lses与纯砂材料动力变形特性对比试验研究

lses与纯砂材料动力变形特性对比试验研究

1混合粗土lsen混合轻土壤是20世纪80年代日本和其他国家研究和开发的一种新型土壤材料。具有较轻的重量、强度和密度、适应性强、流动性好、独立性强、施工简单、环保和价格低等优点。广泛应用于国内外弱土处理、边坡工程填充、桥梁填充（解决桥架坍塌问题）、管道填充、道路扩建等项目。砂土与EPS颗粒混合轻质土(LSES)是以砂土为原料土、EPS颗粒为轻质材料的混合轻质土。对LSES力学性质的研究,国外起步较早,1989年山田纯男等就对由砂土和EPS颗粒等材料混合而成的轻质土进行了密度、单轴抗压强度、CBR值、三轴压缩特性、透水性等试验。国内马时冬研究了以砂土为原料土的聚苯乙烯泡沫塑料轻质填土的基本静力性质;顾欢达研究了以河砂为原料土的发泡颗粒轻质土材料的基本性质。在LSES工程中,不可避免地会遇到地震、交通、波浪等动荷载作用。在混合轻质土的动力研究方面,KunioMinegishi等研究了泡沫塑料颗粒混合轻质土在循环荷载作用下的力学特性;KazuyaYasuharad等对轻质路基受交通荷载作用时的特性进行了研究;俞峰研究了LSES在低围压下的动力变形特性。LSES作为砂土与其他物质混合制作而成的新型土工材料,其力学性质与砂土相比有何特点的问题尚未见到相关的研究。本文通过动力对比试验,研究了LSES和砂土的动力变形特性之间的关系,说明了LSES的优越性,为工程设计与施工提供参考。2试验结果分析EPS颗粒与水泥的存在是LSES区别于普通砂土的主要因素,在LSES与砂土的对比试验中,势必要分析不同EPS颗粒含量和水泥含量的LSES与砂土的动力特性之间的关系。EPS颗粒含量以试样中的EPS颗粒体积含量Ceps来量化,即试样中EPS颗粒的体积Veps占试样总体积V的百分比;水泥含量以水泥掺入比aw来控制,即LSES中水泥质量与干砂质量的比值取百分数。2.1砂体干密度的定义为了使LSES与砂土具有可比性,试验中以干密度控制LSES的制样配比,使得在不同Ceps和不同aw的情况下,砂土的干密度都保持相等,且等于纯砂样的干密度。LSES在体积上由EPS颗粒体积Veps、砂的体积Vs、水泥浆体积Vg和孔隙体积Vp构成。将LSES中砂的干密度定义为砂的质量ms除以Vs,Vg,Vp之和,即除去EPS颗粒之外的体积的比值:对于纯砂样,Vg=0,则式(1)转变为式(2)即为砂土的干密度定义。由此可见,式(1)对LSES中砂土干密度的定义是与砂土干密度定义统一的,且对于这样的定义,在某一EPS颗粒体积含量下,不同水泥掺入比时试样中砂的含量是不变的,有利于单独考察水泥掺入比对LSES动力变形特性的影响。2.2aw和ceps所用砂的有效粒径为0.15mm,限制粒径为0.51mm,水泥为南京产雨花牌C32.5水泥,水灰比取1.2,EPS颗粒直径为2~4mm,堆积密度为0.0132g/m3,颗粒密度为0.0270g/m3。aw和Ceps取值见表1。按配比称取原料,放入搅拌器中搅拌混合5min后,分层填入模具中均匀压实,然后将试样连同模具置于养护箱(温度为20±2℃,湿度为99%)中养护24h后脱模,脱模后放于湿润环境中养护14d后取出试验。2.3lds与砂体的对比试验试验仪器为河海大学和日本圆井株式会社共同研制的多功能静动三轴仪。在不同Ceps和aw的LSES与砂土的对比试验中,取定围压为90kPa;在不同围压下LSES与砂土的对比试验中取60,90,120kPa三个围压。动剪应力比(三轴试样在45°面上的剪应力与围压的比值)由0.1开始,每级递增0.1,加荷频率为0.1Hz,每级加载5周。试样养护14d后取出,在-0.1MPa下抽真空1.5h后,充水浸没12h。装样后,试样在等向固结压力下固结稳定,然后在不排水条件下按预定的动剪应力比和加载周数逐级施加动荷载。对试验所得数据进行处理,分析计算得出动弹性模量Ed和等效阻尼比D的值,以便进行对比研究。3动弹性模型的比较分别对不同Ceps和aw的LSES与砂土以及不同围压下的LSES与砂土的动弹性模量进行对比研究。3.1试验用颗粒体积含量对lhs动弹性模量的影响图1为aw分别为3%和9%时不同Ceps的LSES与砂土的Ed-εd关系曲线。由图可以看出,LSES与纯砂的动弹性模量具有同样的随应变的增大而减小的性质。不同EPS颗粒体积含量的LSES动弹性模量普遍高于纯砂的动弹性模量,随EPS颗粒体积含量的增大,LSES的动弹性模量逐渐减小,其Ed-εd关系曲线向纯砂靠近。EPS颗粒体积含量对LSES动弹性模量的影响程度及其与纯砂的差距,随水泥掺入比的增大而增大。取εd=0.2%考察,当aw=3%时,不同EPS颗粒体积含量的LSES的Ed区间为110~150MPa,纯砂Ed≈90MPa;而当aw=9%时,不同EPS颗粒体积含量的LSES的Ed变化区间则达到120~230MPa左右。3.2ceps与纯砂ed-d关系图2为Ceps分别等于10%和30%时不同aw的LSES与砂土的Ed-εd关系曲线。由图可以看出,不同水泥掺入比的LSES动弹性模量普遍高于纯砂的动弹性模量,随着水泥掺入比的增加,LSES的动弹性模量逐渐增大,其Ed-εd关系曲线逐渐远离纯砂的Ed-εd关系曲线。水泥掺入比对LSES动弹性模量的影响程度及其与纯砂的差距,随EPS颗粒体积含量的增大而减小。取εd=0.2%考察,当Ceps=10%时,不同水泥掺入比的LSES的Ed变化区间为150~280MPa,而纯砂Ed≈90MPa;当Ceps=30%时,不同水泥掺入比的LSES的Ed变化区间则为130~170MPa左右。总体而言,在水泥掺入比较低(aw=3%)且EPS颗粒体积含量较高(Ceps=40%)时,LSES的动弹性模量与纯砂相接近,随着aw的增大和Ceps的减小,LSES的动弹性模量与纯砂相比越来越大,LSES的动弹性模量普遍高于纯砂的动弹性模量。3.3围压对lhs动弹性模量的影响图3为LSES的试样6-30,6-40,9-40,12-40与砂土在60,90,120kPa下的Ed-εd关系曲线。其中:试样编号6-30表示aw=6%,Ceps=30%,其他编号以此类推。由图可以看出,4种配比的LSES以及纯砂均显示出动弹性模量随围压的增大而增大的特性。围压对LSES动弹性模量的影响与纯砂相比相对较大。取试样6-30为例,在εd=0.2%时,不同的围压下LSES的动弹性模量变化区间约为110~220MPa,而纯砂的变化区间约为90~110MPa。试样6-40在60kPa围压下的动弹性模量与纯砂的动弹性模量较一致,则由以上所得LSES动弹性模量随Ceps、aw和围压的变化规律可知,aw等于6%,9%,12%时,不同Ceps的LSES在不同围压下的动弹性模量均大于纯砂的动弹性模量。4等式电阻比的比较分别对不同Ceps和aw的LSES与砂土以及不同围压下的LSES与砂土的等效阻尼比进行对比研究。4.1相关的lsen等效阻尼比图4为aw分别等于3%和9%时不同Ceps的LSES与砂土的D-εd关系曲线。由图可以看出,LSES与纯砂的等效阻尼比在整体上有同样的随应变的增大而增大的性质。在aw=3%时,不同EPS颗粒体积含量的LSES等效阻尼比与纯砂的相接近,其中,Ceps=40%时,LSES的D-εd关系曲线略高于纯砂。在aw=9%时,不同EPS颗粒体积含量的LSES等效阻尼比均小于纯砂。当LSES水泥掺入比较高(aw≥9%)时,在动应变比较小的区域内(εd<0.1%)出现了等效阻尼比随应变增大而减小的现象,这可能由以下两个因素导致,一是在水泥掺入比较高时,试样比较硬,导致仪器在加载初期出现较大扰动;二是在动应变与动应力比较小时,扰动对数据处理的影响较大。以上现象仅在小应变时出现,不影响LSES等效阻尼比整体变化规律。4.2水泥加入比对sis等效阻尼比的影响图5为Ceps分别等于10%和30%时不同aw的LSES与砂土的D-εd关系曲线。由图可以看出,LSES与纯砂的等效阻尼比之间的关系受水泥掺入比影响较大。在Ceps=10%时,aw=3%的LSES等效阻尼比略小于纯砂,其他高水泥掺入比的LSES等效阻尼比均显著小于纯砂,且彼此差距较大。在Ceps=30%时,aw=3%的LSES等效阻尼比略大于纯砂,其他水泥掺入比的LSES等效阻尼比均小于纯砂。4.3围压对lhs-4-5pb的影响图6为LSES试样6-30,6-40,9-40,12-40与砂土在60,90,120kPa下的D-εd关系曲线。由图可以看出,4种配比的LSES以及纯砂均显示出等效阻尼比随围压的增大而减小的特性。不同围压对纯砂与LSES阻尼比的影响程度相近。在围压为120kPa时,纯砂与6-40,9-40,12-40试样的等效阻尼比关系分别为小于、相近、大于;60,90kPa下纯砂的等效阻尼比均大于6-40,9-40,12-40试样的等效阻尼比。5cse-lsen模型在以干密度控制配比的原则下,对LSES和砂土进行了动力变形特性对比试验研究。试验表明:(1)LSES与纯砂的动弹性模量具有同样的随应变的增大而减小的性质。LSES的动弹性模量普遍高于纯砂的动弹性模量,在水泥掺入比较低(aw=3%)且EPS颗粒体积含量较高(Ceps=40%)时,LSES的动弹性模量与纯砂相接近,随着aw的增大和Ceps的减小,LSES的动弹性模量与纯砂相比越来越大。(2)LSES与纯砂均显示出动弹性模量随围压的增大而增大的特性