1、收稿日期:2009 06 10基金項目:國家西部交通建設科技項目(200631881291作者簡介:伊哈卜(1976 ,男,巴勒斯坦人,工學博士研究生,E mail:ehaabn jar667h 。第30卷 第3期2010年5月長安大學學報(自然科學版Journal of Chang an U niversity (Natural Science Editio nV ol.30 No.3M ay 2010文章編號:1671 8879(201003 0018 06聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學性能試驗伊哈卜,謝永利,趙麗婭(長安大學公路學院,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,通過室內壓縮試驗和蠕變試驗,對不同密度的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS輕質材料,進行了有側限、無側限影響下的應力應變及蠕變性能的分析,并對不同厚度的EPS 材料在工程應用中的減荷性狀進行了研究。結果表明:密度較小的EPS 材料不適合作為優化路堤等工程填料的替代品;有側限影響時EPS 材料達到屈服階段的應力值較無側限時要高;密度適中且具有一定厚度的EPS 材料在工程應用中能起到良好的減荷作用。關鍵詞:道路工程;聚苯乙烯泡沫塑料;力學性能;路堤;涵洞;減荷中圖分類號:U414.4 文獻標志碼: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在國內外均得到了普遍的應用,隨著科技的發展,土工合成材料的新品種不斷出現,其中聚苯乙烯泡沫塑料(expanded po l ystyrene,簡稱EPS是令人注目的品種之一,它的出現使得土工中原本

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連接路堤的過渡沉陷,從而開創了應用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際道路塑料泡沫填方會議!上公開了該項技術。EPS在國內外的應用時間雖然不長,但其應用范圍卻十分廣泛。它可以簡化施工,不用大型機械,縮短工期,更重要的是在某些特殊場合有其他材料不可替代的作用。近年來,中國一些專家針對EPS的物理力學性能作了進一步研究,但由于EPS 材料在工程中的用途不同,故其研究的側重點也各有不同1 2。本文主要針對EPS的物理力學性質進行研究,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,通過室內壓縮試驗和蠕變試驗,對不同密度的EPS材料進行了有側限、無側限影響下的應力應變及蠕變性能的分析,并依托實體工程對不同厚度的EPS材料在工程應用中的減荷性狀進行了分析,重點研究其應用于公路路堤下結構物減荷優化中所體現出來的EPS力學變化特性。1 EPS的物理性質及適用范圍1.1 EPS輕質材料的物理性質在巖土工程中,使用EPS泡沫塑料主要是利用其所具有的如下特性:質量特別輕;#獨特的變形特性;有一定的結構強度,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的機械和力學性能與它的結構有密切的關系。一般而言,EPS

10、的密度與強度之間有良好的冪函數關系,其透水、透氣和吸水等性能也與它的密度有關。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的一個重要指標,它的各項力學性能幾乎與其密度成正比關系。1.2 EPS輕質材料的適用范圍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;#防止道路和橋臺垂直錯位;減輕結構物頂部的土壓力;%斜坡上的填料;&修建直立擋墻;地基的置換填料;(隔離材料;基礎底座墊層;結構物上輕型填料;+軟基上埋設管道3 4。2 EPS輕質材料的力學性能2.1 EPS試樣的制作選用的EPS材料為 50m m

11、,20mm,在標準固結儀上進行單軸壓縮試驗。單軸壓縮試驗是有側限壓縮,采取應力控制加荷方式。另外,對同樣試件做無側限壓縮試驗進行對比。選用6種密度EPS泡沫塑料進行試驗,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進行蠕變性能試驗。2.2 有側限、無側限條件下EPS的應力應變關系通過對6種不同密度的EPS進行有側限與無側限單軸壓縮試驗,得到如圖1、圖2 所示的曲線。圖1 有側限條件下不同密度的E PS 應力與應變的關系圖2 無側限條件下不同密度的E PS應力與應變的關系由圖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出EPS應力與應變的3個變形階段:密度為9.36kg/m3的EPS在壓縮荷載小于等于20kPa時就已經發生了屈服變形,表明其在較小荷載作用下即發生了結構泡壁破壞,此性狀也表明較小密度的EPS板不適合作為優化路堤填料的替代品。因為有側限條件下的EPS變形特性接近于減荷工程中深埋于結構體上的工況,因此19第3期 伊哈卜,等:聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學性能試驗正確確定彈性模量將直接關系到道路的正常運營。結合不同密度下達到屈服的應變值情況,可以得出當密度 13.67kg/m 3時,抗壓強度值取應變值為3%時對應的應力值;當 >13.67kg/

13、m 3時,抗壓強度值取應變值為5%時對應的應力值。由圖2可知,無側限條件下,6種密度EPS 材料達到屈服階段的應力值整體要較有側限條件下低;同樣,除密度為9.36kg/m 3的EPS 以外,其他密度的試樣也表現出EPS 應力與應變的3個變形階段,但其屈服階段的斜率要小于有側限條件下的斜率;隨著EPS 密度的增加,達到相同應變值的應力增量不均等,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,其模量和屈服時應變值的提高并不大。2.3 不同密度下的最大荷載及最大應變選取不同密度的EPS 達到最大應變時的最大應力值,如圖3所示,可以看到不同密度與最

14、大應變值、 最大應力值之間的變化關系。圖3 EPS 的最大應變和應力應用曲線擬合方法對數值關系進行擬合,可以得到有側限、無側限條件下不同密度與最大應變max 之間的關系式(R 2為相關系數為有側限條件max =-0.0181 4+1.1688 3-27.292 2+271.54 -885.46,R 2=0.9999無側限條件max =0.0291 2-2.0619 +106.18R 2=0.9733同理,可以得到有側限、無側限條件下不同密度與最大應力!max 之間的關系式為有側限條件!max =-0.0867 3+4.3709 2-55.944 +268.05,R 2=0.9814無側限條件!

15、max =-0.1689 3+8.453 2-119.84 +569.29,R 2=0.9987通過擬合公式,可以在進行路堤結構物減荷設計時,根據所采用的減荷優化材料EPS 的密度來初步預測EPS 減荷板的工后總變形量;同時,也可以預算出達到最大應變材料值時的應力值,從而有利于根據內外土柱差來計算結構所受的土壓力,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變隨時間的變化過程,選用密度為23kg /m 3的EPS 進行了蠕變性能試驗,分別在25、50、75、100、150kPa 這5種荷載下(應力進行試驗5。試驗裝置與應力控制式壓縮試驗相同。試

16、驗結果如圖4 所示。圖4 密度為23kg/m 3時EPS 的蠕變性能由圖4可以看出,應變隨時間t 的變化規律為:不同荷載作用下, lg(t 關系曲線是不同的。當!<75kPa 時,應變隨時間的增長變化緩慢,曲線呈平直態,可以理解為此時EPS 尚處于線彈性變形階段;當!>75kPa 后, lg (t 曲線開始隨時間變化。由圖4還可看到,EPS 在每級荷載加載前期變形響應延遲,即前期變形量較平緩,其應變主要發生在后期的蠕變過程中。由此說明,在利用EPS 板進行減荷優化時,在施工期應防止和減小機械碾壓對其產生的變形損傷,以便EPS 減荷板能在后期充分發揮其蠕變性能,營造合理的工后沉降差,

17、促進減荷效能充分發揮;評測EPS 的蠕變性能,還能在路堤優化工程中起到控制工后沉降的作用。20長安大學學報(自然科學版 2010年2.5 有側限、無側限條件下不同密度時EPS 的蠕變性能比較對比不同密度的有側限、無側限條件下,不同應力對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E PS在有、 無側限條件下的蠕變性能圖6 密度16.00kg/m 3時E PS 在有、無側限條件下的蠕變性能通過蠕變性能對比2種狀態下的EPS 力學性能可清楚看到,有側限試樣比無側限試樣隨時間變化的應變值變化幅度要略小。由此可見,有側限條件下,側壁對EPS 板有一個向上的摩擦力,此摩擦

18、力對EPS 板受到的應力起到了消減的作用, 同時有圖7 密度20.26kg/m 3時EPS 在有、無側限條件下的蠕變性能側限也會對EPS 板起到約束。因此,在運用EPS 板進行路堤結構物減荷時,應注意其邊界條件,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影響,即在施工期就發生了較大變形,不利于減荷性能的發揮。因此,在進行減荷優化時不能選取密度過低的EPS 。EPS 密度為9.36kg/m 3時,有側限條件比無側限條件的前期變形幅度要小,表明該密度下,有側限影響較明顯。在荷載施加后期,

19、隨著時間的變化,后期變形量不大。由此可見,密度越小,達到塑性變形的過程就越短,應變值后期增長趨勢就越小。由圖6(a、(b可看出,密度為16.00kg/m 3的EPS 在有側限條件,當!.60kPa 以后, lg (t 關系曲線就出現了較大的變化,表明該情況下,EPS 在側限反力的作用下,導致應變值隨時間的變化率增大,說明了有側限的存在引起了結構破壞;但在加載后期,由于側限的作用被破壞后,密實的結構促使應變值在每級荷載作用下變化基本均等。通過分析其無側限條件下的變形情況,可以看到每級加載的應變值分布均勻,也就是說在無側限條件下EPS 的變形在加載前期比較穩定,但是一旦超過屈服強度,就立刻產生了很

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性能試驗的EPS在有側限條件下,當!.100kPa時,lg(t為0.51.0時發生了臺階式的應變變化。通過以上3種不同密度的EPS蠕變性能試驗,可看到側限的作用在前期反作用于結構,結構破壞晚于無側限情況;有側限情況下,EPS的屈服過程較為平緩,應變值的變化隨時間變化較為均勻,不會很快產生應變突變;無側限情況下,EPS的屈服過程前期較為平穩,加載后期由于荷載的超限,泡沫結構會迅速產生很大應變,即其變形前后不均勻。綜合EPS力學變形特性,可以指導實際施工,在進行

21、結構的減荷優化埋設EPS減荷板時,周邊邊界應以虛土填充,并且保證前期未有機械或其他外加荷載,提前促使EPS材料變形,以備EPS板材有足夠的富余變形,能在后期填土過程中發揮作用。3 工程實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十幾米后開始修筑的,其底層水穩層下為一般回填新黃土。涵洞縱向長度達212m,其長度和填土高度在中國公路建設中相當少見。本試驗在涵洞水層下對沿涵洞軸線方向及水穩層下4個典型監控斷面的壓力和沉降變形進行監控;在涵洞頂部對沿涵洞軸線方向與EPS板下4個斷面的壓力和沉降變形進行監控,其中4個斷面位置對應水穩層下4個斷面的監控點;同時

22、監控EPS板隨填土高度的變形情況6 10。通過以上監控測試來研究高填土涵洞垂直土壓力在涵體周圍的變化情況,為實體工程的合理設計與施工提供理論基礎。在不同減荷措施下,分析涵洞臺身土壓力分布的性狀對EPS板在涵洞中的減荷作用。 可以避免因減荷而卸載到臺身兩側圖8 涵洞臺身受力圖9 涵洞臺身對應的垂直向受力的土壓力對臺身產生的附加擠壓作用。(2涵洞臺身側向土壓力系數K0的分布規律如圖10所示。由圖10可以看出,對未處理工況而言,K0的最小值和最大值分別出現在涵臺上和護拱下的位置。由此可知道,在未處理情況時臺身腳處的水平與垂直向力基本相當,而涵臺上所受水平力較小;護拱上產生了應力集中現象,垂直受力變大

23、。 致使此處減荷效果后期不理想。圖10 涵洞臺身側向土壓力系數與位置的關系4 結 語(1EPS整個受壓變形過程大致可分為3個階段:線彈性階段、屈服階段和硬化階段。22長安大學學報(自然科學版 2010年第3期 伊哈卜, 等: 聚苯乙烯泡沫塑料減荷力學性能試驗 分析 J . 巖土工程學報, 2004, 26( 5 : 579 583. 23 ( 2 較小密度的 EP S 板不適合作為優化路堤填 料的替代品; 隨著 EPS 板密度的增大, 其結束彈性 變形的荷載也就越大, 但達到屈服階段時的應變值 與密度呈反比。 ( 3 通過經驗公式, 可在進行路堤結構物減荷設 計時, 根據所采用減荷優化材料 E

24、P S 密度來初步預 測 EP S 減荷板的工后總變形量, 同時可以預算出達 到最大應變值時的應力值, 從而有利于根據內外土 柱差來計算結構所受的土壓力, 確定 EP S 板的減荷 性能。 ( 4 在進行結構減荷優化時, 埋設 EPS 板周邊 邊界應為虛土填充, 并保證前期未有機械或其他外 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, 在后期填土過程中發揮作用。 ( 5 從 2 種不同厚度 EPS 板對涵頂的減荷效果 比較來看, 一定厚度的 EPS 板對涵洞的減荷效果是 明顯的, 但在生產運用中應綜合考慮經濟效益, 采用 合理的減荷材料尺寸。 參考文獻:

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