聚苯乙烯泡沫塑料减荷力学性能试验_图文

1、收稿日期:2009 06 10基金项目:国家西部交通建设科技项目(200631881291作者简介:伊哈卜(1976 ,男,巴勒斯坦人,工学博士研究生,E mail:ehaabn jar667h 。第30卷 第3期2010年5月长安大学学报(自然科学版Journal of Chang an U niversity (Natural Science Editio nV ol.30 No.3M ay 2010文章编号:1671 8879(201003 0018 06聚苯乙烯泡沫塑料减荷力学性能试验伊哈卜,谢永利,赵丽娅(长安大学公路学院,陕西西安710064摘 要:以兰州 海石湾高速公路中的某一高

2、填路堤涵洞工程为依托,通过室内压缩试验和蠕变试验,对不同密度的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS轻质材料,进行了有侧限、无侧限影响下的应力应变及蠕变性能的分析,并对不同厚度的EPS 材料在工程应用中的减荷性状进行了研究。结果表明:密度较小的EPS 材料不适合作为优化路堤等工程填料的替代品;有侧限影响时EPS 材料达到屈服阶段的应力值较无侧限时要高;密度适中且具有一定厚度的EPS 材料在工程应用中能起到良好的减荷作用。关键词:道路工程;聚苯乙烯泡沫塑料;力学性能;路堤;涵洞;减荷中图分类号:U414.4 文献标志码:AExperimental study on mechanical properties

3、of expandedpolyslyrene (EPSin reducing loadsEH AAB Nafez elnag ar,XIE Yong li,ZH AO Li ya(School of H ig hway ,Chang an U niver sity,Xi an 710064,Shaanx i,ChinaAbstract:This paper is review ing and studying the phy sical proper ties o f the ex panded poly sty rene plastics lig htw eight m aterials a

4、nd its application scope.Relying on the hig h embankment culv erts projects of Lanzhou to H aishiw an expressw ay,throughout the labor atory compressio n and creeping tests,the stress str ain and cr eep behav io rs of EPS w ith differ ent density under co n fined or unconfined conditio ns are analy

5、zed on the bases of com pression test and static triax ial test.Besides,the reducing lo ad character of EPS plate w ith different thickness in engineering ap plications is studied for the entities projects.T he r esults show ed that:the density of smaller EPS material is not suitable for projects su

6、ch as the optimization of embankm ent fill a substitute;also,under the confined effects condition,the stress value w hen the EPS m aterials reach the yield stag e is high than that under the conditio n of unconfined effects;the density mo derate has a cer tain thickness of the EPS m aterial in indus

7、trial eng ineering applications since play ed the role o f a g ood reducing load.10fig s,10refs.Key w ords:road engineering;EPS;mechanical property;embankment;culvert;reducing load0 引 言土工合成材料(geotextile在国内外均得到了普遍的应用,随着科技的发展,土工合成材料的新品种不断出现,其中聚苯乙烯泡沫塑料(expanded po l ystyrene,简称EPS是令人注目的品种之一,它的出现使得土工中原本

8、难以解决的问题获得了令人满意的解决办法。1972年挪威道路研究所首次将1 m厚的普通填料层换成聚苯乙烯,成功地遏止了与桥台连接路堤的过渡沉陷,从而开创了应用EPS在土工中的新方向。1985年在挪威首都奥斯陆召开的第一届国际道路塑料泡沫填方会议!上公开了该项技术。EPS在国内外的应用时间虽然不长,但其应用范围却十分广泛。它可以简化施工,不用大型机械,缩短工期,更重要的是在某些特殊场合有其他材料不可替代的作用。近年来,中国一些专家针对EPS的物理力学性能作了进一步研究,但由于EPS 材料在工程中的用途不同,故其研究的侧重点也各有不同1 2。本文主要针对EPS的物理力学性质进行研究,并以兰州 海石湾

9、高速公路中的某一高填路堤涵洞工程为依托,通过室内压缩试验和蠕变试验,对不同密度的EPS材料进行了有侧限、无侧限影响下的应力应变及蠕变性能的分析,并依托实体工程对不同厚度的EPS材料在工程应用中的减荷性状进行了分析,重点研究其应用于公路路堤下结构物减荷优化中所体现出来的EPS力学变化特性。1 EPS的物理性质及适用范围1.1 EPS轻质材料的物理性质在岩土工程中,使用EPS泡沫塑料主要是利用其所具有的如下特性:质量特别轻;#独特的变形特性;有一定的结构强度,具有良好的自立性; %施工方便且速度快;&缓冲性能很好;隔热性能良好。EPS的机械和力学性能与它的结构有密切的关系。一般而言,EPS

10、的密度与强度之间有良好的幂函数关系,其透水、透气和吸水等性能也与它的密度有关。EPS的密度一般为1045kg/m3,作为工程中使用的EPS,表观密度一般为1530kg/m3。密度是EPS的一个重要指标,它的各项力学性能几乎与其密度成正比关系。1.2 EPS轻质材料的适用范围EPS在作为一种减压、防冻、防渗材料,其适用范围为:软基上的轻型填料;#防止道路和桥台垂直错位;减轻结构物顶部的土压力;%斜坡上的填料;&修建直立挡墙;地基的置换填料;(隔离材料;基础底座垫层;结构物上轻型填料;+软基上埋设管道3 4。2 EPS轻质材料的力学性能2.1 EPS试样的制作选用的EPS材料为 50m m

11、,20mm,在标准固结仪上进行单轴压缩试验。单轴压缩试验是有侧限压缩,采取应力控制加荷方式。另外,对同样试件做无侧限压缩试验进行对比。选用6种密度EPS泡沫塑料进行试验,分别是9.36、13.67、14.63、16.00、20.26、23.00kg/m3。其中选用9.36、16.00、20.26kg/m3这3种密度的EPS进行蠕变性能试验。2.2 有侧限、无侧限条件下EPS的应力应变关系通过对6种不同密度的EPS进行有侧限与无侧限单轴压缩试验,得到如图1、图2 所示的曲线。图1 有侧限条件下不同密度的E PS 应力与应变的关系图2 无侧限条件下不同密度的E PS应力与应变的关系由图1可知,除密

12、度为9.36kg/m3的EPS以外,其他密度的试样均表现出EPS应力与应变的3个变形阶段:密度为9.36kg/m3的EPS在压缩荷载小于等于20kPa时就已经发生了屈服变形,表明其在较小荷载作用下即发生了结构泡壁破坏,此性状也表明较小密度的EPS板不适合作为优化路堤填料的替代品。因为有侧限条件下的EPS变形特性接近于减荷工程中深埋于结构体上的工况,因此19第3期 伊哈卜,等:聚苯乙烯泡沫塑料减荷力学性能试验正确确定弹性模量将直接关系到道路的正常运营。结合不同密度下达到屈服的应变值情况,可以得出当密度 13.67kg/m 3时,抗压强度值取应变值为3%时对应的应力值;当 >13.67kg/

13、m 3时,抗压强度值取应变值为5%时对应的应力值。由图2可知,无侧限条件下,6种密度EPS 材料达到屈服阶段的应力值整体要较有侧限条件下低;同样,除密度为9.36kg/m 3的EPS 以外,其他密度的试样也表现出EPS 应力与应变的3个变形阶段,但其屈服阶段的斜率要小于有侧限条件下的斜率;随着EPS 密度的增加,达到相同应变值的应力增量不均等,近似以EPS 的密度16.00kg/m 3为界线,可见EPS 密度增大到20.26kg/m 3以后,其模量和屈服时应变值的提高并不大。2.3 不同密度下的最大荷载及最大应变选取不同密度的EPS 达到最大应变时的最大应力值,如图3所示,可以看到不同密度与最

14、大应变值、 最大应力值之间的变化关系。图3 EPS 的最大应变和应力应用曲线拟合方法对数值关系进行拟合,可以得到有侧限、无侧限条件下不同密度与最大应变max 之间的关系式(R 2为相关系数为有侧限条件max =-0.0181 4+1.1688 3-27.292 2+271.54 -885.46,R 2=0.9999无侧限条件max =0.0291 2-2.0619 +106.18R 2=0.9733同理,可以得到有侧限、无侧限条件下不同密度与最大应力!max 之间的关系式为有侧限条件!max =-0.0867 3+4.3709 2-55.944 +268.05,R 2=0.9814无侧限条件!

15、max =-0.1689 3+8.453 2-119.84 +569.29,R 2=0.9987通过拟合公式,可以在进行路堤结构物减荷设计时,根据所采用的减荷优化材料EPS 的密度来初步预测EPS 减荷板的工后总变形量;同时,也可以预算出达到最大应变材料值时的应力值,从而有利于根据内外土柱差来计算结构所受的土压力,确定EPS 减荷板的减荷性能。2.4 EPS 材料的蠕变性能为了研究EPS 在一定荷载作用下应变随时间的变化过程,选用密度为23kg /m 3的EPS 进行了蠕变性能试验,分别在25、50、75、100、150kPa 这5种荷载下(应力进行试验5。试验装置与应力控制式压缩试验相同。试

16、验结果如图4 所示。图4 密度为23kg/m 3时EPS 的蠕变性能由图4可以看出,应变随时间t 的变化规律为:不同荷载作用下, lg(t 关系曲线是不同的。当!<75kPa 时,应变随时间的增长变化缓慢,曲线呈平直态,可以理解为此时EPS 尚处于线弹性变形阶段;当!>75kPa 后, lg (t 曲线开始随时间变化。由图4还可看到,EPS 在每级荷载加载前期变形响应延迟,即前期变形量较平缓,其应变主要发生在后期的蠕变过程中。由此说明,在利用EPS 板进行减荷优化时,在施工期应防止和减小机械碾压对其产生的变形损伤,以便EPS 减荷板能在后期充分发挥其蠕变性能,营造合理的工后沉降差,

17、促进减荷效能充分发挥;评测EPS 的蠕变性能,还能在路堤优化工程中起到控制工后沉降的作用。20长安大学学报(自然科学版 2010年2.5 有侧限、无侧限条件下不同密度时EPS 的蠕变性能比较对比不同密度的有侧限、无侧限条件下,不同应力对EPS 蠕变性能的影响情况如图5图7 所示。图5 密度9.36kg/m 3时E PS在有、 无侧限条件下的蠕变性能图6 密度16.00kg/m 3时E PS 在有、无侧限条件下的蠕变性能通过蠕变性能对比2种状态下的EPS 力学性能可清楚看到,有侧限试样比无侧限试样随时间变化的应变值变化幅度要略小。由此可见,有侧限条件下,侧壁对EPS 板有一个向上的摩擦力,此摩擦

18、力对EPS 板受到的应力起到了消减的作用, 同时有图7 密度20.26kg/m 3时EPS 在有、无侧限条件下的蠕变性能侧限也会对EPS 板起到约束。因此,在运用EPS 板进行路堤结构物减荷时,应注意其边界条件,保证边界有足够的孔隙,并且在孔隙中填充虚土,以便其有足够的侧向位移。由图5(a、(b可看出,密度为9.36kg /m 3的EPS 泡沫塑料的前期变形占主导影响,即在施工期就发生了较大变形,不利于减荷性能的发挥。因此,在进行减荷优化时不能选取密度过低的EPS 。EPS 密度为9.36kg/m 3时,有侧限条件比无侧限条件的前期变形幅度要小,表明该密度下,有侧限影响较明显。在荷载施加后期,

19、随着时间的变化,后期变形量不大。由此可见,密度越小,达到塑性变形的过程就越短,应变值后期增长趋势就越小。由图6(a、(b可看出,密度为16.00kg/m 3的EPS 在有侧限条件,当!.60kPa 以后, lg (t 关系曲线就出现了较大的变化,表明该情况下,EPS 在侧限反力的作用下,导致应变值随时间的变化率增大,说明了有侧限的存在引起了结构破坏;但在加载后期,由于侧限的作用被破坏后,密实的结构促使应变值在每级荷载作用下变化基本均等。通过分析其无侧限条件下的变形情况,可以看到每级加载的应变值分布均匀,也就是说在无侧限条件下EPS 的变形在加载前期比较稳定,但是一旦超过屈服强度,就立刻产生了很

20、大的塑性变形,而加载后期变形幅度不大。由图7(a、(b可以看出,密度为20.26kg/m321第3期 伊哈卜,等:聚苯乙烯泡沫塑料减荷力学性能试验的EPS在有侧限条件下,当!.100kPa时,lg(t为0.51.0时发生了台阶式的应变变化。通过以上3种不同密度的EPS蠕变性能试验,可看到侧限的作用在前期反作用于结构,结构破坏晚于无侧限情况;有侧限情况下,EPS的屈服过程较为平缓,应变值的变化随时间变化较为均匀,不会很快产生应变突变;无侧限情况下,EPS的屈服过程前期较为平稳,加载后期由于荷载的超限,泡沫结构会迅速产生很大应变,即其变形前后不均匀。综合EPS力学变形特性,可以指导实际施工,在进行

21、结构的减荷优化埋设EPS减荷板时,周边边界应以虚土填充,并且保证前期未有机械或其他外加荷载,提前促使EPS材料变形,以备EPS板材有足够的富余变形,能在后期填土过程中发挥作用。3 工程实例依托工程位于兰州 海石湾高速公路合同段K50+765高填路堤涵洞,该涵洞是在路堤填土达十几米后开始修筑的,其底层水稳层下为一般回填新黄土。涵洞纵向长度达212m,其长度和填土高度在中国公路建设中相当少见。本试验在涵洞水层下对沿涵洞轴线方向及水稳层下4个典型监控断面的压力和沉降变形进行监控;在涵洞顶部对沿涵洞轴线方向与EPS板下4个断面的压力和沉降变形进行监控,其中4个断面位置对应水稳层下4个断面的监控点;同时

22、监控EPS板随填土高度的变形情况6 10。通过以上监控测试来研究高填土涵洞垂直土压力在涵体周围的变化情况,为实体工程的合理设计与施工提供理论基础。在不同减荷措施下,分析涵洞台身土压力分布的性状对EPS板在涵洞中的减荷作用。(1采用不同减荷措施的涵台台身土压力关系如图8所示。由图8可看出,未处理时涵台下、上受力与处理后基本相当;只是位于涵台下,未处理与虚土均比另外2种减荷措施要稍大;护拱及拱顶的土压力在EPS板减荷作用下明显减小,虚土因压实度现场控制因素影响,减荷效果明显不及前两者;另外,0.63m的EPS板对涵顶两侧的减荷效果较0.32m的EPS板要明显。涵洞台身各测点旁对应的垂直土压力如图9

23、所示。由图9可以看出,0.63 m的EPS板下涵台脚处的垂直土压力最小,虚土对应的垂直土压力比未处理情况的稍小;对应垂直土压力总体分布情况为未处理情况的较大,说明适当的EPS板厚度, 可以避免因减荷而卸载到台身两侧图8 涵洞台身受力图9 涵洞台身对应的垂直向受力的土压力对台身产生的附加挤压作用。(2涵洞台身侧向土压力系数K0的分布规律如图10所示。由图10可以看出,对未处理工况而言,K0的最小值和最大值分别出现在涵台上和护拱下的位置。由此可知道,在未处理情况时台身脚处的水平与垂直向力基本相当,而涵台上所受水平力较小;护拱上产生了应力集中现象,垂直受力变大。0.63m的EPS板减荷下的侧压力系数

24、基本在1.0附近浮动,其缓解了未处理情况的两处峰值。0.32 m的EPS板由于发生凸!变形,对台脚水平受力有所降低,但因应力集中在护拱下角处,板体很快屈服, 致使此处减荷效果后期不理想。图10 涵洞台身侧向土压力系数与位置的关系4 结 语(1EPS整个受压变形过程大致可分为3个阶段:线弹性阶段、屈服阶段和硬化阶段。22长安大学学报(自然科学版 2010年第3期 伊哈卜, 等: 聚苯乙烯泡沫塑料减荷力学性能试验 分析 J . 岩土工程学报, 2004, 26( 5 : 579 583. 23 ( 2 较小密度的 EP S 板不适合作为优化路堤填 料的替代品; 随着 EPS 板密度的增大, 其结束

25、弹性 变形的荷载也就越大, 但达到屈服阶段时的应变值 与密度呈反比。 ( 3 通过经验公式, 可在进行路堤结构物减荷设 计时, 根据所采用减荷优化材料 EP S 密度来初步预 测 EP S 减荷板的工后总变形量, 同时可以预算出达 到最大应变值时的应力值, 从而有利于根据内外土 柱差来计算结构所受的土压力, 确定 EP S 板的减荷 性能。 ( 4 在进行结构减荷优化时, 埋设 EPS 板周边 边界应为虚土填充, 并保证前期未有机械或其他外 加荷载, 提前促使 EPS 材料变形, 以备 EP S 板材能 有足够的富余变形, 在后期填土过程中发挥作用。 ( 5 从 2 种不同厚度 EPS 板对涵

26、顶的减荷效果 比较来看, 一定厚度的 EPS 板对涵洞的减荷效果是 明显的, 但在生产运用中应综合考虑经济效益, 采用 合理的减荷材料尺寸。 参考文献: References: 1 马时冬. 聚苯乙烯泡沫塑料轻质填土的特 性 J . 岩 土 力学, 2001, 22( 3 : 245 249. M A Shi dong . T he pr operties o f stabilized light so il ( SL S w ith ex pended po ly styr ene J . Rock and So il M echanics, 2001, 22( 3 : 245 249. 2

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