轻质土设计技术、工程性质与理论原理

研究背景

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。常规采用的方法有：1、排水固结法：这种方法处理软土地基，具有成本低的优点，但工期长，施工加载难以控制，稍有不慎会导致地基失稳和滑塌，而且施工质量不易保证，一般情况下难以完全消除工后沉降。2、复合地基法：它的优点在于可以快速提高地基承载力，较大地减少地基沉降量，但复合地基本身有一定的压缩性，受施工机械和经济方面的局限，处理深度有限，一般不能打穿深厚的软土地基，下卧软土地基也会在填土荷载作用下产生一定的沉降，而且成本较高。

采用轻质填土，通过减轻上部填土重量来降低地基中的应力水平，提高稳定性和减少沉降。这种方法被称为“不进行地基处理的软基处理方法”，而且这种方法“看得见、摸得着”，便于控制和检验。这种轻质材料本身具有足够的强度且不易压缩变形，成为地基处理领域的一刻耀眼的新星。

早在50年代，英美等国家就开始对粉煤灰填筑路堤进行了研究。粉煤灰是电厂燃烧粉煤所排出的灰色粉末灰渣，粉煤灰压实干容重为10.7～11.0kN/m3，比土轻1/3～1/5，属于轻质材料，室内试验表明，许多粉煤灰的抗剪强度参数完全满足公路路堤要求，一些具有自硬性的粉煤灰，抗剪强度随时间的发展，可超过土的抗剪强度。国内外软基路堤工程实践与研究均证明了采用和扩大粉煤灰筑路的应用范围和规模，是可行的且具有良好的经济环保效益。1972年挪威道路研究所首次将1m厚的普通填料层换成聚苯乙烯（EPS）板，成功地遏止了与桥台连接路堤的过渡沉陷，从此开创了EPS在土工中应用的先例，也为新型轻质土工材料的产生及应用提供了思路。

上世纪80年代，日本等国开始研究EPS颗粒混合轻质土，即将土、砂和EPS球粒（或碎粒、片等）混合起来，再加入水泥、石灰等胶结材料，制成轻质填土材料。目前在日本， EPS颗粒混合轻质土工法的应用已经形成产业化，除了用作公路建设中填土及桥台、挡土墙背的填土外，还可用作地下工程和管线工程的回填料。

EPS颗粒混合轻质土在我国的研究还处于起步阶段。仅有我们河海大学和华侨大学做了一些开创性研究。


研究内容

世纪之交，刚刚从日本回国的朱伟教授带领我们开始了这方面的研究，从处理淤泥的环境保护思想出发，研究了淤泥泡沫塑料混合轻质土，从可行性、试验方法、试验器材这些最基本的东西出发，逐渐开展了系统的、深入的、踏踏实实的研究。如今，我们已经申请了专利，发表了6篇学术论文，其中一篇为EI检索，培养了一位博士、一位硕士。我们有一个美好的开端，我们正在用我们的努力争取更好的发展，我们一直都在企盼完美的研究。

我们的主要研究内容有如下：

(1)疏浚淤泥泡沫塑料混合轻质填土的微观变形机理和宏观力学特性研究

首先在无侧限抗压强度试验的基础上，对疏浚淤泥泡沫塑料混合轻质填土轻质、高强、变形之间的关系进行了初步研究，并提出了有一定工程应用前景的配方公式。其次，通过扫描电镜、X射线衍射、光学测试系统加载试验，对轻质填土的强度及变形机理进行研究。同时，在直剪、常规三轴、等向压缩、等P试验的基础上，对其宏观力学特性进行系统研究。最后，基于宏观力学特性和微细观变形机理，提出能够反映疏浚淤泥泡沫塑料混合轻质填土结构性的弹塑性模型，并通过试验对模型进行验证。

(2) 废弃泡沫塑料混合轻量土的物理力学特性研究

首先对废弃泡沫塑料的制作工艺进行了研究；在无侧限抗压强度试验的基础上，研究了水泥含量、废弃泡沫塑料颗粒含量、废弃泡沫塑料颗粒粒径大小、泡沫塑料颗粒种类、试样养护龄期等对轻质土试样密度、强度的影响；在扫描电镜、X射线衍射、光学测试系统加载试验、常规三轴、等向压缩试验的基础上，对废弃泡沫塑料混合轻质土的微观、宏观力学特性进行系统研究。

(3)EPS颗粒混合轻质土的强度研究

EPS颗粒混合轻质土的低密度和低压缩性决定了它给工程带来的沉降较普通土小很多，这使得对应于工程安全性的强度成为其主要研究对象。本研究致力于探索其强度与原材料添加量、龄期、施工技术之间的关系，并期望在此基础上形成其设计方法和施工方法

此外，固化土的抗剪强度指标为c1、φ1，淤泥固化土与EPS之间的粘聚力和摩擦角分别为c2、φ2，EPS颗粒混合轻质土的抗剪强度指标c3、φ3，找到它们之间的内在关系，即强度机理，是认识其强度来源和强度变化规律的重要信息，这也是本研究的重要内容。

(4)EPS颗粒混合轻质土的结构性研究

EPS颗粒混合轻质土是一种强结构性土体，本研究利用直剪试验提取其结构性参数，探寻结构性参数与原材料添加量以及龄期之间的关系，分析结构性参数与无侧限抗压强度、破坏应变、变形模量、抗剪强度指标之间的关系，并期望建立EPS颗粒混合轻质土的结构性模型。

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