聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學(xué)性能試驗(yàn)_圖文

1、收稿日期:2009 06 10基金項(xiàng)目:國(guó)家西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(200631881291作者簡(jiǎn)介:伊哈卜(1976 ,男,巴勒斯坦人,工學(xué)博士研究生,E mail:ehaabn jar667h 。第30卷 第3期2010年5月長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Chang an U niversity (Natural Science Editio nV ol.30 No.3M ay 2010文章編號(hào):1671 8879(201003 0018 06聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學(xué)性能試驗(yàn)伊哈卜,謝永利,趙麗婭(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西西安710064摘 要:以蘭州 海石灣高速公路中的某一高

2、填路堤涵洞工程為依托,通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn),對(duì)不同密度的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS輕質(zhì)材料,進(jìn)行了有側(cè)限、無(wú)側(cè)限影響下的應(yīng)力應(yīng)變及蠕變性能的分析,并對(duì)不同厚度的EPS 材料在工程應(yīng)用中的減荷性狀進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:密度較小的EPS 材料不適合作為優(yōu)化路堤等工程填料的替代品;有側(cè)限影響時(shí)EPS 材料達(dá)到屈服階段的應(yīng)力值較無(wú)側(cè)限時(shí)要高;密度適中且具有一定厚度的EPS 材料在工程應(yīng)用中能起到良好的減荷作用。關(guān)鍵詞:道路工程;聚苯乙烯泡沫塑料;力學(xué)性能;路堤;涵洞;減荷中圖分類號(hào):U414.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: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在國(guó)內(nèi)外均得到了普遍的應(yīng)用,隨著科技的發(fā)展,土工合成材料的新品種不斷出現(xiàn),其中聚苯乙烯泡沫塑料(expanded po l ystyrene,簡(jiǎn)稱EPS是令人注目的品種之一,它的出現(xiàn)使得土工中原本

8、難以解決的問題獲得了令人滿意的解決辦法。1972年挪威道路研究所首次將1 m厚的普通填料層換成聚苯乙烯,成功地遏止了與橋臺(tái)連接路堤的過(guò)渡沉陷,從而開創(chuàng)了應(yīng)用EPS在土工中的新方向。1985年在挪威首都奧斯陸召開的第一屆國(guó)際道路塑料泡沫填方會(huì)議!上公開了該項(xiàng)技術(shù)。EPS在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用時(shí)間雖然不長(zhǎng),但其應(yīng)用范圍卻十分廣泛。它可以簡(jiǎn)化施工,不用大型機(jī)械,縮短工期,更重要的是在某些特殊場(chǎng)合有其他材料不可替代的作用。近年來(lái),中國(guó)一些專家針對(duì)EPS的物理力學(xué)性能作了進(jìn)一步研究,但由于EPS 材料在工程中的用途不同,故其研究的側(cè)重點(diǎn)也各有不同1 2。本文主要針對(duì)EPS的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,并以蘭州 海石灣

9、高速公路中的某一高填路堤涵洞工程為依托,通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn),對(duì)不同密度的EPS材料進(jìn)行了有側(cè)限、無(wú)側(cè)限影響下的應(yīng)力應(yīng)變及蠕變性能的分析,并依托實(shí)體工程對(duì)不同厚度的EPS材料在工程應(yīng)用中的減荷性狀進(jìn)行了分析,重點(diǎn)研究其應(yīng)用于公路路堤下結(jié)構(gòu)物減荷優(yōu)化中所體現(xiàn)出來(lái)的EPS力學(xué)變化特性。1 EPS的物理性質(zhì)及適用范圍1.1 EPS輕質(zhì)材料的物理性質(zhì)在巖土工程中,使用EPS泡沫塑料主要是利用其所具有的如下特性:質(zhì)量特別輕;#獨(dú)特的變形特性;有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,具有良好的自立性; %施工方便且速度快;&緩沖性能很好;隔熱性能良好。EPS的機(jī)械和力學(xué)性能與它的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系。一般而言,EPS

10、的密度與強(qiáng)度之間有良好的冪函數(shù)關(guān)系,其透水、透氣和吸水等性能也與它的密度有關(guān)。EPS的密度一般為1045kg/m3,作為工程中使用的EPS,表觀密度一般為1530kg/m3。密度是EPS的一個(gè)重要指標(biāo),它的各項(xiàng)力學(xué)性能幾乎與其密度成正比關(guān)系。1.2 EPS輕質(zhì)材料的適用范圍EPS在作為一種減壓、防凍、防滲材料,其適用范圍為:軟基上的輕型填料;#防止道路和橋臺(tái)垂直錯(cuò)位;減輕結(jié)構(gòu)物頂部的土壓力;%斜坡上的填料;&修建直立擋墻;地基的置換填料;(隔離材料;基礎(chǔ)底座墊層;結(jié)構(gòu)物上輕型填料;+軟基上埋設(shè)管道3 4。2 EPS輕質(zhì)材料的力學(xué)性能2.1 EPS試樣的制作選用的EPS材料為 50m m

11、,20mm,在標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。單軸壓縮試驗(yàn)是有側(cè)限壓縮,采取應(yīng)力控制加荷方式。另外,對(duì)同樣試件做無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。選用6種密度EPS泡沫塑料進(jìn)行試驗(yàn),分別是9.36、13.67、14.63、16.00、20.26、23.00kg/m3。其中選用9.36、16.00、20.26kg/m3這3種密度的EPS進(jìn)行蠕變性能試驗(yàn)。2.2 有側(cè)限、無(wú)側(cè)限條件下EPS的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通過(guò)對(duì)6種不同密度的EPS進(jìn)行有側(cè)限與無(wú)側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn),得到如圖1、圖2 所示的曲線。圖1 有側(cè)限條件下不同密度的E PS 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系圖2 無(wú)側(cè)限條件下不同密度的E PS應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系由圖1可知,除密

12、度為9.36kg/m3的EPS以外,其他密度的試樣均表現(xiàn)出EPS應(yīng)力與應(yīng)變的3個(gè)變形階段:密度為9.36kg/m3的EPS在壓縮荷載小于等于20kPa時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了屈服變形,表明其在較小荷載作用下即發(fā)生了結(jié)構(gòu)泡壁破壞,此性狀也表明較小密度的EPS板不適合作為優(yōu)化路堤填料的替代品。因?yàn)橛袀?cè)限條件下的EPS變形特性接近于減荷工程中深埋于結(jié)構(gòu)體上的工況,因此19第3期 伊哈卜,等:聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學(xué)性能試驗(yàn)正確確定彈性模量將直接關(guān)系到道路的正常運(yùn)營(yíng)。結(jié)合不同密度下達(dá)到屈服的應(yīng)變值情況,可以得出當(dāng)密度 13.67kg/m 3時(shí),抗壓強(qiáng)度值取應(yīng)變值為3%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值;當(dāng) >13.67kg/

13、m 3時(shí),抗壓強(qiáng)度值取應(yīng)變值為5%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。由圖2可知,無(wú)側(cè)限條件下,6種密度EPS 材料達(dá)到屈服階段的應(yīng)力值整體要較有側(cè)限條件下低;同樣,除密度為9.36kg/m 3的EPS 以外,其他密度的試樣也表現(xiàn)出EPS 應(yīng)力與應(yīng)變的3個(gè)變形階段,但其屈服階段的斜率要小于有側(cè)限條件下的斜率;隨著EPS 密度的增加,達(dá)到相同應(yīng)變值的應(yīng)力增量不均等,近似以EPS 的密度16.00kg/m 3為界線,可見EPS 密度增大到20.26kg/m 3以后,其模量和屈服時(shí)應(yīng)變值的提高并不大。2.3 不同密度下的最大荷載及最大應(yīng)變選取不同密度的EPS 達(dá)到最大應(yīng)變時(shí)的最大應(yīng)力值,如圖3所示,可以看到不同密度與最

14、大應(yīng)變值、 最大應(yīng)力值之間的變化關(guān)系。圖3 EPS 的最大應(yīng)變和應(yīng)力應(yīng)用曲線擬合方法對(duì)數(shù)值關(guān)系進(jìn)行擬合,可以得到有側(cè)限、無(wú)側(cè)限條件下不同密度與最大應(yīng)變max 之間的關(guān)系式(R 2為相關(guān)系數(shù)為有側(cè)限條件max =-0.0181 4+1.1688 3-27.292 2+271.54 -885.46,R 2=0.9999無(wú)側(cè)限條件max =0.0291 2-2.0619 +106.18R 2=0.9733同理,可以得到有側(cè)限、無(wú)側(cè)限條件下不同密度與最大應(yīng)力!max 之間的關(guān)系式為有側(cè)限條件!max =-0.0867 3+4.3709 2-55.944 +268.05,R 2=0.9814無(wú)側(cè)限條件!

15、max =-0.1689 3+8.453 2-119.84 +569.29,R 2=0.9987通過(guò)擬合公式,可以在進(jìn)行路堤結(jié)構(gòu)物減荷設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)所采用的減荷優(yōu)化材料EPS 的密度來(lái)初步預(yù)測(cè)EPS 減荷板的工后總變形量;同時(shí),也可以預(yù)算出達(dá)到最大應(yīng)變材料值時(shí)的應(yīng)力值,從而有利于根據(jù)內(nèi)外土柱差來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)所受的土壓力,確定EPS 減荷板的減荷性能。2.4 EPS 材料的蠕變性能為了研究EPS 在一定荷載作用下應(yīng)變隨時(shí)間的變化過(guò)程,選用密度為23kg /m 3的EPS 進(jìn)行了蠕變性能試驗(yàn),分別在25、50、75、100、150kPa 這5種荷載下(應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)5。試驗(yàn)裝置與應(yīng)力控制式壓縮試驗(yàn)相同。試

16、驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。圖4 密度為23kg/m 3時(shí)EPS 的蠕變性能由圖4可以看出,應(yīng)變隨時(shí)間t 的變化規(guī)律為:不同荷載作用下, lg(t 關(guān)系曲線是不同的。當(dāng)!<75kPa 時(shí),應(yīng)變隨時(shí)間的增長(zhǎng)變化緩慢,曲線呈平直態(tài),可以理解為此時(shí)EPS 尚處于線彈性變形階段;當(dāng)!>75kPa 后, lg (t 曲線開始隨時(shí)間變化。由圖4還可看到,EPS 在每級(jí)荷載加載前期變形響應(yīng)延遲,即前期變形量較平緩,其應(yīng)變主要發(fā)生在后期的蠕變過(guò)程中。由此說(shuō)明,在利用EPS 板進(jìn)行減荷優(yōu)化時(shí),在施工期應(yīng)防止和減小機(jī)械碾壓對(duì)其產(chǎn)生的變形損傷,以便EPS 減荷板能在后期充分發(fā)揮其蠕變性能,營(yíng)造合理的工后沉降差,

17、促進(jìn)減荷效能充分發(fā)揮;評(píng)測(cè)EPS 的蠕變性能,還能在路堤優(yōu)化工程中起到控制工后沉降的作用。20長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2010年2.5 有側(cè)限、無(wú)側(cè)限條件下不同密度時(shí)EPS 的蠕變性能比較對(duì)比不同密度的有側(cè)限、無(wú)側(cè)限條件下,不同應(yīng)力對(duì)EPS 蠕變性能的影響情況如圖5圖7 所示。圖5 密度9.36kg/m 3時(shí)E PS在有、 無(wú)側(cè)限條件下的蠕變性能圖6 密度16.00kg/m 3時(shí)E PS 在有、無(wú)側(cè)限條件下的蠕變性能通過(guò)蠕變性能對(duì)比2種狀態(tài)下的EPS 力學(xué)性能可清楚看到,有側(cè)限試樣比無(wú)側(cè)限試樣隨時(shí)間變化的應(yīng)變值變化幅度要略小。由此可見,有側(cè)限條件下,側(cè)壁對(duì)EPS 板有一個(gè)向上的摩擦力,此摩擦

18、力對(duì)EPS 板受到的應(yīng)力起到了消減的作用, 同時(shí)有圖7 密度20.26kg/m 3時(shí)EPS 在有、無(wú)側(cè)限條件下的蠕變性能側(cè)限也會(huì)對(duì)EPS 板起到約束。因此,在運(yùn)用EPS 板進(jìn)行路堤結(jié)構(gòu)物減荷時(shí),應(yīng)注意其邊界條件,保證邊界有足夠的孔隙,并且在孔隙中填充虛土,以便其有足夠的側(cè)向位移。由圖5(a、(b可看出,密度為9.36kg /m 3的EPS 泡沫塑料的前期變形占主導(dǎo)影響,即在施工期就發(fā)生了較大變形,不利于減荷性能的發(fā)揮。因此,在進(jìn)行減荷優(yōu)化時(shí)不能選取密度過(guò)低的EPS 。EPS 密度為9.36kg/m 3時(shí),有側(cè)限條件比無(wú)側(cè)限條件的前期變形幅度要小,表明該密度下,有側(cè)限影響較明顯。在荷載施加后期,

19、隨著時(shí)間的變化,后期變形量不大。由此可見,密度越小,達(dá)到塑性變形的過(guò)程就越短,應(yīng)變值后期增長(zhǎng)趨勢(shì)就越小。由圖6(a、(b可看出,密度為16.00kg/m 3的EPS 在有側(cè)限條件,當(dāng)!.60kPa 以后, lg (t 關(guān)系曲線就出現(xiàn)了較大的變化,表明該情況下,EPS 在側(cè)限反力的作用下,導(dǎo)致應(yīng)變值隨時(shí)間的變化率增大,說(shuō)明了有側(cè)限的存在引起了結(jié)構(gòu)破壞;但在加載后期,由于側(cè)限的作用被破壞后,密實(shí)的結(jié)構(gòu)促使應(yīng)變值在每級(jí)荷載作用下變化基本均等。通過(guò)分析其無(wú)側(cè)限條件下的變形情況,可以看到每級(jí)加載的應(yīng)變值分布均勻,也就是說(shuō)在無(wú)側(cè)限條件下EPS 的變形在加載前期比較穩(wěn)定,但是一旦超過(guò)屈服強(qiáng)度,就立刻產(chǎn)生了很

20、大的塑性變形,而加載后期變形幅度不大。由圖7(a、(b可以看出,密度為20.26kg/m321第3期 伊哈卜,等:聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學(xué)性能試驗(yàn)的EPS在有側(cè)限條件下,當(dāng)!.100kPa時(shí),lg(t為0.51.0時(shí)發(fā)生了臺(tái)階式的應(yīng)變變化。通過(guò)以上3種不同密度的EPS蠕變性能試驗(yàn),可看到側(cè)限的作用在前期反作用于結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)破壞晚于無(wú)側(cè)限情況;有側(cè)限情況下,EPS的屈服過(guò)程較為平緩,應(yīng)變值的變化隨時(shí)間變化較為均勻,不會(huì)很快產(chǎn)生應(yīng)變突變;無(wú)側(cè)限情況下,EPS的屈服過(guò)程前期較為平穩(wěn),加載后期由于荷載的超限,泡沫結(jié)構(gòu)會(huì)迅速產(chǎn)生很大應(yīng)變,即其變形前后不均勻。綜合EPS力學(xué)變形特性,可以指導(dǎo)實(shí)際施工,在進(jìn)行

21、結(jié)構(gòu)的減荷優(yōu)化埋設(shè)EPS減荷板時(shí),周邊邊界應(yīng)以虛土填充,并且保證前期未有機(jī)械或其他外加荷載,提前促使EPS材料變形,以備EPS板材有足夠的富余變形,能在后期填土過(guò)程中發(fā)揮作用。3 工程實(shí)例依托工程位于蘭州 海石灣高速公路合同段K50+765高填路堤涵洞,該涵洞是在路堤填土達(dá)十幾米后開始修筑的,其底層水穩(wěn)層下為一般回填新黃土。涵洞縱向長(zhǎng)度達(dá)212m,其長(zhǎng)度和填土高度在中國(guó)公路建設(shè)中相當(dāng)少見。本試驗(yàn)在涵洞水層下對(duì)沿涵洞軸線方向及水穩(wěn)層下4個(gè)典型監(jiān)控?cái)嗝娴膲毫统两底冃芜M(jìn)行監(jiān)控;在涵洞頂部對(duì)沿涵洞軸線方向與EPS板下4個(gè)斷面的壓力和沉降變形進(jìn)行監(jiān)控,其中4個(gè)斷面位置對(duì)應(yīng)水穩(wěn)層下4個(gè)斷面的監(jiān)控點(diǎn);同時(shí)

22、監(jiān)控EPS板隨填土高度的變形情況6 10。通過(guò)以上監(jiān)控測(cè)試來(lái)研究高填土涵洞垂直土壓力在涵體周圍的變化情況,為實(shí)體工程的合理設(shè)計(jì)與施工提供理論基礎(chǔ)。在不同減荷措施下,分析涵洞臺(tái)身土壓力分布的性狀對(duì)EPS板在涵洞中的減荷作用。(1采用不同減荷措施的涵臺(tái)臺(tái)身土壓力關(guān)系如圖8所示。由圖8可看出,未處理時(shí)涵臺(tái)下、上受力與處理后基本相當(dāng);只是位于涵臺(tái)下,未處理與虛土均比另外2種減荷措施要稍大;護(hù)拱及拱頂?shù)耐翂毫υ贓PS板減荷作用下明顯減小,虛土因壓實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)控制因素影響,減荷效果明顯不及前兩者;另外,0.63m的EPS板對(duì)涵頂兩側(cè)的減荷效果較0.32m的EPS板要明顯。涵洞臺(tái)身各測(cè)點(diǎn)旁對(duì)應(yīng)的垂直土壓力如圖9

23、所示。由圖9可以看出,0.63 m的EPS板下涵臺(tái)腳處的垂直土壓力最小,虛土對(duì)應(yīng)的垂直土壓力比未處理情況的稍小;對(duì)應(yīng)垂直土壓力總體分布情況為未處理情況的較大,說(shuō)明適當(dāng)?shù)腅PS板厚度, 可以避免因減荷而卸載到臺(tái)身兩側(cè)圖8 涵洞臺(tái)身受力圖9 涵洞臺(tái)身對(duì)應(yīng)的垂直向受力的土壓力對(duì)臺(tái)身產(chǎn)生的附加擠壓作用。(2涵洞臺(tái)身側(cè)向土壓力系數(shù)K0的分布規(guī)律如圖10所示。由圖10可以看出,對(duì)未處理工況而言,K0的最小值和最大值分別出現(xiàn)在涵臺(tái)上和護(hù)拱下的位置。由此可知道,在未處理情況時(shí)臺(tái)身腳處的水平與垂直向力基本相當(dāng),而涵臺(tái)上所受水平力較小;護(hù)拱上產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象,垂直受力變大。0.63m的EPS板減荷下的側(cè)壓力系數(shù)

24、基本在1.0附近浮動(dòng),其緩解了未處理情況的兩處峰值。0.32 m的EPS板由于發(fā)生凸!變形,對(duì)臺(tái)腳水平受力有所降低,但因應(yīng)力集中在護(hù)拱下角處,板體很快屈服, 致使此處減荷效果后期不理想。圖10 涵洞臺(tái)身側(cè)向土壓力系數(shù)與位置的關(guān)系4 結(jié) 語(yǔ)(1EPS整個(gè)受壓變形過(guò)程大致可分為3個(gè)階段:線彈性階段、屈服階段和硬化階段。22長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2010年第3期 伊哈卜, 等: 聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學(xué)性能試驗(yàn) 分析 J . 巖土工程學(xué)報(bào), 2004, 26( 5 : 579 583. 23 ( 2 較小密度的 EP S 板不適合作為優(yōu)化路堤填 料的替代品; 隨著 EPS 板密度的增大, 其結(jié)束

25、彈性 變形的荷載也就越大, 但達(dá)到屈服階段時(shí)的應(yīng)變值 與密度呈反比。 ( 3 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式, 可在進(jìn)行路堤結(jié)構(gòu)物減荷設(shè) 計(jì)時(shí), 根據(jù)所采用減荷優(yōu)化材料 EP S 密度來(lái)初步預(yù) 測(cè) EP S 減荷板的工后總變形量, 同時(shí)可以預(yù)算出達(dá) 到最大應(yīng)變值時(shí)的應(yīng)力值, 從而有利于根據(jù)內(nèi)外土 柱差來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)所受的土壓力, 確定 EP S 板的減荷 性能。 ( 4 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)減荷優(yōu)化時(shí), 埋設(shè) EPS 板周邊 邊界應(yīng)為虛土填充, 并保證前期未有機(jī)械或其他外 加荷載, 提前促使 EPS 材料變形, 以備 EP S 板材能 有足夠的富余變形, 在后期填土過(guò)程中發(fā)揮作用。 ( 5 從 2 種不同厚度 EPS 板對(duì)涵

26、頂?shù)臏p荷效果 比較來(lái)看, 一定厚度的 EPS 板對(duì)涵洞的減荷效果是 明顯的, 但在生產(chǎn)運(yùn)用中應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益, 采用 合理的減荷材料尺寸。 參考文獻(xiàn): References: 1 馬時(shí)冬. 聚苯乙烯泡沫塑料輕質(zhì)填土的特 性 J . 巖 土 力學(xué), 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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