楊凱旋，侯天順，王 琪，駱亞生

(1.西安科技大學(xué) 西安市巖土與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710011)

1 研究背景

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展在給人類生活帶來(lái)巨大便利的同時(shí)也制造了諸多環(huán)境問題，由塑料制品造成的白色污染便是其中之一[1]，塑料垃圾的分類和回收利用受到人們廣泛的關(guān)注。發(fā)泡聚苯乙烯(expanded polystyrene，EPS)顆粒混合輕量土(以下簡(jiǎn)稱輕量土)是由原料土、EPS顆粒、水泥和水拌和而成的。因?yàn)檩p量土有保溫隔熱和輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，還具備自立性、易施工性等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用于墻背回填、管道填埋、軟土地基不均勻沉降處理、舊路擴(kuò)建、人造漂浮景觀等工程中。這些都屬于塑料廢棄物回收利用在土木工程領(lǐng)域的成功實(shí)踐[2-3]。

20世紀(jì)70年代，挪威、荷蘭等國(guó)家已經(jīng)開始了對(duì)輕質(zhì)填土材料的研究工作[4-6]。由于輕量土具有優(yōu)良的工程特性，自21世紀(jì)初從日本引入中國(guó)起，在中國(guó)便掀起了對(duì)輕量土研究的熱潮。在強(qiáng)度特性研究方面，沙玲等[7]通過不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)對(duì)影響淤泥再生混合輕質(zhì)土強(qiáng)度特性的因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)EPS顆粒體積分?jǐn)?shù)、水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期及圍壓等因素對(duì)輕質(zhì)土強(qiáng)度特性均產(chǎn)生影響。李明東等[8]研究了循環(huán)荷載下泡沫塑料混合輕質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有穩(wěn)定型和破壞型兩種，出于安全考慮，建議循環(huán)荷載下的強(qiáng)度宜取為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的0.75倍，即臨界加載比宜取0.75。在變形特性研究方面，Hou[9]通過室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)研究了輕量土的壓縮特性，試驗(yàn)結(jié)果顯示輕量土的側(cè)限應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)主要呈S型，研究還發(fā)現(xiàn)輕量土90%的沉降量在1 min之內(nèi)完成，并且沉降量與時(shí)間的關(guān)系為雙曲線關(guān)系，這是因?yàn)檩p量土的沉降主要是瞬時(shí)沉降和主固結(jié)沉降。黎冰[10]通過室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了在動(dòng)荷載作用下的EPS顆?；旌陷p質(zhì)土(lightweight clay EPS beads soil,LCES)的動(dòng)變形特性，發(fā)現(xiàn)LCES的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈雙曲線關(guān)系，保持動(dòng)應(yīng)力不變，輕質(zhì)土的應(yīng)變隨著水泥含量和圍壓的增大而減小，EPS顆粒摻入比對(duì)LCES的動(dòng)力變形特性的影響相對(duì)較小。在滲透特性研究方面，劉漢龍等[11]通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)研究了不同固結(jié)壓力下發(fā)泡聚苯乙烯輕質(zhì)混合土的滲透特性，發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)土滲透系數(shù)隨EPS顆粒含量的降低而降低，并隨著水泥摻入比、固結(jié)壓力、齡期的增大而降低，滲透系數(shù)與固結(jié)壓力近似呈冪函數(shù)關(guān)系。在擊實(shí)特性研究方面，朱偉等[12]、李明東等[13]發(fā)現(xiàn)對(duì)于輕量土這種新型土工材料，在擊實(shí)過程中，擊實(shí)次數(shù)、擊實(shí)能量、擊實(shí)含水率對(duì)其密度和強(qiáng)度有很大影響，存在最優(yōu)的擊實(shí)含水率和最大干密度。Hou[14]、侯天順等[15]在前人研究的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)建立了輕量土擊實(shí)密度模型和最優(yōu)含水率模型，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本一致，證明了該模型可應(yīng)用于指導(dǎo)輕量土的配方設(shè)計(jì)與壓實(shí)施工。

抗剪強(qiáng)度是評(píng)價(jià)地基穩(wěn)定性、計(jì)算地基承載力的重要指標(biāo)。Li等[16]通過固結(jié)排水三軸試驗(yàn)研究了輕量土的抗剪強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)隨著水泥摻量的增加和EPS顆粒摻量的減小，輕量土抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角逐漸增大。侯天順等[17]開展三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輕量土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有軟化型和硬化型兩種，提出軟化與硬化是剪脹、剪縮的外在表現(xiàn)，建議軟化型曲線宜采用峰值主應(yīng)力差標(biāo)準(zhǔn)，硬化型曲線宜采用軸向應(yīng)變15%標(biāo)準(zhǔn)，抗剪強(qiáng)度破壞包線形態(tài)受配比與圍壓控制。EPS顆粒的粒徑對(duì)輕量土的工程性質(zhì)和工程造價(jià)有較大的影響，為了研究EPS粒徑對(duì)輕量土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，侯天順等[18]對(duì)EPS顆粒體積比為40%的3種EPS粒徑輕量土開展了直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著EPS粒徑的增大，輕量土抗剪強(qiáng)度、黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角無(wú)顯著變化規(guī)律。提出了固化土、EPS顆粒3界面接觸抗剪強(qiáng)度模型，從理論上闡明了抗剪強(qiáng)度隨粒徑增大而衰減的原因，建議在實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)先選擇3～5 mm粒徑的EPS顆粒。沙玲等[7]對(duì)比了三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)淤泥再生混合輕質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度發(fā)展機(jī)理與一般黏性土類似，其強(qiáng)度為黏聚分量、剪脹分量和摩擦分量之和。

上述成果從多角度研究了輕量土的物理力學(xué)性質(zhì)及其影響因素，如：輕質(zhì)材料的類別、原料土的類別、水泥摻量、EPS顆粒摻量、含水率、圍壓、擊實(shí)功等[19-20]，也有學(xué)者從擊實(shí)特性與土壓力特性方面對(duì)輕量土進(jìn)行研究[21-22]。然而，有關(guān)剪切速率對(duì)輕量土抗剪強(qiáng)度的影響目前鮮有報(bào)道。在不同的施工條件和施工周期下，往往產(chǎn)生不同的剪切速率[23-24]。不同剪切速率下，由于剪切面上土骨架的應(yīng)變率不同以及土體滲透性和排水效果的差異，導(dǎo)致巖土體抗剪強(qiáng)度不盡相同[25-26]。當(dāng)輕量土作為臨河路基填筑材料和軟土地基處理材料時(shí)，研究飽和輕量土在不同剪切速率時(shí)的抗剪強(qiáng)度特性具有重要意義?；诖耍疚牟捎弥奔魞x對(duì)不同配比的EPS顆?；旌陷p量土在剪切速率分別為0.02，0.1，0.2，0.8，2.4 mm/min時(shí)開展直剪試驗(yàn)，對(duì)比不同配比輕量土在5種剪切速率下抗剪強(qiáng)度的異同，闡明剪切特性產(chǎn)生差異的原因，以期為輕量土在相關(guān)巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料土為陜西省楊凌地區(qū)的黃土，取土深度為4～6 m，土質(zhì)為低液限粉質(zhì)黏土。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得原料土的最大干密度為1.70 g/cm3，最優(yōu)含水率為20.60%，其他基本參數(shù)見表1。固化劑為復(fù)合硅酸鹽水泥，型號(hào)為P·C32.5R；輕質(zhì)材料采用EPS球型顆粒，球粒的直徑為3～5 mm，經(jīng)過測(cè)量其純顆粒密度為0.010 6 g/cm3，堆積密度為0.006 5 g/cm3；試驗(yàn)中使用的水均為普通自來(lái)水。

2.2 試樣制備

將原料土碾碎、過2 mm篩后放入105 ℃烘箱中烘24 h，以烘干備用。根據(jù)試驗(yàn)方案的配比按如下步驟進(jìn)行制樣：(1)將干土與水泥混合，用調(diào)土刀拌和均勻。(2)將稱好的水均勻地噴灑入水泥土中，并充分?jǐn)嚢琛?3)加入EPS顆粒，再次攪拌均勻。(4)采用質(zhì)量控制，稱量預(yù)定重量的輕量土加入到高20 mm，直徑61.8 mm的環(huán)刀中，用千斤頂進(jìn)行壓樣法制樣。(5)試樣養(yǎng)護(hù)。將帶環(huán)刀的樣品放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度為20±2 ℃，濕度為95%)內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，為了避免對(duì)試樣造成破損，養(yǎng)護(hù)期間不脫模。(6)試樣飽和。由于抽氣飽和后，EPS顆粒發(fā)生明顯的干癟收縮，高泡沫摻量的試樣損壞明顯，所以本文對(duì)所有養(yǎng)護(hù)成型的試樣均采用浸水24 h的方式進(jìn)行飽和[18]。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 原料土的基本物理性質(zhì)參數(shù)

表2 直剪試驗(yàn)方案

表2中EPS顆粒摻量ae、水泥摻量ac、含水率w均以干土的質(zhì)量ms為標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)定義EPS顆粒摻量為ae=me/ms×100%，其中me為EPS顆粒的質(zhì)量；水泥摻量ac=mc/ms×100%，其中mc為水泥的質(zhì)量；含水率w=mw/ms×100%，其中mw為水的質(zhì)量，定義EPS顆粒體積比為be=ve/v×100%[9]，其中v為試樣體積，ve為EPS純顆粒體積。表中EPS顆粒3種摻量0.32%、0.81%、1.90%所對(duì)應(yīng)的EPS顆粒體積比be分別為30%、50%、70%。本試驗(yàn)著重研究各配比輕量土在最優(yōu)含水率wop、壓實(shí)度為90%時(shí)的剪切特性。根據(jù)文獻(xiàn)[12]～[14]的研究結(jié)果，當(dāng)固化劑水泥摻量為15%、輕量土的EPS顆粒摻量分別為0.32%、0.81%、1.90%時(shí)，采用的最優(yōu)含水率分別為30.74%、34.87%、38.84%；EPS顆粒摻量為0.81%時(shí)，水泥摻量為10%、20%的輕量土對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率分別為33.57%、36.07%。設(shè)置素土樣進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果具有一般性，每個(gè)配比的樣品制備2組，每組4個(gè)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

將養(yǎng)護(hù)、飽和完成的試樣，在法向應(yīng)力分別為50、100、150、200 kPa下，使用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的DSJ-3型電動(dòng)四聯(lián)等應(yīng)變直剪儀按照規(guī)范[27]進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切速率分別為0.02，0.1，0.2，0.8，2.4 mm/min，其中剪切速率0.2 mm/min通過手動(dòng)控制。若剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線無(wú)峰值時(shí)，取剪切位移為4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度；若有峰值時(shí)，取峰值為抗剪強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 剪切速率對(duì)土體剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線的影響

土體的剪切面在剪切過程中的變形特征可以由剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線反映出來(lái)。輕量土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線有硬化型和軟化型兩種，素土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線為硬化型。選取典型配比ac=15%、ae=0.81%的輕量土試樣和素土樣，在不同法向應(yīng)力下進(jìn)行5種剪切速率試驗(yàn)，得出的輕量土和素土剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1可知：(1)不同剪切速率下，配比ac=15%，ae=0.81%的輕量土試樣和素土樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)出的形態(tài)基本相同，為應(yīng)變硬化型。(2)配比ac=15%，ae=0.81%的輕量土和素土試樣的剪應(yīng)力隨剪切位移的增長(zhǎng)主要?dú)v經(jīng)3個(gè)階段，即線性增長(zhǎng)階段、屈服階段、穩(wěn)定階段。剪切速率越大，屈服階段歷時(shí)越短，剪切達(dá)到穩(wěn)定階段所需的時(shí)間越少，在曲線上表現(xiàn)為剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的剪切位移越小。

對(duì)于輕量土而言，出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因?yàn)椋?1)在剪切初期，隨著剪切位移增大，主要是試樣中的黏聚力發(fā)揮作用，固化土和EPS顆粒產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)作用，水泥水解水化產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)使得輕量土具有較大的黏聚力，所以剪切初期曲線增速較快，為線性增長(zhǎng)階段。(2)剪切中期，隨著剪切位移繼續(xù)增大，剪切界面出現(xiàn)裂縫，當(dāng)水泥摻量較高或者EPS顆粒摻量較少時(shí)，固化土骨架可以包裹EPS顆粒，EPS顆粒被剪斷，試樣出現(xiàn)貫穿的剪切面，強(qiáng)度出現(xiàn)峰值(如配比ac=15%，ae=0.32%和ac=20%，ae=0.81%的輕量土)，則剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線為軟化型。反之，EPS顆粒被壓縮但并未被剪斷，無(wú)貫通的剪切面出現(xiàn)，試樣進(jìn)入屈服階段(如配比ac=15%，ae=0.81%；ac=15%，ae=1.90%；ac=10%，ae=0.81%的輕量土)，則剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線為硬化型。(3)剪切后期，剪切位移繼續(xù)增大，對(duì)于中部出現(xiàn)貫穿剪切面的試樣，剪應(yīng)力相比峰值明顯減小，后期強(qiáng)度主要來(lái)源于上下剪切面上的純摩擦，在法向應(yīng)力一定時(shí)，純摩擦的性能是一定的，殘余強(qiáng)度趨于某一定值，曲線出現(xiàn)近似水平段。對(duì)于中部未出現(xiàn)貫穿剪切面的試樣，其一直處于屈服階段，剪應(yīng)力隨剪切位移的增大繼續(xù)緩慢增加。剪切速率的大小只影響各階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，并未影響曲線形狀。對(duì)于素土而言，在不同的剪切速率下，由于剪切面上的應(yīng)變率不同和排水效果的差異，只是線性增長(zhǎng)階段、屈服階段、穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)間不同，剪應(yīng)力-剪切位移曲線仍均為硬化型。

3.2 剪切速率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度包線的影響

在不同試驗(yàn)方案下，輕量土及素土在不同剪切速率下的抗剪強(qiáng)度包線如圖2所示。由圖2可知：(1)不同剪切速率下，各配比輕量土的抗剪強(qiáng)度包線形態(tài)基本相同，近似為折線型包線。折線型包線形態(tài)說(shuō)明了輕量土與超固結(jié)黏性土和密砂類似，是一種結(jié)構(gòu)性土體，轉(zhuǎn)折點(diǎn)反映了土體正從超固結(jié)狀態(tài)向正常固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，土體內(nèi)部正由黏聚力起主導(dǎo)作用向內(nèi)摩擦角起主導(dǎo)作用轉(zhuǎn)換[16-18]。(2)水泥摻入比、EPS顆粒摻入比、法向應(yīng)力對(duì)輕量土抗剪強(qiáng)度的影響明顯。法向應(yīng)力越大，則輕量土的抗剪強(qiáng)度越大；水泥摻入比越大、EPS顆粒摻入比越小，則輕量土的抗剪強(qiáng)度越大。(3)值得注意的是，配比為ac=15%、ae=1.90%的輕量土試樣，即EPS顆粒體積比為70%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度包線與素土基本接近，說(shuō)明當(dāng)EPS顆粒體積摻入比達(dá)到70%時(shí)，水泥對(duì)原料土的固化效果不明顯。

3.3 剪切速率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

抗剪強(qiáng)度是分析邊坡穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)地基承載力的重要參數(shù)。不同法向應(yīng)力下各配比輕量土及素土的抗剪強(qiáng)度-剪切速率關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知：(1)對(duì)于輕量土而言，剪切速率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響較小。如以輕量土試樣在剪切速率為0.02 mm/min時(shí)的抗剪強(qiáng)度為基準(zhǔn)，在50、100、150、200 kPa法向應(yīng)力下，剪切速率為0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)抗剪強(qiáng)度的絕對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-11.40～13.90 kPa，相對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-13.89%～13.04%。(2)對(duì)于素土而言，隨著剪切速率的增大，抗剪強(qiáng)度逐漸減小。如以素土樣在剪切速率為0.02 mm/min時(shí)的抗剪強(qiáng)度為基準(zhǔn)，在50、100、150、200 kPa法向應(yīng)力下，剪切速率為0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)抗剪強(qiáng)度的絕對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-23.90～-0.60 kPa，相對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-30.04%～-1.10%。(3)輕量土抗剪強(qiáng)度變化特征在剪切速率為0.2 mm/min前后出現(xiàn)差異，當(dāng)剪切速率v<0.2 mm/min時(shí)，輕量土抗剪強(qiáng)度隨剪切速率的增大一般為先減小后增大；當(dāng)剪切速率v>0.2 mm/min時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨剪切速率的增大先增加后減小。(4)剪切速率相同時(shí)，不同配比輕量土抗剪強(qiáng)度差異較大。

圖1 不同法向應(yīng)力下各配比輕量土及素土不同剪切速率的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖2 各配比輕量土及素土在不同剪切速率下的抗剪強(qiáng)度包線

圖3 不同法向應(yīng)力下各配比輕量土及素土的抗剪強(qiáng)度-剪切速率關(guān)系曲線

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是：對(duì)于素土，雖然快剪試驗(yàn)限制試樣排水，但土顆粒之間仍存在縫隙。剪切速率越小，則試樣排水的時(shí)間越充分，超靜孔隙水壓力消散越徹底，這有利于土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加，進(jìn)而提高土體的抗剪強(qiáng)度，所以素土的抗剪強(qiáng)度隨著剪切速率的增大而減小[24]。而輕量土作為一種結(jié)構(gòu)性土體[9-10]，主要由原料土、EPS顆粒和固化劑三者組成，堅(jiān)固的網(wǎng)狀土骨架主要是通過固化劑的結(jié)點(diǎn)固化效應(yīng)形成的，而EPS顆粒主要是起到減重作用，并且是作為軟夾雜物存在于孔隙之中。配比對(duì)輕量土抗剪強(qiáng)度的影響是決定性的，不同剪切速率引起的排水效果和超靜孔隙水壓力消散快慢的差異對(duì)輕量土影響較小，所以導(dǎo)致剪切速率對(duì)輕量土抗剪強(qiáng)度的影響較小。試驗(yàn)結(jié)果中剪切速率在0.2 mm/min前后輕量土抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)差異的原因可能為試驗(yàn)誤差所致。

3.4 剪切速率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通常包括黏聚力和內(nèi)摩擦角。黏聚力可以用來(lái)表示同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力；內(nèi)摩擦角可以用來(lái)表征土體內(nèi)部各顆粒之間內(nèi)摩擦力的大小，包括滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦。不同配比的輕量土擁有不同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在宏觀上表現(xiàn)為擁有不同的黏聚力和內(nèi)摩擦角。不同剪切速率對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度通常不同，研究剪切速率對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響很有必要。

3.4.1 剪切速率對(duì)土體黏聚力的影響 圖4為不同配比的輕量土及素土的黏聚力-剪切速率關(guān)系曲線。由圖4可知：(1)同配比輕量土試樣，其黏聚力隨剪切速率的增大變化幅度較小。如配比為ac=15%，ae=0.81%的輕量土試樣，剪切速率為0.02、0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)所對(duì)應(yīng)的黏聚力分別為36.34、35.40、33.90、34.70、39.75 kPa。以輕量土試樣在剪切速率為0.02 mm/min時(shí)的黏聚力為基準(zhǔn)，0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)黏聚力的絕對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-6.45～3.40 kPa，相對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-19.38%～9.35%。(2)素土的黏聚力雖然隨著剪切速率的增大而逐漸減小，但是減小幅度較小。例如，以素土在剪切速率為0.02 mm/min時(shí)的黏聚力為基準(zhǔn)，剪切速率為0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)黏聚力的絕對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-0.75～-0.35 kPa，相對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-11.19%～-5.22%。(3)剪切速率一定時(shí)，不同配比輕量土試樣，其黏聚力差異明顯。隨著EPS顆粒摻入比的增大，黏聚力逐漸減小；隨著水泥摻入比的增大，黏聚力逐漸增大。

圖4 不同配比的輕量土及素土的黏聚力-剪切速率關(guān)系曲線

究其原因，輕量土的黏聚力主要來(lái)源于水泥中所含有的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣與水發(fā)生水解、水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝狀物質(zhì)，膠凝狀物質(zhì)通過包裹土與EPS顆粒形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)硬化后形成混合土的黏聚力。水泥摻量越多，EPS顆粒摻量越少，膠結(jié)結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，輕量土黏聚力越大。剪切速率的不同僅導(dǎo)致混合土結(jié)構(gòu)破壞的快慢不同，并不影響?zhàn)ぞ哿Φ陌l(fā)揮，所以剪切速率對(duì)黏聚力影響較小。對(duì)于素土而言，剪切速率越小，則超靜孔隙水壓力消散越徹底，黏聚力越大。

3.4.2 剪切速率對(duì)土體內(nèi)摩擦角的影響 圖5為不同配比的輕量土及素土的內(nèi)摩擦角-剪切速率關(guān)系曲線。由圖5可知：(1)素土的內(nèi)摩擦角隨剪切速率的增大逐漸減小，但配比一定時(shí)，輕量土的內(nèi)摩擦角隨剪切速率變化幅度較小。以輕量土和素土試樣在剪切速率為0.02 mm/min時(shí)的內(nèi)摩擦角為基準(zhǔn)，0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)內(nèi)摩擦角的絕對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-1.72°～3.48°和-0.88°～-5.92°，相對(duì)增長(zhǎng)量變化范圍為-6.95%～17.75%和-24.11%～-3.58%。(2)剪切速率一定時(shí)，輕量土的內(nèi)摩擦角隨水泥摻入比的增大，EPS顆粒摻入比的減小而增大，但增幅較小。(3)輕量土內(nèi)摩擦角在EPS顆粒摻量為0.81%，即體積比為50%前后，內(nèi)摩擦角差異明顯。比如：配比為ac=15%，ae=0.32%(體積比為30%)的輕量土試樣，在各剪切速率下，內(nèi)摩擦角介于33.70°～36.60°之間。而其他各配比輕量土的內(nèi)摩擦角均介于19.61°～26.76°之間，與素土內(nèi)摩擦角接近。

圖5 不同配比的輕量土及素土的內(nèi)摩擦角-剪切速率關(guān)系曲線

以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是：輕量土作為一種結(jié)構(gòu)性土體，內(nèi)摩擦角的大小主要與混合土的配比和各組分內(nèi)部鑲嵌、排列結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，與剪切速率的快慢關(guān)系較小。將輕量土中的固化土、EPS顆粒分別定義為3界面接觸：固化土-EPS，EPS-EPS，固化土-固化土[18]。當(dāng)土顆粒含量相對(duì)較多時(shí)，EPS顆粒則相對(duì)較少，水泥水解水化形成的膠凝狀物質(zhì)能充分填充EPS和土產(chǎn)生的孔隙，將土和EPS顆粒牢牢包裹，形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，此時(shí)混合土內(nèi)部多為固化土-EPS、固化土-固化土形成的強(qiáng)接觸，接觸效果良好，內(nèi)摩擦角較大。反之，當(dāng)EPS摻量較多時(shí)，膠結(jié)物質(zhì)所占體積減小，混合土內(nèi)部多為EPS-EPS的弱接觸，試樣出現(xiàn)較多肉眼可見的孔隙，在剪切作用下，內(nèi)摩擦角較小，結(jié)構(gòu)容易破壞。

4 結(jié) 論

(1)輕量土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線有應(yīng)變硬化型和應(yīng)變軟化型兩種形態(tài)，主要受EPS顆粒摻入比、水泥摻入比和法向應(yīng)力的影響。素土的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線形態(tài)為硬化型。硬化型曲線主要包括線性增長(zhǎng)階段、屈服階段、穩(wěn)定階段3部分。剪切速率越大，屈服階段歷時(shí)越短，剪切達(dá)到穩(wěn)定階段所用時(shí)間越少。

(2)不同剪切速率下，輕量土抗剪強(qiáng)度包線多為折線型，法向應(yīng)力和配比對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響是決定性的。法向應(yīng)力越大，抗剪強(qiáng)度越大；水泥摻入比越大，EPS顆粒摻入比越小，抗剪強(qiáng)度越大。EPS顆粒體積摻入比達(dá)到70%時(shí)，水泥固化效果較差。

(3)剪切速率對(duì)輕量土抗剪強(qiáng)度的影響較小，對(duì)素土抗剪強(qiáng)度影響較大。隨著剪切速率的增大，素土抗剪強(qiáng)度逐漸減小。以剪切速率為0.02 mm/min時(shí)的抗剪強(qiáng)度為基準(zhǔn)，輕量土和素土剪切速率為0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)抗剪強(qiáng)度的絕對(duì)增長(zhǎng)量范圍分別為-11.40～13.90 kPa和-23.90～-0.60 kPa，相對(duì)增長(zhǎng)量范圍分別為-13.89%～13.04%和-30.04%～-1.10%。

(4)輕量土的黏聚力和內(nèi)摩擦角主要由其配比決定，水泥摻入比越大，EPS顆粒摻入比越小，則黏聚力和內(nèi)摩擦角越大。剪切速率對(duì)輕量土黏聚力和內(nèi)摩擦角影響較小，對(duì)素土影響較大，素土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨剪切速率的增大而逐漸減小。以試樣在剪切速率為0.02 mm/min時(shí)的黏聚力和內(nèi)摩擦角為基準(zhǔn)，當(dāng)剪切速率為0.1、0.2、0.8、2.4 mm/min時(shí)，輕量土黏聚力和內(nèi)摩擦角的絕對(duì)增長(zhǎng)量范圍分別為-6.45～3.40 kPa和-1.72°～3.48°，相對(duì)增長(zhǎng)量范圍分別為-19.38%～9.35%和-6.95%～17.75%；素土黏聚力和內(nèi)摩擦角的絕對(duì)增長(zhǎng)量范圍分別為-0.75～-0.35 kPa和-0.88°～-5.92°，相對(duì)增長(zhǎng)量范圍分別為-11.19%～-5.22%和-24.11%～-3.58%。