，选取对应的动应力以及振动次数分别作为动强度和破坏振次。用动应力σd与达到破坏标准时的振动次数Nf的关系曲线表示EPS颗粒混合轻量土的动强度变化，其中用σd表示试验过程中的作用动应力，Nf表示达到破坏标准时的破坏振次。

3.1 围压的影响

不同围压下EPS颗粒混合轻量土与重塑黄土的动强度曲线如图2所示。可以发现：随着围压的增大，EPS颗粒混合轻量土和重塑黄土的动强度均增大，而且重塑黄土动强度曲线的斜率绝对值大于EPS颗粒混合轻量土动强度曲线的斜率绝对值。本次试验选取了4个围压，在50～200 kPa范围内，围压每增大50 kPa，则EPS颗粒混合轻量土动强度增大的幅度为7.9%～21.9%，重塑黄土动强度增大的幅度为35.6%～40.6%。

图2 不同围压下EPS颗粒混合轻量土以及重塑黄土的动强度曲线Fig.2 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various confining pressure

这是因为在围压的作用下，土体颗粒挤密，土体中的孔隙减小，从而使土体抵抗外部荷载的能力有所提高。另外，EPS颗粒混合轻量土中含有一定量的水泥，混合土体中的水与水泥发生水化反应产生一定量的水泥水化物，包括硅酸钙凝胶C-S-H和氢氧化钙晶体Ca(OH)2等。这些水化物一方面将土颗粒和EPS颗粒包裹并黏结在一起，从而增大了混合土体的黏结力。另一方面水化物可以将混合土中的孔隙填密，从而使得混合土体更加密实。在这两方面的共同作用下，EPS颗粒混合轻量土具有很好的结构性，因此相对于重塑黄土，围压对EPS颗粒混合轻量土的动强度影响程度较小。需要指出，对于EPS颗粒掺入比为1.31%的试样，EPS颗粒占据试样的体积比可化简为50%，水泥对于试样内的颗粒包裹不够充分，试样强度较低，而且在固结加压的过程中，轴向荷载和径向围压不是同时施加，存在一定的时间差，当固结围压设定为150、200 kPa时，试样轴向变形明显增大，内部的孔隙已经贯通，在施加不同大小的动荷载时，试样均在振动次数10以内达到破坏标准，仪器停止试验。

3.2 EPS颗粒含量的影响

不同EPS颗粒掺入比的EPS混合轻量土与重塑黄土的动强度曲线如图3所示。由图3可以看出，在相同的破坏振次条件下，随着EPS颗粒掺入比的增大， EPS混合轻量土的动强度减小。进一步分析可以发现：①在其他条件相同的情况下，当EPS颗粒掺入比由0.14%增大到1.31%时，EPS颗粒混合轻量土的动强度减小幅度为14.50%～70.47%。其中当EPS颗粒掺入比由0.54%增大到0.86%时，EPS颗粒混合轻量土的动强度急剧下降。②与重塑黄土作对比，不同配比的EPS颗粒混合轻量土的动强度均有大幅度增加，提升幅度为20.8%～232.9%。

造成上述现象是因为当EPS颗粒掺入比较小时，所占土体体积较小，水泥土能够充分地将其包裹，从而形成孔隙比较小的混合土，强度较高。而随着EPS颗粒掺入比的逐渐增大，其所占土体体积也在逐步增大，水泥含量一定时，将会造成一定量的EPS颗粒直接接触，使得土体孔隙比增大，强度降低。另外，由于EPS颗粒混合轻量土中含有一定量的水泥，水泥水化作用产生的一系列物质对混合土的结构有一定的加固作用。本文所制备的重塑黄土经过抽真空且浸水饱和后，黄土颗粒之间的黏结力减小。因此在图3表现为EPS颗粒混合轻量土的动强度均大于重塑黄土的动强度。

3.3 水泥含量的影响

不同水泥掺入比的EPS颗粒混合轻量土与重塑黄土的动强度曲线如图4所示。可以发现：在相同振次条件下，随着水泥掺入比的增大，EPS颗粒混合轻量土的动强度增大，且不同水泥掺入比的EPS颗粒混合轻量土的动强度均大于重塑黄土动强度。其中，当水泥掺入比由10%增大到15%时，EPS颗粒混合轻量土的动强度增长幅度为49%～55.7%，当水泥掺入比由15%增大到20%时，EPS颗粒混合轻量土的动强度增长幅度为19.3%～23.2%。相比较于重塑黄土，当EPS颗粒掺入比为0.86%时，不同水泥掺入比的EPS颗粒混合轻量土的动强度增长幅度为20.8%～247.5%。

图3 不同EPS掺入比下EPS颗粒混合轻量土以及重塑黄土的动强度曲线(ac=10%)Fig.3 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various EPS contents(ac=10%)

图4 不同水泥掺入比下EPS颗粒混合轻量土以及重塑黄土的动强度曲线(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%)

以上现象是由于EPS颗粒混合轻量土中的水泥在与水、原料土进行拌和时，水化产生硅酸钙凝胶C-S-H和氢氧化钙晶体Ca(OH)2等水化物，其中硅酸钙凝胶C-S-H水化物的胶结作用是构成混合土强度的主要因素。当EPS颗粒混合轻量土中的水泥掺入比较大时，即混合土孔隙水中的Ca2+、OH+含量较多或处于过饱和状态时，一方面根据硅酸钙凝胶C-S-H生成的热力学平衡式6Ca2++5HSiO-+7OH-→6CaO·5SiO2·6H2O(简称C-S-H)可知，硅酸钙凝胶C-S-H等水化物不受其他因素影响继续生成。另一方面土颗粒中的活性材料将与氢氧化钙晶体Ca(OH)2进行硬凝反应，生成硅酸钙凝胶C-S-H水化物[16]。而且，水泥在搅拌过程中发生水解反应以及水化反应，在EPS颗粒和原料土颗粒之间产生一定量的钙钒石晶体颗粒等水泥水化物，将EPS颗粒混合轻量土颗粒之间的孔隙填充，使得孔隙减小。因此，随着水泥掺入比的增大，EPS颗粒混合轻量土的动强度增大。