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轻质混合土是由原料土、固化剂、轻质材料和水混合,经搅拌,压实养护而成的,具有一定强度的人工混合土,具有环保、轻质、高强、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,可应用于软弱地基处理、路基填筑,减轻高速公路桥头跳车问题、陡坡地区施工、码头(隔墙、板桩挡墙)减轻土压力、拓宽填土施工、管道填埋及一些应急抢险工程中。目前轻质混合土在我国的研究还处于起步阶段,本文以武昌关山小区某基坑粘土为原料土,武汉永乐泡沫厂生产的平均粒径为2.5 cm、3.0cm、4.5 cm、5.5 cm EPS颗粒为轻质材料,华新厂C25复合硅酸盐水泥为固化剂,制备粘土与EPS颗粒轻质混合土,通过室内无侧限抗压强度试验和三轴固结不排水试验,对试样制备及其变形和强度特性进行了如下研究:
(1)试样制备的均一性及控制标准的科学性直接关系到试验数据和试验结论的可靠性,本文从试样制备的原料控制,到制备程序都进行了细致的观察和研究,详细论述试样制备及试验操作过程中的控制注意事项。
(2)固定EPS颗粒粒径3.0cm,通过正交试验方案,利用无侧限抗压强度试验,研究了水泥参入比、EPS颗粒参入比对粘土与EPS颗粒轻质混合土变形和强度特性的影响,成果如下:
A:轻质混合土可看成是由水泥土和EPS颗粒两相体模型组成,EPS颗粒起置换效应和空间效应,抗剪强度主要由凝聚分量、摩擦分量、剪胀分量组成,网络状胶结结构的形成是其强度的主要来源,试样变形分为试样接触微调阶段、裂纹及孔洞的闭合阶段、近直线阶段、塑性屈服阶段、破坏后阶段五个阶段。
B:EPS颗粒参入量越小,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,结构性越差,此时表现EPS颗粒的应变硬化特性越明显,单轴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;随着EPS颗粒的增加,抗压强度呈非线性减小,且水泥参入量越高时,减小幅度越大。
C:水泥参入比越大,水泥土骨架的结构强度越大,试样强度越高,但EPS轻质混合土存在最小水泥参入比αc0,当αc>αc0时,水泥在水泥土中的强度提高表现明显,当αc<αc0时,则水泥在水泥土中表现的作用几乎没有。轻质混合土抗压强度与水泥参入比的关系可以回归到公式qu=aeb(αc-αc0)中,在水泥比较低时,得出的关系曲线近似为直线,水泥比超过一定值,即可看出其关系曲线呈指数增长形势。
D: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。抗压强度与破坏应变都是呈乘幂关系,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一致。
E:单轴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;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,与强度随EPS参入量及水泥参入量的关系变化趋势一致。
F:混合土试样单轴压缩破坏模式主要有共轭剪切破坏、单斜截面剪切破坏;脆性劈裂破坏。
(3)固定试验配比,通过三轴固结不排水试验,专门研究了EPS颗粒粒径对轻质混合土的变形和强度特性影响,取得成果如下:
A:EPS混合轻质土结构性较强,存在结构屈服应力,围压小于EPS混合轻质土的结构屈服应力,应变软化现象明显;围压大于EPS混合轻质土的结构屈服应力,应变硬化现象得到加强。
B:EPS颗粒越小,颗粒与水泥土之间包裹性越好,结合的越紧,颗粒越大,EPS颗粒自身强度很低,容易变形,经抽气饱和后,泡沫颗粒会出现部分无法恢复的塑性变形,形成孔洞,破坏试样的结构完整性。故颗粒粒径越小,试样的结构强度越大,试样自身的强度越大。
C:试样EPS颗粒粒径小,试样Mohr-Coulomb强度包络线呈折线形,固结压力小于屈服应力时,胶结结构的凝聚力得到充分发挥作用,包络线1平缓;当固结压力大于屈服应力时,试样结构遭到破坏,内部团粒间开始相互滑移,摩擦力得到充分发挥,摩擦角变大,包络线2要比包络线1陡;试样EPS颗粒粒径大,选取围压接近或大于其胶结结构屈服应力,强度包络线为一不通过原点的直线,这与一般重塑土的性质不一样。
D:三轴变形模量随着粒径变化也是先减小后增大,围压在小于塑性屈服应力之前,变形模量随围压增大而降低,一旦围压增大到使试样结构重排列,试样得到压密,且围压越大,压密程度越高,此时变形模量反而随着围压增大而增大。故在相同围压下,同一应变所对应的主应力差值,在围压没超过试样结构屈服应力前随着颗粒粒径的增大而呈负增长的规律。
E:CU试验中,最大主应力差随着围压的增加而增大,近似线性关系,这种趋势变化受水泥参入比、密度和龄期的影响不大,但随着水泥参入比增加、密度变大、最大主应力差随围压增大的变化趋势得到增强。
F:随着EPS颗粒粒径的增大,总应力抗剪强度指标C2、φ2磊随着EPS粒径的增大而减小,但总摩擦角减小的幅度要小;随着EPS参入量增加,EPS轻质混合土的结构性内摩擦角φ和凝聚力C都减小,但φ减小的趋势较弱;随着水泥参入量的增加,EPS轻质混合土试样的凝聚力C呈较强的直线递增趋势。
G:低围压时,三轴试验破坏应变随着粒径的增大而增大,最后趋于15%;高围压时基本都接近15%,整体表现出来的是不管试样粒径是多少,破坏应变受围压的影响都很大。