lses與純砂材料動(dòng)力變形特性對比試驗(yàn)研究

lses與純砂材料動(dòng)力變形特性對比試驗(yàn)研究

1混合粗土lsen混合輕土壤是20世紀(jì)80年代日本和其他國家研究和開發(fā)的一種新型土壤材料。具有較輕的重量、強(qiáng)度和密度、適應(yīng)性強(qiáng)、流動(dòng)性好、獨(dú)立性強(qiáng)、施工簡單、環(huán)保和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外弱土處理、邊坡工程填充、橋梁填充（解決橋架坍塌問題）、管道填充、道路擴(kuò)建等項(xiàng)目。砂土與EPS顆?；旌陷p質(zhì)土(LSES)是以砂土為原料土、EPS顆粒為輕質(zhì)材料的混合輕質(zhì)土。對LSES力學(xué)性質(zhì)的研究,國外起步較早,1989年山田純男等就對由砂土和EPS顆粒等材料混合而成的輕質(zhì)土進(jìn)行了密度、單軸抗壓強(qiáng)度、CBR值、三軸壓縮特性、透水性等試驗(yàn)。國內(nèi)馬時(shí)冬研究了以砂土為原料土的聚苯乙烯泡沫塑料輕質(zhì)填土的基本靜力性質(zhì);顧歡達(dá)研究了以河砂為原料土的發(fā)泡顆粒輕質(zhì)土材料的基本性質(zhì)。在LSES工程中,不可避免地會(huì)遇到地震、交通、波浪等動(dòng)荷載作用。在混合輕質(zhì)土的動(dòng)力研究方面,KunioMinegishi等研究了泡沫塑料顆粒混合輕質(zhì)土在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)特性;KazuyaYasuharad等對輕質(zhì)路基受交通荷載作用時(shí)的特性進(jìn)行了研究;俞峰研究了LSES在低圍壓下的動(dòng)力變形特性。LSES作為砂土與其他物質(zhì)混合制作而成的新型土工材料,其力學(xué)性質(zhì)與砂土相比有何特點(diǎn)的問題尚未見到相關(guān)的研究。本文通過動(dòng)力對比試驗(yàn),研究了LSES和砂土的動(dòng)力變形特性之間的關(guān)系,說明了LSES的優(yōu)越性,為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。2試驗(yàn)結(jié)果分析EPS顆粒與水泥的存在是LSES區(qū)別于普通砂土的主要因素,在LSES與砂土的對比試驗(yàn)中,勢必要分析不同EPS顆粒含量和水泥含量的LSES與砂土的動(dòng)力特性之間的關(guān)系。EPS顆粒含量以試樣中的EPS顆粒體積含量Ceps來量化,即試樣中EPS顆粒的體積Veps占試樣總體積V的百分比;水泥含量以水泥摻入比aw來控制,即LSES中水泥質(zhì)量與干砂質(zhì)量的比值取百分?jǐn)?shù)。2.1砂體干密度的定義為了使LSES與砂土具有可比性,試驗(yàn)中以干密度控制LSES的制樣配比,使得在不同Ceps和不同aw的情況下,砂土的干密度都保持相等,且等于純砂樣的干密度。LSES在體積上由EPS顆粒體積Veps、砂的體積Vs、水泥漿體積Vg和孔隙體積Vp構(gòu)成。將LSES中砂的干密度定義為砂的質(zhì)量ms除以Vs,Vg,Vp之和,即除去EPS顆粒之外的體積的比值:對于純砂樣,Vg=0,則式(1)轉(zhuǎn)變?yōu)槭?2)即為砂土的干密度定義。由此可見,式(1)對LSES中砂土干密度的定義是與砂土干密度定義統(tǒng)一的,且對于這樣的定義,在某一EPS顆粒體積含量下,不同水泥摻入比時(shí)試樣中砂的含量是不變的,有利于單獨(dú)考察水泥摻入比對LSES動(dòng)力變形特性的影響。2.2aw和ceps所用砂的有效粒徑為0.15mm,限制粒徑為0.51mm,水泥為南京產(chǎn)雨花牌C32.5水泥,水灰比取1.2,EPS顆粒直徑為2~4mm,堆積密度為0.0132g/m3,顆粒密度為0.0270g/m3。aw和Ceps取值見表1。按配比稱取原料,放入攪拌器中攪拌混合5min后,分層填入模具中均勻壓實(shí),然后將試樣連同模具置于養(yǎng)護(hù)箱(溫度為20±2℃,濕度為99%)中養(yǎng)護(hù)24h后脫模,脫模后放于濕潤環(huán)境中養(yǎng)護(hù)14d后取出試驗(yàn)。2.3lds與砂體的對比試驗(yàn)試驗(yàn)儀器為河海大學(xué)和日本圓井株式會(huì)社共同研制的多功能靜動(dòng)三軸儀。在不同Ceps和aw的LSES與砂土的對比試驗(yàn)中,取定圍壓為90kPa;在不同圍壓下LSES與砂土的對比試驗(yàn)中取60,90,120kPa三個(gè)圍壓。動(dòng)剪應(yīng)力比(三軸試樣在45°面上的剪應(yīng)力與圍壓的比值)由0.1開始,每級(jí)遞增0.1,加荷頻率為0.1Hz,每級(jí)加載5周。試樣養(yǎng)護(hù)14d后取出,在-0.1MPa下抽真空1.5h后,充水浸沒12h。裝樣后,試樣在等向固結(jié)壓力下固結(jié)穩(wěn)定,然后在不排水條件下按預(yù)定的動(dòng)剪應(yīng)力比和加載周數(shù)逐級(jí)施加動(dòng)荷載。對試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析計(jì)算得出動(dòng)彈性模量Ed和等效阻尼比D的值,以便進(jìn)行對比研究。3動(dòng)彈性模型的比較分別對不同Ceps和aw的LSES與砂土以及不同圍壓下的LSES與砂土的動(dòng)彈性模量進(jìn)行對比研究。3.1試驗(yàn)用顆粒體積含量對lhs動(dòng)彈性模量的影響圖1為aw分別為3%和9%時(shí)不同Ceps的LSES與砂土的Ed-εd關(guān)系曲線。由圖可以看出,LSES與純砂的動(dòng)彈性模量具有同樣的隨應(yīng)變的增大而減小的性質(zhì)。不同EPS顆粒體積含量的LSES動(dòng)彈性模量普遍高于純砂的動(dòng)彈性模量,隨EPS顆粒體積含量的增大,LSES的動(dòng)彈性模量逐漸減小,其Ed-εd關(guān)系曲線向純砂靠近。EPS顆粒體積含量對LSES動(dòng)彈性模量的影響程度及其與純砂的差距,隨水泥摻入比的增大而增大。取εd=0.2%考察,當(dāng)aw=3%時(shí),不同EPS顆粒體積含量的LSES的Ed區(qū)間為110~150MPa,純砂Ed≈90MPa;而當(dāng)aw=9%時(shí),不同EPS顆粒體積含量的LSES的Ed變化區(qū)間則達(dá)到120~230MPa左右。3.2ceps與純砂ed-d關(guān)系圖2為Ceps分別等于10%和30%時(shí)不同aw的LSES與砂土的Ed-εd關(guān)系曲線。由圖可以看出,不同水泥摻入比的LSES動(dòng)彈性模量普遍高于純砂的動(dòng)彈性模量,隨著水泥摻入比的增加,LSES的動(dòng)彈性模量逐漸增大,其Ed-εd關(guān)系曲線逐漸遠(yuǎn)離純砂的Ed-εd關(guān)系曲線。水泥摻入比對LSES動(dòng)彈性模量的影響程度及其與純砂的差距,隨EPS顆粒體積含量的增大而減小。取εd=0.2%考察,當(dāng)Ceps=10%時(shí),不同水泥摻入比的LSES的Ed變化區(qū)間為150~280MPa,而純砂Ed≈90MPa;當(dāng)Ceps=30%時(shí),不同水泥摻入比的LSES的Ed變化區(qū)間則為130~170MPa左右?？傮w而言,在水泥摻入比較低(aw=3%)且EPS顆粒體積含量較高(Ceps=40%)時(shí),LSES的動(dòng)彈性模量與純砂相接近,隨著aw的增大和Ceps的減小,LSES的動(dòng)彈性模量與純砂相比越來越大,LSES的動(dòng)彈性模量普遍高于純砂的動(dòng)彈性模量。3.3圍壓對lhs動(dòng)彈性模量的影響圖3為LSES的試樣6-30,6-40,9-40,12-40與砂土在60,90,120kPa下的Ed-εd關(guān)系曲線。其中:試樣編號(hào)6-30表示aw=6%,Ceps=30%,其他編號(hào)以此類推。由圖可以看出,4種配比的LSES以及純砂均顯示出動(dòng)彈性模量隨圍壓的增大而增大的特性。圍壓對LSES動(dòng)彈性模量的影響與純砂相比相對較大。取試樣6-30為例,在εd=0.2%時(shí),不同的圍壓下LSES的動(dòng)彈性模量變化區(qū)間約為110~220MPa,而純砂的變化區(qū)間約為90~110MPa。試樣6-40在60kPa圍壓下的動(dòng)彈性模量與純砂的動(dòng)彈性模量較一致,則由以上所得LSES動(dòng)彈性模量隨Ceps、aw和圍壓的變化規(guī)律可知,aw等于6%,9%,12%時(shí),不同Ceps的LSES在不同圍壓下的動(dòng)彈性模量均大于純砂的動(dòng)彈性模量。4等式電阻比的比較分別對不同Ceps和aw的LSES與砂土以及不同圍壓下的LSES與砂土的等效阻尼比進(jìn)行對比研究。4.1相關(guān)的lsen等效阻尼比圖4為aw分別等于3%和9%時(shí)不同Ceps的LSES與砂土的D-εd關(guān)系曲線。由圖可以看出,LSES與純砂的等效阻尼比在整體上有同樣的隨應(yīng)變的增大而增大的性質(zhì)。在aw=3%時(shí),不同EPS顆粒體積含量的LSES等效阻尼比與純砂的相接近,其中,Ceps=40%時(shí),LSES的D-εd關(guān)系曲線略高于純砂。在aw=9%時(shí),不同EPS顆粒體積含量的LSES等效阻尼比均小于純砂。當(dāng)LSES水泥摻入比較高(aw≥9%)時(shí),在動(dòng)應(yīng)變比較小的區(qū)域內(nèi)(εd<0.1%)出現(xiàn)了等效阻尼比隨應(yīng)變增大而減小的現(xiàn)象,這可能由以下兩個(gè)因素導(dǎo)致,一是在水泥摻入比較高時(shí),試樣比較硬,導(dǎo)致儀器在加載初期出現(xiàn)較大擾動(dòng);二是在動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力比較小時(shí),擾動(dòng)對數(shù)據(jù)處理的影響較大。以上現(xiàn)象僅在小應(yīng)變時(shí)出現(xiàn),不影響LSES等效阻尼比整體變化規(guī)律。4.2水泥加入比對sis等效阻尼比的影響圖5為Ceps分別等于10%和30%時(shí)不同aw的LSES與砂土的D-εd關(guān)系曲線。由圖可以看出,LSES與純砂的等效阻尼比之間的關(guān)系受水泥摻入比影響較大。在Ceps=10%時(shí),aw=3%的LSES等效阻尼比略小于純砂,其他高水泥摻入比的LSES等效阻尼比均顯著小于純砂,且彼此差距較大。在Ceps=30%時(shí),aw=3%的LSES等效阻尼比略大于純砂,其他水泥摻入比的LSES等效阻尼比均小于純砂。4.3圍壓對lhs-4-5pb的影響圖6為LSES試樣6-30,6-40,9-40,12-40與砂土在60,90,120kPa下的D-εd關(guān)系曲線。由圖可以看出,4種配比的LSES以及純砂均顯示出等效阻尼比隨圍壓的增大而減小的特性。不同圍壓對純砂與LSES阻尼比的影響程度相近。在圍壓為120kPa時(shí),純砂與6-40,9-40,12-40試樣的等效阻尼比關(guān)系分別為小于、相近、大于;60,90kPa下純砂的等效阻尼比均大于6-40,9-40,12-40試樣的等效阻尼比。5cse-lsen模型在以干密度控制配比的原則下,對LSES和砂土進(jìn)行了動(dòng)力變形特性對比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明:(1)LSES與純砂的動(dòng)彈性模量具有同樣的隨應(yīng)變的增大而減小的性質(zhì)。LSES的動(dòng)彈性模量普遍高于純砂的動(dòng)彈性模量,在水泥摻入比較低(aw=3%)且EPS顆粒體積含量較高(Ceps=40%)時(shí),LSES的動(dòng)彈性模量與純砂相接近,隨著aw的增大和Ceps的減小,LSES的動(dòng)彈性模量與純砂相比越來越大。(2)LSES與純砂均顯示出動(dòng)彈性模量隨圍壓的增大而增大的特性