EPS颗粒轻质混合二灰土强度性质的试验研究★

杨玉婷 杨 婧 李 娟 李佳铎

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

聚苯乙烯泡沫塑料颗粒(简称EPS颗粒)运用于岩土工程领域，可制成轻质土[1-3]，轻质土是一种利用轻型材料开发而成的新型填土材料[4-6]。梅利芳[7]通过研究纤维EPS颗粒轻质土的微观特性、变形特性和抗剪强度特性等揭示了其强度机理。杜鑫[8]通过流值测定实验、室内抗剪强度试验以及三轴渗透试验等对黄土EPS颗粒混合轻质土的流动性、强度以及渗透性能进行了研究，为预防治理黄土滑坡提供理论依据。张向东等[9]通过研究EPS颗粒改良土作为寒区路基填料的抗冻性能，以冻胀率及割线模量为评测指标对改良土的抗冻性能进行了测试分析。周可可[10]、姬凤玲[11]、胡焕忠[12]等分别研究了EPS颗粒级配、EPS颗粒种类、EPS颗粒掺入比对EPS颗粒轻质混合土的力学性能影响。EPS颗粒轻质土是EPS颗粒与原料土、固化剂和水按一定比例充分混合、压实后制成的[7]，具有密度小、强度高、可塑性好、隔振性好等优点。在制作挡土墙、地基沉降处理、管线回填、解决桥头跳车问题等方面都有着广泛的应用。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搅拌制成的。具有强度高、整体性好、环保经济等特点。作为地基回填土的一种新型材料，在我国20世纪80年代起就在公路等工程领域有所应用[13]。本试验拟采用无侧限抗压试验及抗剪试验对不同工况条件下的EPS颗粒混合轻量土的力学特性进行初步分析与探讨。

1 试验概况

1.1 试验方案

本试验主要对EPS颗粒轻质混合二灰土无侧限抗压强度和抗剪强度的力学特性进行研究。通过无侧限抗压试验及抗剪试验对比研究在不同EPS颗粒掺合量下轻质混合二灰土以及相同EPS颗粒掺合量下不同土灰比轻质混合二灰土的强度变化。本试验技术路线研究如图1所示。

1.2 试样制备

本次试验原料土为工程弃土，土质为粉土。在试验前将土进行烘干并碾碎，再用筛孔为0.5 mm～1 mm的筛子进行筛分。其物理性质指标为：密度ρ=1.22 g/cm3、含水率W=2.60%、液限WL=28.20%、塑限WP=17.74%、塑性指数IP=10.46%、液性指数IL=-14.5%。

按石灰∶粉煤灰∶原料土=1∶1∶8，1∶2∶7，1∶3∶6，拌和使其均匀分布；再加入水，搅拌约10 min～15 min，使其形成均匀的浆体；最后，加入EPS颗粒，搅拌约15 min～20 min时间，形成均匀的可塑性混合轻质土，将其分别装入直径和高均为50 mm的圆柱形模具中，作为无侧限抗压试验试件；长宽高均为70 mm的正方形模具中，作为直剪试验试件，放入YH-60B型标准恒温恒湿养护箱中进行养护，1 d后拆模(这1 d的时间也计入养护龄期之内)，再次放入养护箱中养护到规定龄期。

1.3 试验系统与加载

1)无侧限抗压试验。试件达到14 d的养护期龄后，用修土刀修理、平整试样轮廓，并测量记录试样的重量和尺寸，计算受压面积。用微机控制电子万能试验机进行试验，得到试样抗压强度值。2)直剪试验。将养护14 d的试件制成标准试样。试验采用ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)快剪方法。对试样分别施四组不同垂直压力50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa进行试验，分别得到四组垂直荷载作用下的峰值应力，作为该垂直荷载下的抗剪强度。

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度特性

2.1.1不同EPS掺量相同土灰比的强度变化

由图2～图4可知:本试验添加EPS颗粒二灰土试样无侧限抗压强度与纯二灰土相比略有下降但下降程度不大，说明掺入EPS颗粒作为工程填料具有可行性。其他条件相同，EPS颗粒掺量较低(质量比0.2%)和较高(质量比1%)时，对无侧限抗压强度影响较小，而掺量中等(质量比0.5%)时，无侧限抗压强度与纯二灰土相比相差较大。但EPS颗粒含量较高(质量比1%)时应变较小，塑性较差。推测当EPS颗粒掺量较小时，土起骨架作用，EPS颗粒掺量小，对土的强度影响小，而当EPS颗粒掺量较高时，与土共同承担应力，但EPS颗粒粘聚性、塑性较差，故无侧限抗压强度较高但应变小。

2.1.2相同EPS掺量不同土灰比的强度变化

由图5～图8可知:本试验中石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6的二灰土在不同EPS掺量下均保持强度较高的状态，而石灰∶粉煤灰∶土=1∶1∶8的二灰土在EPS掺量中等时强度较低，石灰∶粉煤灰∶土=1∶2∶7的二灰土在不同EPS掺量比中无侧限抗压强度呈不规律变化。说明石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6的二灰土相较另外两种性质更稳定，更适合做工程填料。

2.2 抗剪强度特性

根据试验结果给出的不同法向荷载P、剪切峰值S，做出各种不同土灰比下不同EPS掺量比的应力路径图，由图得到各配合比的抗剪强度指标c,φ，如表1所示。

表1 不同EPS掺量比的抗剪强度指标

由表1分析可知，随着EPS颗粒掺量比的增大，粘聚力c与内摩擦角Φ减小，只有灰土比为3∶7的轻质土粘聚力规律与其他不同，但粘聚力也呈现下降趋势。而EPS颗粒掺量比相同的情况下，粘聚力c与内摩擦角Φ会随灰土比变化而变化，但规律不明显。说明EPS颗粒会降低二灰土的抗剪性能，且二灰土中灰土也会对混合轻质土的抗剪性能产生一定的影响，在使用中应加入适量的粘合剂，如水泥砂浆等。当EPS颗粒掺量较少时，粘聚力c与内摩擦角Φ下降较小，对二灰土的抗剪性能的影响较小。上述现象产生可能的原因是：由于EPS颗粒之间本身的粘聚力较小，故会对二灰土起到一定的分散作用。但当EPS颗粒含量较小时，EPS颗粒的分散作用与二灰土本身的粘聚力相比影响较小，故对二灰土起到的分散作用有限。由此可得，如在施工过程中使用EPS颗粒，应添加适量的粘合剂。

3 结语

1)无侧限抗压试验中，随EPS颗粒掺量增加轻质土的无侧限抗压强度下降但下降程度较低，EPS颗粒掺入对轻质土抗压强度影响较小。2)相同EPS颗粒掺量条件下，石灰∶粉煤灰∶土=1∶3∶6的轻质二灰土性质最稳定，且无侧限抗压强度较大。3)直接剪切试验中，随EPS颗粒掺量增加，轻质土的粘聚力和内摩擦角均减小，但是当EPS颗粒掺量较小时轻质土粘聚力和内摩擦角下降不大。EPS颗粒会对轻质土的抗剪强度有一定削弱作用，但是掺量较小时这种削弱作用不明显。4)相同EPS颗粒掺量条件下，随着土灰比的变化，轻质混合土抗剪性能会随之变化，但变化规律不明显，工程中如使用EPS颗粒轻质土，应加入一定量的粘合剂配合使用。