【摘 要】
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EPS颗粒(发泡聚苯乙烯)混合轻量土是将原料土、EPS颗粒、固化剂和水按照一定比例搅拌形成的新型材料,在一些特殊路段的路基工程中得到了初步应用。路基土在服役过程中受到动荷载作用,土的动强度特性对路基安全有着重要影响。动强度与一定的强度标准相关,不同的强度标准下土有不同的强度特性。以往对于轻量土动强度的研究集中于水泥掺量、EPS颗粒掺量、围压等因素对动强度的影响,缺乏轻量土在不同强度标准下的动强度特
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EPS颗粒(发泡聚苯乙烯)混合轻量土是将原料土、EPS颗粒、固化剂和水按照一定比例搅拌形成的新型材料,在一些特殊路段的路基工程中得到了初步应用。路基土在服役过程中受到动荷载作用,土的动强度特性对路基安全有着重要影响。动强度与一定的强度标准相关,不同的强度标准下土有不同的强度特性。以往对于轻量土动强度的研究集中于水泥掺量、EPS颗粒掺量、围压等因素对动强度的影响,缺乏轻量土在不同强度标准下的动强度特性横向比较,因此研究不同强度标准下的轻量土动强度特性,探究适宜的动强度标准显得尤为必要。本研究制备了不同配比的轻量土和重塑土进行固结不排水动三轴试验及常规三轴压缩试验,得到试样的滞回曲线、动应力时程曲线、动应变时程曲线和动孔压时程曲线以及有效抗剪强度参数。根据动三轴试验结果研究了轻量土和重塑土动应力、动应变、动孔压随振次的发展规律,分析孔压标准、极限平衡标准、屈服标准和应变标准对重塑土和轻量土的适用性,同时探讨了在轻量土和重塑土固结不排水三轴压缩试验中的应力-应变-孔压特性及其破坏模式。利用颗粒流软件PFC3D建立了EPS颗粒混合轻量土动三轴离散元数值模型,根据动三轴试验得到的滞回曲线对模型进行了细观参数标定,研究不同累积压应变下接触力、位移场、速度场的变化规律。研究结果表明:(1)在固结不排水三轴压缩特性方面,随着水泥掺量的增高或者EPS颗粒体积比的减小,轻量土的应力-应变曲线由应变硬化型向应变软化型变化。应变软化型的轻量土试样有类似于超固结黏土的性质,在进行不排水剪切时孔压先增加后减少为负值。应变硬化型的轻量土试样和正常固结黏土性质类似,剪切时孔压有不断增高的趋势。重塑土呈现剪缩破坏形态,应变软化型轻量土试样破坏时形成约60°剪切带,呈现出脆性破坏性质。(2)在动应变累积特性方面,通过固结不排水动三轴试验发现,重塑土的动应变累积变化经历三个阶段。第一阶段为振动密实阶段,第二阶段为振动变形阶段,第三阶段为振动破坏阶段。轻量土动应变累积有振动变形和振动破坏两个阶段,从振动变形向振动破坏段转变时动应变迅速增大。试验发现橡皮膜存在顺变效应,使得重塑土试样在受到荷载作用时局部排水,造成动孔压测量值偏低。(3)在动强度标准方面,对于黏性土和轻量土而言,颗粒被胶结物质所胶结,在动荷载作用过程中动孔压很难达到围压发生液化,孔压标准不适用于黏性土和轻量土。极限平衡标准只考虑试样的瞬时极限状态,且静力强度指标与动力强度指标并不相等,因此极限平衡标准也不适用于黏性土和轻量土。黏性土和轻量土动应变时程曲线均未出现转折点,因此适用应变标准。考虑循环荷载下土体的变形是土体动力失稳的因素,应该控制土体不发生较大塑性变形,其中轻量土以单幅压应变εd=5%作为强度标准,黏土的动应变以双幅动应变2εd=5%作为强度标准。(4)在离散元数值模拟方面,利用颗粒流程序对EPS颗粒混合轻量土进行了动三轴离散元数值建模。轻量土是一种多介质体系,颗粒主要有两种,分别是土颗粒和EPS颗粒,水泥在数值建模时被视为一种黏结强度。土颗粒按照级配放大法生成,采用平行黏结模型,按照土颗粒和EPS颗粒两种颗粒体系分组设置黏结参数,建立了轻量土动三轴离散元数值模型。(5)随着围压的增大,颗粒的接触力也变大,围压的增大限制了颗粒的位移,对颗粒体系的运动约束作用增强。当围压不变时,随着压应变的增大,EPS颗粒之间的接触力在减小,土颗粒之间的接触力无明显变化。EPS颗粒之间接触力的减弱,使得EPS颗粒在循环荷载作用下更容易发生位移,位移方向以沿竖向指向试样中心方向为主,在宏观上表现为压应变的累积,轻量土的变形主要是EPS颗粒的位移所造成。随着压应变的增大,颗粒体系的速度方向由随机分布转变为沿竖向指向试样中部,在压应变为5%时颗粒速度方向发生偏转的颗粒数目显著增多,说明试样竖向累积变形速率加快,动强度开始衰减,因此以5%的压应变作为轻量土的动强度标准是可行的。(6)EPS颗粒体积比不变时,颗粒的位移值随着应变的增大而增大,但是增幅很小,变化不大。在振动后期,土颗粒的黏结逐渐被破坏,位移值较小的土颗粒随着振动的进行位移值不断增大。试样两端颗粒速度方向沿径向分布,方向沿径向指向圆心和背离圆心的颗粒均存在,中部颗粒速度方向随着EPS颗粒体积比的增加由竖向指向试样中心方向变为沿径向背离圆心方向分布,两端颗粒速度大于中部颗粒速度。振幅的增大使得颗粒的位移值增大,土的变形累积速率加快。
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