EPS颗粒轻质混合土蠕变特性试验研究

高洪梅,刘汉龙,刘金元

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098;3.瑞尔森大学土木工程系,安大略多伦多M5B 2K3,加拿大)

轻质混合土是基于材料本身的轻量性、易施工性以及可利用废旧EPS泡沫、弃土淤泥、工业废料等废弃物而开发研制的一种新型填土材料[1-3],它是由原料土、固化剂(如水泥、粉煤灰)、轻质材料及水混合而成的.发泡聚苯乙烯(expanded polystyrene)颗粒轻质混合土(简称EPS颗粒轻质混合土)组成中的轻质材料选用EPS颗粒,它是一种轻型高分子聚合物,在土工泡沫材料中应用最为广泛[4-5].EPS颗粒轻质混合土,在岩土工程性质方面具有许多优点[6-7],如轻量性、自立性、快硬性、流动性、强度与密度可调节性,有效利用废弃物而具有环保性.其工程应用也相当广泛.例如:用它作为软弱地基的路堤填土,可减小地基沉降;用它作为公路桥台与路堤间的填料,可缓解公路桥头跳车问题;其侧向土压力系数很小,可用于减轻对构造物的水平土压力;利用其流动性,可将其用于管道、涵洞等不规则形状结构处的填埋;利用其自立性,在用地相对紧张的城市公路拓宽工程中,将其用作拓宽路基填料,可节省放坡用地.国外,特别是日本,EPS颗粒轻质混合土的试验研究与工程应用都较多[8-9].而最近几年,EPS颗粒轻质混合土在国内工程实践中也收到了较好的效果[2].

工程实践表明,岩土材料都具有较明显的流变特性,许多工程事故正是由于忽视了岩土材料的流变性而引发的.为此,Geuze等[10-11]对土体流变系统进行了研究,维亚洛夫等[12-15]从不同角度对土的蠕变性进行了研究.EPS颗粒轻质混合土作为一种新型的岩土材料,其蠕变性能还未见有人研究.笔者在高压固结蠕变试验的基础上,采用分级与分别加载方式,对比研究了EPS颗粒轻质混合土的蠕变特性,并根据分别加载试验结果,建立了该类土的单向压缩蠕变模型.

1 试验方法

试验在双联高压固结仪上进行,试样高2cm,面积30cm2.在试验过程中,温度控制在20～26℃之间.EPS颗粒轻质混合土由原料土、水泥、EPS颗粒和水混合而成.本着废物利用的原则,试验用原料土取宁波绕城高速西段地下2～2.5m深的工程弃土,为低液限黏土,其基本物理性质见表1.

表1 原料土的基本物理性质Table1 Basic physical properties of soil

在制样之前将土烘干,再用橡胶锤敲成粉末.这样做的好处是[16]:制样过程中可以较为精确地控制试样含水率;土颗粒可以和水混合均匀,不至于在搅拌过程中形成土块,影响试样的质量.EPS颗粒可以采用废弃泡沫塑料粉碎片.由于时间与粉碎条件所限,采用了粒径为2～3mm的球粒,其堆积密度为0.019g/cm3,是土密度的1/80～1/100.水泥为325号普通硅酸盐水泥.水取自自来水.配比(均为与干土的质量比),轻质料为4%,水泥为10%,水为80%.将各材料按比例用感量为0.01g的电子天平称好.混合方法:先将干土和水混合搅拌均匀,直至拌和物中没有明显的土颗粒存在;再加入水泥拌和,直至拌和物中各处干稀均匀;最后加入EPS颗粒,使得每颗EPS颗粒都有水泥浆液包裹且在泥浆中分布均匀.调配好后,将混合物浆液分数次压入环刀内,要尽量填实,务必使试样均匀、密实、没有孔洞.试样采用无锡市锡仪建材仪器厂生产的恒温恒湿标准养护箱养护.养护温度(20±2)℃,相对湿度100%,养护龄期14d.

室内蠕变试验按加载方式分为分别加载与分级加载2种[17].分级加载就是在同一试样上逐级加上不同的压力,即在某一级压力水平下让土样蠕变给定的时间,然后将压力水平提高到下一级的水平,直到所需的压力水平.但这种加载方式假定土体满足线性叠加原理,需要用包尔茨曼叠加原理叠加来获得完整的曲线,不能模拟土体的非线性特性,且获得的蠕变曲线是阶梯形的,不便于实际工程应用,还必须采用坐标平移法来获得和分别加载相似的曲线.分别加载就是对同一种土样的若干试样,在完全相同的仪器和完全相同的试验条件下,进行不同压力水平下的蠕变试验,从而得到不同压力水平下的蠕变曲线.从理论上说,分别加载方式能较好地符合蠕变试验所需的条件,且能直接得到蠕变全过程曲线.但由于试验仪器与条件的限制,到目前为止很少有人进行分别加载试验.笔者对EPS颗粒轻质混合土进行了分别与分级加载试验的对比.试验中所采用的土样为重塑混合样,相比原状土,比较容易保证试样性质相似.试验仪器为同一批双联高压固结仪.一组分别加载试验在同一时间段内完成,以保证相同的试验环境,尽量减小误差.加载压力分为25kPa,50 kPa,100kPa,200kPa,400kPa 5个等级.分级加载时,上一级压力下变形基本稳定时加下一级压力.稳定标准为连续2d变形保持不变.一组分级加载试验需要历时近2个月.

2 试验结果及分析

图1是试样在分别加载与分级加载下的变形-时间曲线.由分级加载试验曲线转化为分别加载试验曲线的方法有Boltzmann线性叠加法和陈氏叠加法2种[18].Boltzmann线性叠加法假设土体为线性流变体,但实际土体不能简单地视为线性流变体.陈氏叠加法优点在于,采用适当的试验技术与方法,用作图法建立真实变形过程的叠加关系,不论后效影响是线性的还是非线性的均可适用[19].本文分级加载试验曲线根据陈氏叠加法进行转化,转化后的蠕变试验曲线与分别加载蠕变曲线的对比如图2所示.图中S代表分别加载蠕变曲线,G代表由陈氏叠加法转化而成的分别加载蠕变曲线.

图1 EPS颗粒轻质混合土的蠕变曲线Fig.1 Creep curves for light-weight EPS treated soil

由图2可以看出,经陈氏叠加法转化后的试验曲线在一定程度上可以反映蠕变规律,但与实际情况仍有很大差别,低压力(25kPa,50kPa)下,两者差别不大,基本一致,而较高压力(100kPa,200kPa,400kPa)下,两者差别越来越大,表明应力历史的影响是不可忽略的,在前一级的压力下会使土硬化,相同压力下使得蠕变变形量大大减小.分级加载试验结果不管是Boltzmann线性叠加法还是更易反映真实变形过程的陈氏叠加法,都会与分别加载试验结果存在较大误差,所以,试验条件允许情况下应尽量采用分别加载方式.

由图1(a)可以看出:(a)EPS颗粒轻质混合土具有蠕变特性,而且稳定时间随压力大小而变化,压力越大,达到稳定的时间越长,25kPa压力下达到稳定的时间为8 d,而400kPa压力下达到稳定的时间长达23d.(b)单向压缩蠕变形态为衰减蠕变,到达一定时间后会稳定到一个固定的值,没有出现第3阶段的急剧流动阶段.

3 蠕变模型

分别加载试验曲线排除了加载状态的影响,试验结果比较可靠[9],本文蠕变模型根据分别加载试验曲线来建立.将图1(a)中的变形 时间关系表示在双对数坐标上,如图 3所示 .各试验曲线近似为直线,用直线拟合,相关系数为0.988～0.994.因此,在一定压力作用下,变形-时间的关系可表示为

图2 陈氏叠加法转化后的蠕变曲线与分别加载蠕变曲线的对比Fig.2 Comparison between creep curves derived by Chen's superposition method and those from single-step creep tests

即

式中:t0——参考时间,可取 t0=1d;δ(p,t)——压力p作用下t时刻的变形;δ(p,t0)——压力p作用下t0时刻的变形;t——时间;n——直线的斜率,与土的性质有关,对于同一配比的试样,由于各压力作用下的直线基本平行,所以可认为n为常数.

图3 双对数坐标下的蠕变曲线Fig.3 Creep curves in double logarithmic coordinates

等时曲线可由蠕变曲线得到,如图4所示.压力-变形关系接近于直线,可用直线关系进行拟合,相关系数均大于0.99.因此,在一定时刻t,土体的压力-变形关系可表示为

式中:p0——参考压力,可取 25kPa;δ(p0,t)——p0作用下t时刻的变形;k——拟合直线的斜率,对同一配比的试样,k随时间的增加略有增大,但变化不大,变化范围为0.02109～0.02289,所以可近似地认为k为常数.t=0时的变形假定为0.由式(2),(3)可以得到

图4 EPS颗粒轻质混合土的等时曲线Fig.4 Isochrones of light-weight EPStreated soil

式中:δ(p0,t0)——p0作用下t0时刻的变形,对同一种配比的试样来说是一个确定的值;n——双对数坐标下蠕变曲线的斜率.该模型只有n和k 2个参数.根据试验资料,EPS颗粒轻质混合土的参数n和k分别如表2和表3所示.

根据本试验结果得到的蠕变关系表达式为

δ(p0,t0)是压力为25kPa、时间为1d时的变形,其值为0.181.图5为模型模拟的蠕变曲线与试验结果的对比,可以看出本模型能够比较好地模拟EPS颗粒轻质混合土的蠕变特性,大部分压力下的拟合效果较好.200kPa压力下2种曲线有一定的差别,这是因为试验不可避免地存在一定误差,模型建立过程中的参数均使用平均值也会引起误差.

表2 EPS颗粒轻质混合土的蠕变参数nTable2 Values of creep parameter n for light-weight EPS treated soil

表3 EPS颗粒轻质混合土的蠕变参数kTable 3 Values of creep parameter k for light-weight EPS treated soil

4 结 论

a.分级加载的试验曲线经过陈氏叠加法处理后,与分别加载试验曲线还会存在较大差距,在试验条件允许的情况下,要尽量采用分别加载方式.

b.单向压缩蠕变形态为衰减蠕变,到达一定时间后会稳定到一个固定的值,没有出现第3阶段的急剧流动阶段.

c.EPS颗粒轻质混合土具有蠕变特性,而且压力越大,蠕变变形达到稳定的时间越长.

d.EPS颗粒轻质混合土的变形-时间关系可用幂函数来表示,而压力-变形关系可用直线关系来表示,根据试验结果建立的本构模型,在一定程度上可以较好地反映蠕变特性.

e.总体来说,本文建立的模型可以较好地反映该材料的蠕变特性,个别压力下存在一定误差.该模型进一步改进后,可以更加真实地反映EPS颗粒轻质混合土的蠕变特性.

图5 蠕变试验结果与模型计算结果的对比Fig.5 Comparison between measured and predicted values

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