聚苯乙烯泡沫材料與不同土體間的接觸面剪切特性

劉鑫喜，高洪梅，徐琪爾，梁 波，樊寶云，黃舒淇，盧 廣

（南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 南京211816）

0 引言

20 世紀(jì)80 年代，日本學(xué)者提出聚苯乙烯泡沫（Expanded polystyrene，EPS）輕質(zhì)混合土的概念，其由EPS 顆粒、原料土、水、膠結(jié)材料（也可不加）等混合形成的一種輕質(zhì)填土材料。其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、自立性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軟基路堤、地下結(jié)構(gòu)物、擋土墻以及橋臺背后的回填料。眾多學(xué)者對其基本物理力學(xué)性質(zhì)及工程應(yīng)用開展了大量的研究工作［1-7］。EPS 輕質(zhì)混合土的剪切強(qiáng)度破壞機(jī)制是一個值得研究的課題，由于EPS 輕質(zhì)混合土組分復(fù)雜，其內(nèi)在破壞機(jī)制往往受控于EPS 顆粒與其接觸的土體間的接觸面剪切特性。另一方面，EPS 塊體在工程應(yīng)用中與土體之間的剪切特性也將影響其強(qiáng)度的發(fā)揮。因此，開展EPS 材料與不同土體間接觸面的剪切特性的研究尤為重要。

國內(nèi)外關(guān)于土體與不同材料間的接觸面剪切特性已有相關(guān)研究。馮大闊等人［8］運(yùn)用80 t大型三維接觸面試驗(yàn)機(jī)，對粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面三維靜動力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明接觸面在單調(diào)剪切時均先剪縮再剪脹、法向應(yīng)力先減小后增大。石熊等人［9］采用大型直剪儀進(jìn)行紅黏土與混凝土接觸面的單向直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明:隨著接觸面粗糙度的增大，接觸面的抗剪強(qiáng)度以及殘余強(qiáng)度增大，粘聚力增大，內(nèi)摩擦角減小，隨著剪切位移的增大，法向位移先減小后增大，先后經(jīng)歷剪縮與剪脹2 個階段。楊鑫等人［10］使用改良的大型直剪儀研究砂土與混凝土接觸面的力學(xué)特性，結(jié)果表明:隨著法向應(yīng)力的增加，接觸面破壞形式由接觸面發(fā)生滑動破壞到接觸面附近的砂土自身發(fā)生硬化型破壞過渡。閆澍旺等人［11］通過自制大型直剪儀對樁-土界面進(jìn)行了直剪試驗(yàn)研究，并提出“抗剪糙度”概念，研究表明土與鋼板界面的抗剪糙度并非常數(shù)，砂土抗剪糙度的變化規(guī)律性較強(qiáng)，而軟黏土的抗剪糙度受固結(jié)程度、擾動程度、土體強(qiáng)度等因素影響而呈現(xiàn)較大變化。然而，關(guān)于EPS 材料與不同土體間界面的剪切特性卻鮮有報(bào)道。學(xué)者Sheeley 等人［12］使用改良大型直剪儀對EPS材料之間及其與混凝土之間的接觸面摩擦特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干燥和濕潤條件下的EPS 材料之間的接觸面，在相同正應(yīng)力下的峰值和殘余抗剪強(qiáng)度基本一樣，摩擦系數(shù)不低于0.6。EPS泡沫和混凝土接觸面形成了一種強(qiáng)大的粘聚力，在32 Pa 的正應(yīng)力下，剪切阻力超過70 kPa。當(dāng)黏結(jié)斷裂時，抗剪強(qiáng)度急劇下降至約50 kPa的殘余值。

本文利用室內(nèi)常規(guī)直剪儀開展EPS顆粒以及EPS板分別與黏土、砂土以及不同配比的水泥土之間接觸面的剪切試驗(yàn)，研究EPS 材料與不同土體間的接觸界面剪切特性，并引入“抗剪糙度”的概念［11］，討論EPS材料與不同土體間接觸面抗剪糙度的變化，并相應(yīng)給出剪切破壞的內(nèi)在規(guī)律，為EPS 輕質(zhì)土剪切破壞機(jī)理的研究提供一定的依據(jù)與參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)研究EPS 顆粒和EPS 板分別與粘土、砂土和不同配比水泥土之間接觸面剪切特性。EPS顆粒采用預(yù)發(fā)泡聚苯乙烯球形顆粒，粒徑范圍為2～3 mm，顆粒密度為23.7 kg/m3。EPS 板密度為22 kg/m3，將其切割成剪切盒的內(nèi)尺寸進(jìn)行試驗(yàn)。原狀黏土取自南京市棲霞區(qū)八卦洲，為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and Mechanical Parameter of the Silty Clay Used in the Test

本試驗(yàn)所用砂土取自南京市浦口區(qū)，為南京細(xì)砂，其顆粒級配曲線如圖1 所示。其不均勻系數(shù)Cu=2.32，曲率系數(shù)Cc=1.06，特征粒徑d50=0.16 mm，顆粒相對密度ds=2.72，最大孔隙比emax=1.16，最小孔隙比emin=0.61。

圖1 砂土級配曲線Fig.1 Sand Grading Curve

水泥土采用3 種灰土比:6%、8%和10%，其中灰土比mc/ms為水泥與干土的質(zhì)量百分比，試樣的含水量（水與干土的質(zhì)量百分比）統(tǒng)一取60%。采用鎮(zhèn)江某水泥公司生產(chǎn)的P·C32.5R 復(fù)合硅酸鹽水泥。制好的灰土比6%的水泥土試樣如圖2所示，尺寸為30 cm2（底面積）×2 cm（高度）。

圖2 灰土比6%的水泥土試樣Fig.2 Soil Specimen with 6% Ratio of Cement to Soil

1.2 制樣方法及加載條件

對于砂土，控制干密度為1.3 g/cm3。根據(jù)砂土干密度和剪切盒容積，可以得出所需的土樣質(zhì)量。對于黏土，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn):GB 50123-2019》［13］的要求重塑土樣，原狀黏性土需要烘干、粉碎和過1 mm篩3 道工序，通過加壓使其固結(jié)。試驗(yàn)時EPS 材料均放置在上盒內(nèi)，3 種土樣均放置于下盒。試驗(yàn)采用常規(guī)的直剪儀，控制剪切速率為1.2 mm/min。EPS 材料與水泥土接觸面剪切試驗(yàn)中垂直壓力采用50 kPa、100 kPa、200 kPa 及300 kPa，而EPS 材料與砂土、黏土的剪切試驗(yàn)中最后一級垂直壓力采用250 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 EPS材料與黏土、砂土接觸面的剪應(yīng)力-位移關(guān)系

圖3 EPS材料與黏土、砂土剪切面破壞Fig.3 Shear Failure of Interface between EPS Materials and Clay，Sand

圖3 給出EPS 材料分別與砂土、黏土的接觸面剪切后的情況，可以看出，EPS 顆粒與黏土、砂土剪切面都發(fā)生破壞，EPS 顆粒會不同程度地陷進(jìn)黏土、砂土中。EPS 板-土體接觸面剪切過程中，土體有少許沉降，EPS板比較完整。

圖4是EPS顆粒與黏土和EPS顆粒與砂土接觸面的剪應(yīng)力-位移圖，發(fā)現(xiàn)黏土與EPS 顆粒在50 kPa 和100 kPa 垂直壓力下，隨著位移增大剪切力單調(diào)遞增；而在200 kPa 垂直壓力下剪應(yīng)力-位移曲線出現(xiàn)了峰值，在250 kPa 垂直壓力下出現(xiàn)明顯峰值而后下降的現(xiàn)象。而圖4b中發(fā)現(xiàn)，在50 kPa，100 kPa，200 kPa垂直壓力下均未出現(xiàn)峰值，只有在250 kPa 下出現(xiàn)了明顯的峰值。

圖4 EPS顆粒與黏土、砂土接觸面的剪應(yīng)力-位移Fig.4 Shear Stress-displacement Curve of the Interface between EPS Particles and Clay，Sand

圖5給出EPS板與黏土、砂土接觸面剪應(yīng)力-位移曲線關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黏土與EPS 板在垂直壓力50 kPa 和100 kPa下未出現(xiàn)峰值，在200 kPa和250 kPa垂直壓力下出現(xiàn)明顯峰值的現(xiàn)象。而圖5b曲線在各級垂直壓力下均出現(xiàn)明顯的峰值。

2.2 EPS材料與黏土、砂土接觸面抗剪強(qiáng)度

圖6給出EPS材料與黏土、砂土接觸面剪切強(qiáng)度關(guān)系，圖中S 為砂土，C 為黏土，EF 為EPS 板，EB 為EPS顆粒，CS為水泥土。圖6a給出EPS板與黏土、砂土接觸面剪切強(qiáng)度，可以得到EPS板-砂土接觸面粘聚力為8.58 kPa，摩擦角為29°44'，EPS板-黏土接觸面粘聚力為21.5 kPa，摩擦角為20°46'。這與我們認(rèn)知中的黏土具有更好的粘聚力，而砂土通常比較粗糙情況相符。

由圖6可以得到，EPS 顆粒-黏土接觸面粘聚力為8.83 kPa，摩擦角為20°27'，EPS 顆粒-砂土接 觸 面 粘 聚 力 為2.82 kPa，摩 擦 角 為27°1'。這與上述EPS 板與黏土、砂土接觸面剪切強(qiáng)度性質(zhì)類似，接觸面的剪切強(qiáng)度主要受控于黏土或砂土的性質(zhì)。

2.3 EPS 材料與水泥土的接觸面剪切特性

圖5 EPS板與黏土、砂土接觸面的的剪應(yīng)力-位移曲線Fig.5 Shear Stress-displacement Curve of the Interface between EPS Plate and Clay，Sand

圖6 EPS材料與黏土、砂土接觸面抗剪強(qiáng)度Fig.6 Shear Strength of the Interface between EPS Material and Clay，Sand

不同水泥含量的水泥土與EPS 顆粒接觸面剪應(yīng)力-位移如圖7 所示，可以看出，各曲線特征基本一致，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大而不斷增大，沒有出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力峰值，呈現(xiàn)硬化特征。不同水泥含量的水泥土與EPS板接觸面剪應(yīng)力-位移如圖8所示，可以看出，3 種水泥土含量水泥土-EPS 板接觸面剪應(yīng)力-位移曲線在垂向壓力50 kPa 下均出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性，而在100 kPa、200 kPa、300 kPa 三種垂向壓力下均未出現(xiàn)峰值，且在相同位移下的剪應(yīng)力隨著水泥含量增加而增大。

圖7 EPS顆粒與不同配比水泥土接觸面的剪應(yīng)力-位移關(guān)系Fig.7 Shear Stress-displacement Relationship of the Interface between EPS Particles and Cemented Soil with Different Proportions

圖8 EPS板與不同配比水泥土接觸面的剪應(yīng)力-位移關(guān)系Fig.8 Shear Stress-displacement Relationship of the Interface between EPS Plate and Cemented Soil with Different Proportions

EPS 顆粒、EPS 板與水泥土接觸面的剪切強(qiáng)度分別如圖9 所示。由此得到EPS 顆粒、EPS 板與不同配比水泥土接觸面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別如表2 所示，可以看出EPS 顆粒與不同配比水泥土間接觸面的粘聚力c值較小，隨水泥含量的增加而增大，而摩擦角隨水泥含量的增加先減小后增大；EPS 泡沫板與水泥土接觸面的粘聚力和摩擦角均隨水泥含量的增大而增大。

圖9 EPS材料與不同配比水泥土接觸面的抗剪強(qiáng)度Fig.9 Shear Strength of the Interface between EPS Material and Cemented Soil with Different Proportions

表2 EPS材料與不同配比水泥土接觸面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.2 Shear Strength Index of the Interface between EPS Material and Cemented Soil with Different Cement Contents

2.4 EPS板與不同土體間接觸面的抗剪糙度

引入“抗剪糙度”這一指標(biāo)，定義為接觸面的抗剪強(qiáng)度與某一種材料自身抗剪強(qiáng)度之比［11］，即

Rm=τ界/τ材

式中:Rm為抗剪糙度；τ界為接觸面抗剪強(qiáng)度；τ材為某一種材料的抗剪強(qiáng)度。

在實(shí)際工程中，EPS 板-土接觸面抗剪強(qiáng)度往往很難得到，但土體自身的抗剪強(qiáng)度通常都會在勘察階段給出。因此，已知抗剪糙度，可以通過相比的材料自身抗剪強(qiáng)度推求出EPS 板-土接觸面強(qiáng)度。根據(jù)抗剪糙度大小，還可以較為直觀地判斷出破壞面更傾向于出現(xiàn)的位置；如抗剪糙度大于1，則破壞面更傾向于出現(xiàn)在相比的某一種材料中；抗剪糙度小于1，則破壞面更傾向于出現(xiàn)在接觸面處。

EPS板、砂土以及黏土在不同垂向壓力下的抗剪強(qiáng)度由常規(guī)直剪試驗(yàn)方法得到，結(jié)果如表3、表4所示。

將相同垂向壓力作用下的接觸面抗剪強(qiáng)度比上土體或EPS板的抗剪強(qiáng)度可得到抗剪糙度。EPS板與不同土體間接觸面的抗剪糙度隨垂向壓力的變化以及線性擬合關(guān)系如圖10 所示。圖10a 中的EF-C/C 表示EPS板-黏土接觸面對黏土體的抗剪糙度，EF-C/EF表示EPS 板-黏土接觸面對EPS 板的抗剪糙度，圖10b、圖10c、圖10d依此類推。

可以看出，在本文選取的強(qiáng)度研究范圍內(nèi)，EPS板-黏土接觸面對黏土體或EPS 板的抗剪糙度均隨垂向壓力的增大而呈下降趨勢。EPS 板與黏土接觸面對黏土體抗剪糙度為0.57～0.80，均小于1，即EPS板與黏土接觸面的抗剪強(qiáng)度低于黏土體自身的抗剪強(qiáng)度，說明EPS 板-黏土接觸面比黏土體更容易發(fā)生破壞。EPS 板-黏土接觸面對EPS 板抗剪糙度均大于1，說明EPS 板-黏土接觸面比EPS 板更穩(wěn)定。綜合可知，EPS板-黏土接觸面發(fā)生剪切時，最先發(fā)生破壞的是EPS板。

表3 EPS板、砂土和黏土在不同垂向壓力下的抗剪強(qiáng)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壓力下的抗剪強(qiáng)度Tab.4 Shear Strength of Cemented Soil with Different Cement Contents under Various Vertical Pressures

圖10 EPS板與不同土體材料間接觸面的抗剪糙度Fig.10 The Shear Roughness of the Interface between the Relationship between Shear Strength and Shear Roughness of Soil

如圖10b 所示，EPS 板-砂土接觸面對EPS 板抗剪糙度都大于1，EPS 板抗剪強(qiáng)度小于接觸面抗剪強(qiáng)度，EPS 板-砂土接觸面對砂土體抗剪糙度有大于1 也有小于1，雖然隨垂向壓力增加，EPS 板-砂土接觸面對砂土體的抗剪糙度大體呈下降趨勢但是數(shù)據(jù)離散性大，本文不作更深入的分析。

如圖10c、圖10d的EPS板-水泥土接觸面對水泥土的抗剪糙度小于1，而對EPS板的抗剪糙度大于1，接觸面抗剪糙度隨垂向壓力單調(diào)遞增，而且有較好的線性關(guān)系，說明水泥土強(qiáng)度＞接觸面強(qiáng)度＞EPS板強(qiáng)度，當(dāng)EPS板、水泥土混合物發(fā)生剪切時，最先破壞的是EPS板。

3 結(jié)論

⑴EPS板-砂土接觸面與EPS板-黏土接觸面相比較，前者粘聚力小而摩擦角大，比較EPS 顆粒-砂土接觸面與EPS顆粒-黏土也可以得出相似的結(jié)果。

⑵隨水泥含量增加，EPS板-水泥土接觸面的粘聚力增大，摩擦角增大；而EPS顆粒-水泥土接觸面粘聚力較小，并且隨水泥含量增加，摩擦角先減小后增大。

⑶EPS 板-黏土接觸面對黏土的抗剪糙度均小于1，而對EPS 板的抗剪糙度均大于1，而且兩者均隨垂向壓力的增大而減小，說明黏土體強(qiáng)度＞接觸面強(qiáng)度＞EPS板強(qiáng)度。

⑷EPS 板-水泥土接觸面對水泥土抗剪糙度均小于1，而對EPS 板的抗剪糙度均大于1，并且兩者都隨垂向壓力的增加而線性增加，說明水泥土強(qiáng)度＞接觸面強(qiáng)度＞EPS板強(qiáng)度。