EPS动力特性试验研究

第２７卷 第１１期 岩 土 工 程 学 报 Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．１１　２００５年 １１月 Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎｏｖ．， ２００５　EPS动力特性试验研究朱向荣１，　２，方鹏飞１，李云飞３，朱赞凌４　（１．浙江大学　宁波理工学院，浙江　宁波　３１５１００；２．浙江大学　岩土工程研究所，浙江　杭州　３１００２７；３．宁波宁兴房地产开发有限公司，浙江　宁波　３１５０１２；４．广东虎门技术咨询有限公司，广东　广州　５１０６３０）　摘 要：采用动三轴试验研究EPS在不同加载频率、不同循环次数和不同围压的下强度和模量等的变化规律，为EPS 工程应用提供一些理论依据。

　关键词：EPS；HX－100多功能伺服式三轴仪；循环荷载；应力应变关系　中图分类号：TU 411.93 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2005)11–1253–04作者简介：朱向荣(1961–)，男，浙江义乌人，浙江大学宁波理工学院副院长，浙江大学岩土工程研究所教授，博士生导师，主要从事软粘土力学、桩基工程、地基处理和环境岩土工程等方面的研究。

　Study on dynamic behavior of EPSZHU Xiang-rong1, 2, FANG Peng-fei1, LI Yun-fei3, ZHU Zan-ling4(1. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, ZhejiangUniversity, Hangzhou 310027, China; 3. Ningbo Ningxing Real Estate Co., Ningbo 315012, China; 4. Guangdong Humen TechnicalConsultant Ltd., Guangzhou 510630, China)Abstract： The variation of stress-strain relationship of EPS and modulus under the conditions of different loading frequency, cycles, and confining pressure was studied with dynamic triaxial test. The obtained results can provide the theoretical basis for the practical engineering application of EPS.Key words: expanded polystyrene; HX-100 servo triaxial apparatus; cyclic load; strain-stress relation０ 前 言　EPS（Expanded Polystyrene）全称为发泡聚苯乙烯，是一种良好的轻质回填材料，具有超轻性、自立性、施工简便等优点，自20世纪70年代起便被应用于国外的路基处理、桥头填埋等土建工程领域[1~3]。

目前EPS在国内仅在东南沿海经济发达、软基分布广泛的几个省市，如浙江、广东等省中有一些应用，且多数应用于应急补救工程。

1995年，杭甬高速公路宁波段望童桥头路堤采用EPS很好的处理了桥头路基出现的滑塌征兆和桩身、桥台立柱出现多处的严重环向裂缝，至今使用情况良好[4]。

国内外岩土工作者主要对EPS的物理化学性质和力学性质方面展开了研究。

物理化学性质方面，主要研究EPS本身的物理化学性质特点和EPS块体所适应的周围水土介质环境，研究在土工应用过程中应采取的适宜防护措施[5~8]。

力学性质方面，主要研究EPS 的应力–应变关系、压缩变形特性、抗弯性能、蠕变性能和摩擦性能等。

在EPS的应力–应变关系和压缩变形特性的研究中，主要开展了单轴压缩试验和三轴压缩试验，得出相应条件下EPS的应力–应变试验关系曲线[3，5，9~11]。

然而在大量实际工程中，如EPS用作路堤和桥台台背填料等，EPS材料上部主要荷载是车辆荷载等一些动荷载，因此有必要对EPS材料在动荷载条件下的力学性能进行研究。

本文采用动三轴试验对EPS材料的动力特性进行试验研究，找出其内在的力学性质规律性，为EPS工程应用提供理论依据。

１ 试验原理和方法　试验在HX–100多功能伺服式三轴仪上进行[12]。

此三轴仪由微机控制加载系统和数据采集处理系统组成，可以完成动静两种状态下的无侧限压缩试验、三轴剪切试验和一维固结试验。

配套系统有：真空抽气系统、计算机辅助系统等。

研究表明，影响试验结果的因素有试样形状、尺寸、试验加荷速度等，此外还受试样外表加工精度、试样表面平整程度等的影响。

试样密度为24 kg/m3，───────　收稿日期：　２００５–０１–１７1254 岩 土 工 程 学 报 2005年直径3.91 cm ，高12 cm ，加载的循环荷载方式为正弦波，加载速率为0.24 mm/min 。

２ 试验结果与分析　试验包括三种形式：①动三轴试验，共12个试样；②静三轴试验，共4个试样；③循环荷载作用后进行静三轴试验，共16个试样。

２．１ 循环荷载作用后进行的静三轴试验　(1) 循环次数对EPS 应力应变关系的影响 图1表示EPS 在围压ó3 = 60 kPa ，频率f = 0.2 Hz ，循环荷载p cyc = 60 kPa 下，不同循环次数荷载作用后的应力应变关系。

从图1可知，EPS 材料应力应变曲线具有明显的弹性阶段、屈服应力点和屈服阶段，表现出弹塑性材料的特点。

循环荷载作用一定次数后进行静三轴试验，其屈服应变、屈服应力、弹性模量关系见表1示。

从表1可知，弹性模量与循环次数的关系不太明显，除个别点外屈服应变、屈服应力都随循环次数的增加而减小。

说明随着循环次数的增加，材料更容易屈服，强度也有较明显的下降。

图１　不同循环次数后的应力应变关系　Fig. 1 The strain-stress relation after different mumber of cycles 表１　å、óy 、E 与N 的关系（ó3 = 60 kPa ，f = 0.2 Hz ，p cyc = 60 kPa ）　Table 1 The relation of å, óy , E and N （ó3 = 60 kPa, f = 0.2 Hz, p cyc= 60 kPa ） 循环次数N /次 屈服应变å/% 屈服应力óy/kPa 弹性模量E /MPa 100 2.47 104.68 4.33 500 2.28 81.67 3.27 5000 3.59 69.77 2.12 100002.1067.623.11(2) 围压对EPS 应力应变关系的影响图2表示EPS 在f = 0.2 Hz ，p cyc = 60 kPa ，N = 500次和不同围压情况下,循环荷载作用后应力应变关系曲线。

从图2可知，在围压为40 kPa 的情况下，应力应变关系曲线呈加工硬化的特点，取5%应变时的应力为材料的屈服应力。

当围压为60，80，100 kPa 时，应力应变关系曲线变化不大，材料呈明显的弹塑性性质。

表2给出屈服应力、应变、弹性模量与围压的关系。

从表可知，屈服应变基本上随围压的增大而减小，而弹性模量随围压的增大而增大。

图２　不同围压情况下循环荷载作用后的应力应变关系　Fig. 2 The strain-stress relation under different confining pressure(3) 荷载频率对EPS 应力应变关系的影响 图3表示EPS 在围压ó3 = 30 kPa ，p cyc = 60 kPa ，N = 1000次下，不同频率的循环荷载作用后应力应变关系曲线。

从图可知，随着荷载频率的增加，屈服应力和弹性模量均有减少的趋势。

表２　å、óy 、E 与ó3的关系（f = 0.2 Hz ，p cyc = 60 kPa ，N = 500次）　Table 2 The relation å、óy 、E and N （N = 500，f = 0.2 Hz ，p cyc= 60 kPa ）围压ó3/kPa 屈服应变å/% 屈服应力óy/kPa 弹性模量E /MPa 60 2.10 62.88 2.998 80 1.91 69.91 3.654 100 1.73 65.293.782图３　不同频率下循环荷载作用后的应力应变关系　Fig. 3 The strain-stress relation under different frequency２．２ 静三轴试验　静三轴剪切应力应变关系如图4示。

从图可知，当围压ó3从50 kPa 增大到200 kPa 时，EPS 试样达到屈服点的轴力逐渐变小，抗剪强度逐渐减弱，这是与土的性状不同的地方，该现象可能与EPS 材料内部结构随围压增加而逐渐破坏有关。

当材料进入塑性阶段后，仍具有很高的延性，同时强度仍在缓慢增加，具有加工硬化性质。

围压为50，100，150，200 kPa 时，相应的EPS 的线弹性模量分别为1.68，2.51，0.54，0.61 MPa 。

由此可知，弹性模量基本上随围压增大而变小，且影响显著。

当围压超过150 kPa ，曲线无明显的屈服点，在此取5%应变对应的应力为其屈服应力。

第11期朱向荣，等. EPS动力特性试验研究1255图４　静三轴试验中的应力应变关系　Fig. 4 The strain-stress relation obtained from static triaxial test ２．３ 动三轴试验　(1) 循环次数与轴向应变的关系图5为ó3 = 60 kPa，f = 0.2 Hz，p cyc = 60 kPa，N = 10，100，500，5000，10000次时，循环荷载作用下循环次数与轴向应变的关系。

其中最大应变与最小应变之间部分为可恢复应变，而最小应变部分以下为不可恢复应变，即å=åã+åiã（åã为可恢复应变，åiã为不可恢复应变），如表3所示。