EPS顆粒輕質混合二灰土強度性質的試驗研究★

楊玉婷 楊 婧 李 娟 李佳鐸

(中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083)

聚苯乙烯泡沫塑料顆粒(簡稱EPS顆粒)運用于巖土工程領域，可制成輕質土[1-3]，輕質土是一種利用輕型材料開發而成的新型填土材料[4-6]。梅利芳[7]通過研究纖維EPS顆粒輕質土的微觀特性、變形特性和抗剪強度特性等揭示了其強度機理。杜鑫[8]通過流值測定實驗、室內抗剪強度試驗以及三軸滲透試驗等對黃土EPS顆粒混合輕質土的流動性、強度以及滲透性能進行了研究，為預防治理黃土滑坡提供理論依據。張向東等[9]通過研究EPS顆粒改良土作為寒區路基填料的抗凍性能，以凍脹率及割線模量為評測指標對改良土的抗凍性能進行了測試分析。周可可[10]、姬鳳玲[11]、胡煥忠[12]等分別研究了EPS顆粒級配、EPS顆粒種類、EPS顆粒摻入比對EPS顆粒輕質混合土的力學性能影響。EPS顆粒輕質土是EPS顆粒與原料土、固化劑和水按一定比例充分混合、壓實后制成的[7]，具有密度小、強度高、可塑性好、隔振性好等優點。在制作擋土墻、地基沉降處理、管線回填、解決橋頭跳車問題等方面都有著廣泛的應用。二灰土是由石灰、粉煤灰和原料土按照一定的比例加水混合攪拌制成的。具有強度高、整體性好、環保經濟等特點。作為地基回填土的一種新型材料，在我國20世紀80年代起就在公路等工程領域有所應用[13]。本試驗擬采用無側限抗壓試驗及抗剪試驗對不同工況條件下的EPS顆粒混合輕量土的力學特性進行初步分析與探討。

1 試驗概況

1.1 試驗方案

本試驗主要對EPS顆粒輕質混合二灰土無側限抗壓強度和抗剪強度的力學特性進行研究。通過無側限抗壓試驗及抗剪試驗對比研究在不同EPS顆粒摻合量下輕質混合二灰土以及相同EPS顆粒摻合量下不同土灰比輕質混合二灰土的強度變化。本試驗技術路線研究如圖1所示。

1.2 試樣制備

本次試驗原料土為工程棄土，土質為粉土。在試驗前將土進行烘干并碾碎，再用篩孔為0.5 mm～1 mm的篩子進行篩分。其物理性質指標為：密度ρ=1.22 g/cm3、含水率W=2.60%、液限WL=28.20%、塑限WP=17.74%、塑性指數IP=10.46%、液性指數IL=-14.5%。

按石灰∶粉煤灰∶原料土=1∶1∶8，1∶2∶7，1∶3∶6，拌和使其均勻分布；再加入水，攪拌約10 min～15 min，使其形成均勻的漿體；最后，加入EPS顆粒，攪拌約15 min～20 min時間，形成均勻的可塑性混合輕質土，將其分別裝入直徑和高均為50 mm的圓柱形模具中，作為無側限抗壓試驗試件；長寬高均為70 mm的正方形模具中，作為直剪試驗試件，放入YH-60B型標準恒溫恒濕養護箱中進行養護，1 d后拆模(這1 d的時間也計入養護齡期之內)，再次放入養護箱中養護到規定齡期。

1.3 試驗系統與加載

1)無側限抗壓試驗。試件達到14 d的養護期齡后，用修土刀修理、平整試樣輪廓，并測量記錄試樣的重量和尺寸，計算受壓面積。用微機控制電子萬能試驗機進行試驗，得到試樣抗壓強度值。2)直剪試驗。將養護14 d的試件制成標準試樣。試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀(四聯剪)快剪方法。對試樣分別施四組不同垂直壓力50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa進行試驗，分別得到四組垂直荷載作用下的峰值應力，作為該垂直荷載下的抗剪強度。

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度特性

2.1.1不同EPS摻量相同土灰比的強度變化

由圖2～圖4可知:本試驗添加EPS顆粒二灰土試樣無側限抗壓強度與純二灰土相比略有下降但下降程度不大，說明摻入EPS顆粒作為工程填料具有可行性。其他條件相同，EPS顆粒摻量較低(質量比0.2%)和較高(質量比1%)時，對無側限抗壓強度影響較小，而摻量中等(質量比0.5%)時，無側限抗壓強度與純二灰土相比相差較大。但EPS顆粒含量較高(質量比1%)時應變較小，塑性較差。推測當EPS顆粒摻量較小時，土起骨架作用，EPS顆粒摻量小，對土的強度影響小，而當EPS顆粒摻量較高時，與土共同承擔應力，但EPS顆粒粘聚性、塑性較差，故無側限抗壓強度較高但應變小。

2.1.2相同EPS摻量不同土灰比的強度變化

由圖5～圖8可知:本試驗中石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6的二灰土在不同EPS摻量下均保持強度較高的狀態，而石灰∶粉煤灰∶土=1∶1∶8的二灰土在EPS摻量中等時強度較低，石灰∶粉煤灰∶土=1∶2∶7的二灰土在不同EPS摻量比中無側限抗壓強度呈不規律變化。說明石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6的二灰土相較另外兩種性質更穩定，更適合做工程填料。

2.2 抗剪強度特性

根據試驗結果給出的不同法向荷載P、剪切峰值S，做出各種不同土灰比下不同EPS摻量比的應力路徑圖，由圖得到各配合比的抗剪強度指標c,φ，如表1所示。

表1 不同EPS摻量比的抗剪強度指標

由表1分析可知，隨著EPS顆粒摻量比的增大，粘聚力c與內摩擦角Φ減小，只有灰土比為3∶7的輕質土粘聚力規律與其他不同，但粘聚力也呈現下降趨勢。而EPS顆粒摻量比相同的情況下，粘聚力c與內摩擦角Φ會隨灰土比變化而變化，但規律不明顯。說明EPS顆粒會降低二灰土的抗剪性能，且二灰土中灰土也會對混合輕質土的抗剪性能產生一定的影響，在使用中應加入適量的粘合劑，如水泥砂漿等。當EPS顆粒摻量較少時，粘聚力c與內摩擦角Φ下降較小，對二灰土的抗剪性能的影響較小。上述現象產生可能的原因是：由于EPS顆粒之間本身的粘聚力較小，故會對二灰土起到一定的分散作用。但當EPS顆粒含量較小時，EPS顆粒的分散作用與二灰土本身的粘聚力相比影響較小，故對二灰土起到的分散作用有限。由此可得，如在施工過程中使用EPS顆粒，應添加適量的粘合劑。

3 結語

1)無側限抗壓試驗中，隨EPS顆粒摻量增加輕質土的無側限抗壓強度下降但下降程度較低，EPS顆粒摻入對輕質土抗壓強度影響較小。2)相同EPS顆粒摻量條件下，石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6的輕質二灰土性質最穩定，且無側限抗壓強度較大。3)直接剪切試驗中，隨EPS顆粒摻量增加，輕質土的粘聚力和內摩擦角均減小，但是當EPS顆粒摻量較小時輕質土粘聚力和內摩擦角下降不大。EPS顆粒會對輕質土的抗剪強度有一定削弱作用，但是摻量較小時這種削弱作用不明顯。4)相同EPS顆粒摻量條件下，隨著土灰比的變化，輕質混合土抗剪性能會隨之變化，但變化規律不明顯，工程中如使用EPS顆粒輕質土，應加入一定量的粘合劑配合使用。