EPS颗粒混合轻量土静止土压力特性试验研究

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EPS颗粒混合轻量土是由发泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,简称EPS)颗粒、水泥、水和原料土拌和而成的轻质土工材料。轻量土因其密度小、强度高,自立性、缓冲性、易施工性、强度和变形模量可调,以及可大量消解废弃泡沫、废弃轮胎等高分子化合物,对工程弃土、疏浚淤泥土、特殊土进行重复利用等优点,被广泛应用于地基工程、路基工程、边坡工程、管道工程、景观工程中,如处理软土地基不均匀沉降、旧路扩建、墙背回填、管道填埋、建设人造漂浮景观等领域。目前众多学者对有关轻量土基本物理性质以及静动力强度特性、变形特性等的研究已经取得不少成果,在轻量土击实特性、土压力特性研究方面还存在不足。本文以陕西杨凌地区的黄土为原料土,水泥为固化剂,EPS颗粒作为轻质材料制备EPS颗粒混合轻量土。通过击实试验、室内静止土压力系数试验和室外挡土墙模型试验对轻量土在最优含水率情况下的静止土压力、静止土压力系数、沉降变形特性进行研究,得到的主要结论有:(1)对3种不同EPS颗粒掺量的轻量土开展标准轻型、标准重型、小型轻型、小型重型4类击实试验,并测量4类击实试验后EPS颗粒的体积压缩率。结果表明:同一配比的轻量土试样,在4类击实试验中干密度和湿密度随含水率的增大,先增加后减小,曲线形态类似抛物线,所得到的最优含水率基本相同。受“尺寸效应”的影响,所得到的最大干密度存在差异,但差异较小。击实类型对轻量土最优含水率和最大干密度的影响较小。击实作用下EPS颗粒压缩率随含水率和EPS颗粒掺量的增大而减小,其变化范围为0.955%~31.174%。EPS颗粒的塑性压缩和试样孔隙比的减小是轻量土压缩密实的本质,利用小型击实试验代替标准击实试验确定轻量土最优含水率和最大干密度的方法是可行的。(2)利用K0固结仪对不同配比轻量土开展侧限压缩试验,结果表明:相比素土而言,由于轻量土中水泥的固化作用和EPS泡沫颗粒的减重作用,使得轻量土具有自立性和轻质性,侧向应力和静止土压力系数K0值被大大减小。各配比轻量土实测静止土压力系数介于0.14~0.31之间,仅为Jaky公式理论计算值的1/3~1/2,素土实测静止土压力系数为理论计算值的3/4。轻量土的静止土压力系数不是常数,而是与加卸载路径、竖向应力、EPS颗粒体积比、水泥掺入比密切相关。EPS颗粒体积比和水泥掺入比相同时,加载过程中轻量土静止土压力系数随竖向应力的增大而增大最后趋于稳定值。卸载过程中静止土压力系数随竖向应力的减小先缓慢增大后快速增大。EPS颗粒体积比较大时卸载过程中静止土压力系数大于1。竖向应力相同时,加卸载过程中侧向应力和静止土压力系数随EPS颗粒体积比的增大和水泥掺入比的减小而增大。卸载完成时,轻量土有残余侧向应力存在,残余侧向应力随EPS颗粒体积比的增大和水泥掺入比的减小而增大。(3)对素土和两种不同EPS颗粒掺入比(0.32%,0.81%)的轻量土开展室外挡土墙模型试验研究其静止土压力特性和变形特性,结果表明:在加卸载之前,素土和轻量土的竖向土压力、侧向土压力随填土深度的增加近似呈线性增加趋势,其实测值与对应的理论计算值相差较小。轻量土养护固化后具有自立性,荷载对其影响深度有限,本试验中轻量土的荷载影响区深度大致为75cm。在加卸载的过程中,当填土深度小于75cm时,随着荷载的逐级增减,轻量土竖向土压力和侧向土压力的增加和减小较为明显。当填土深度大于75cm,轻量土竖向土压力和侧向土压力增加量和减小量均较小。素土和两种配比轻量土的静止土压力系数实测值在挡土墙后呈非线性分布,其分别处于0.27~0.74、0.34~0.45和0.29~0.42范围内,与由Jaky公式计算的静止土压力系数理论值存在较大偏差。随着EPS颗粒掺入比的增加,静止土压力系数出现小幅度的减小。素土的竖向沉降变形随着填土深度的增加而逐渐减小,总体介于0~21.5mm。两种配比的轻量土在养护成型之后,在荷载的作用下竖向沉降量变化不明显,总体分别介于0~2.8mm和0~3.9mm之间。相比素土而言,由于轻量土中水泥的固化作用和EPS泡沫颗粒的减重作用,使得轻量土具有自立性和轻质性,其静止土压力和静止土压力系数可被大大减小,在挡土墙工程中可满足减重增强的要求。
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