EPS的密度由成形階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數(shù)決定,一般介于10~45㎏/m3之間,作為工程中使用的EPS表觀密度一般在15~30㎏/m3。目前在道路工程中用作輕質(zhì)填料的EPS密度為20㎏/m3,為普通道路填料的1%~2%。密度是EPS的一個(gè)重要指標(biāo),其各項(xiàng)力學(xué)性能幾乎都與它的密度成正比關(guān)系。

2、變形特性

根據(jù)試驗(yàn),EPS在三向應(yīng)力狀態(tài)下和單向應(yīng)力狀態(tài)下的受壓過程基本類似,當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)臿=5%時(shí),應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,EPS開始表現(xiàn)出彈塑性。當(dāng)圍壓很小時(shí),對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和屈服強(qiáng)度的影響是有限的。當(dāng)圍壓超過60KPa時(shí),屈服強(qiáng)度明顯下降,顯然與土的變化規(guī)律不同。當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)臿≤5%時(shí),無論圍壓是多大,體積應(yīng)變?chǔ)舦接近于軸向應(yīng)變?chǔ)臿,即EPS側(cè)向變形小,也即泊松比小。

容重γ=0.2~0.4kN/m3的EPS的彈性模量Es在2.5~11.5MPa之間。廣東省淡澳河大橋引道工程EPS填筑高度超過4m,使用的EPS容重為0.2kN/m3。為最大限度地減少工后沉降,鋪筑完EPS材料層后,在其上填土1.2m進(jìn)行預(yù)壓。其中EPS材料層的壓縮沉降平均為32mm,可以算得EPS的彈性模量為2.4MPa,且EPS材料仍處于彈性變形階段。該路段于2000年10月試行通車,6個(gè)月后EPS材料層的實(shí)際壓縮變平均值為8mm,說明就EPS材料的使用實(shí)際效果看,作為路堤填料是成功的。

3、自立性

EPS自立性強(qiáng),對(duì)高邊坡的穩(wěn)定十分有利。瑞典橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,主動(dòng)、靜止側(cè)壓力系數(shù)分別為0和0.4,不必計(jì)算被動(dòng)側(cè)壓力。由于EPS豎向受壓后產(chǎn)生側(cè)向壓力小,將EPS用于橋頭段路基填料,可大大減少橋臺(tái)的臺(tái)背土壓力,對(duì)橋臺(tái)穩(wěn)定十分有利。

EPS塊與砂的摩擦系數(shù)f,對(duì)于干燥砂f為0.58(密)~0.46(松),對(duì)濕砂f為0.52(密)~0.25(松);EPS塊與塊之間f在0.6~0.7范圍內(nèi)。

4、水、溫特性

EPS的封閉空腔結(jié)構(gòu)決定了其具有良好的隔熱性,它用于保溫材料最大的特點(diǎn)是其熱傳導(dǎo)率極低,各種規(guī)格EPS板體其熱傳導(dǎo)率為0.024W/m.K~0.041W/m.K。

EPS為熱可塑性樹脂,應(yīng)在70℃以下使用,以免受熱變形和強(qiáng)度降低。同時(shí)利用這一特性可采用電熱絲加工。生產(chǎn)中可添加阻燃劑,形成阻燃型EPS。阻燃型EPS離開火源3s內(nèi)自行熄滅。

EPS的空腔結(jié)構(gòu)使水的滲入極其緩慢。根據(jù)挪威與日本實(shí)測(cè)資料,EPS吸水率(吸入的水量相當(dāng)于它的容重的百分?jǐn)?shù))不浸泡在水中時(shí)為1%以下;地下水位附近的為4%以下;長(zhǎng)期浸泡在水中的為10%左右。由于EPS的容重比土體的容重低得多,吸水引起的1%~10%的容重增量對(duì)工程影響可忽略不計(jì)。

5、耐久性

EPS在水中和土壤中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不能被微生物分解;EPS的空腔結(jié)構(gòu)也使水的滲入極其緩慢;長(zhǎng)時(shí)間受紫外線照射,EPS表面會(huì)由白色變?yōu)辄S色,且材料在某種程度上呈現(xiàn)脆性;在大多數(shù)溶劑中EPS性質(zhì)穩(wěn)定,但可溶解于汽油、柴油、煤油、甲苯、丙酮等有機(jī)溶劑。這說明EPS填料需要良好的保護(hù)層。

在多年凍土地區(qū)修筑道路將會(huì)引起局部環(huán)境的改變,導(dǎo)致多年凍土的融化,使道路產(chǎn)生嚴(yán)重的病害甚至破壞。傳統(tǒng)的整治凍害方法如墊板、注鹽、換土、鋪爐渣等方法效果都不理想。

由于EPS材料中內(nèi)壁氣泡為封閉狀,互不相通,吸水率小,抗凍性好,保證了在浸水條件下仍具有良好的隔熱性能。青藏公路昆侖山越嶺地段EPS板隔熱路基試驗(yàn)(1990)研究表明,6cm厚的EPS隔熱層可減少地表向深層的熱流量,減小地下多年凍土層上限的下移,可減緩多年凍土層的凍融,保持線路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和減小變形。該研究成果在楚瑪河引道、紅梁河橋橋頭引道及老溫泉地區(qū)等路段得到了推廣應(yīng)用。從工程現(xiàn)狀看,路面堅(jiān)實(shí)平整,路基穩(wěn)定,路基、路面整體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2、減小路基沉降、防止或處治路基失穩(wěn)

在軟土地基上修筑路堤,因?yàn)槠胀ㄌ盍厦芏却?其自重產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力較大,常會(huì)造成路基過大的不均勻沉降和沉降量。由于EPS密度小,具有超輕質(zhì)特性,在進(jìn)行一定深度的換填后可有效減小路堤自重,降低地基附加應(yīng)力,減少軟土地基路堤沉降,提高地基的穩(wěn)定性。填筑10m高的EPS路堤大約相當(dāng)于10cm高的低填土路堤荷載,路堤荷重大大減小,因此在斜坡地段修筑EPS路堤可有效防止滑坡產(chǎn)生,提高高路堤的抗滑穩(wěn)定性。

EPS施工不需特殊機(jī)械,人力即可施工,速度快,適用于搶險(xiǎn)救災(zāi),對(duì)于大型機(jī)械難以使用的場(chǎng)所更適合,可現(xiàn)場(chǎng)加工切割,以適應(yīng)場(chǎng)地地形要求。甬臺(tái)溫高速公路臺(tái)州段一期工程K42+650~K42+800段,1998年8月軟土路基施工中因填筑過快,造成路基滑塌,地面上拱60cm。由于工期十分急迫,現(xiàn)場(chǎng)受104國道及外側(cè)廠房的限制,最終選用EPS輕質(zhì)材料填筑路堤,最厚處為6層,最薄處為1層填筑,共計(jì)用量為7295m3,同年10月填筑完畢。該路段自1998年底建成通車至今,瀝青混凝土路面平整,使用狀況良好。

3、防止橋頭跳車、減小橋臺(tái)的側(cè)向位移

由于橋頭(橋臺(tái)與路基交界處)位置的特殊性,路基填筑施工質(zhì)量難于控制,并且橋臺(tái)與路堤結(jié)構(gòu)的差異,使得在橋頭處容易產(chǎn)生不均勻沉降, 這對(duì)道路壽命、行車舒適性和安全性影響極大。減小或控制橋頭處的差異沉降是在軟基上修建路堤的難題。由于EPS自重極輕,將其用作橋頭處的填料,可有效地減小沉降差;同時(shí)因其自立性好,也可大幅減小路堤對(duì)橋臺(tái)的側(cè)向壓力,減小橋臺(tái)的側(cè)向位移。

杭寧高速公路湖州段新田圩橋(橋中心樁號(hào)K57+010)兩側(cè)橋臺(tái)臺(tái)背填筑過程中,橋臺(tái)發(fā)生位移。根據(jù)工期和已采取的地基處理情況,采用了EPS輕質(zhì)路堤的處理方案。新田圩橋兩端EPS路堤各長(zhǎng)約22m,填筑厚度自橋臺(tái)處由6層(層厚48.5cm)逐級(jí)過渡為1層,共計(jì)用量2332m3。該EPS工程于2000年3月開始施工,5月全部填筑完成,同年底竣工通車。目前瀝青混凝土路面狀況良好,橋頭路段無跳車現(xiàn)象。

4、修建直立式路堤

在山區(qū)陡坡地段、城市道路建設(shè)中,為減少占地和增加美觀,可利用EPS自立性強(qiáng)、側(cè)向變形小的特點(diǎn)修建直立式路堤。對(duì)于公路工程擴(kuò)建,EPS不僅可以減少新老路拼接帶來的差異沉降,還可放陡邊坡,甚至做成直立式邊坡,這對(duì)于減少二次征地,節(jié)約寶貴的土地資源是十分有利的。

5、減小對(duì)地下或鄰近建筑物的影響

路堤下埋設(shè)的剛性結(jié)構(gòu)物上部土體與兩側(cè)土體的不均勻沉降,往往會(huì)在結(jié)構(gòu)物頂部產(chǎn)生過大的附加壓力,垂直土壓力系數(shù)可達(dá)1.2,填土較高時(shí)甚至可達(dá)2.0,即在結(jié)構(gòu)物頂部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而造成地下結(jié)構(gòu)物開裂、破壞。用EPS代替填土鋪筑于結(jié)構(gòu)物頂部,可改善結(jié)構(gòu)物上應(yīng)力分布,大大減輕結(jié)構(gòu)物所受的土壓力,土壓力系數(shù)可降至0.3。

在城市地區(qū)的某些地段進(jìn)行路堤施工時(shí),為保護(hù)地下市政設(shè)施與鄰近建筑物的安全,不允許對(duì)地基進(jìn)行擾動(dòng)類加固處理,但又要控制路堤沉降,EPS作為路堤填料,可有效減輕路堤重量,達(dá)到控制沉降目的。上海浦東世紀(jì)大道原水管渠段[12],采用EPS對(duì)管區(qū)上部土方進(jìn)行置換,再在EPS上覆土用于綠化種植。不僅使原水管渠得到充分有效保護(hù),保證了原水管渠的正常供水,而且滿足了廣場(chǎng)總體規(guī)劃設(shè)計(jì),使世紀(jì)大道總體構(gòu)思得到實(shí)現(xiàn)。

滬寧高速公路主線全長(zhǎng)284.21km,穿越廣闊的水網(wǎng)地區(qū),沿線軟土地基長(zhǎng)92.29km。滬寧高速公路擴(kuò)建以路基兩側(cè)拼接加寬為主,由雙向四車道對(duì)稱拓寬為8車道,兩側(cè)各加寬8.25m。在軟土地基上進(jìn)行路堤拼接后,拼接荷載所引起的沉降增量,對(duì)老路基而言,呈反盆形分布,在路中心最小,兩側(cè)拓寬形成的斷面形心垂線處最大。這將會(huì)引起新、老路肩與老路堤中心間差異沉降的產(chǎn)生,極易導(dǎo)致老路基、路面的拉裂。為減少差異沉降,江蘇段拓寬工程試驗(yàn)段在K0+000~K0+300、K0+800~K1+440、K1+600~K1+770(其中包括橋頭、箱頭和一般路段)范圍內(nèi)采用EPS作為一種比選方案進(jìn)行路堤填筑試驗(yàn)研究。

1、 路堤的斷面結(jié)構(gòu)型式

試驗(yàn)段EPS路堤填筑高度3~5m,當(dāng)采用斜坡式時(shí)平均地基壓力為40.15~55.02kN/m(包括EPS外側(cè)1.5m厚包邊土),采用直立式邊坡時(shí)平均地基壓力為26.23~28.24kN/m。該試驗(yàn)段EPS路堤的設(shè)計(jì),為充分發(fā)揮EPS密度小、自重輕,路堤沉降少,自立性強(qiáng)的特點(diǎn),采用了直立式邊坡和新型肋板式擋墻結(jié)構(gòu)。這樣既減少了EPS用量,又不必進(jìn)行地基處理,還減少了公路擴(kuò)建的二次征地面積,節(jié)約了寶貴的土地資源。

為了提高板整體性能,便于吊運(yùn),在預(yù)制板的中間設(shè)置加勁肋。肋板的板厚10cm,肋寬40cm,高15cm,預(yù)制板總寬1.8~1.9m。預(yù)制肋板立放于專設(shè)的立板基礎(chǔ)上,預(yù)制板之間采用現(xiàn)澆連接,結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度取10m,結(jié)構(gòu)縫處寬度5cm,用瀝青封閉。

為防止EPS在重負(fù)荷作用下側(cè)向變形對(duì)預(yù)制板產(chǎn)生較大的側(cè)向壓力,在EPS與預(yù)制板之間預(yù)留5cm的間隙,使肋板處于不受或少受側(cè)壓力狀態(tài)。間隙處鋪設(shè)一層垂直向土工布。

在EPS頂面與路面結(jié)構(gòu)層之間現(xiàn)澆一層厚20cm的鋼筋混凝土蓋板,使EPS均勻承受上部荷載。預(yù)制板與現(xiàn)澆蓋板之間的二期混凝土,應(yīng)盡量安排在路面結(jié)構(gòu)層施工后期澆筑,這樣可使EPS的垂向、側(cè)向變形充分發(fā)揮,減小現(xiàn)澆蓋板以及上部結(jié)構(gòu)分配至預(yù)制板里的垂向作用力。

2、防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)

對(duì)于邊坡為1:1.5的路堤,可以采用一般高速公路上使用的波形護(hù)欄來進(jìn)行設(shè)計(jì)。而對(duì)于擋墻結(jié)構(gòu),當(dāng)發(fā)生交通事故時(shí),存在更大的安全隱患,為了防止車輛沖出路面,應(yīng)采用安全性更高的橋式護(hù)欄或加強(qiáng)型的波形護(hù)欄。

橋式護(hù)欄可以預(yù)先在預(yù)制板內(nèi)伸出鋼筋,同預(yù)制板、蓋板的二期混凝土同時(shí)澆筑連接。由于汽車在撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力,有將EPS頂部的混凝土結(jié)構(gòu)段拉出路面結(jié)構(gòu)層的危險(xiǎn),因此必須對(duì)混凝土蓋板進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)試驗(yàn)表明,橋式護(hù)欄是安全的。

3、縱橫向的連接

在EPS路堤的填筑過程中,必須重視EPS同一般填土路段的連接問題。EPS同土路堤的縱向連接段應(yīng)設(shè)置一過渡段,即將EPS塊體以臺(tái)階的方式與土路堤過渡相連,橫向亦如此,同時(shí)在鋪砌時(shí)應(yīng)采用EPS塊體縱橫向交錯(cuò)鋪砌,以利于EPS塊體的受力和變形連續(xù)。

對(duì)于縱橫坡的調(diào)整,有兩種方法可供選擇:一是采用底層調(diào)坡,根據(jù)實(shí)際路面的縱橫坡,通過EPS底部的整平砂層來放坡。采用這種方式,上部的豎向荷載將傾斜作用于EPS塊體,EPS塊體將受到一水平分力的作用,不利于EPS的受力,但損耗小。為了改善EPS塊體的受力特性,可采用底層水平鋪筑,頂部的EPS塊體切割成小的異形塊,通過小臺(tái)階的方式來調(diào)整橫坡,該法EPS受力條件好,同時(shí)施工方便,是較好的調(diào)坡方案,但損耗較大。

4、排水問題

由于EPS屬超輕質(zhì)材料,若浸在水中,將受浮力的影響,EPS的上部結(jié)構(gòu)將受到垂直向上的荷載,使新老路基連接處結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)產(chǎn)生縱向裂縫、錯(cuò)臺(tái)。因此EPS的施工基準(zhǔn)面必須高于最高地下水位最小安全距離S,同時(shí)在施工基面上填筑一層石灰穩(wěn)定土,徹底隔離地下水的影響。然后進(jìn)行排水砂層的施工,砂層同時(shí)起整平作用,以利于EPS塊體的鋪設(shè)。

對(duì)于施工期的排水,主要是避免雨水對(duì)EPS塊體的浸泡和雨水在新老路基的交接處滲入老路基,對(duì)老路基造成損害。為此必須在坡腳處設(shè)置臨時(shí)排水溝,防止路基積水,施工后必須用土工布將EPS塊體和老路的開挖臺(tái)階覆蓋,防止雨水的浸入。為了防止雨水對(duì)老路基的侵入,并防止砂層被雨水沖蝕,EPS與臺(tái)階之間的孔隙應(yīng)采用素混凝土填實(shí)。

營(yíng)運(yùn)期的排水是影響其使用質(zhì)量的主要因素,因此必須特別重視。為了防止雨水通過路面結(jié)構(gòu)層滲入路堤內(nèi)部,EPS長(zhǎng)期吸水而造成自重增大,因此在現(xiàn)澆鋼筋混凝土板和頂層EPS之間加鋪一層防滲土工布。路基排水可通過在施工基面上設(shè)置20~30cm的砂墊層來排水,同時(shí)需與原路的排水砂層和臺(tái)階處的砂層接通。對(duì)于直立式結(jié)構(gòu),由于砂層無法與外界接通,可通過預(yù)埋PVC管或塑料盲溝來排水,其底部高程應(yīng)在排水溝底面以上10~20cm,防止排水溝的雨水倒灌。

為了充分發(fā)揮EPS的超輕特性,最大限度的降低地基應(yīng)力,有時(shí)需要對(duì)地基進(jìn)行開挖置換,此時(shí)應(yīng)設(shè)置橫向排水通道,為了避免邊溝過深,可考慮在邊溝以下設(shè)置縱向排水盲溝,將路基下的雨水排出。

5、EPS鋪設(shè)

由于EPS很輕,采用人工鋪筑,關(guān)鍵是平整度控制與聯(lián)結(jié)牢固。EPS塊體鋪設(shè)在施工基面上,施工基面必須保持干燥狀態(tài)。塊體鋪設(shè)時(shí),不準(zhǔn)拖拉機(jī)和其他重型機(jī)械直接在EPS塊體上行駛。EPS塊體自下而上逐層錯(cuò)縫鋪設(shè),整體鋪筑質(zhì)量很大程度取決于施工基面和最下層的鋪設(shè)精度。

EPS塊體之間的縫隙和錯(cuò)臺(tái)應(yīng)盡可能的小。最下層由墊層來調(diào)整,中間各層則采用無收縮水泥砂漿調(diào)平。為防止EPS塊體互相錯(cuò)位,塊體各層之間采用雙面爪型聯(lián)結(jié)件,在頂面及側(cè)面采用單面爪型聯(lián)結(jié)件,在最下層EPS塊體與施工基面和土基之間采用銷釘聯(lián)結(jié)。

在最上面一層EPS塊體的頂面,要澆筑一層鋼筋混凝土板。它不僅可以改善EPS的受力特性,使行車荷載和上部路面結(jié)構(gòu)荷載均勻擴(kuò)散,防止由于應(yīng)力集中而造成EPS的破壞,還使EPS塊體形成一個(gè)良好的整體,防止有害物質(zhì)侵入EPS塊體。

結(jié)語

EPS作為一種超輕質(zhì)的路基填料,在國外有較為廣泛的應(yīng)用。實(shí)踐證明,EPS有著隔熱性好、自重輕、自立性強(qiáng)等優(yōu)良性能,對(duì)解決路基凍害、橋頭跳車、路基失穩(wěn)、新老路基拼接等問題有良好的處理效果。但由于國內(nèi)使用EPS修建路堤的時(shí)間不長(zhǎng),對(duì)EPS本身的性能也缺乏深入全面的研究,在使用過程中尚有許多需要解決的問題,概括起來主要有以下幾點(diǎn):

1、目前國內(nèi)EPS主要應(yīng)用于包裝行業(yè)和建筑行業(yè),在公路中應(yīng)用還較少。EPS較高的價(jià)格限制了其大規(guī)模的使用,有待研究生產(chǎn)性能更好、價(jià)格較便宜的EPS產(chǎn)品。

2、對(duì)EPS在長(zhǎng)期荷載作用下的性能缺乏深入的了解,長(zhǎng)期使用后的殘余變形和使用壽命還有待觀察。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重復(fù)荷載、沖擊荷載作用下EPS性能的長(zhǎng)期變化情況的研究,同時(shí)應(yīng)研究多種荷載形式共同作用下EPS性能的變化發(fā)展。

3、應(yīng)及時(shí)制訂參照標(biāo)準(zhǔn),便于工程施工中進(jìn)行質(zhì)量管理。

EPS作為一種新型輕質(zhì)工程材料正日益受到工程界重視。