EPS顆粒改良膨脹土強度試驗研究

2023-10-25 11:40:00趙奕楊莊心善聶去塵

湖北工業大學學報 2023年5期

趙奕楊, 莊心善, 聶去塵, 文武

(湖北工業大學土木建筑與環境學院, 湖北武漢 430068)

膨脹土是一種主要由蒙脫石、伊利石等親水性礦物構成的特殊高塑性黏土,在干濕交替的環境下會發生脹縮變形,引起公路、邊坡等構筑物基礎發生不均勻形變,對工程建設危害極大,因此對膨脹土進行改良刻不容緩。土性改良法是膨脹土地區地基處理的主要方法之一。由于成本低、較便捷等優點,改良法在工程中受到廣泛應用,

土性改良法分為生物改良、化學改良和物理改良。陳永青等[1]研究不同生物酶摻量下改良土力學性能以及屈服面形狀變化規律,發現生物酶對膨脹土力學性能改善效果明顯,并且土體本構關系可以由修正殷宗澤模型進行描述;梁埔源等[2]研究了NaCl溶液濃度對膨脹土強度指標的影響,發現NaCl溶液會降低土樣的黏聚力和內摩擦角以及液限、塑限指數;莊心善等[3]通過摻入不同質量比的磷尾礦改良膨脹土,并進行室內試驗得到磷尾礦摻量和膨脹土強度的關系,從而確定其最佳摻量;孫孝海等[4]采用工業堿渣水泥改良膨脹土,顯著提高膨脹土各項強度指標,并確定工業堿渣和水泥的最佳摻量。其中物理改良法是用性質較穩定的非膨脹物質替換膨脹土顆粒以改變土的顆粒級配和結構,膨脹土的固有性質不發生改變。如王歡等[5]開展大量的室內試驗并進行數值模擬分析,研究了粉砂土改良弱膨脹土的物理力學性質,根據實驗結果,提出粉砂土摻量的最優值;鄢黎明[6]通過粉煤灰對膨脹土進行改良,試驗結果表明膨脹土的膨脹特性可以通過摻入粉煤灰得到有效抑制,且膨脹土強度改良與養護齡期和摻量都相關;鄧友生等[7]使用聚丙烯纖維改良膨脹土,有效增強了膨脹土的強度;雷勝友等[8]采用了固化液改良膨脹土方法,發現固化液膨脹土性質優于膨脹土,浸水后強度改善效果顯著;劉宇翼[9]等通過將不同配比EPS顆粒與不同膨脹潛勢膨脹土制成的混合料分別進行無荷和有荷膨脹率試驗,并設置純膨脹土作為對照組,結果發現EPS顆粒可以顯著改良膨脹土的膨脹性,考慮其改良效益,得出不同膨脹潛勢膨脹土的最優摻量。

在工程中EPS顆粒常被用來改善地基土膨脹特性問題。雖然EPS顆粒對膨脹性有改良作用[9],但也應關注其對強度的降低效應。其次,由于EPS具有質輕、壓縮性高、穩定性好、耐久性長、吸濕性低、隔熱保溫效果好等優點,是一種理想的膨脹土改良材料。且相對化學生物等其他方式更符合環保要求,而目前關于EPS顆粒改良膨脹土強度的研究鮮有報道,因此本文對不同摻量下EPS顆粒改良膨脹土的強度變化研究有重要工程意義。

1 試驗材料

1.1 膨脹土

本試驗采用的土樣為湖北某邊坡的膨脹土,呈棕色,自由膨脹率為44%,依據膨脹潛勢分級,屬于弱膨脹土。主要成分是蒙脫石、伊利石和些許高嶺土,其基本物理力學指標見表1。

表1 膨脹土物理力學指標 %

1.2 EPS顆粒(聚苯乙烯泡沫顆粒)

EPS顆粒來源于浙江某泡沫生產廠家,顆粒粒徑為 1～2 mm[10],純顆粒密度為0.035 g/cm,壓實密度為0.05 g/cm3(圖1)。

圖1 聚苯乙烯泡沫顆粒

2 試驗方案

參照《土工試驗方法標準》通過擊實試驗測得膨脹土的最大干密度為1.7 g/cm3,最優含水率為17%。

制作EPS改良膨脹土土樣有按照體積比或者質量比摻入這兩種方法,為了確保所制備的土樣相對均一,且不同配比的膨脹土樣之間可以進行對照,試驗選用體積比。為探究不同條件下EPS顆粒改良膨脹土土體強度的變化規律,對不同摻量及圍壓的EPS顆粒改良膨脹土進行固結不排水三軸試驗。試驗開始前,先將未處理的膨脹土用碎土機搗碎,通過2 mm孔徑篩進行篩選,再放入烘箱,設置溫度105 ℃,烘烤24 h后取出,待其在環境溫度下冷卻后封袋存放于陰涼處。

將膨脹土按照最大干密度和最優含水率分四組摻入體積比0、5%、10%、15%的EPS顆粒,通過制樣器和擊實器制作直徑39.1 mm,高度80 mm的EPS改良土樣,制備時分4層進行壓實,然后進行刮毛處理。完成制備工作后,將試樣放入真空飽和器中進行抽氣飽和,飽和完畢即可放入TSZ-2型全自動三軸儀進行固結不排水試驗。若試驗過程中出現試樣軟化現象,峰值強度取曲線最高點,試樣出現硬化現象,則峰值強度取軸線應變為15%的點。為模擬不同地基深度環境下土體受壓狀態,分別選取50 kPa、100 kPa、150 kPa作為試驗圍壓,剪切速率為0.05 mm/min,實驗方案見表2。

表2 試驗方案

3 三軸試驗結果與分析

3.1 應力-應變關系曲線

由圖2可知, 在摻量不變時,隨著圍壓增加土樣的應力-應變關系曲線逐漸上移,這是因為土樣受圍壓作用變得更加密實,不易發生側向形變,土樣強度增加。當圍壓為150 kPa時,體積摻量為0、5%、10%、15%的改良土樣的峰值強度最大,依次為:735.9 kPa、584.4 kPa、431 kPa、412.7 kPa呈明顯降低趨勢,表明EPS顆粒的摻入降低了土樣的強度。分析應力-應變關系曲線易知,土樣形變經歷以下階段:微裂縫壓密階段,當軸向應變ε小于1.5%時主應力差值上升迅速且斜率為常數,即表現為線性關系,從微觀分析這是由于土樣內部的空腔和微小縫隙在軸向壓力作用下密實從而導致單位應變的主應力差值快速升高;彈塑性變形階段,當軸向應變ε處于1.5%至10%這個區間時,應力-應變曲線斜率逐漸減小,在軸向應變ε處于10%處,曲線短暫下降;然后是強化階段,當軸向應變ε處于10%至15%這個區間時,強度繼續上升,這是因為土樣內部裂縫閉合且未產生新的裂縫;破壞階段,當軸向應變ε處于15%時,應力-應變曲線達到最大值后迅速下降,此時曲線斜率為0,土樣強度為峰值強度,由于軸向壓力持續增加使土樣發生破壞并產生裂縫,此時主應力差值會減小;穩定階段,當軸向應變ε大于15%時,應力-應變曲線變動幅度很小,曲線趨于穩定。這是因為發生破壞后,受到軸向壓力作用,土樣密實,裂縫閉合。

(a)素土

(b)5%體積摻量

(d)15%體積摻量

由圖3可知,當圍壓相同時,0、5%、10%、15%體積摻量的改良土樣主應力差值隨著軸向應變的增加先迅速上升后緩慢上升,達到峰值后趨于穩定。在50 kPa、100 kPa、150 kPa三種不同圍壓下,素土樣的主應力差值都是最大的,峰值強度分別是586.1 kPa、687.3 kPa、735.9 kPa,15%體積摻量EPS改良土樣的主應力差值最小,峰值強度分別是340 kPa、366.4 kPa、412.7 kPa,表明EPS顆粒會降低膨脹土抗剪強度;并且10%體積摻量改良膨脹土和15%體積摻量改良膨脹土的主應力差值非常接近,不足以說明10%的EPS顆粒摻量為界限摻量,因此配制摻量為6%、7%、8%、9%的改良膨脹土在150 kPa的圍壓下進行三軸試驗,應力-應變曲線如圖4,從圖中可以看出,當摻量超過9%時,摻入更多的EPS顆粒對改良土強度變化影響不大,最終確定界限摻量為9%。這些特征是由EPS顆粒的特殊性質所決定的,由于EPS顆粒制作時采用的發泡工藝,使得EPS顆粒內部產生很多空腔,因此改良土樣受壓過程中這些空腔被壓實并破裂,產生屈服;當空腔結構在受壓過程中被全部破壞時,主要表現為塑性性質;若繼續施加壓力,破裂的空腔繼續被壓密,此時應變主要表現為彈性性質[11]。

(a)σ3=50 kPa

(b)σ3=100 kPa

(c)σ3=150 kPa

圖4 150 kPa圍壓下試驗土樣應力-應變關系曲線

3.2 EPS顆粒摻量對黏聚力、內摩擦角的影響

通過3個摩爾圓公切線, 得到不同EPS顆粒摻量下的土樣黏聚力和內摩擦角參數指標關系(表3)。

表3 不同摻量下改良土強度指標

由圖5可知, 黏聚力與EPS顆粒摻量呈二次函數關系, 內摩擦角與EPS顆粒摻量呈一次函數關系。隨著EPS顆粒摻量增加, 黏聚力和內摩擦角都有變小的趨勢, 且黏聚力減小速率更快, 這是由于黏聚力是由土顆粒間水的表面張力產生的, 所以黏粒數量是黏聚力大小的決定因素, 而摻入EPS顆粒會替換黏粒, 使改良土的黏粒數量減少, 導致黏聚力下降。這也解釋了摻量的增加導致黏聚力變小。