EPS顆粒輕質(zhì)混合土蠕變特性試驗研究

高洪梅,劉漢龍,劉金元

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098;3.瑞爾森大學土木工程系,安大略多倫多M5B 2K3,加拿大)

輕質(zhì)混合土是基于材料本身的輕量性、易施工性以及可利用廢舊EPS泡沫、棄土淤泥、工業(yè)廢料等廢棄物而開發(fā)研制的一種新型填土材料[1-3],它是由原料土、固化劑(如水泥、粉煤灰)、輕質(zhì)材料及水混合而成的.發(fā)泡聚苯乙烯(expanded polystyrene)顆粒輕質(zhì)混合土(簡稱EPS顆粒輕質(zhì)混合土)組成中的輕質(zhì)材料選用EPS顆粒,它是一種輕型高分子聚合物,在土工泡沫材料中應(yīng)用最為廣泛[4-5].EPS顆粒輕質(zhì)混合土,在巖土工程性質(zhì)方面具有許多優(yōu)點[6-7],如輕量性、自立性、快硬性、流動性、強度與密度可調(diào)節(jié)性,有效利用廢棄物而具有環(huán)保性.其工程應(yīng)用也相當廣泛.例如:用它作為軟弱地基的路堤填土,可減小地基沉降;用它作為公路橋臺與路堤間的填料,可緩解公路橋頭跳車問題;其側(cè)向土壓力系數(shù)很小,可用于減輕對構(gòu)造物的水平土壓力;利用其流動性,可將其用于管道、涵洞等不規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)處的填埋;利用其自立性,在用地相對緊張的城市公路拓寬工程中,將其用作拓寬路基填料,可節(jié)省放坡用地.國外,特別是日本,EPS顆粒輕質(zhì)混合土的試驗研究與工程應(yīng)用都較多[8-9].而最近幾年,EPS顆粒輕質(zhì)混合土在國內(nèi)工程實踐中也收到了較好的效果[2].

工程實踐表明,巖土材料都具有較明顯的流變特性,許多工程事故正是由于忽視了巖土材料的流變性而引發(fā)的.為此,Geuze等[10-11]對土體流變系統(tǒng)進行了研究,維亞洛夫等[12-15]從不同角度對土的蠕變性進行了研究.EPS顆粒輕質(zhì)混合土作為一種新型的巖土材料,其蠕變性能還未見有人研究.筆者在高壓固結(jié)蠕變試驗的基礎(chǔ)上,采用分級與分別加載方式,對比研究了EPS顆粒輕質(zhì)混合土的蠕變特性,并根據(jù)分別加載試驗結(jié)果,建立了該類土的單向壓縮蠕變模型.

1 試驗方法

試驗在雙聯(lián)高壓固結(jié)儀上進行,試樣高2cm,面積30cm2.在試驗過程中,溫度控制在20～26℃之間.EPS顆粒輕質(zhì)混合土由原料土、水泥、EPS顆粒和水混合而成.本著廢物利用的原則,試驗用原料土取寧波繞城高速西段地下2～2.5m深的工程棄土,為低液限黏土,其基本物理性質(zhì)見表1.

表1 原料土的基本物理性質(zhì)Table1 Basic physical properties of soil

在制樣之前將土烘干,再用橡膠錘敲成粉末.這樣做的好處是[16]:制樣過程中可以較為精確地控制試樣含水率;土顆?？梢院退旌暇鶆?不至于在攪拌過程中形成土塊,影響試樣的質(zhì)量.EPS顆?？梢圆捎脧U棄泡沫塑料粉碎片.由于時間與粉碎條件所限,采用了粒徑為2～3mm的球粒,其堆積密度為0.019g/cm3,是土密度的1/80～1/100.水泥為325號普通硅酸鹽水泥.水取自自來水.配比(均為與干土的質(zhì)量比),輕質(zhì)料為4%,水泥為10%,水為80%.將各材料按比例用感量為0.01g的電子天平稱好.混合方法:先將干土和水混合攪拌均勻,直至拌和物中沒有明顯的土顆粒存在;再加入水泥拌和,直至拌和物中各處干稀均勻;最后加入EPS顆粒,使得每顆EPS顆粒都有水泥漿液包裹且在泥漿中分布均勻.調(diào)配好后,將混合物漿液分數(shù)次壓入環(huán)刀內(nèi),要盡量填實,務(wù)必使試樣均勻、密實、沒有孔洞.試樣采用無錫市錫儀建材儀器廠生產(chǎn)的恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護.養(yǎng)護溫度(20±2)℃,相對濕度100%,養(yǎng)護齡期14d.

室內(nèi)蠕變試驗按加載方式分為分別加載與分級加載2種[17].分級加載就是在同一試樣上逐級加上不同的壓力,即在某一級壓力水平下讓土樣蠕變給定的時間,然后將壓力水平提高到下一級的水平,直到所需的壓力水平.但這種加載方式假定土體滿足線性疊加原理,需要用包爾茨曼疊加原理疊加來獲得完整的曲線,不能模擬土體的非線性特性,且獲得的蠕變曲線是階梯形的,不便于實際工程應(yīng)用,還必須采用坐標平移法來獲得和分別加載相似的曲線.分別加載就是對同一種土樣的若干試樣,在完全相同的儀器和完全相同的試驗條件下,進行不同壓力水平下的蠕變試驗,從而得到不同壓力水平下的蠕變曲線.從理論上說,分別加載方式能較好地符合蠕變試驗所需的條件,且能直接得到蠕變?nèi)^程曲線.但由于試驗儀器與條件的限制,到目前為止很少有人進行分別加載試驗.筆者對EPS顆粒輕質(zhì)混合土進行了分別與分級加載試驗的對比.試驗中所采用的土樣為重塑混合樣,相比原狀土,比較容易保證試樣性質(zhì)相似.試驗儀器為同一批雙聯(lián)高壓固結(jié)儀.一組分別加載試驗在同一時間段內(nèi)完成,以保證相同的試驗環(huán)境,盡量減小誤差.加載壓力分為25kPa,50 kPa,100kPa,200kPa,400kPa 5個等級.分級加載時,上一級壓力下變形基本穩(wěn)定時加下一級壓力.穩(wěn)定標準為連續(xù)2d變形保持不變.一組分級加載試驗需要歷時近2個月.

2 試驗結(jié)果及分析

圖1是試樣在分別加載與分級加載下的變形-時間曲線.由分級加載試驗曲線轉(zhuǎn)化為分別加載試驗曲線的方法有Boltzmann線性疊加法和陳氏疊加法2種[18].Boltzmann線性疊加法假設(shè)土體為線性流變體,但實際土體不能簡單地視為線性流變體.陳氏疊加法優(yōu)點在于,采用適當?shù)脑囼灱夹g(shù)與方法,用作圖法建立真實變形過程的疊加關(guān)系,不論后效影響是線性的還是非線性的均可適用[19].本文分級加載試驗曲線根據(jù)陳氏疊加法進行轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化后的蠕變試驗曲線與分別加載蠕變曲線的對比如圖2所示.圖中S代表分別加載蠕變曲線,G代表由陳氏疊加法轉(zhuǎn)化而成的分別加載蠕變曲線.

圖1 EPS顆粒輕質(zhì)混合土的蠕變曲線Fig.1 Creep curves for light-weight EPS treated soil

由圖2可以看出,經(jīng)陳氏疊加法轉(zhuǎn)化后的試驗曲線在一定程度上可以反映蠕變規(guī)律,但與實際情況仍有很大差別,低壓力(25kPa,50kPa)下,兩者差別不大,基本一致,而較高壓力(100kPa,200kPa,400kPa)下,兩者差別越來越大,表明應(yīng)力歷史的影響是不可忽略的,在前一級的壓力下會使土硬化,相同壓力下使得蠕變變形量大大減小.分級加載試驗結(jié)果不管是Boltzmann線性疊加法還是更易反映真實變形過程的陳氏疊加法,都會與分別加載試驗結(jié)果存在較大誤差,所以,試驗條件允許情況下應(yīng)盡量采用分別加載方式.

由圖1(a)可以看出:(a)EPS顆粒輕質(zhì)混合土具有蠕變特性,而且穩(wěn)定時間隨壓力大小而變化,壓力越大,達到穩(wěn)定的時間越長,25kPa壓力下達到穩(wěn)定的時間為8 d,而400kPa壓力下達到穩(wěn)定的時間長達23d.(b)單向壓縮蠕變形態(tài)為衰減蠕變,到達一定時間后會穩(wěn)定到一個固定的值,沒有出現(xiàn)第3階段的急劇流動階段.

3 蠕變模型

分別加載試驗曲線排除了加載狀態(tài)的影響,試驗結(jié)果比較可靠[9],本文蠕變模型根據(jù)分別加載試驗曲線來建立.將圖1(a)中的變形 時間關(guān)系表示在雙對數(shù)坐標上,如圖 3所示 .各試驗曲線近似為直線,用直線擬合,相關(guān)系數(shù)為0.988～0.994.因此,在一定壓力作用下,變形-時間的關(guān)系可表示為

圖2 陳氏疊加法轉(zhuǎn)化后的蠕變曲線與分別加載蠕變曲線的對比Fig.2 Comparison between creep curves derived by Chen's superposition method and those from single-step creep tests

即

式中:t0——參考時間,可取 t0=1d;δ(p,t)——壓力p作用下t時刻的變形;δ(p,t0)——壓力p作用下t0時刻的變形;t——時間;n——直線的斜率,與土的性質(zhì)有關(guān),對于同一配比的試樣,由于各壓力作用下的直線基本平行,所以可認為n為常數(shù).

圖3 雙對數(shù)坐標下的蠕變曲線Fig.3 Creep curves in double logarithmic coordinates

等時曲線可由蠕變曲線得到,如圖4所示.壓力-變形關(guān)系接近于直線,可用直線關(guān)系進行擬合,相關(guān)系數(shù)均大于0.99.因此,在一定時刻t,土體的壓力-變形關(guān)系可表示為

式中:p0——參考壓力,可取 25kPa;δ(p0,t)——p0作用下t時刻的變形;k——擬合直線的斜率,對同一配比的試樣,k隨時間的增加略有增大,但變化不大,變化范圍為0.02109～0.02289,所以可近似地認為k為常數(shù).t=0時的變形假定為0.由式(2),(3)可以得到

圖4 EPS顆粒輕質(zhì)混合土的等時曲線Fig.4 Isochrones of light-weight EPStreated soil

式中:δ(p0,t0)——p0作用下t0時刻的變形,對同一種配比的試樣來說是一個確定的值;n——雙對數(shù)坐標下蠕變曲線的斜率.該模型只有n和k 2個參數(shù).根據(jù)試驗資料,EPS顆粒輕質(zhì)混合土的參數(shù)n和k分別如表2和表3所示.

根據(jù)本試驗結(jié)果得到的蠕變關(guān)系表達式為

δ(p0,t0)是壓力為25kPa、時間為1d時的變形,其值為0.181.圖5為模型模擬的蠕變曲線與試驗結(jié)果的對比,可以看出本模型能夠比較好地模擬EPS顆粒輕質(zhì)混合土的蠕變特性,大部分壓力下的擬合效果較好.200kPa壓力下2種曲線有一定的差別,這是因為試驗不可避免地存在一定誤差,模型建立過程中的參數(shù)均使用平均值也會引起誤差.

表2 EPS顆粒輕質(zhì)混合土的蠕變參數(shù)nTable2 Values of creep parameter n for light-weight EPS treated soil

表3 EPS顆粒輕質(zhì)混合土的蠕變參數(shù)kTable 3 Values of creep parameter k for light-weight EPS treated soil

4 結(jié) 論

a.分級加載的試驗曲線經(jīng)過陳氏疊加法處理后,與分別加載試驗曲線還會存在較大差距,在試驗條件允許的情況下,要盡量采用分別加載方式.

b.單向壓縮蠕變形態(tài)為衰減蠕變,到達一定時間后會穩(wěn)定到一個固定的值,沒有出現(xiàn)第3階段的急劇流動階段.

c.EPS顆粒輕質(zhì)混合土具有蠕變特性,而且壓力越大,蠕變變形達到穩(wěn)定的時間越長.

d.EPS顆粒輕質(zhì)混合土的變形-時間關(guān)系可用冪函數(shù)來表示,而壓力-變形關(guān)系可用直線關(guān)系來表示,根據(jù)試驗結(jié)果建立的本構(gòu)模型,在一定程度上可以較好地反映蠕變特性.

e.總體來說,本文建立的模型可以較好地反映該材料的蠕變特性,個別壓力下存在一定誤差.該模型進一步改進后,可以更加真實地反映EPS顆粒輕質(zhì)混合土的蠕變特性.

圖5 蠕變試驗結(jié)果與模型計算結(jié)果的對比Fig.5 Comparison between measured and predicted values

[1]劉漢龍,董金梅,高玉峰.輕質(zhì)混合土技術(shù)開發(fā)與工程特性[J].巖土力學,2005,26(增刊1):13-16.(LIUHan-long,DONG Jinmei,GAO Yu-feng.Technical development and engineering characteristics of lightweight mixed soil[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(Sup 1):13-16.(in Chinese))

[2]姬鳳玲,朱偉,李明東.廢棄泡沫塑料疏浚泥固化處理技術(shù)的研究[J].環(huán)境科學與技術(shù),2004,27(5):69-77.(JI Feng-ling,ZHUWei,LIMing-dong.Solidification technique for disposal of scrap foam plastics and dredged silt[J].Environmental Science and Technology,2004,27(5):69-77.(in Chinese))

[3]董金梅,劉漢龍,洪振舜,等.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土壓縮變形特性的試驗研究[J].巖土力學,2006,27(2):286-289.(DONG Jin-mei,LIUHan-long,HONG Zhen-shun,et al.Test study on compression and deformation behavior of light heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(2):286-289.(in Chinese))

[4]董金梅,劉漢龍,高玉峰,等.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土抗壓強度特性的試驗研究[J].巖土力學,2004,25(12):1964-1968.(DONG Jin-mei,LIU Han-long,GAO Yu-feng,et al.Study on compressive strength properties of light heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(12):1964-1968.(in Chinese))

[5]劉漢龍,董金梅,周云東,等.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土物理力學特性的影響因素[J].巖土力學,2005,26(3):445-449.(LIUHanlong,DONG Jin-mei,ZHOUYun-dong,et al.Factors influencingon physico-mechanical properties of the light soil mixed polystyrene[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(3):445-449.(in Chinese))

[6]劉漢龍,董金梅,周云東,等.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土應(yīng)力-應(yīng)變特性分析[J].巖土工程學報,2004,26(5):579-583.(LIUHanlong,DONG Jin-mei,ZHOU Yun-dong,et al.Study on the stress-strain characteristics of light heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2004,26(5):579-583.(in Chinese))

[7]TSUCHIDA T,PORBAHA A,YAMAME N.Development of a geomaterial from dredged bay mud[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2001,13(2):152-160.

[8]董金梅,劉漢龍,洪振舜,等.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土三軸壓縮試驗研究[J].河海大學學報:自然科學版,2005,33(1):99-103.(DONG Jin-mei,LIU Han-long,HONG Zhen-shun,et al.Study on properties of lightweight polystyrene heterogeneous soil with triaxial compression tests[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2005,33(1):99-103.(in Chinese))

[9]SATOH T,TSUCHIDA T,MITSUKURI K,et al.Field placingtest of lightweight treated soilunder seawater in kumamoto port[J].Soil and Foundations,2001,41(5):145-154.

[10]GEUZEE CWA,TANTK.Themechanical behavior of clays[C]//HARRISONVGW.Proceedingof the 2nd International Congress on Rheology.Britain:Academic Press,1954.

[11]陳宗基.固結(jié)及次時間效應(yīng)的單維問題[J].土木工程學報,1958,5(1):1-10.(CHEN Zong-ji.One-dimensional problems of consolidation and secondary time effects[J].China Civil Engineering Journal,1958,5(1):1-10.(in Chinese))

[12]維亞洛夫C C.土力學的流變原理[M].杜余培,譯.北京:科學出版社,1987.

[13]SINGH A,MITCHELL J K.Closure general stress-strain-time function for soils[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,ASCE,1968,94(1):21-46.

[14]TAVENAS F,LEROUEIL S,LA ROCHELLE P,et al.Creep behavior of an undisturbed lightly overconsolidated clay[J].Canadian Geotechnical Journal,1978,15:402-423.

[15]MESRI G,FEBRES-CORDERO E,SHIELDS D R,et al.Shear stress-strain-time behavior of clays[J].Geotechnique,1981,31(4):537-552.

[16]何稼.廢棄輪胎橡膠顆粒輕質(zhì)混合土基本特性試驗研究[D].南京:河海大學,2008.

[17]艾志雄,邊秋璞,趙克全.巖土蠕變試驗及應(yīng)用簡介[J].三峽大學學報:自然科學版,2006(6):518-521.(AI Zhi-xiong,BIAN Qiu-pu,ZHAO Ke-quan.Brief introduction to creep tests and their application to geomaterials[J].Journal of China Three Gorges University:Natural Sciences,2006(6):518-521.(in Chinese))

[18]鄧志斌.軟黏土蠕變試驗與本構(gòu)模型辨識方法研究及應(yīng)用[D].長沙:中南大學,2007.

[19]劉雄.巖石流變學概論[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.