粘土與EPS顆粒輕質混合土的變形特性單軸試驗研究

葉三霞 吳文佑

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川成都 610072）

粘土與EPS顆粒輕質混合土的變形特性單軸試驗研究

葉三霞 吳文佑

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川成都 610072）

采取某基坑開挖粘土為原料土，以無側限抗壓強度試驗，探討EPS參入量及水泥參入量對輕質混合土變形規律的影響，認真分析現有研究結論，對有矛盾、分歧的研究結論點進行總結。

輕量土；變形；強度；粘土

0 引言

輕質混合土是指由原料土、固化劑、輕質材料和水混合，經攪拌，壓實養護而成的，具有一定強度的輕質密度人工混合土[1][2][3]。輕質材料減輕其只身密度，減小自重荷載；固化劑提高自身強度，增強抵抗變形的能力，兩種特性綜合有效解決巖土工程界強度和變形兩大問題。其具有環保、輕質、強度高、可塑性強、密度與強度可調節、隔熱、自立性好、成型快、易施工等特點。

為了更好的將本輕質材料更好的應用到工程中，本文通過無側限抗壓強度，探索不同粒徑和混凝土配比對輕量土變形特性影響。

1 試樣制備與方案

1.1 試驗方案

本次實驗主要通過0.72、1.08、1.44、1.8、2.16、1.8等6個不同EPS參入比和 10%、15%、20%、25%等 4個水泥參入比，采取正交試驗方式，研究水泥和EPS顆粒參入量對粘土與EPS顆粒混合輕質土的變形特性和強度特性的影響。

表1 試驗配比方案

1.2 試驗制備

本試驗所用粘土采自某基坑內粘土，屬第四系上更新統洪坡積、殘積粘性土，見圖1。硬塑、飽和、局部偶夾可塑粉質粘土層、含少量鐵錳氧化物、鐵錳結核、條帶狀高嶺土（局部富集成團塊狀）、偶夾碎石。主要物理力學性質指標見表3所示。根據篩分試驗結果，粘土的顆粒組分及粒徑分布曲線分別如表2。

圖1 試驗所用粘土

表2 粘土的顆粒組分

表3 粘土的基本物理性質指標

為了保證試驗精度，本文以干土質量為標準，將粘土烘干以后粉碎，然后過0.5mm篩，將少量雜質濾除。烘干粉碎過篩后干土的堆積體密度為

使用的EPS顆粒是從塑料廠購買的成品，為圓球顆粒，平均粒徑分別為3cm，堆積密度為0.017g/cm3，顆粒密度為0.03g/cm3。

所用的固化劑為華新水泥有限公司制造的32.5復合硅酸鹽水泥，水泥顆粒密度為，水泥堆積體密度為。

試樣制備包括稱料、拌合、裝料、養護等過程。制樣裝料過程中為了方便后續取樣，需將高 8cm、直徑 3.91cm的三瓣膜固定好，在裝料之前先均勻套一層保鮮膜，以方便脫模。保鮮膜厚度要適中，太薄制樣過程中容易破損；太厚對試樣尺寸影響大；在試驗臺底部墊一塊涂有凡士林的玻璃片，將三瓣膜固定其上，開始裝料；裝料要采用質量控制、分層搗實成型的方法，分三層裝入模具內，每層厚度要稍厚于1/3的模具高度，以便在每搗實一層后，添加新的拌合料前，需將結合面拉毛，防止試樣出現斷層；將裝料搗實完成的試樣頂部及底部蓋上玻璃片，防止水分散失，等待進入養護箱養護。

已制備好的試樣見下圖2

圖2 已成型試樣

將制作好的試樣貼上標簽，放置在標準養護箱養護 24小時，養護溫度為 20士2°C,養護濕度98%。

2 粘土與EPS顆粒混合輕質土的變形特性

2.1 應力應變曲線的變化規律

（1）單軸應力應變曲線隨EPS含量的變化規律

本次試驗中固定含水量為45%，EPS顆粒參入體積比依次為0.72、1.08、1.44、1.80、2.16，水泥參入比為10%、15%、20%、25%，養護齡期為14天，各試樣應力應變曲線如圖3～6所示。隨著EPS參入量的增加，應力應變曲線有從應變軟化類型向應變硬化型轉變的趨勢，這是因為在EPS顆粒參入量越小，EPS顆粒混合輕質土受力柱體截面積越大，結構性越強，此時表現出來更多的是超固結粘土的性質；隨著EPS顆粒參入量增大，輕質土

圖3 不同EPS參入量時單軸應力應變曲線（αc=10%，D=3.0mm）

圖4 不同EPS參入量時單軸應力應變曲線（αc=15%，D=3.0mm）

圖5 不同EPS參入量時單軸應力應變曲線（αc=20%，D=3.0mm）

圖6 不同EPS參入量時單軸應力應變曲線（αc=25%，D=3.0mm）

受力柱體截面積越小，結構性越差，此時表現EPS顆粒的應變硬化特性越明顯[6]。在圖像上表現的為經過破壞峰值后，隨著EPS顆粒參入量增大，各應力應變曲線平緩度增加；出現脆性破壞的現象也隨著EPS顆粒參入量增大而減弱，破壞峰值、破壞應變等都隨EPS顆粒參入量變化而呈反比例關系。仔細分析還發現，隨著水泥參入量的增加，各應力應變曲線破壞類型、破壞峰值、破壞應變等變形特性之間的差值越來越小，特別是EPS參入量在1.44以后，圖4～6中表現的更為明顯，初步認為，隨著水泥參入量增加，水泥土的結構特性不斷增強，EPS顆粒含量變化對EPS顆粒混合土的變形特性的影響減小，水泥土的結構性對EPS顆粒混合土的變形特性影響占主導地位。應力應變曲線的應變軟化特性在低EPS顆粒參入量、高水泥參入量時表現的最為明顯，如圖 6所示；同理，應力應變曲線的應變硬化特性在高 EPS顆粒參入量、低水泥參入量時表現的最為明顯，如圖 3所示，這是由EPS顆粒及水泥兩種變形特性完全相反的材料參入后耦合的必然結果。

（2）單軸應力應變曲線隨水泥含量的變化規律

固定EPS參入量，不同水泥參入量時，應力應變曲線如圖7～11。圖中可看出，隨著水泥添加量的增大，試樣脆性破壞表現明顯，試樣的峰值強度所對應的破壞應變減小，試樣應變軟化特性增強；隨著水泥參入量的降低，試樣的強度和剛度降低，塑

圖7 不同水泥參入量時單軸應力應變曲線（αe=0.72,D=3.0mm）

圖8 不同水泥參入量時單軸應力應變曲線（αe=1.08,D=3.0mm）

圖9 不同水泥參入量時單軸應力應變曲線（αe=1.44,D=3.0mm）

圖10 不同水泥參入量時單軸應力應變曲線（αe=1.80,D=3.0mm）

圖11 不同水泥參入量時單軸應力應變曲線（αe=2.16,D=3.0mm）

性增強，同時，破壞應變增大。那是因為隨著水泥添加量的增加，水泥水化反應生成物增多，水泥水化生成物與粘土礦物之間的離子交換吸附及硬凝反應也加強了，從而使輕質混合土試樣內部網絡狀膠結結構本身的強度及其所占據的空間增大[4]。圖8、11中有些曲線破壞應變不是遵循完全隨著水泥添加量增大而減小的規律，判斷可能有試驗誤差所致。

所有的應力應變曲線基本上都表現為應變軟化特性，只是在αe=1.80、αe=2.16時，低水泥添加量應力應變曲線會有應變硬化特性的趨勢，如圖 9、11所示。說明水泥參入量，不會改變應力應變曲線的類型，但會改變曲線的形態。

2.2單軸壓縮破壞應變變化規律

（1）水泥參入量與破壞應變的關系

圖12 破壞應變與水泥參入比的關系

水泥作為輕質混合土的重要組成材料，其對破壞應變的影響是不容忽視的，在固定EPS參入量、含水量、齡期的因素情況下，水泥參入比越大，輕質混合土的受力柱體結構性強度越好，脆性表現越明顯，試樣破壞應變越小。如圖12所示。

由圖12可以看出，破壞應變與水泥參入比基本上呈反比例線性關系，但是不同的EPS顆粒參入比時，線性的參數不一樣，在EPS參入比為0.72、1.08、1.44時，破壞應變隨水泥參入比變化的變化量小，在EPS參入比未1.80、2.16時，破壞應變隨水泥參入比變化的變化突然表現很明顯，正好與董金梅及侯天順的密度與破壞應變關系研究結果相符合，因EPS參入比大，密度就小。

（2）EPS參入量與破壞應變的關系

EPS顆粒作為一種輕質材料，其在混合輕質土中最大的特點，是體積置換作用，從而達到輕質的效果，它對輕質混合土材料延展性的影響主要表現在下面三個方面：（1）EPS顆粒自身是一種極強的塑性材料，與水泥、土混合后，在材料性質耦合作用下，改變混合土的材料性質，EPS顆粒參入比越大，則EPS顆粒塑性效應表現越明顯；（2）EPS顆粒的加入，使混合土內部結構發生變化，單位體積內受力柱體截面積發生變化，混合土內孔隙比增加，導致混合土結構性減弱，塑性增強；（3）EPS顆粒導致端面效應，即小應力產生大應變，最終導致破壞應變增大[3][6]。本文中實際的破壞應變與EPS顆粒參入量的關系如下圖13所示。

圖13 破壞應變隨EPS參入量的變化

由圖中可以看出，隨著EPS顆粒參入量的增加，破壞應變增加，呈曲線增長形勢。

（3）抗壓強度與破壞應變的關系

工程上以抗壓強度高，破壞應變大的材料為理想材料，而實際中二者往往不可兼得，定量的研究抗壓強度與破壞應變的關系在實際應用中顯得尤為重要。抗壓強度與破壞應變呈乘冪關系，隨抗壓強度增高而逐漸減小，這與水泥土破壞應變與抗壓強度的關系相符，因輕質混合土由EPS輕質材料與水泥土骨架共同組成，其結構強度受水泥土骨架的結構強度控制較明顯，故其抗壓強度與破壞應變關系變化趨勢與水泥土的變化趨勢一致，再一次證明了試驗數據表征現象的可靠性。本文研究的輕質混合土強度與破壞應變關系如14圖所示

圖14 EPS輕質混合土抗壓強度與破壞應變關系

圖中可以看出在抗壓強度為200～500kPa之間時，破壞應變在0.015與 0.03之間平緩的變化，且是抗壓強度越大，破壞應變越小；抗壓強度小于200kPa時，有較大的破壞應變，這點與董金梅的研究結果一致[2]；抗壓強度大于500kPa時，破壞應變較小，整體的破壞應變在0.014～0.05之間變化。水泥土的破壞應變與抗壓強度的關系與圖14相似，但破壞應變多分布在0.05～0.2之間[5]，說明EPS顆粒的參入明顯的改善了混合土的塑性特性。與水泥土相比，實際工程應用中，在抗能滿足壓強度要求的情況下，EPS顆粒混合輕質土是一種抗壓強度高、破壞應變大的理想工程材料。

2.3 單軸壓縮狀態下的變形模量變化規律

變形模量E是表征變形特性的一個重要參數，表示土柱在豎直方向的應力增量與同一方向上產生的應變增量的比值，即，是反映材料抵抗彈塑性變形能力的參數，可應用于彈塑性變形問題的計算。但是輕質混合土作為一種彈塑性材料，在受力變形過程中，變形模量是隨著應力水平變化的變量，通常的表述為，故輕質混合土的E叫變形模量，不叫彈性模量（楊氏模量）[6]。借鑒土體的變形模量定義法，為了方便工程應用及比較，在此處采用輕質混合土的平均變形模量E50：，式中σ1/2是壓縮應變為破壞應變一半時對應的壓縮應力，E50可視為此時的割線模量。平均變形模量也受水泥參入比、EPS參入量、強度、齡期、含水量等因素的影響，如圖15、16所示。

圖15 平均變形模量與水泥參入比的關系

圖16 平均變形模量與EPS參入量的關系

由上圖可知試樣的平均變形模量隨水泥參入比的增加而增加，呈曲線增長模式，隨著EPS顆粒含量的增加，曲線增長斜率減小。平均變形模量隨EPS顆粒含量的增加而減小，呈指數遞減關系，水泥參入量越高，遞減的范圍值越大。

3 單軸試樣的破壞形態

試樣的破壞形態在一定程度上反應了土體的結構性，EPS顆粒輕質混合土也具有結構性，但它的結構性特征與一般土體的結構性有所不同，它的高孔隙比主要是由于添加了EPS顆粒造成的，它的結構強度取決于水泥固化反應在試樣內部所產生的網絡狀膠結結構的強弱[1][2]。輕質混合土試樣的破壞是試樣內部裂隙的延展、開裂、發展而導致成的，根據其網狀膠結結構強弱的不同，在無側限抗壓強度試驗過程中表現出了三種不同形式的破壞模式[3][1][33]，如圖 17～20所示試樣的典型破壞模式。（1）裂隙沿著兩個方向大量出現，現場塑性流動區，試樣發生共軛剪切壞；（2）裂隙大部分沿單一方向發展，與中線呈一定夾角，試樣發生單斜截面剪切破壞；（3）裂隙沿軸向發展，試樣發生脆性劈裂破壞。

圖17 試樣的劈裂破壞圖

18試樣的共軛剪切破壞

圖19 試樣的單斜截面剪切破壞

圖20 輕質混合土試樣的破壞模式

在整個試驗過程中，統計有 60%的試樣是圖所示單斜截面剪切破壞模式，有30%是圖所示共軛剪切破壞模式，10%為圖所示劈裂破壞模式，且EPS參入量高、水泥參入量小和EPS參入量低、水泥參入量高的試樣更容易發生劈裂破壞模式，分析認為：在外荷載作用下，試樣內部的孔洞及EPS顆粒結合界面最先發生應力集中，當水泥土網絡骨架與EPS顆粒結合界面發生屈服后，裂隙迅速從這些地方發生并延伸、擴展至固化土區域，裂隙的發展到一定的數目和規模后，試樣整體發生破壞；而高EPS顆粒參入量、低水泥參入量時，試樣內部結合薄弱面多，試樣骨架結構強度弱，試樣容易沿著中間貫通的薄弱結合面產生劈裂破壞；低 EPS參入量、高水泥參入量時，試樣結構強度高，整體性好，薄弱結合面相對少，試樣自身的強度很高，同樣容易使試樣發生瞬間的“爆發式”劈裂破壞；而對于配比處于中間地帶的試樣，都處于這兩種極端情況的中間態，材料更多表現出的是塑性破壞模式。在破壞后觀察，試樣內部被水泥土骨架包裹的EPS顆粒基本都完好，說明EPS顆粒只發生了彈性變形，由變形協調性觀點來看，說明EPS顆粒的塑性較水泥土骨架的強的多，這也正好說明了EPS顆粒混合輕質土較水泥土塑性強的特征。

4 結論（1）EPS混合輕質土試樣變形分為試樣接觸微調階段及裂紋及孔洞的閉合OA段、近直線AB段、塑性屈服BC段、破壞后CF段五個階段。如圖21所示。在單軸試驗中，

圖21 典型的單軸應力應變曲線圖

水泥含量高，EPS含量低及水泥含量低，EPS含量高的試樣脆性特性明顯，應力應變曲線破壞后階段又分為近直線的負增長階段 CD、試樣結構重新壓實階段DE、壓實后破壞階段EF.；配比在兩極端之間的多表現為直接的下降階段CF。

（2）單軸試驗破壞應變隨著水泥參入比增大而越小；隨著EPS顆粒參入量的增加而增加，呈曲線增長形勢。

（3）輕質混合土變形模量變化規律在單軸實驗時，隨水泥參入比的增加而增加，呈曲線增長模式，隨著EPS顆粒含量的增加，曲線增長斜率減小；隨EPS顆粒含量的增加而減小，呈指數遞減關系，水泥參入量越高，遞減的范圍值越大。

（4）混合土試樣單軸壓縮破壞模式主要有共軛剪切壞、單斜截面剪切破壞；脆性劈裂破壞。

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1007-6344（2017）02-0009-04