论文部分内容阅读
我国东南沿海平原地区普遍发育厚～巨厚层海相淤泥、淤泥质土层，厚度一般大于20m，有的甚至超过70m。淤泥、淤泥质土具有高孔隙比、高含水量、高压缩性、强度低、灵敏度高、渗透系数小等特点，一经受压，易产生剪切变形破坏、较大的沉降量及沉降时间长等问题。因此在软土地基上修筑道路和桥梁，路基的沉降和桥头差异沉降严重影响了工程质量和正常使用。解决这些问题，一般都需要对软基进行必要的处理。常规处理方法(如排水固结法和复合地基法等)均难以达到满意的效果。
轻量土具有轻质、高强及强度的可调性等特点。轻量土作为填土材料时，可以通过减小土体自重来减小地基内部的应力，提高原有地基的承载力、减小地基沉降量，不需进行地基处理，从而降低施工成本。另一方面从环保、节省资源角度出发。目前的建设工程例如高速公路等通常需要大量的填土材料产并产生大量废弃土，对于土地资源稀缺的地区，取土的成本相当高，而在轻质土中可以充分利用废弃的发泡材料、建设弃土来替代填土材料，则至少可以节省大部分的填土材料而解决取土难、运输量大等问题，具有良好的经济性。因此，开发和利用废弃的发泡材料制成的轻质土材料，可以解决一些软弱地基承载力不足等特殊的工程问题，对于节省工程成本、促进废弃物的综合有效利用、保护环境等都具有十分重要的社会及经济效益。轻量土作为一种新型工程材料逐步受到世界各国工程界人士的青睐，不断被用于各种工程，取得了良好的应用效果。近年来轻量土在我国也引起了相当的重视，了解和应用这一技术已成为工程界的必然趋势。
本文以浙江省重点科研项目(项目名称：轻量土新技术在软土地区桥梁基础中的应用研究，项目编号2005C21092)为依托，着眼于建筑用砂发泡颗粒混合轻量土的工程性质研究，旨在明确发泡颗粒混合轻量土的物理力学性质以及轻质、高强、变形之间的关系，寻求有工程应用前景的轻量土配方及其制作技术，为建筑用砂发泡颗粒混合轻量土在工程中的推广和应用提供理论依据，并研究弹性波在轻量土检测中的应用可行性。
论文主要研究内容包括：
(1)科学的制样是保证试验结果正确性和可靠性的前提，本文介绍了建筑用砂发泡颗粒混合轻量土这种新型土工材料的试样制备方法，同时详细论述了采用试验项目的技术规定。
(2)混合轻量士是由原料土、固化剂、轻质材料及水混合而成的，如何选择适合工程需要的混合轻量土的各组成成分尤为重要，论文详细介绍了建筑用砂发泡颗粒混合轻量土的原料组成及其特点。
混合轻量土的一个显著特点，就是密度较低，建筑用砂发泡颗粒混合轻量土是多种材料的混合体，密度的影响因素较为复杂，与各组成材料的配比密切相关，并随配比的不同而变化，研究密度随配比的变化规律对调节建筑用砂发泡颗粒混合轻量土的密度具有理论指导与工程应用价值。论文研究了EPS掺量比、水泥掺量比、含水量、击实能、试样尺寸、养护条件和龄期对密度的影响，研究了轻量土固化前后的含水量变化，轻量土的渗透性能。通过对建筑用砂混合轻量土密度的影响因素分析可知，EPS的掺量是影响轻量土密度的最主要的影响因素，因此工程中调整轻量土的密度最有效的措施是调整EPS的掺量。
(3)在轻量土力学性质研究方面，在通过试验对建筑用砂发泡颗粒混合轻量土在单轴压缩和三轴剪切条件下的强度特性、应力应变关系及变形模量等进行了分析，取得了如下研究成果：
①轻量土的强度随EPS掺量比的增加而减少，大致呈双曲线递减规律变化。EPS含量越高对强度的影响较大，是混合轻量土的强度重要影响因素；
②水泥掺量对轻量土的强度影响与EPS的含量有关。当EPS掺量较小时，水泥掺量对轻量土的强度影响较大，是影响强度的主要因素，当EPS掺量较大时，水泥掺量对轻量土的强度增加作用有限；
③轻量土的强度在击实能较小时随击实能的增加而增加，但击实能达到一定值时，强度变化幅度不明显：
④相同配合比情况下，试样的无侧限抗压强度随着试样尺寸的增大而略有减少，因此，试验时需考虑由于试样尺寸的变化对强度的影响；
⑤不同EPS掺量比情况下轻量土的应力应变关系特征较为一致，呈现出加工软化类型曲线。但应变值却有很大的差异，应变值随着EPS掺量比的增大而增大，且塑性区的范围明显加大，但强度相应降低；
⑥不同水泥掺量比情况下轻量土的应力应变关系特征较为一致，而且应变值相差并不是很大，达到最大应力时的应变值约为2％。因此，可以不考虑水泥掺量对应变值的影响；
⑦通过对同结不排水三轴压缩试验的结果的分析，得到了建筑用砂发泡颗粒混合轻量土的抗剪强度特性。抗剪强度指标的内摩擦角和粘聚力随水泥掺入比、密度和龄期不同而有所不同。密度较小的轻量土的不固结不排水三轴压缩试验的抗剪强度特性不符合莫尔库仑强度理论；
⑧在相同条件下，轻量土的模量随着EPS的增大而减小，随着水泥掺量的增加而增大，但是当水泥含量达到一定值时，轻量土的模量随着水泥掺量的增加而增大的较小，基本上趋向一定值；
⑨轻量土的模量与强度基本上呈正比关系变化。
(4)建筑用砂发泡颗粒混合轻量土是由原料土、固化剂、轻质材料及水组成，轻量土的密度主要是和EPS的掺量有关，强度主要和EPS及水泥掺量有关。因此，如何根据需要的强度及密度来确定合适的配合比对于工程而言至关重要。在轻量土配合比设计方面，选择适合工程需要的混合轻量土配合比是需要解决的关键问题，通过原料土、固化剂及轻质材料的理论分析及试验研究，取得了如下研究成果：①强度与水泥掺入量的关系近似可用灰色Verhulst模型来模拟，通过计算发现灰色Verhulst模型模拟计算的效果较好；
②建筑用砂发泡颗粒混合轻量土的密度随水泥掺入量的增加而略有增大，但增大的幅度较小；密度随着EPS掺量的增加而降低；
③密度与水泥掺入量的关系近似可用线性关系来拟合；
④根据轻量土的强度及密度对配合比的影响规律，建立了建筑用砂混合轻量土的配合比图；
⑤依据配合比图建立了确定轻量土配合比及最优配合比的步骤，具有较好的工程适用性。
(5)桥头跳车问题是工程实践中经常遇到的难题。路桥过渡路段路堤分析包括两大问题：变形和强度。桥头跳车产生的直接原因是桥台与路堤的不均匀沉降，故评价一种处治措施的优劣，主要看其在减小路基总沉降，尤其是消化和协调不均匀沉降的能力。因此，针对桥头跳车处治方法的试验和研究最终都归结于如何消化和协调桥台与路堤间的不均匀变形。
数值计算一直是工程地质学分析方法中一个重要手段，特点是近年来，随着计算机技术和数值计算方法的迅速发展，从二维到三维，从静态到动态，计算精度、可靠度不断提高，加之大量工程实例的验证，使数值模拟方法日益成为工程地质学不可或缺的重要方法之一。本文采用工程地质界国际通用软件FLAC3D(2.1版)对桥台背轻量土进行各种不同情形下的数值模拟研究。可靠的数值分析可以大大减小试验的工作量和造价，为处治措施的作用性状分析、适应性研究和优化设计提供了一种全新的思路与方法。
通过对轻量土对桥台背轻量土进行各种不同情形下的数值模拟研究，可以得到以下结论：
①采用轻量土作为桥台背填土大大减小了路桥接合部的沉降差，当轻量土的密度为1200kg/m3比常规填土沉降量减少72cm，同时倒三角形填筑轻量土的设计方法能有效减缓了路桥过渡段的坡度。
②下卧层土的压缩模量越小，其产生的沉降量就越大，下卧层的压缩模量对于路桥过渡段沉降量有着显著的影响，但当下卧层地基土的压缩模量超过8MPa以上时，其值的增高对于路基沉降的影响并不大。
③路桥过渡段全部是轻量土和常规填土时两者沉降差异非常大，当路桥过渡段采用轻量土与常规填土二者相结合的方案时，可以使沉降的变化过程得到减缓，道路纵坡率满足安全行车要求。因此，在桥背及常规填土之间采用轻量土进行过渡是可行的，而且是解决桥头跳车问题的一种非常有效的方案。
(6)工程上对于一般土体施工质量检测常常采用的钻孔取芯法，因检测的局部性、对土样的扰动等原因使得该方法的可靠性及实用性受到了很大的限制，因此需要一种能够间接评判土体施工质量的快速、准确的检测方法，声波测试方法则可以较好地解决以上工程问题。本项目采用超声波测试方法，对轻量土的弹性波速特征进行研究。
研究结果表明波速的变化反映了材料的内部结构，这就为轻量土施工质量检测提供了理论依据；通过试验得到土样的弹性波速值随着养护龄期的延长而有明显提高；试验结果表明波速统计的数据结果基本可以反映出EPS轻量土材料的超声波速特征，这为进一步进行轻量土无损检测技术的研究奠定了良好的基础。