聚苯乙烯泡沫材料与不同土体间的接触面剪切特性

刘鑫喜，高洪梅，徐琪尔，梁 波，樊宝云，黄舒淇，卢 广

（南京工业大学交通运输工程学院 南京211816）

0 引言

20 世纪80 年代，日本学者提出聚苯乙烯泡沫（Expanded polystyrene，EPS）轻质混合土的概念，其由EPS 颗粒、原料土、水、胶结材料（也可不加）等混合形成的一种轻质填土材料。其具有轻质高强、自立性好、施工方便等优点，广泛应用于软基路堤、地下结构物、挡土墙以及桥台背后的回填料。众多学者对其基本物理力学性质及工程应用开展了大量的研究工作［1-7］。EPS 轻质混合土的剪切强度破坏机制是一个值得研究的课题，由于EPS 轻质混合土组分复杂，其内在破坏机制往往受控于EPS 颗粒与其接触的土体间的接触面剪切特性。另一方面，EPS 块体在工程应用中与土体之间的剪切特性也将影响其强度的发挥。因此，开展EPS 材料与不同土体间接触面的剪切特性的研究尤为重要。

国内外关于土体与不同材料间的接触面剪切特性已有相关研究。冯大阔等人［8］运用80 t大型三维接触面试验机，对粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究，结果表明接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大。石熊等人［9］采用大型直剪仪进行红黏土与混凝土接触面的单向直剪试验，结果表明:随着接触面粗糙度的增大，接触面的抗剪强度以及残余强度增大，粘聚力增大，内摩擦角减小，随着剪切位移的增大，法向位移先减小后增大，先后经历剪缩与剪胀2 个阶段。杨鑫等人［10］使用改良的大型直剪仪研究砂土与混凝土接触面的力学特性，结果表明:随着法向应力的增加，接触面破坏形式由接触面发生滑动破坏到接触面附近的砂土自身发生硬化型破坏过渡。闫澍旺等人［11］通过自制大型直剪仪对桩-土界面进行了直剪试验研究，并提出“抗剪糙度”概念，研究表明土与钢板界面的抗剪糙度并非常数，砂土抗剪糙度的变化规律性较强，而软黏土的抗剪糙度受固结程度、扰动程度、土体强度等因素影响而呈现较大变化。然而，关于EPS 材料与不同土体间界面的剪切特性却鲜有报道。学者Sheeley 等人［12］使用改良大型直剪仪对EPS材料之间及其与混凝土之间的接触面摩擦特性进行了研究，结果发现干燥和湿润条件下的EPS 材料之间的接触面，在相同正应力下的峰值和残余抗剪强度基本一样，摩擦系数不低于0.6。EPS泡沫和混凝土接触面形成了一种强大的粘聚力，在32 Pa 的正应力下，剪切阻力超过70 kPa。当黏结断裂时，抗剪强度急剧下降至约50 kPa的残余值。

本文利用室内常规直剪仪开展EPS颗粒以及EPS板分别与黏土、砂土以及不同配比的水泥土之间接触面的剪切试验，研究EPS 材料与不同土体间的接触界面剪切特性，并引入“抗剪糙度”的概念［11］，讨论EPS材料与不同土体间接触面抗剪糙度的变化，并相应给出剪切破坏的内在规律，为EPS 轻质土剪切破坏机理的研究提供一定的依据与参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

本次试验研究EPS 颗粒和EPS 板分别与粘土、砂土和不同配比水泥土之间接触面剪切特性。EPS颗粒采用预发泡聚苯乙烯球形颗粒，粒径范围为2～3 mm，颗粒密度为23.7 kg/m3。EPS 板密度为22 kg/m3，将其切割成剪切盒的内尺寸进行试验。原状黏土取自南京市栖霞区八卦洲，为淤泥质粉质黏土，其基本物理力学性质指标如表1所示。

表1 试验所用淤泥质粉质粘土物理力学性质指标Tab.1 Physical and Mechanical Parameter of the Silty Clay Used in the Test

本试验所用砂土取自南京市浦口区，为南京细砂，其颗粒级配曲线如图1 所示。其不均匀系数Cu=2.32，曲率系数Cc=1.06，特征粒径d50=0.16 mm，颗粒相对密度ds=2.72，最大孔隙比emax=1.16，最小孔隙比emin=0.61。

图1 砂土级配曲线Fig.1 Sand Grading Curve

水泥土采用3 种灰土比:6%、8%和10%，其中灰土比mc/ms为水泥与干土的质量百分比，试样的含水量（水与干土的质量百分比）统一取60%。采用镇江某水泥公司生产的P·C32.5R 复合硅酸盐水泥。制好的灰土比6%的水泥土试样如图2所示，尺寸为30 cm2（底面积）×2 cm（高度）。

图2 灰土比6%的水泥土试样Fig.2 Soil Specimen with 6% Ratio of Cement to Soil

1.2 制样方法及加载条件

对于砂土，控制干密度为1.3 g/cm3。根据砂土干密度和剪切盒容积，可以得出所需的土样质量。对于黏土，按照《土工试验方法标准:GB 50123-2019》［13］的要求重塑土样，原状黏性土需要烘干、粉碎和过1 mm筛3 道工序，通过加压使其固结。试验时EPS 材料均放置在上盒内，3 种土样均放置于下盒。试验采用常规的直剪仪，控制剪切速率为1.2 mm/min。EPS 材料与水泥土接触面剪切试验中垂直压力采用50 kPa、100 kPa、200 kPa 及300 kPa，而EPS 材料与砂土、黏土的剪切试验中最后一级垂直压力采用250 kPa。

2 试验结果及分析

2.1 EPS材料与黏土、砂土接触面的剪应力-位移关系

图3 EPS材料与黏土、砂土剪切面破坏Fig.3 Shear Failure of Interface between EPS Materials and Clay，Sand

图3 给出EPS 材料分别与砂土、黏土的接触面剪切后的情况，可以看出，EPS 颗粒与黏土、砂土剪切面都发生破坏，EPS 颗粒会不同程度地陷进黏土、砂土中。EPS 板-土体接触面剪切过程中，土体有少许沉降，EPS板比较完整。

图4是EPS颗粒与黏土和EPS颗粒与砂土接触面的剪应力-位移图，发现黏土与EPS 颗粒在50 kPa 和100 kPa 垂直压力下，随着位移增大剪切力单调递增；而在200 kPa 垂直压力下剪应力-位移曲线出现了峰值，在250 kPa 垂直压力下出现明显峰值而后下降的现象。而图4b中发现，在50 kPa，100 kPa，200 kPa垂直压力下均未出现峰值，只有在250 kPa 下出现了明显的峰值。

图4 EPS颗粒与黏土、砂土接触面的剪应力-位移Fig.4 Shear Stress-displacement Curve of the Interface between EPS Particles and Clay，Sand

图5给出EPS板与黏土、砂土接触面剪应力-位移曲线关系，发现黏土与EPS 板在垂直压力50 kPa 和100 kPa下未出现峰值，在200 kPa和250 kPa垂直压力下出现明显峰值的现象。而图5b曲线在各级垂直压力下均出现明显的峰值。

2.2 EPS材料与黏土、砂土接触面抗剪强度

图6给出EPS材料与黏土、砂土接触面剪切强度关系，图中S 为砂土，C 为黏土，EF 为EPS 板，EB 为EPS颗粒，CS为水泥土。图6a给出EPS板与黏土、砂土接触面剪切强度，可以得到EPS板-砂土接触面粘聚力为8.58 kPa，摩擦角为29°44'，EPS板-黏土接触面粘聚力为21.5 kPa，摩擦角为20°46'。这与我们认知中的黏土具有更好的粘聚力，而砂土通常比较粗糙情况相符。

由图6可以得到，EPS 颗粒-黏土接触面粘聚力为8.83 kPa，摩擦角为20°27'，EPS 颗粒-砂土接 触 面 粘 聚 力 为2.82 kPa，摩 擦 角 为27°1'。这与上述EPS 板与黏土、砂土接触面剪切强度性质类似，接触面的剪切强度主要受控于黏土或砂土的性质。

2.3 EPS 材料与水泥土的接触面剪切特性

图5 EPS板与黏土、砂土接触面的的剪应力-位移曲线Fig.5 Shear Stress-displacement Curve of the Interface between EPS Plate and Clay，Sand

图6 EPS材料与黏土、砂土接触面抗剪强度Fig.6 Shear Strength of the Interface between EPS Material and Clay，Sand

不同水泥含量的水泥土与EPS 颗粒接触面剪应力-位移如图7 所示，可以看出，各曲线特征基本一致，剪应力随着剪切位移的增大而不断增大，没有出现明显的剪应力峰值，呈现硬化特征。不同水泥含量的水泥土与EPS板接触面剪应力-位移如图8所示，可以看出，3 种水泥土含量水泥土-EPS 板接触面剪应力-位移曲线在垂向压力50 kPa 下均出现峰值，呈现应变软化特性，而在100 kPa、200 kPa、300 kPa 三种垂向压力下均未出现峰值，且在相同位移下的剪应力随着水泥含量增加而增大。

图7 EPS颗粒与不同配比水泥土接触面的剪应力-位移关系Fig.7 Shear Stress-displacement Relationship of the Interface between EPS Particles and Cemented Soil with Different Proportions

图8 EPS板与不同配比水泥土接触面的剪应力-位移关系Fig.8 Shear Stress-displacement Relationship of the Interface between EPS Plate and Cemented Soil with Different Proportions

EPS 颗粒、EPS 板与水泥土接触面的剪切强度分别如图9 所示。由此得到EPS 颗粒、EPS 板与不同配比水泥土接触面的抗剪强度指标分别如表2 所示，可以看出EPS 颗粒与不同配比水泥土间接触面的粘聚力c值较小，随水泥含量的增加而增大，而摩擦角随水泥含量的增加先减小后增大；EPS 泡沫板与水泥土接触面的粘聚力和摩擦角均随水泥含量的增大而增大。

图9 EPS材料与不同配比水泥土接触面的抗剪强度Fig.9 Shear Strength of the Interface between EPS Material and Cemented Soil with Different Proportions

表2 EPS材料与不同配比水泥土接触面的抗剪强度指标Tab.2 Shear Strength Index of the Interface between EPS Material and Cemented Soil with Different Cement Contents

2.4 EPS板与不同土体间接触面的抗剪糙度

引入“抗剪糙度”这一指标，定义为接触面的抗剪强度与某一种材料自身抗剪强度之比［11］，即

Rm=τ界/τ材

式中:Rm为抗剪糙度；τ界为接触面抗剪强度；τ材为某一种材料的抗剪强度。

在实际工程中，EPS 板-土接触面抗剪强度往往很难得到，但土体自身的抗剪强度通常都会在勘察阶段给出。因此，已知抗剪糙度，可以通过相比的材料自身抗剪强度推求出EPS 板-土接触面强度。根据抗剪糙度大小，还可以较为直观地判断出破坏面更倾向于出现的位置；如抗剪糙度大于1，则破坏面更倾向于出现在相比的某一种材料中；抗剪糙度小于1，则破坏面更倾向于出现在接触面处。

EPS板、砂土以及黏土在不同垂向压力下的抗剪强度由常规直剪试验方法得到，结果如表3、表4所示。

将相同垂向压力作用下的接触面抗剪强度比上土体或EPS板的抗剪强度可得到抗剪糙度。EPS板与不同土体间接触面的抗剪糙度随垂向压力的变化以及线性拟合关系如图10 所示。图10a 中的EF-C/C 表示EPS板-黏土接触面对黏土体的抗剪糙度，EF-C/EF表示EPS 板-黏土接触面对EPS 板的抗剪糙度，图10b、图10c、图10d依此类推。

可以看出，在本文选取的强度研究范围内，EPS板-黏土接触面对黏土体或EPS 板的抗剪糙度均随垂向压力的增大而呈下降趋势。EPS 板与黏土接触面对黏土体抗剪糙度为0.57～0.80，均小于1，即EPS板与黏土接触面的抗剪强度低于黏土体自身的抗剪强度，说明EPS 板-黏土接触面比黏土体更容易发生破坏。EPS 板-黏土接触面对EPS 板抗剪糙度均大于1，说明EPS 板-黏土接触面比EPS 板更稳定。综合可知，EPS板-黏土接触面发生剪切时，最先发生破坏的是EPS板。

表3 EPS板、砂土和黏土在不同垂向压力下的抗剪强度Tab.3 Shear Strength of EPS Plate，Sand and Clay under Various Vertical Pressures

表4 不同含量水泥土在不同垂向压力下的抗剪强度Tab.4 Shear Strength of Cemented Soil with Different Cement Contents under Various Vertical Pressures

图10 EPS板与不同土体材料间接触面的抗剪糙度Fig.10 The Shear Roughness of the Interface between the Relationship between Shear Strength and Shear Roughness of Soil

如图10b 所示，EPS 板-砂土接触面对EPS 板抗剪糙度都大于1，EPS 板抗剪强度小于接触面抗剪强度，EPS 板-砂土接触面对砂土体抗剪糙度有大于1 也有小于1，虽然随垂向压力增加，EPS 板-砂土接触面对砂土体的抗剪糙度大体呈下降趋势但是数据离散性大，本文不作更深入的分析。

如图10c、图10d的EPS板-水泥土接触面对水泥土的抗剪糙度小于1，而对EPS板的抗剪糙度大于1，接触面抗剪糙度随垂向压力单调递增，而且有较好的线性关系，说明水泥土强度＞接触面强度＞EPS板强度，当EPS板、水泥土混合物发生剪切时，最先破坏的是EPS板。

3 结论

⑴EPS板-砂土接触面与EPS板-黏土接触面相比较，前者粘聚力小而摩擦角大，比较EPS 颗粒-砂土接触面与EPS颗粒-黏土也可以得出相似的结果。

⑵随水泥含量增加，EPS板-水泥土接触面的粘聚力增大，摩擦角增大；而EPS颗粒-水泥土接触面粘聚力较小，并且随水泥含量增加，摩擦角先减小后增大。

⑶EPS 板-黏土接触面对黏土的抗剪糙度均小于1，而对EPS 板的抗剪糙度均大于1，而且两者均随垂向压力的增大而减小，说明黏土体强度＞接触面强度＞EPS板强度。

⑷EPS 板-水泥土接触面对水泥土抗剪糙度均小于1，而对EPS 板的抗剪糙度均大于1，并且两者都随垂向压力的增加而线性增加，说明水泥土强度＞接触面强度＞EPS板强度。