唐飞跃

摘 要：为了研究加筋聚苯乙烯轻质膨胀土的膨胀与强度特性，将聚苯乙烯颗粒与膨胀土混合，聚丙烯纤维作为加筋材料，开展了包括密度、无荷膨胀率、膨胀力以及饱和快剪等室内试验。结果表明，聚苯乙烯颗粒和聚丙烯纤维的掺入可有效抑制膨胀土的膨胀特性，表现为无荷膨胀率与膨胀力的显著减小;聚苯乙烯颗粒主要起到体积置换作用，土样密度以及膨胀力随聚苯乙烯颗粒掺量增加线性减小;随着聚苯乙烯颗粒的增加，混合土内摩擦角持续增大，黏聚力先增加后降低;随着纤维掺量的增加，混合土的黏聚力得到有效增长。因此，加筋聚苯乙烯轻质土在改良膨胀土方面具有良好的应用价值。

关键词：岩土力学;聚苯乙烯;轻质;纤维加筋;膨胀土;膨胀特性;强度

中图分类号：TU443 文献标识码：A

Abstract：In order to study the swell potential and shear strength of reinforced expensive soil mixed with expanded polystyrene， polystyrene particles and expansive soil were mixed. Polypropylene fibers functioned as reinforcement material. Density， swelling ratio， swelling pressure and direct shear strength were determined by indoor test. The results indicate that the incorporation of polystyrene particles and polypropylene fibers can effectively suppress the expansion of expansive soil. Swelling ratio and swelling pressure are decreased significantly. Polystyrene particles majorly play a role of volumereplacing， the soil density and swelling pressure decrease linearly with the increase of dosage of polystyrene particles. With the increase of polystyrene particles， the internal friction angle of the mixed soil is dramatically increased， and the cohesive strength increases firstly and then decreases. With the increase of fiber content， the cohesion of mixed soil increases obviously. The test shows that reinforced expensive soil mixed with expanded polystyrene has a good application prospect in the treatment of expansive soil.

Keywords：geomechanics; polystyrene; light weight; fiber reinforced; expansive soil; swell potential; strength

聚苯乙烯（EPS）颗粒混合轻质土是将原料土、EPS颗粒、固化材料和水混合搅拌而成。EPS颗粒轻质土具有密度小、压缩模量大、流动性好、环保性强的优点，主要用于减小软弱地基沉降和挡土墙侧向压力、管道填埋、陡坡施工等方面[18]。日本率先于20世纪80年代進行了EPS颗粒混合轻质土的研究，并成功应用于路基填土、港口工程中。中国对EPS轻型土的研究尚处于起步阶段。2004年，在新安江电厂8870开关站道路的建设工程中，为了解决边坡稳定问题，进行了200 m3的废弃泡沫颗粒混合轻质土的换填工程，运行状况良好[9]。相关研究发现[1013]，淤泥、砂土和黏土都可以作为EPS轻质土的原料土。但目前对于特殊土的轻量化研究较少。膨胀土是一种高塑性黏土，具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性[14]。膨胀土的不良工程特性导致的工程问题在世界各国广泛分布，这使得膨胀土问题成为困扰各类工程建设的全球性技术难题。目前工程上对于膨胀土边坡的处理常采用石灰水泥改良加固[1517]，而对于加筋聚苯乙烯轻质混合土用于膨胀土改良尤其是边坡处理方面，国内研究较少。本文以秦淮东河膨胀土为试验对象，掺入一定量的聚苯乙烯颗粒和聚丙烯纤维，通过室内试验研究加筋EPS轻质膨胀土的膨胀变形和强度特性，以期为处理膨胀土尤其是膨胀土边坡问题提供参考。

1 试验材料与方法

本试验所采用EPS泡沫颗粒为球粒形态，粒径2～3.5 mm，纯颗粒密度ρe为0.070 g/cm3，堆积体密度ρ堆为0.035 g/cm3;试验使用的聚丙烯纤维为束状单丝，长度为6 mm，拉伸强度≥350 MPa，弹性模量≥3 500 MPa。与土混合时，成束纤维被撕开，均匀地掺在膨胀土中。用水为自来水。

试验所用的土料取自南京秦淮东河地区的膨胀黏土。试验前对所采用的膨胀土的物理性质进行了测定，如表1所示。

从而判定试验用土为弱膨胀土。将风干后的膨胀土破碎，过2 mm筛，按照配比加入水配至指定的含水率，焖料一昼夜使土的含水率均匀。再将成束的6 mm长聚丙烯纤维撕开，与EPS颗粒均匀地掺拌在膨胀土中。搅拌10 min后，称取相应的质量，压实成直径61.8 mm、高20 mm的环刀试样，如图1所示。

为了研究不同掺量的EPS泡沫颗粒和聚丙烯纤维对混合土胀缩变形和强度特性的影响，在本文的试验中，环刀试样EPS颗粒的掺量为0%，1%，2%和3%（质量分数，下同），聚丙烯纤维的掺量为0.0%，0.1%，0.2%和0.3%，采用正交试验的方法制备16组试样。EPS颗粒和纤维的掺量均为其质量与干土质量的比值。开展不同掺量纤维土的击实试验，确定最优含水率

ωop在19.8%左右。在试验中发现最优含水率下的土体与EPS颗粒之间的粘结吸附作用较弱，搅拌的过程中出现明显的分层现象，当调整试样的含水率至ω=ωop+5%时，土样与泡沫颗粒在水的作用下可产生较好的吸附作用，从而可以充分拌合均匀。

对配制的16组试样进行了密度试验、膨胀率、膨胀力试验以及饱和快剪试验。所用膨胀仪为南京宁曦土壤仪器有限公司生产的WZ2型膨胀仪，测定膨胀力试验用到的轻便固结仪为上虞市土工仪器有限公司生产的WG4轻便固结仪。

2 轻质膨胀土的胀缩及强度特性

2.1 密度

将16组环刀试样在水中浸泡一昼夜，取出后称取质量，扣除环刀质量后，求算加筋EPS轻质土体的饱和密度，发现土体的质量几乎不受纤维掺量的影响，但随着EPS掺量的增加，质量发生明显的下降。绘制土样饱和密度与EPS颗粒含量的关系曲线，如图2所示。从图2可以看出，加筋EPS轻型膨胀土的饱和密度随EPS颗粒的增加呈现线性降低的趋势。分析原因，主要是EPS泡沫颗粒置换了相应体积的饱和土体，且其具有轻质憎水的特性，因此使得土体的质量大大降低。当EPS颗粒的掺量为干土质量的3%时，其饱和密度只有原状土的65%。

2.2 膨胀性

按照《土工试验规程》的方法测定16组试样的无荷膨胀率，如表2所示。可以看出，纤维或是EPS颗粒的加入都能够使加筋EPS轻质膨胀土的膨胀趋势得到抑制，且EPS顆粒对膨胀率的抑制作用主要是体积置换的作用，EPS颗粒置换出相应的具有湿胀特性的膨胀土体，从而减少试样土体的整体膨胀量;而纤维主要通过对土体颗粒的约束作用抑制膨胀土的膨胀变形，纤维加筋土体在吸水膨胀时，纤维与基体的界面产生切应力，从而限制基体的进一步膨胀[18]。当EPS掺量≤3%时，0.1%的纤维或1%EPS颗粒便能够有效地抑制试样的膨胀变形，且继续增加纤维掺量和EPS掺量时膨胀率继续减小。

从图3中可以看出，极少的纤维（0.1%）便可以有效降低试样的膨胀力，且纤维掺量具有最优值，当掺量为0.1%时，膨胀力减少至一半左右。此后，随着纤维的继续增加，膨胀力又呈现上升的趋势。EPS颗粒的增加主要通过体积置换的作用，能够有效减少试样土体的膨胀力，如图4所示，且随EPS颗粒掺量的增加呈现线性降低的规律。尤其在纤维和EPS颗粒的共同作用下，膨胀力得到了极大的抑制，在3%EPS和0.1%掺量的纤维膨胀土体中，膨胀力为11.09 kPa，只有原状土的23%。

2.3 抗剪强度

为了研究加筋EPS轻质膨胀土的强度特性，开展了加筋EPS轻质膨胀土的饱和快剪试验。试验在应变控制式直剪仪上完成，一共16组64个试样，控制剪切速率为1.2 mm/min，垂直压力分别为50，75，100和125 kPa。

绘制加筋EPS轻质膨胀土的抗剪强度参数（内摩擦角、黏聚力）与EPS颗粒和纤维掺量的关系曲线如图5、图6所示。在相同纤维含量下，随着EPS含量的增加，混合轻质土的黏聚力先略有增加，后迅速降低，而随着纤维含量的增加，黏聚力则显著增加。在相同纤维含量下，随着EPS含量的增加，混合轻质土的内摩擦角呈一直增长的趋势，而随着纤维掺量的增加，内摩擦角变化则不明显。

随着EPS含量的增加，混合轻质土的黏聚力总体呈现下降趋势。这是由于EPS的增加，其本身表面光滑，不具有黏聚作用，当其置换部分土体后，在一定程度上破坏剪切面的黏聚力作用。尽管EPS的增加可有效降低膨胀土的膨胀力，但EPS较多时，对黏聚力造成不利影响。但加入纤维后，纤维本身具有的握裹作用、纤维网作用、纤维的剪切滑移作用[1920]，可有效补偿EPS颗粒引起的部分黏聚力丧失。

EPS颗粒的粒径为2～3.5 mm，作为一种粗颗粒，一定程度上可以起到骨架作用。因此，在直剪试验下，增强了剪切面的不规则程度，使得颗粒间不容易发生错动，克服的阻力增大，因此当EPS颗粒增加时轻质土的内摩擦角显著增加。

3 结论与展望

1）加筋聚苯乙烯轻质膨胀土的饱和密度随EPS颗粒的增加线性减小，受纤维掺量影响较小。

2）EPS颗粒和聚丙烯纤维的掺入可有效抑制膨胀土的膨胀特性，表现为无荷膨胀率、膨胀力的明显减少。改良后膨胀土的膨胀力随EPS颗粒增加线性降低，主要表现为泡沫颗粒的体积置换作用;膨胀力随纤维增加先减小后略有增加。

3）加筋EPS轻质膨胀土的内摩擦角随EPS颗粒的掺入明显增加，而黏聚力在略有增加后便迅速衰减。纤维的掺入可以明显地提高混合土的黏聚力，从而有效地补偿EPS颗粒引入导致的黏聚力降低。

4）应用纤维加筋EPS轻质土在处理膨胀土边坡问题时，由于聚苯乙烯颗粒的体积置换作用，降低了危险滑体的重度和下滑力，对于以挡土墙的方式处理膨胀土边坡的工程而言，重度、膨胀力和膨胀率等指标的降低意味着边坡土体侧向压力和变形的减少，可相应地削弱挡土墙截面，同时纤维的掺入又阻碍轻质土在脱湿干燥后的裂缝发育，从而有效提高了边坡安全系数，节省了工程造价。

加筋聚丙乙烯轻质膨胀土相比于处理前的膨胀土其物理力学性质得到了很大改善，但尚停留在室内试验阶段，对于其工程场景的适用性需要进一步的研究。

参考文献/References：

[1] 张向东， 任昆， 李军. EPS颗粒改良土作为寒区路基填料的抗冻性能研究[J]. 冰川冻土， 2017，39（6）：12731280.

ZHANG Xiangdong， REN Kun， LI Jun. Study on frost resistance of EPS particles modified soil as subgrade filler in cold regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 2017，39（6）：12731280.

[2] 梅利芳，徐光黎. 纖维聚苯乙烯泡沫颗粒轻质土的制备及力学性能[J]. 复合材料学报， 2016，33（10）：23552362.

MEI Lifang， XU Guangli. Preparation and mechanical properties of fiber expanded polystyrene particle lightweight soil [J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2016，33（10）：23552362.

[3] 顾建武. EPS颗粒组合轻质土在高速公路的应用[J]. 公路， 2013（10）：911.

GU Jianwu. Mixed EPS particles and light soil in highway application[J].Highway， 2013（10）：911.

[4] 陈忠平，孙仲均，钱争晖.泡沫轻质土充填技术及应用 [J]. 施工技术，2011，40（10）：7476.

CHENG Zhongping，SUN Zhongjun，QIAN Zhenghui. Filling technology and application of foamed lightweight soil[J]. Construction Technology，2011，40（10）：7476.

[5] 柳崇敏. EPS颗粒混合轻质土技术在钱江通道南接线工程中的应用[J]. 交通标准化，2014，42（9）：8285.

LIU Chongmin. Application of EPS particles mixed light soil in south line of Qianjiang channel engineering[J].Transportaion Standardization， 2014，42（9）：8285.

[6] 顾欢达，顾熙. 混合塑料发泡颗粒轻质土的强度特性评价方法[J]. 中国公路学报，2007，20（1）：4146.

GU Huanda， GU Xi. Evaluation approach on strength properties of mixed plastic foamed beads light soil [J]. China Journal of Highway and Transport， 2007，20 （1）： 4146.

[7] KIM Y T， KIM H J， LEE G H. Mechanical behavior of lightweight soil reinforced with waste fishing net[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2008，6（6）：512518.

[8] 李小龙， 李国忠. 纤维增强发泡保温复合材料的制备与性能 [J]. 复合材料学报， 2014， 31（3）：541549.

LI Xiaolong，LI Guozhong.Preparation and properties of fiber reinforced foamed thermal insulation composite [J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2014，31（3）：541549.

[9] 李明东， 朱伟， 马殿光，等. EPS颗粒混合轻质土的施工技术及其应用实例[J]. 岩土工程学报， 2006， 28（4）：533536.

LI Mingdong， ZHU Wei， MA Dianguang， et al. Construction technology and application of EPS particles mixed lightweight soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2006， 28（4）： 533536.

[10]黎冰. 动荷载下粘土与EPS颗粒混合轻质土的变形和强度特性试验研究[D]. 南京： 河海大学， 2007.

LI Bing. Deformation and Strength Characteristics of Clay and EPS Granular Mixtures Under Dynamic Loading [D]. Nanjing： Hohai University， 2007.

[11]王德银，唐朝生，李建，等. 纤维加筋非饱和黏性土的剪切强度特性[J]. 岩土工程学报， 2013，35（10）：19331940.

WANG Deyin，TANG Chaosheng，LI Jian， et al. Shear strength characteristics of fiberreinforced unsaturated cohesive soils [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2013，35（10）： 19331940.

[12]劉汉龙， 董金梅， 周云东，等. 聚苯乙烯轻质混合土应力应变特性分析[J]. 岩土工程学报， 2004， 26（5）：579583.

LIU Hanlong， DONG Jinmei， ZHOU Yundong， et al. Study on the stressstrain characteristics of light heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2004， 26 （5）： 579583.

[13]董金梅， 王沛， 柴寿喜. 聚苯乙烯颗粒对轻质混合土的影响[J]. 水利水电科技进展， 2007， 27（5）：2628.

DONG Jinmei， WANG Pei， CHAI Shouxi. Effect of expanded polystyrene grains on lightweight mixed soil [J]. Advances in Science and Technology of Water Resources， 2007， 27 （5）： 2628.

[14]廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京：中国铁道出版社，1984.

[15]廖济川. 膨胀土边坡稳定性试验及数值分析[C]//全国首届膨胀土科学研讨会论文集.成都： 西南交通大学出版社， 1990：5362.

[16]边加敏， 蒋玲， 王保田. 石灰改良膨胀土强度试验[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2013， 33（2）：3843.

BIAN Jiamin， JIANG Ling， WANG Baotian. Experiment on the strength of limetreated expansive soil[J]. Journal of Changan University（Natural Science Edition）， 2013， 33 （2）： 3843.

[17]高建伟， 余宏明， 钱玉智，等. 水泥改良膨胀土强度特性试验研究[J]. 公路， 2013， 58（12）：165168.

GAO Jianwei， YU Hongming， QIAN Yuzhi， et al. Research on strength characteristics of cement modified expansive soil [J]. Highway， 2013， 58 （12）： 165168.

[18]邓友生， 吴鹏， 赵明华，等. 基于最优含水率的聚丙烯纤维增强膨胀土强度研究[J]. 岩土力学， 2017， 38（2）：349353.

DENG Yousheng， WU Peng， ZHAO Minghua， et al. Strength of expansive soil reinforced by polypropylene fiber under optimal water content[J]. Rock and Soil Mechanics， 2017， 38 （2）： 349353.

[19]高磊， 胡国辉， 杨晨，等. 玄武岩纤维加筋黏土的剪切强度特性[J]. 岩土工程学报， 2016， 38（sup）：231237.

GAO Lei， HU Guohui， YANG Chen， et al. Shear strength characteristics of basalt fiberreinforced clay [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2016， 38 （sup）： 231237.

[20]刘宝生， 唐朝生， 李建，等. 纤维加筋土工程性质研究进展[J]. 工程地质学报， 2013， 21（4）：540547.

LIU Baosheng， TANG Zhaosheng， LI Jian， et al. Advances in engineering properties of fiber reinforced soil [J]. Journal of Engineering Geology， 2013， 21 （4）： 540547.