粘土与EPS颗粒轻质混合土的变形特性单轴试验研究

叶三霞 吴文佑

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川成都 610072）

粘土与EPS颗粒轻质混合土的变形特性单轴试验研究

叶三霞 吴文佑

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川成都 610072）

采取某基坑开挖粘土为原料土，以无侧限抗压强度试验，探讨EPS参入量及水泥参入量对轻质混合土变形规律的影响，认真分析现有研究结论，对有矛盾、分歧的研究结论点进行总结。

轻量土；变形；强度；粘土

0 引言

轻质混合土是指由原料土、固化剂、轻质材料和水混合，经搅拌，压实养护而成的，具有一定强度的轻质密度人工混合土[1][2][3]。轻质材料减轻其只身密度，减小自重荷载；固化剂提高自身强度，增强抵抗变形的能力，两种特性综合有效解决岩土工程界强度和变形两大问题。其具有环保、轻质、强度高、可塑性强、密度与强度可调节、隔热、自立性好、成型快、易施工等特点。

为了更好的将本轻质材料更好的应用到工程中，本文通过无侧限抗压强度，探索不同粒径和混凝土配比对轻量土变形特性影响。

1 试样制备与方案

1.1 试验方案

本次实验主要通过0.72、1.08、1.44、1.8、2.16、1.8等6个不同EPS参入比和 10%、15%、20%、25%等 4个水泥参入比，采取正交试验方式，研究水泥和EPS颗粒参入量对粘土与EPS颗粒混合轻质土的变形特性和强度特性的影响。

表1 试验配比方案

1.2 试验制备

本试验所用粘土采自某基坑内粘土，属第四系上更新统洪坡积、残积粘性土，见图1。硬塑、饱和、局部偶夹可塑粉质粘土层、含少量铁锰氧化物、铁锰结核、条带状高岭土（局部富集成团块状）、偶夹碎石。主要物理力学性质指标见表3所示。根据筛分试验结果，粘土的颗粒组分及粒径分布曲线分别如表2。

图1 试验所用粘土

表2 粘土的颗粒组分

表3 粘土的基本物理性质指标

为了保证试验精度，本文以干土质量为标准，将粘土烘干以后粉碎，然后过0.5mm筛，将少量杂质滤除。烘干粉碎过筛后干土的堆积体密度为

使用的EPS颗粒是从塑料厂购买的成品，为圆球颗粒，平均粒径分别为3cm，堆积密度为0.017g/cm3，颗粒密度为0.03g/cm3。

所用的固化剂为华新水泥有限公司制造的32.5复合硅酸盐水泥，水泥颗粒密度为，水泥堆积体密度为。

试样制备包括称料、拌合、装料、养护等过程。制样装料过程中为了方便后续取样，需将高 8cm、直径 3.91cm的三瓣膜固定好，在装料之前先均匀套一层保鲜膜，以方便脱模。保鲜膜厚度要适中，太薄制样过程中容易破损；太厚对试样尺寸影响大；在试验台底部垫一块涂有凡士林的玻璃片，将三瓣膜固定其上，开始装料；装料要采用质量控制、分层捣实成型的方法，分三层装入模具内，每层厚度要稍厚于1/3的模具高度，以便在每捣实一层后，添加新的拌合料前，需将结合面拉毛，防止试样出现断层；将装料捣实完成的试样顶部及底部盖上玻璃片，防止水分散失，等待进入养护箱养护。

已制备好的试样见下图2

图2 已成型试样

将制作好的试样贴上标签，放置在标准养护箱养护 24小时，养护温度为 20士2°C,养护湿度98%。

2 粘土与EPS颗粒混合轻质土的变形特性

2.1 应力应变曲线的变化规律

（1）单轴应力应变曲线随EPS含量的变化规律

本次试验中固定含水量为45%，EPS颗粒参入体积比依次为0.72、1.08、1.44、1.80、2.16，水泥参入比为10%、15%、20%、25%，养护龄期为14天，各试样应力应变曲线如图3～6所示。随着EPS参入量的增加，应力应变曲线有从应变软化类型向应变硬化型转变的趋势，这是因为在EPS颗粒参入量越小，EPS颗粒混合轻质土受力柱体截面积越大，结构性越强，此时表现出来更多的是超固结粘土的性质；随着EPS颗粒参入量增大，轻质土

图3 不同EPS参入量时单轴应力应变曲线（αc=10%，D=3.0mm）

图4 不同EPS参入量时单轴应力应变曲线（αc=15%，D=3.0mm）

图5 不同EPS参入量时单轴应力应变曲线（αc=20%，D=3.0mm）

图6 不同EPS参入量时单轴应力应变曲线（αc=25%，D=3.0mm）

受力柱体截面积越小，结构性越差，此时表现EPS颗粒的应变硬化特性越明显[6]。在图像上表现的为经过破坏峰值后，随着EPS颗粒参入量增大，各应力应变曲线平缓度增加；出现脆性破坏的现象也随着EPS颗粒参入量增大而减弱，破坏峰值、破坏应变等都随EPS颗粒参入量变化而呈反比例关系。仔细分析还发现，随着水泥参入量的增加，各应力应变曲线破坏类型、破坏峰值、破坏应变等变形特性之间的差值越来越小，特别是EPS参入量在1.44以后，图4～6中表现的更为明显，初步认为，随着水泥参入量增加，水泥土的结构特性不断增强，EPS颗粒含量变化对EPS颗粒混合土的变形特性的影响减小，水泥土的结构性对EPS颗粒混合土的变形特性影响占主导地位。应力应变曲线的应变软化特性在低EPS颗粒参入量、高水泥参入量时表现的最为明显，如图 6所示；同理，应力应变曲线的应变硬化特性在高 EPS颗粒参入量、低水泥参入量时表现的最为明显，如图 3所示，这是由EPS颗粒及水泥两种变形特性完全相反的材料参入后耦合的必然结果。

（2）单轴应力应变曲线随水泥含量的变化规律

固定EPS参入量，不同水泥参入量时，应力应变曲线如图7～11。图中可看出，随着水泥添加量的增大，试样脆性破坏表现明显，试样的峰值强度所对应的破坏应变减小，试样应变软化特性增强；随着水泥参入量的降低，试样的强度和刚度降低，塑

图7 不同水泥参入量时单轴应力应变曲线（αe=0.72,D=3.0mm）

图8 不同水泥参入量时单轴应力应变曲线（αe=1.08,D=3.0mm）

图9 不同水泥参入量时单轴应力应变曲线（αe=1.44,D=3.0mm）

图10 不同水泥参入量时单轴应力应变曲线（αe=1.80,D=3.0mm）

图11 不同水泥参入量时单轴应力应变曲线（αe=2.16,D=3.0mm）

性增强，同时，破坏应变增大。那是因为随着水泥添加量的增加，水泥水化反应生成物增多，水泥水化生成物与粘土矿物之间的离子交换吸附及硬凝反应也加强了，从而使轻质混合土试样内部网络状胶结结构本身的强度及其所占据的空间增大[4]。图8、11中有些曲线破坏应变不是遵循完全随着水泥添加量增大而减小的规律，判断可能有试验误差所致。

所有的应力应变曲线基本上都表现为应变软化特性，只是在αe=1.80、αe=2.16时，低水泥添加量应力应变曲线会有应变硬化特性的趋势，如图 9、11所示。说明水泥参入量，不会改变应力应变曲线的类型，但会改变曲线的形态。

2.2单轴压缩破坏应变变化规律

（1）水泥参入量与破坏应变的关系

图12 破坏应变与水泥参入比的关系

水泥作为轻质混合土的重要组成材料，其对破坏应变的影响是不容忽视的，在固定EPS参入量、含水量、龄期的因素情况下，水泥参入比越大，轻质混合土的受力柱体结构性强度越好，脆性表现越明显，试样破坏应变越小。如图12所示。

由图12可以看出，破坏应变与水泥参入比基本上呈反比例线性关系，但是不同的EPS颗粒参入比时，线性的参数不一样，在EPS参入比为0.72、1.08、1.44时，破坏应变随水泥参入比变化的变化量小，在EPS参入比未1.80、2.16时，破坏应变随水泥参入比变化的变化突然表现很明显，正好与董金梅及侯天顺的密度与破坏应变关系研究结果相符合，因EPS参入比大，密度就小。

（2）EPS参入量与破坏应变的关系

EPS颗粒作为一种轻质材料，其在混合轻质土中最大的特点，是体积置换作用，从而达到轻质的效果，它对轻质混合土材料延展性的影响主要表现在下面三个方面：（1）EPS颗粒自身是一种极强的塑性材料，与水泥、土混合后，在材料性质耦合作用下，改变混合土的材料性质，EPS颗粒参入比越大，则EPS颗粒塑性效应表现越明显；（2）EPS颗粒的加入，使混合土内部结构发生变化，单位体积内受力柱体截面积发生变化，混合土内孔隙比增加，导致混合土结构性减弱，塑性增强；（3）EPS颗粒导致端面效应，即小应力产生大应变，最终导致破坏应变增大[3][6]。本文中实际的破坏应变与EPS颗粒参入量的关系如下图13所示。

图13 破坏应变随EPS参入量的变化

由图中可以看出，随着EPS颗粒参入量的增加，破坏应变增加，呈曲线增长形势。

（3）抗压强度与破坏应变的关系

工程上以抗压强度高，破坏应变大的材料为理想材料，而实际中二者往往不可兼得，定量的研究抗压强度与破坏应变的关系在实际应用中显得尤为重要。抗压强度与破坏应变呈乘幂关系，随抗压强度增高而逐渐减小，这与水泥土破坏应变与抗压强度的关系相符，因轻质混合土由EPS轻质材料与水泥土骨架共同组成，其结构强度受水泥土骨架的结构强度控制较明显，故其抗压强度与破坏应变关系变化趋势与水泥土的变化趋势一致，再一次证明了试验数据表征现象的可靠性。本文研究的轻质混合土强度与破坏应变关系如14图所示

图14 EPS轻质混合土抗压强度与破坏应变关系

图中可以看出在抗压强度为200～500kPa之间时，破坏应变在0.015与 0.03之间平缓的变化，且是抗压强度越大，破坏应变越小；抗压强度小于200kPa时，有较大的破坏应变，这点与董金梅的研究结果一致[2]；抗压强度大于500kPa时，破坏应变较小，整体的破坏应变在0.014～0.05之间变化。水泥土的破坏应变与抗压强度的关系与图14相似，但破坏应变多分布在0.05～0.2之间[5]，说明EPS颗粒的参入明显的改善了混合土的塑性特性。与水泥土相比，实际工程应用中，在抗能满足压强度要求的情况下，EPS颗粒混合轻质土是一种抗压强度高、破坏应变大的理想工程材料。

2.3 单轴压缩状态下的变形模量变化规律

变形模量E是表征变形特性的一个重要参数，表示土柱在竖直方向的应力增量与同一方向上产生的应变增量的比值，即，是反映材料抵抗弹塑性变形能力的参数，可应用于弹塑性变形问题的计算。但是轻质混合土作为一种弹塑性材料，在受力变形过程中，变形模量是随着应力水平变化的变量，通常的表述为，故轻质混合土的E叫变形模量，不叫弹性模量（杨氏模量）[6]。借鉴土体的变形模量定义法，为了方便工程应用及比较，在此处采用轻质混合土的平均变形模量E50：，式中σ1/2是压缩应变为破坏应变一半时对应的压缩应力，E50可视为此时的割线模量。平均变形模量也受水泥参入比、EPS参入量、强度、龄期、含水量等因素的影响，如图15、16所示。

图15 平均变形模量与水泥参入比的关系

图16 平均变形模量与EPS参入量的关系

由上图可知试样的平均变形模量随水泥参入比的增加而增加，呈曲线增长模式，随着EPS颗粒含量的增加，曲线增长斜率减小。平均变形模量随EPS颗粒含量的增加而减小，呈指数递减关系，水泥参入量越高，递减的范围值越大。

3 单轴试样的破坏形态

试样的破坏形态在一定程度上反应了土体的结构性，EPS颗粒轻质混合土也具有结构性，但它的结构性特征与一般土体的结构性有所不同，它的高孔隙比主要是由于添加了EPS颗粒造成的，它的结构强度取决于水泥固化反应在试样内部所产生的网络状胶结结构的强弱[1][2]。轻质混合土试样的破坏是试样内部裂隙的延展、开裂、发展而导致成的，根据其网状胶结结构强弱的不同，在无侧限抗压强度试验过程中表现出了三种不同形式的破坏模式[3][1][33]，如图 17～20所示试样的典型破坏模式。（1）裂隙沿着两个方向大量出现，现场塑性流动区，试样发生共轭剪切坏；（2）裂隙大部分沿单一方向发展，与中线呈一定夹角，试样发生单斜截面剪切破坏；（3）裂隙沿轴向发展，试样发生脆性劈裂破坏。

图17 试样的劈裂破坏图

18试样的共轭剪切破坏

图19 试样的单斜截面剪切破坏

图20 轻质混合土试样的破坏模式

在整个试验过程中，统计有 60%的试样是图所示单斜截面剪切破坏模式，有30%是图所示共轭剪切破坏模式，10%为图所示劈裂破坏模式，且EPS参入量高、水泥参入量小和EPS参入量低、水泥参入量高的试样更容易发生劈裂破坏模式，分析认为：在外荷载作用下，试样内部的孔洞及EPS颗粒结合界面最先发生应力集中，当水泥土网络骨架与EPS颗粒结合界面发生屈服后，裂隙迅速从这些地方发生并延伸、扩展至固化土区域，裂隙的发展到一定的数目和规模后，试样整体发生破坏；而高EPS颗粒参入量、低水泥参入量时，试样内部结合薄弱面多，试样骨架结构强度弱，试样容易沿着中间贯通的薄弱结合面产生劈裂破坏；低 EPS参入量、高水泥参入量时，试样结构强度高，整体性好，薄弱结合面相对少，试样自身的强度很高，同样容易使试样发生瞬间的“爆发式”劈裂破坏；而对于配比处于中间地带的试样，都处于这两种极端情况的中间态，材料更多表现出的是塑性破坏模式。在破坏后观察，试样内部被水泥土骨架包裹的EPS颗粒基本都完好，说明EPS颗粒只发生了弹性变形，由变形协调性观点来看，说明EPS颗粒的塑性较水泥土骨架的强的多，这也正好说明了EPS颗粒混合轻质土较水泥土塑性强的特征。

4 结论（1）EPS混合轻质土试样变形分为试样接触微调阶段及裂纹及孔洞的闭合OA段、近直线AB段、塑性屈服BC段、破坏后CF段五个阶段。如图21所示。在单轴试验中，

图21 典型的单轴应力应变曲线图

水泥含量高，EPS含量低及水泥含量低，EPS含量高的试样脆性特性明显，应力应变曲线破坏后阶段又分为近直线的负增长阶段 CD、试样结构重新压实阶段DE、压实后破坏阶段EF.；配比在两极端之间的多表现为直接的下降阶段CF。

（2）单轴试验破坏应变随着水泥参入比增大而越小；随着EPS颗粒参入量的增加而增加，呈曲线增长形势。

（3）轻质混合土变形模量变化规律在单轴实验时，随水泥参入比的增加而增加，呈曲线增长模式，随着EPS颗粒含量的增加，曲线增长斜率减小；随EPS颗粒含量的增加而减小，呈指数递减关系，水泥参入量越高，递减的范围值越大。

（4）混合土试样单轴压缩破坏模式主要有共轭剪切坏、单斜截面剪切破坏；脆性劈裂破坏。

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1007-6344（2017）02-0009-04