EPS颗粒轻质混合土研究发展综述

-1-:[e-mail]tosummarizetheresearchanddevelopmentoflight-weightsoilmixedwithinEPSbeadsathomeandabroad.Itispointoutthattheconfiningpressure,cementcontent,EPSbeadscontent,watercontentandcuringtimehaveaprofoundeffectonthemechanicalproperties,thestrengthanddeformationproperties.Andfromthemacroscopicandmicroscopic,theformationoftheshearstrengthandthefailuremechanismarerevealed.Theliteraturealsopresentstheexperimentalstudiesofcreep,permeabilityandwaterabsorbabilityinordertoconfrontpracticalapplications,especiallyunderdynamicloads.Itisfoundthattheconfiningpressure,cementcontent,EPSbeadscontentaremainfactorstotherelationshipbetweenthedynamicstressandstrain,thedynamicstrength,dynamicmodulusanddampingratio.Atlast,thearticleintroducessomeengineeringapplications,thenpointsouttheexistingproblemsaboutresearchingEPScompositesoilwhichshouldbepaidmoreattention.Keywords:EPSBeads;Light-WeightSoil;StrengthandModulus;DynamicProperty;ConstitutiveModelEPS颗粒轻质混合土研究发展综述*童飞，高洪梅，陈国兴南京工业大学岩土工程研究所，江苏南京210009摘要：简要回顾了国内外关于EPS颗粒轻质混合土的研究发展历程；总结了EPS颗粒轻质混合土的物理力学特性、强度和变形特性的影响因素（围压、水泥含量、EPS颗粒含量、含水量和养护龄期等）及其影响规律；并且从宏观和微观的角度分析抗剪强度的形成和破坏机理。针对实际工程中可能存在的变形沉降、渗透和浸水等情况，分别介绍了EPS颗粒轻质混合土的蠕变性、渗透性和吸水性。介绍了EPS颗粒轻质混合土动力力学性质，包括动应力-应变关系、动强度、动模量和阻尼比等方面的试验研究，以及它们的影响因素(围压、水泥和EPS颗粒含量等)。最后指出现有研究存在的欠缺与不足以及今后更应值得深入研究的方向。关键词：EPS；轻质土；强度和变形；动力特性；本构模型前言随着经济的发展，我国公路、铁路、地铁、桥梁、房屋的建设有了飞速的发展。对于东部沿海地区，在大规模的建设过程中往往会伴随着诸如软土地基、桥头跳车等问题，如何高效地解决以上问题引起了国内外诸多研究人员的关注。20世纪50年代后期[1]，德国的巴斯夫公司发现了EPS（expandedpolystyrene，发泡聚苯乙烯泡沫），之后，德国就开始研究EPS块体作为道路填充材料的潜在可能性，由于具有轻质性，用作路堤填料时可有效降低地基中的应力水平。到60年代中期，EPS块体由于绝热性能好被用于人行道路的防冻材料；之后挪威在70年代中期把EPS块体用作置换软弱土层的填料，引起了各个国家的重视；到1992年[2]，美国学*基金资助：国家自然科学基金项目（5110907）中国博士后面上基金（2012M511260）-2-者定义这种新型材料为：土工泡沫(geofoam)。此后关于EPS土工泡沫的研究就越来越多。鉴于EPS块体存在造价高、强度相对较低、形状固定等问题，20世纪80年代，日本研究出EPS颗粒(EPSbeads)轻质混合土和气泡(airfoam)轻质混合土。EPS颗粒轻质混合土根据是否添加胶结材料主要分为压实型和胶结型两大类，一般研究认为胶结型轻质混合土具有更高的强度，更符合实际要求，所以本文主要介绍胶结型轻质混合土，其主要由普通土、EPS颗粒、胶结材料和水按照一定的配比混合而成。气泡轻质混合土指的是在土中加入一定比例的气泡和固化材料混合而成的轻质土。2001年，日本学者佐藤隆[3]研究了在海洋施工中EPS颗粒和气泡轻质混合土28d和365d的密度和强度的变化情况，发现二者同等配比情况下密度强度大致相当且满足强度要求。但气泡轻质混合土制泡成型难度较大，所以一定程度上制约其发展，而EPS颗粒轻质混合土成型较易、价格相对低廉，还可以利用废弃泡沫，所以其有着广阔的研究运用前景。根据文献[4-7]绘制出普通土、EPS块体、EPS颗粒轻质混合土和气泡轻质混合土28d的重度和无侧限抗压强度的大致变化范围，如图1所示。0246810121416182022重度（kN/m3）0.2EPS块体EPS颗粒混合土气泡型EPS混合土普通土0.40.60.8无侧限抗压强度（MPa）图1普通土、轻质土的重度和无侧限抗压强度范围对于EPS颗粒轻质混合土的研究，我国起步较晚，最早可追溯到2000年，马时冬[8]介绍了EPS颗粒轻质混合土的密度、强度、配比特性及工程运用，并且进行了无侧限抗压强度试验得到了相关参数。次年，马时冬[9]比较了不同颗粒形状及粒径的EPS颗粒对变形和强度的影响，并且兼顾经济和环保性探讨利用废弃泡沫制作轻质土的可能性。姬凤玲[10]利用疏浚淤泥作为原料土制作EPS颗粒轻质混合土，并且通过无侧限抗压强度试验，研究水泥掺量、EPS颗粒对密度和强度的影响规律。刘汉龙[11]对轻质土的特点、施工工艺、应用范围、工程特性做了详细分析。至此，EPS颗粒轻质混合土的研究在我国有了比较广泛的发展，为日后的工程应用奠定了基础。1EPS颗粒轻质混合土的基本试验指标EPS颗粒轻质混合土的基本试验指标要考虑密度和含水量。对于EPS颗粒轻质混合土的密度，也常用重度（kN/m3）来描述。总的来说，EPS颗粒轻质混合土的密度要较普通土低，大致介于0.6~1.8g/cm3，主要受EPS颗粒、含水量、水泥含量的影响。刘汉龙等[12]研究不同水泥含量和EPS掺入比对EPS颗粒轻质混合土密度的影响，发现EPS颗粒含量与密度呈线性递减关系，EPS颗粒含量每增加1%，密度就会下降10%左右，而水泥掺入比的影响相对较弱，表现为每增加5%，密度增长幅值却不到5%。分析其原因主要是EPS颗粒密度只有0.02~0.04g/cm3，但其体积所占比重大，水泥的密度虽大但所占体积比重很小，所以对EPS颗粒轻质混合土的密度影响不会太大。从强度形成机理上看，EPS颗粒轻质混合土的密度不可能无限制地减小，当EPS颗粒体积比达到一定程度时，水泥的胶凝作用也微乎其微，EPS颗粒之间不能够形成稳定的胶结结构，试样就很难制作成功，即便勉强制样成功也很难满足实际工程中的强度和变形的要求。根据刘汉龙[12]和董金梅[13]的试验研究，当混合土密度小于0.6g/cm3时就很难成型。-3-含水量对EPS颗粒轻质混合土的影响主要体现在两个方面：一个是与水泥发生水化水解反应，形成一定强度；另一个是方便各种成分的混合，保持和易性以便于施工。刘汉龙等[12]研究了轻质混合土的含水量与密度的关系，发现水泥掺量一定时，含水量增加10%，密度减小2%~4%。汤峻等[14]研究EPS颗粒轻质混合土含水量和密度、强度的关系发现，存在一个最优含水量13%，当含水量高于13%时，随着含水量的增加强度和刚度都降低；当低于13%时，随含水量的增加强度和刚度增加。王伟[15]从成本和密度的角度考虑EPS颗粒轻质混合土存在一个最优的含水量，介入16%~18%。2011年，侯天顺等[16]总结了三种最优含水量模型：含水量与密度、含水量与强度和含水量与比强的函数模型，发现它们均呈开口朝下的二次抛物线形式，这就表示存在一个最优的含水量。通过同一配比三种不同含水量的试样可确定最优含水量，再通过三种不同配比的试样共9个样，可通过简单的叠加公式确定各组分需水率，从而确定任意配比下的最优含水量。顾欢达等[17]研究干湿循环条件下含水量随密度的变化情况，发现在完全浸水稳定时的含水量为23%，在基本处于干燥状态时的含水量为3%，随干湿条件的不同，密度变化-10%~+5%。2EPS颗粒轻质混合土的静力力学性质2.1强度和模量的研究EPS颗粒轻质混合土的强度可以根据配比进行调节，28d无侧限抗压强度介于50kPa~550kPa，初始模量变化范围为70MPa~550MPa。EPS颗粒轻质混合土强度的试验研究通常是利用直剪试验、无侧限抗压强度试验和三轴试验，考虑围压、配比、密度和龄期等因素对其强度和模量的影响规律。三轴试验中，围压对于EPS颗粒轻质混合土强度和模量的影响，国内外众多学者做了很多工作，主要集中在如下两个方面：一个是不同围压下，弹性模量和主应力差的变化规律；另一个是围压对应力-应变曲线呈现硬化或者软化关系的影响。对于前者，刘汉龙等[18]利用UU和CU试验探讨了围压对主应力差和模量的影响，发现UU试验中，EPS颗粒轻质混合土与一般土体性质不同，围压的增大导致初始弹模和主应力差减小，而在CU试验中，在小应变情况下，围压的增大，初始弹模和主应力差减小，而在较大应变时，随围压的增大，割线模量和主应力差增大。2007年，TakashiTsuchida[19]通过引入σc/qmax（围压/无侧限抗压强度）归一化的表现形式来判别围压对E50（最大破坏应力一半时对应的割线模量）的影响，研究发现当σc/qmax小于0.5时，围压对模量的影响可以忽略不计，当超过0.5时则应当考虑。对于后者，日本研究人员Juichi[20]起初研究气泡轻质土时，引入固结屈服应力与围压的关系来判定排水剪切试验的应力-应变关系模式，他指出当围压大于固结屈服应力时呈硬化趋势，当围压小于固结屈服应力时呈硬化-软化模式；这与侯天顺等[21]后来在研究EPS颗粒轻质混合土时，引入胶结结构强度概念有着相似之处，其认为当固结围压大于胶结结构强度时，试样处于欠固结状态，剪切过程中发生剪缩，应力-应变曲线呈硬化趋势；当固结围压小于胶结结构强度时，试样呈超固结状态，发生剪胀，呈软化趋势。EPS颗粒的形状和掺量对于轻质混合土强度有较大影响，马时冬等[9]比较了不同形状的EPS颗粒（球粒、碎粒）对强度和压缩模量的影响，发现粒径在1~3mm的球粒制成的轻质混合土较好；马殿光等[22]研究EPS颗粒体积的掺入比对其强度的影响，发现随着颗粒体积比的增大，混合土强度下降。姬凤玲等[23]进一步研究了添加EPS颗粒和添加废弃EPS碎粒混合土的无侧限抗压强度试验、等向压缩和三轴剪切试验，认为添加EPS颗粒的轻质混合土无侧限抗压强度要高于添加废弃EPS碎粒的轻质混合土，但二者之间的差别随添加量的增加