加筋聚苯乙烯輕質(zhì)膨脹土室內(nèi)試驗研究

唐飛躍

摘 要：為了研究加筋聚苯乙烯輕質(zhì)膨脹土的膨脹與強度特性，將聚苯乙烯顆粒與膨脹土混合，聚丙烯纖維作為加筋材料，開展了包括密度、無荷膨脹率、膨脹力以及飽和快剪等室內(nèi)試驗。結(jié)果表明，聚苯乙烯顆粒和聚丙烯纖維的摻入可有效抑制膨脹土的膨脹特性，表現(xiàn)為無荷膨脹率與膨脹力的顯著減小;聚苯乙烯顆粒主要起到體積置換作用，土樣密度以及膨脹力隨聚苯乙烯顆粒摻量增加線性減小;隨著聚苯乙烯顆粒的增加，混合土內(nèi)摩擦角持續(xù)增大，黏聚力先增加后降低;隨著纖維摻量的增加，混合土的黏聚力得到有效增長。因此，加筋聚苯乙烯輕質(zhì)土在改良膨脹土方面具有良好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：巖土力學(xué);聚苯乙烯;輕質(zhì);纖維加筋;膨脹土;膨脹特性;強度

中圖分類號：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to study the swell potential and shear strength of reinforced expensive soil mixed with expanded polystyrene， polystyrene particles and expansive soil were mixed. Polypropylene fibers functioned as reinforcement material. Density， swelling ratio， swelling pressure and direct shear strength were determined by indoor test. The results indicate that the incorporation of polystyrene particles and polypropylene fibers can effectively suppress the expansion of expansive soil. Swelling ratio and swelling pressure are decreased significantly. Polystyrene particles majorly play a role of volumereplacing， the soil density and swelling pressure decrease linearly with the increase of dosage of polystyrene particles. With the increase of polystyrene particles， the internal friction angle of the mixed soil is dramatically increased， and the cohesive strength increases firstly and then decreases. With the increase of fiber content， the cohesion of mixed soil increases obviously. The test shows that reinforced expensive soil mixed with expanded polystyrene has a good application prospect in the treatment of expansive soil.

Keywords：geomechanics; polystyrene; light weight; fiber reinforced; expansive soil; swell potential; strength

聚苯乙烯（EPS）顆?；旌陷p質(zhì)土是將原料土、EPS顆粒、固化材料和水混合攪拌而成。EPS顆粒輕質(zhì)土具有密度小、壓縮模量大、流動性好、環(huán)保性強的優(yōu)點，主要用于減小軟弱地基沉降和擋土墻側(cè)向壓力、管道填埋、陡坡施工等方面[18]。日本率先于20世紀(jì)80年代進(jìn)行了EPS顆粒混合輕質(zhì)土的研究，并成功應(yīng)用于路基填土、港口工程中。中國對EPS輕型土的研究尚處于起步階段。2004年，在新安江電廠8870開關(guān)站道路的建設(shè)工程中，為了解決邊坡穩(wěn)定問題，進(jìn)行了200 m3的廢棄泡沫顆?；旌陷p質(zhì)土的換填工程，運行狀況良好[9]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[1013]，淤泥、砂土和黏土都可以作為EPS輕質(zhì)土的原料土。但目前對于特殊土的輕量化研究較少。膨脹土是一種高塑性黏土，具有多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性[14]。膨脹土的不良工程特性導(dǎo)致的工程問題在世界各國廣泛分布，這使得膨脹土問題成為困擾各類工程建設(shè)的全球性技術(shù)難題。目前工程上對于膨脹土邊坡的處理常采用石灰水泥改良加固[1517]，而對于加筋聚苯乙烯輕質(zhì)混合土用于膨脹土改良尤其是邊坡處理方面，國內(nèi)研究較少。本文以秦淮東河膨脹土為試驗對象，摻入一定量的聚苯乙烯顆粒和聚丙烯纖維，通過室內(nèi)試驗研究加筋EPS輕質(zhì)膨脹土的膨脹變形和強度特性，以期為處理膨脹土尤其是膨脹土邊坡問題提供參考。

1 試驗材料與方法

本試驗所采用EPS泡沫顆粒為球粒形態(tài)，粒徑2～3.5 mm，純顆粒密度ρe為0.070 g/cm3，堆積體密度ρ堆為0.035 g/cm3;試驗使用的聚丙烯纖維為束狀單絲，長度為6 mm，拉伸強度≥350 MPa，彈性模量≥3 500 MPa。與土混合時，成束纖維被撕開，均勻地?fù)皆谂蛎浲林?。用水為自來水?/p>

試驗所用的土料取自南京秦淮東河地區(qū)的膨脹黏土。試驗前對所采用的膨脹土的物理性質(zhì)進(jìn)行了測定，如表1所示。

從而判定試驗用土為弱膨脹土。將風(fēng)干后的膨脹土破碎，過2 mm篩，按照配比加入水配至指定的含水率，燜料一晝夜使土的含水率均勻。再將成束的6 mm長聚丙烯纖維撕開，與EPS顆粒均勻地?fù)桨柙谂蛎浲林?。攪?0 min后，稱取相應(yīng)的質(zhì)量，壓實成直徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀試樣，如圖1所示。

為了研究不同摻量的EPS泡沫顆粒和聚丙烯纖維對混合土脹縮變形和強度特性的影響，在本文的試驗中，環(huán)刀試樣EPS顆粒的摻量為0%，1%，2%和3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），聚丙烯纖維的摻量為0.0%，0.1%，0.2%和0.3%，采用正交試驗的方法制備16組試樣。EPS顆粒和纖維的摻量均為其質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。開展不同摻量纖維土的擊實試驗，確定最優(yōu)含水率

ωop在19.8%左右。在試驗中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)含水率下的土體與EPS顆粒之間的粘結(jié)吸附作用較弱，攪拌的過程中出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，當(dāng)調(diào)整試樣的含水率至ω=ωop+5%時，土樣與泡沫顆粒在水的作用下可產(chǎn)生較好的吸附作用，從而可以充分拌合均勻。

對配制的16組試樣進(jìn)行了密度試驗、膨脹率、膨脹力試驗以及飽和快剪試驗。所用膨脹儀為南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的WZ2型膨脹儀，測定膨脹力試驗用到的輕便固結(jié)儀為上虞市土工儀器有限公司生產(chǎn)的WG4輕便固結(jié)儀。

2 輕質(zhì)膨脹土的脹縮及強度特性

2.1 密度

將16組環(huán)刀試樣在水中浸泡一晝夜，取出后稱取質(zhì)量，扣除環(huán)刀質(zhì)量后，求算加筋EPS輕質(zhì)土體的飽和密度，發(fā)現(xiàn)土體的質(zhì)量幾乎不受纖維摻量的影響，但隨著EPS摻量的增加，質(zhì)量發(fā)生明顯的下降。繪制土樣飽和密度與EPS顆粒含量的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，加筋EPS輕型膨脹土的飽和密度隨EPS顆粒的增加呈現(xiàn)線性降低的趨勢。分析原因，主要是EPS泡沫顆粒置換了相應(yīng)體積的飽和土體，且其具有輕質(zhì)憎水的特性，因此使得土體的質(zhì)量大大降低。當(dāng)EPS顆粒的摻量為干土質(zhì)量的3%時，其飽和密度只有原狀土的65%。

2.2 膨脹性

按照《土工試驗規(guī)程》的方法測定16組試樣的無荷膨脹率，如表2所示?？梢钥闯?，纖維或是EPS顆粒的加入都能夠使加筋EPS輕質(zhì)膨脹土的膨脹趨勢得到抑制，且EPS顆粒對膨脹率的抑制作用主要是體積置換的作用，EPS顆粒置換出相應(yīng)的具有濕脹特性的膨脹土體，從而減少試樣土體的整體膨脹量;而纖維主要通過對土體顆粒的約束作用抑制膨脹土的膨脹變形，纖維加筋土體在吸水膨脹時，纖維與基體的界面產(chǎn)生切應(yīng)力，從而限制基體的進(jìn)一步膨脹[18]。當(dāng)EPS摻量≤3%時，0.1%的纖維或1%EPS顆粒便能夠有效地抑制試樣的膨脹變形，且繼續(xù)增加纖維摻量和EPS摻量時膨脹率繼續(xù)減小。

從圖3中可以看出，極少的纖維（0.1%）便可以有效降低試樣的膨脹力，且纖維摻量具有最優(yōu)值，當(dāng)摻量為0.1%時，膨脹力減少至一半左右。此后，隨著纖維的繼續(xù)增加，膨脹力又呈現(xiàn)上升的趨勢。EPS顆粒的增加主要通過體積置換的作用，能夠有效減少試樣土體的膨脹力，如圖4所示，且隨EPS顆粒摻量的增加呈現(xiàn)線性降低的規(guī)律。尤其在纖維和EPS顆粒的共同作用下，膨脹力得到了極大的抑制，在3%EPS和0.1%摻量的纖維膨脹土體中，膨脹力為11.09 kPa，只有原狀土的23%。

2.3 抗剪強度

為了研究加筋EPS輕質(zhì)膨脹土的強度特性，開展了加筋EPS輕質(zhì)膨脹土的飽和快剪試驗。試驗在應(yīng)變控制式直剪儀上完成，一共16組64個試樣，控制剪切速率為1.2 mm/min，垂直壓力分別為50，75，100和125 kPa。

繪制加筋EPS輕質(zhì)膨脹土的抗剪強度參數(shù)（內(nèi)摩擦角、黏聚力）與EPS顆粒和纖維摻量的關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。在相同纖維含量下，隨著EPS含量的增加，混合輕質(zhì)土的黏聚力先略有增加，后迅速降低，而隨著纖維含量的增加，黏聚力則顯著增加。在相同纖維含量下，隨著EPS含量的增加，混合輕質(zhì)土的內(nèi)摩擦角呈一直增長的趨勢，而隨著纖維摻量的增加，內(nèi)摩擦角變化則不明顯。

隨著EPS含量的增加，混合輕質(zhì)土的黏聚力總體呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于EPS的增加，其本身表面光滑，不具有黏聚作用，當(dāng)其置換部分土體后，在一定程度上破壞剪切面的黏聚力作用。盡管EPS的增加可有效降低膨脹土的膨脹力，但EPS較多時，對黏聚力造成不利影響。但加入纖維后，纖維本身具有的握裹作用、纖維網(wǎng)作用、纖維的剪切滑移作用[1920]，可有效補償EPS顆粒引起的部分黏聚力喪失。

EPS顆粒的粒徑為2～3.5 mm，作為一種粗顆粒，一定程度上可以起到骨架作用。因此，在直剪試驗下，增強了剪切面的不規(guī)則程度，使得顆粒間不容易發(fā)生錯動，克服的阻力增大，因此當(dāng)EPS顆粒增加時輕質(zhì)土的內(nèi)摩擦角顯著增加。

3 結(jié)論與展望

1）加筋聚苯乙烯輕質(zhì)膨脹土的飽和密度隨EPS顆粒的增加線性減小，受纖維摻量影響較小。

2）EPS顆粒和聚丙烯纖維的摻入可有效抑制膨脹土的膨脹特性，表現(xiàn)為無荷膨脹率、膨脹力的明顯減少。改良后膨脹土的膨脹力隨EPS顆粒增加線性降低，主要表現(xiàn)為泡沫顆粒的體積置換作用;膨脹力隨纖維增加先減小后略有增加。

3）加筋EPS輕質(zhì)膨脹土的內(nèi)摩擦角隨EPS顆粒的摻入明顯增加，而黏聚力在略有增加后便迅速衰減。纖維的摻入可以明顯地提高混合土的黏聚力，從而有效地補償EPS顆粒引入導(dǎo)致的黏聚力降低。

4）應(yīng)用纖維加筋EPS輕質(zhì)土在處理膨脹土邊坡問題時，由于聚苯乙烯顆粒的體積置換作用，降低了危險滑體的重度和下滑力，對于以擋土墻的方式處理膨脹土邊坡的工程而言，重度、膨脹力和膨脹率等指標(biāo)的降低意味著邊坡土體側(cè)向壓力和變形的減少，可相應(yīng)地削弱擋土墻截面，同時纖維的摻入又阻礙輕質(zhì)土在脫濕干燥后的裂縫發(fā)育，從而有效提高了邊坡安全系數(shù)，節(jié)省了工程造價。

加筋聚丙乙烯輕質(zhì)膨脹土相比于處理前的膨脹土其物理力學(xué)性質(zhì)得到了很大改善，但尚停留在室內(nèi)試驗階段，對于其工程場景的適用性需要進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] 張向東， 任昆， 李軍. EPS顆粒改良土作為寒區(qū)路基填料的抗凍性能研究[J]. 冰川凍土， 2017，39（6）：12731280.

ZHANG Xiangdong， REN Kun， LI Jun. Study on frost resistance of EPS particles modified soil as subgrade filler in cold regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology， 2017，39（6）：12731280.

[2] 梅利芳，徐光黎. 纖維聚苯乙烯泡沫顆粒輕質(zhì)土的制備及力學(xué)性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報， 2016，33（10）：23552362.

MEI Lifang， XU Guangli. Preparation and mechanical properties of fiber expanded polystyrene particle lightweight soil [J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2016，33（10）：23552362.

[3] 顧建武. EPS顆粒組合輕質(zhì)土在高速公路的應(yīng)用[J]. 公路， 2013（10）：911.

GU Jianwu. Mixed EPS particles and light soil in highway application[J].Highway， 2013（10）：911.

[4] 陳忠平，孫仲均，錢爭暉.泡沫輕質(zhì)土充填技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 施工技術(shù)，2011，40（10）：7476.

CHENG Zhongping，SUN Zhongjun，QIAN Zhenghui. Filling technology and application of foamed lightweight soil[J]. Construction Technology，2011，40（10）：7476.

[5] 柳崇敏. EPS顆粒混合輕質(zhì)土技術(shù)在錢江通道南接線工程中的應(yīng)用[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2014，42（9）：8285.

LIU Chongmin. Application of EPS particles mixed light soil in south line of Qianjiang channel engineering[J].Transportaion Standardization， 2014，42（9）：8285.

[6] 顧歡達(dá)，顧熙. 混合塑料發(fā)泡顆粒輕質(zhì)土的強度特性評價方法[J]. 中國公路學(xué)報，2007，20（1）：4146.

GU Huanda， GU Xi. Evaluation approach on strength properties of mixed plastic foamed beads light soil [J]. China Journal of Highway and Transport， 2007，20 （1）： 4146.

[7] KIM Y T， KIM H J， LEE G H. Mechanical behavior of lightweight soil reinforced with waste fishing net[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2008，6（6）：512518.

[8] 李小龍， 李國忠. 纖維增強發(fā)泡保溫復(fù)合材料的制備與性能 [J]. 復(fù)合材料學(xué)報， 2014， 31（3）：541549.

LI Xiaolong，LI Guozhong.Preparation and properties of fiber reinforced foamed thermal insulation composite [J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2014，31（3）：541549.

[9] 李明東， 朱偉， 馬殿光，等. EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的施工技術(shù)及其應(yīng)用實例[J]. 巖土工程學(xué)報， 2006， 28（4）：533536.

LI Mingdong， ZHU Wei， MA Dianguang， et al. Construction technology and application of EPS particles mixed lightweight soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2006， 28（4）： 533536.

[10]黎冰. 動荷載下粘土與EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的變形和強度特性試驗研究[D]. 南京： 河海大學(xué)， 2007.

LI Bing. Deformation and Strength Characteristics of Clay and EPS Granular Mixtures Under Dynamic Loading [D]. Nanjing： Hohai University， 2007.

[11]王德銀，唐朝生，李建，等. 纖維加筋非飽和黏性土的剪切強度特性[J]. 巖土工程學(xué)報， 2013，35（10）：19331940.

WANG Deyin，TANG Chaosheng，LI Jian， et al. Shear strength characteristics of fiberreinforced unsaturated cohesive soils [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2013，35（10）： 19331940.

[12]劉漢龍， 董金梅， 周云東，等. 聚苯乙烯輕質(zhì)混合土應(yīng)力應(yīng)變特性分析[J]. 巖土工程學(xué)報， 2004， 26（5）：579583.

LIU Hanlong， DONG Jinmei， ZHOU Yundong， et al. Study on the stressstrain characteristics of light heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2004， 26 （5）： 579583.

[13]董金梅， 王沛， 柴壽喜. 聚苯乙烯顆粒對輕質(zhì)混合土的影響[J]. 水利水電科技進(jìn)展， 2007， 27（5）：2628.

DONG Jinmei， WANG Pei， CHAI Shouxi. Effect of expanded polystyrene grains on lightweight mixed soil [J]. Advances in Science and Technology of Water Resources， 2007， 27 （5）： 2628.

[14]廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[15]廖濟(jì)川. 膨脹土邊坡穩(wěn)定性試驗及數(shù)值分析[C]//全國首屆膨脹土科學(xué)研討會論文集.成都： 西南交通大學(xué)出版社， 1990：5362.

[16]邊加敏， 蔣玲， 王保田. 石灰改良膨脹土強度試驗[J]. 長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2013， 33（2）：3843.

BIAN Jiamin， JIANG Ling， WANG Baotian. Experiment on the strength of limetreated expansive soil[J]. Journal of Changan University（Natural Science Edition）， 2013， 33 （2）： 3843.

[17]高建偉， 余宏明， 錢玉智，等. 水泥改良膨脹土強度特性試驗研究[J]. 公路， 2013， 58（12）：165168.

GAO Jianwei， YU Hongming， QIAN Yuzhi， et al. Research on strength characteristics of cement modified expansive soil [J]. Highway， 2013， 58 （12）： 165168.

[18]鄧友生， 吳鵬， 趙明華，等. 基于最優(yōu)含水率的聚丙烯纖維增強膨脹土強度研究[J]. 巖土力學(xué)， 2017， 38（2）：349353.

DENG Yousheng， WU Peng， ZHAO Minghua， et al. Strength of expansive soil reinforced by polypropylene fiber under optimal water content[J]. Rock and Soil Mechanics， 2017， 38 （2）： 349353.

[19]高磊， 胡國輝， 楊晨，等. 玄武巖纖維加筋黏土的剪切強度特性[J]. 巖土工程學(xué)報， 2016， 38（sup）：231237.

GAO Lei， HU Guohui， YANG Chen， et al. Shear strength characteristics of basalt fiberreinforced clay [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2016， 38 （sup）： 231237.

[20]劉寶生， 唐朝生， 李建，等. 纖維加筋土工程性質(zhì)研究進(jìn)展[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報， 2013， 21（4）：540547.

LIU Baosheng， TANG Zhaosheng， LI Jian， et al. Advances in engineering properties of fiber reinforced soil [J]. Journal of Engineering Geology， 2013， 21 （4）： 540547.