劉宇翼，從衛(wèi)民，蘇運(yùn)河，佘躍心，楊 琴，潘 鑫，湯 奇

(1. 淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)(2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)(3. 淮安市建設(shè)工程施工圖審查處，江蘇 淮安 223001)

EPS材料減荷效應(yīng)及工程應(yīng)用評(píng)述

劉宇翼1,2，從衛(wèi)民3，蘇運(yùn)河1，佘躍心1，楊 琴1，潘 鑫1，湯 奇1

(1. 淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)(2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)(3. 淮安市建設(shè)工程施工圖審查處，江蘇 淮安 223001)

佘躍心

EPS是由苯乙烯在分散劑作用下懸浮于水中，經(jīng)引發(fā)劑引發(fā)聚合，再加液體發(fā)泡劑浸漬而成的泡沫材料。EPS泡沫具有輕質(zhì)、壓縮性高、穩(wěn)定性好、耐久性長(zhǎng)、吸濕性低、隔熱保溫效果好等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的降低土壓力緩沖材料，在礦業(yè)、公路、建筑等工程中已得到實(shí)踐驗(yàn)證，在廣泛收集、認(rèn)真查閱前人研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了EPS材料的密度、耐久性、熱穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)性等物理力學(xué)特性，重點(diǎn)闡述了礦井井筒、填土涵洞、擋土結(jié)構(gòu)三種不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)中使用EPS作為減荷材料的應(yīng)用效果，并從能量學(xué)、土拱效應(yīng)、土壓力理論等角度詮釋了EPS材料的減荷機(jī)理。針對(duì)礦井井筒中的EPS減荷材料，提出高應(yīng)力狀態(tài)下EPS材料的變形特性、復(fù)雜環(huán)境中EPS材料的熱力性能、巖土-EPS-井壁相互作用以及EPS材料減荷效應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證是今后研究的主要發(fā)展方向。

EPS材料；減荷效應(yīng)；減荷機(jī)理；礦井井筒；填土涵洞；擋土結(jié)構(gòu)

Abstract：Expanded Polystyrene (EPS) is a kind of foam material which is made from styrene that suspended in water under the action of a dispersing agent, then polymerized by initiator and impregnated with liquid foaming agent. Tested in mining, roads, building and other projects, EPS is regarded as an ideal buffer material to reduce soil pressure due to its advantages like light weight, high compressibility, good stability, long durability, low moisture absorption, good heat insulation and preservation performance,etc. Based on the predecessors’ research, the density, durability, thermal stability, thermal conductivity as well as other physical and mechanical properties of EPS materials are summarized, and the load-reducing effects are analyzed emphatically when EPS materials are applied in the mine shaft wall, culvert under stacked soil and retaining structure. The load-reducing mechanism of EPS material has been illustrated according to energetics, soil arching effect and earth pressure theory. Finally, it puts forward that the studies on mechanical behaviors of EPS under high stresses, thermal performance of EPS in a complex environment, the rock(soil)-EPS-wall interaction and test verification of load-reducing effect of EPS materials are the main directions of further research.

Key words：EPS materials; load-reduction effects; load-reduction mechanism; mine shaft wall; culverts under stacked soil; retaining structure

1 前 言

可發(fā)性聚苯乙烯(Expanded Polystyrene, EPS)，是由苯乙烯在分散劑作用下懸浮于水中，經(jīng)引發(fā)劑引發(fā)聚合，再加液體發(fā)泡劑浸漬而成的泡沫材料。EPS經(jīng)預(yù)發(fā)、熟化和模塑成型即可制得發(fā)泡塑料制品。目前，在全世界發(fā)泡塑料中，EPS產(chǎn)量排第二位[1]。EPS成型過(guò)程中，聚苯乙烯顆粒的戊烷受熱汽化，在顆粒中膨脹形成許多封閉的空腔。EPS材料的顆粒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPS材料的顆粒結(jié)構(gòu)[1]Fig.1 Particle structure of EPS[1]

這種均勻的封閉空腔結(jié)構(gòu)決定了EPS具有獨(dú)特的性質(zhì)：質(zhì)輕、防震、絕熱、絕緣、耐潮等，為此被廣泛用作包裝、保溫、隔熱、建筑裝潢等方面。北歐在20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始在工程建設(shè)領(lǐng)域使用EPS材料。1971年挪威國(guó)家道路研究實(shí)驗(yàn)室(NRRL)首次在FLOM大橋引道改造工程中用EPS代替1 m厚普通填料，成功控制了橋頭段的不均勻沉降。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，日本、瑞典、荷蘭等國(guó)家也逐步在公路項(xiàng)目中使用EPS材料[2]。我國(guó)1995年在杭甬高速公路望童跨線(xiàn)橋橋頭路堤首次使用EPS，取得了較好效果。EPS材料作為一種輕質(zhì)工程材料，在工程建設(shè)領(lǐng)域中體現(xiàn)出優(yōu)良的減荷效果，專(zhuān)家學(xué)者和技術(shù)人員嘗試采取各種研究手段(理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、原位測(cè)試)探索EPS材料的減荷原理及影響。

本文在廣泛收集、認(rèn)真查閱前人研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了EPS材料的物理力學(xué)特性，重點(diǎn)闡述了礦井井筒、填土涵洞、擋土結(jié)構(gòu)三種不同類(lèi)型工程中使用EPS作為減荷材料的應(yīng)用效果，并從能量學(xué)、土拱效應(yīng)、土壓力理論等角度詮釋了EPS材料的減荷機(jī)理，評(píng)述了目前的研究進(jìn)展及研究中存在的問(wèn)題，并對(duì)礦井井筒領(lǐng)域今后的研究方向進(jìn)行了展望。

2 EPS材料的物理力學(xué)特性

2.1 EPS材料的物理特性

(1)密度

EPS的密度由成型階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數(shù)決定，介于10～40 kg/m3之間，工程中常用密度為15～30 kg/m3。目前許多土工工程中用作輕質(zhì)填料的EPS，其密度常為20 kg/m3，僅為普通填料的1/50～1/100。密度是EPS的一個(gè)重要指標(biāo)，與其各項(xiàng)力學(xué)性能關(guān)系密切[3]。

(2)耐久性

EPS在水中和土壤中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)被微生物分解，也不會(huì)釋放出對(duì)微生物有利的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但可被汽車(chē)燃料油溶解。另有研究資料表明，在特定條件下白蟻可對(duì)EPS造成破壞[4]。EPS在紫外線(xiàn)照射下一段時(shí)間后表面由白色變?yōu)辄S色，在某種程度上呈現(xiàn)脆性。因此，EPS與許多高分子土工材料一樣，不允許長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外線(xiàn)下。

聚苯乙烯本身是憎水的，而且EPS的封閉空腔結(jié)構(gòu)也使水的滲入極其緩慢。EPS的吸水率與EPS的形狀有關(guān)，直徑100 mm、高200 mm的EPS圓柱試件浸水1年后的平均體積吸水率為1.54%，而EPS薄板的體積吸水率可達(dá)到9%[3]。

(3)熱穩(wěn)定性

75～80 ℃ 以下， EPS的使用基本不受影響，但溫度接近150 ℃時(shí)，EPS將熔化。如果附近有火源，EPS也可燃燒。但如果聚苯乙烯顆粒發(fā)泡成型時(shí)就加入了阻燃劑，EPS燃燒3 s內(nèi)可自熄，且阻燃劑對(duì)EPS的性能沒(méi)有不利的影響[5]。

(4)熱傳導(dǎo)性

EPS的封閉空腔結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)良的隔熱性，因此EPS最初在道路工程中用于保溫層，以滿(mǎn)足嚴(yán)寒季節(jié)對(duì)道路防凍的要求。但EPS的吸水量對(duì)其熱傳導(dǎo)性的影響很明顯，隨吸水量的增大，熱傳導(dǎo)系數(shù)也增大。研究資料表明[3]，EPS體積吸水率小于1%時(shí)，其熱傳導(dǎo)系數(shù)可增大5%；體積吸水率達(dá)到3～5%時(shí)，熱傳導(dǎo)系數(shù)則可增大15～25%。

2.2 EPS材料的力學(xué)特性

白冰[6]、張忠坤[7]、張衛(wèi)兵[8]、顏志平[9]、伊哈卜[10,11]、曹周陽(yáng)[12]等通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)、加卸載試驗(yàn)等研究了EPS的力學(xué)特性。

(1)壓縮性能。EPS材料整個(gè)受壓變形過(guò)程大致可分為3個(gè)階段，即線(xiàn)彈性階段OA、屈服階段AB和硬化階段BC，見(jiàn)圖2[9]。國(guó)內(nèi)外多數(shù)研究資料認(rèn)為可取壓縮應(yīng)變?yōu)?%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為其抗壓強(qiáng)度。壓縮速率不同，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也不同，速率快時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)度高。

圖2 EPS在無(wú)側(cè)限壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[9]Fig.2 Relation of stress-strain of EPS in unconfined compression[9]

(2)蠕變性能。EPS的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律隨荷載的大小不同而不同，荷載大于75 kPa時(shí)應(yīng)變?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)迅速增大，而當(dāng)荷載小于70 kPa時(shí)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢?？梢哉J(rèn)為70 kPa是EPS發(fā)生屈服與否的標(biāo)志，這也就給出了EPS材料的工作范圍。

(3)反復(fù)荷載作用下的力學(xué)特性。由圖3[11]中可知，在壓縮過(guò)程中當(dāng)達(dá)到某一荷載值(如P=50 kPa)時(shí)進(jìn)行卸荷然后再壓，會(huì)發(fā)現(xiàn)EPS的回彈再壓縮曲線(xiàn)像是前段荷載作用下的壓縮曲線(xiàn)的延續(xù)，猶如在此期間沒(méi)有經(jīng)過(guò)卸載和再壓的過(guò)程一樣。

圖3 EPS加卸載試驗(yàn)[11]Fig.3 Loading and unloading tests of EPS[11]

(4)不同密度EPS材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。不同密度的EPS樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)趨勢(shì)是一致的，都存在線(xiàn)彈性、屈服和硬化三個(gè)變形階段，但是對(duì)應(yīng)同一應(yīng)變值的應(yīng)力值不同；隨著材料密度的增大，對(duì)應(yīng)同一應(yīng)變的應(yīng)力值在不斷加大，硬化點(diǎn)在不斷提前。

(5)EPS材料的基本力學(xué)指標(biāo)?；谑覂?nèi)試驗(yàn)[13]，獲得了EPS材料的基本力學(xué)指標(biāo)的取值范圍見(jiàn)表1所示。

表1 EPS材料的基本力學(xué)性能[13]

3 礦井井筒中EPS材料的減荷效應(yīng)

EPS材料在礦井井筒中的應(yīng)用，工程實(shí)踐先于理論研究。大屯孔莊礦風(fēng)井，深250 m，該井首次在外壁和井幫之間鋪設(shè)一層30 mm厚泡沫塑料，設(shè)計(jì)時(shí)井壁承受的壓力按減少20%計(jì)算?；幢碧覉@煤礦主、副井，穿過(guò)表土層289.5 m，該井在井壁和井幫之間墊一層75 mm厚的EPS泡沫，設(shè)計(jì)時(shí)凍結(jié)壓力按減少0.4 MPa計(jì)算[14]。兩個(gè)工程案例均采用泡沫塑料可縮性井壁，但由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有這方面的計(jì)算理論，設(shè)計(jì)時(shí)凍結(jié)壓力一個(gè)比常規(guī)壓力減少20%，一個(gè)減少13.3%。出于安全考慮，是可以理解的，但缺乏理論依據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

何積善[15]開(kāi)始研究這種泡沫塑料可縮性井壁，將井幫的厚度看作無(wú)限大，在垂直和水平壓力作用下內(nèi)壁有一確定的變位，利用軸對(duì)稱(chēng)荷載作用下厚壁筒的計(jì)算公式，推導(dǎo)了井壁上的壓力公式和應(yīng)力公式，如下：

(1)

(2)

(3)

預(yù)留值u難以準(zhǔn)確確定，但理想的u應(yīng)是在井幫穩(wěn)定條件下，井壁所受壓力最小。何積善關(guān)于預(yù)留值u這一論述實(shí)際上就是目前學(xué)術(shù)界和工程界比較流行的現(xiàn)代予力技術(shù)中的“預(yù)位移”技術(shù)[16]。

楊永敏[17]在礦井建設(shè)實(shí)踐中，為了探索泡沫塑料板作為可縮保溫層對(duì)外層井壁凍結(jié)壓力的影響，在淮南謝橋矸石井垂深237 m處的粘土層中作了實(shí)測(cè)研究，見(jiàn)圖4。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：①加了泡沫塑料板的外層井壁，塑料板可縮時(shí)井壁受力很小。當(dāng)塑料板受凍結(jié)壁擠壓緊密后， 井壁受力立即增大，并隨即達(dá)到最大值。②加泡沫塑料板后，外層井壁處于正常的溫度、含水量、無(wú)壓條件下養(yǎng)護(hù)，可延緩高峰壓力出現(xiàn)的時(shí)間，避免了混凝土井壁在初凝期就承受巨大的凍結(jié)壓力。

圖4 謝橋矸石井粘土層凍土壓力實(shí)測(cè)曲線(xiàn)[17]Fig.4 Testing curve of frozen soil pressure in Xieqiao well[17]

賴(lài)應(yīng)得[18]在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用能量學(xué)原理來(lái)考慮井筒井壁問(wèn)題，創(chuàng)造并發(fā)展了基于文克爾假定的能量支護(hù)學(xué)[19]，推導(dǎo)了圍巖和支護(hù)的能量平衡方程，提出用于釋放能量的可縮性材料的選擇原則(一定的抗壓強(qiáng)度、一定的彈性、一定的抗沖擊振動(dòng)能力、耐酸堿、抗腐蝕性能和保溫性能)，并指出EPS材料是各種可縮性材料的首選。其他學(xué)者在研究?jī)鼋Y(jié)壁和井壁時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了泡沫塑料層的減荷效果。崔廣心、楊維好等[20]提出：“外層井壁和凍結(jié)壁之間墊泡沫塑料以25～75 mm為宜，起降低傳冷(隔熱)作用，也可防止混凝土析水被凍結(jié)成為凍害，同時(shí)由于凍結(jié)壁徑向變形壓縮，泡沫塑料層能起到緩和凍結(jié)壓力的作為。粘土層使用效果較明顯。”

圖5為EPS泡沫塑料可縮性井壁的設(shè)計(jì)實(shí)例[20]。計(jì)算結(jié)果表明，這種釋放能量的可縮性井壁結(jié)構(gòu)，適用凍結(jié)深度大、穿過(guò)粘土和鈣質(zhì)粘土凍結(jié)能量和凍結(jié)壓力均大的凍結(jié)井筒，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

圖5 泡沫塑料可縮性井壁示意圖[20]Fig.5 Schematic plot of shrink tier well wall used EPS[20]

礦井井筒中EPS材料的減荷機(jī)理可用能量學(xué)原理加以詮釋?zhuān)褐ёo(hù)形式和支護(hù)強(qiáng)度確定之后，吸收的支護(hù)能量基本確定，所以井筒凍結(jié)壁的位移越大，釋放凍能越多，圍巖對(duì)支護(hù)的壓力就越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)便可以設(shè)計(jì)得越薄。但是能量不能釋放過(guò)多，位移過(guò)大，會(huì)危及凍結(jié)管的安全。利用能量支護(hù)原理，采用EPS泡沫材料作為井壁和凍結(jié)壁之間的緩沖材料，設(shè)計(jì)可縮性井壁結(jié)構(gòu)，使支護(hù)既有一定強(qiáng)度，以吸收圍巖的一部份能量，又可縮，以釋放多余的能量。當(dāng)凍能大于支護(hù)吸收能量時(shí)，釋放多余的能量；凍能小于支護(hù)吸收的能量，支護(hù)不收縮，不釋放能量。這樣，支護(hù)既不被壓壞，又能維護(hù)井筒空間。

4 填土涵洞中EPS材料的減荷效應(yīng)

隨著我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，特別是向重丘和山嶺區(qū)的延伸，高填土路堤下涵洞(或涵管)的受力、變形、沉降與開(kāi)裂問(wèn)題引起了工程界的普遍關(guān)注。如何正確計(jì)算涵洞的實(shí)際受力，以及采取何種工程措施減小洞周土壓力具有重要的研究意義。

顧安全指出一些設(shè)計(jì)部門(mén)采用了計(jì)算值偏小的公式或經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)計(jì)算涵洞頂?shù)拇怪蓖翂毫Γ情_(kāi)裂病害產(chǎn)生的主要原因。他在國(guó)內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)采用柔性材料作為涵洞頂填料，可以改變洞頂應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)證明了柔性材料具有明顯的減荷效應(yīng)，以此提出了采取減荷措施的垂直土壓力計(jì)算公式[21]。關(guān)于柔性材料的選取，Sladen J A[22]指出，EPS泡沫便是最佳選擇。白冰[6]的模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在填土較低的情況下，使用EPS顆粒比EPS板材減壓效果更為明顯，采用EPS顆粒情況下側(cè)向土壓系數(shù)K最小可達(dá)到0.3。

王曉謀[23]基于顧安全的思想，進(jìn)行了用海棉來(lái)模擬EPS材料鋪設(shè)在涵洞上的室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了不同厚度、不同變形模量海綿的減荷效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：海綿的厚度(h*值)越大，減荷效果越好，但是隨著填土高度H的增加，減荷效果會(huì)迅速衰減，見(jiàn)圖6。此外，海綿的變形模量E值越小，減荷效果越顯著，但隨著填土的增高，減荷效果同樣迅速衰減。

圖6 不同厚度海綿的減荷試驗(yàn)結(jié)果[23]Fig.6 Load reducing test results of different thickness of the sponge[23]

金濱[24]認(rèn)為，要達(dá)到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)均佳的減荷效果，EPS材料的壓縮強(qiáng)度和鋪設(shè)厚度至關(guān)重要，而EPS材料的選擇又取決于填土高度、涵洞高度等參數(shù)。

郭婷婷[25]、顧安全[26]結(jié)合四川南廣高速填土涵洞工程實(shí)例，進(jìn)行了涵頂與涵側(cè)同時(shí)鋪設(shè)柔性材料 EPS 板的減荷效果試驗(yàn)對(duì)比。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了EPS材料的顯著減荷效果，并且EPS 板厚度越大，洞頂和洞側(cè)的土壓力越小。顧安全[27]根據(jù)以往EPS 板的現(xiàn)場(chǎng)減荷試驗(yàn)成果和涵洞土壓力理論公式，建立了簡(jiǎn)明的 EPS 板減荷設(shè)計(jì)方法，主要包括涵洞頂和涵側(cè)EPS板密度和厚度的確定，EPS 板切割、鋪設(shè)以及施工要點(diǎn)。

已有理論分析成果、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)論解釋了EPS材料應(yīng)用于填土涵洞的減荷機(jī)理：剛性涵洞近乎于不可壓縮，而兩側(cè)與涵洞同高填土層可以壓縮，導(dǎo)致涵洞兩側(cè)外土柱沉降大于涵頂內(nèi)土柱沉降，在涵頂平面內(nèi)外土柱間出現(xiàn)沉降差+δ，于是在填土施工期間及后期固結(jié)過(guò)程中，涵洞兩側(cè)外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生向下的摩擦力(即附加土壓力)，從而使涵頂垂直土壓力大于涵頂內(nèi)土柱自重壓力。為此，在涵頂鋪設(shè)一定厚度的壓縮性大于填土的EPS柔性材料，促使涵頂平面內(nèi)外土柱間的沉降差為-δ，于是外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生向上的有利摩阻力，從而使涵頂垂直土壓力小于內(nèi)土柱自重壓力。在土力學(xué)中，把這類(lèi)移動(dòng)的土體將部分自重壓力通過(guò)摩擦力的形式轉(zhuǎn)嫁給相對(duì)靜止的土體，從而使移動(dòng)土體向下的壓力減小的這一現(xiàn)象，稱(chēng)之為土拱效應(yīng)。

5 擋土結(jié)構(gòu)中EPS材料的減荷效應(yīng)

擋土結(jié)構(gòu)所受土壓力的大小和計(jì)算理論，一直是土力學(xué)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。隨著土工合成材料的迅速發(fā)展，國(guó)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)在擋土結(jié)構(gòu)和填土之間布設(shè)一定厚度的可壓縮土工合成材料作為緩沖層，可以降低擋土結(jié)構(gòu)所受土壓力[28]。

Horvath認(rèn)為EPS泡沫具有輕質(zhì)、壓縮性高、穩(wěn)定性好、耐久性長(zhǎng)、吸濕性低、隔熱保溫效果好等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的降低側(cè)向土壓力的緩沖材料，并創(chuàng)造性提出了基于EPS泡沫減壓效應(yīng)的減壓擋土墻(Reduced Earth Pressure Wall, REP-Wall)[29-31]。張小平[32]也認(rèn)為用輕質(zhì)泡沫材料作為擋土墻后的填料，可減少豎向荷載，同時(shí)輕質(zhì)材料是一種很好的膠結(jié)材料，它不產(chǎn)生側(cè)向荷載，可減少沉降。

關(guān)于EPS泡沫的減荷效果，Murphy G[33]、葛折圣[34]、Zarnani S[35]、崔曉東[36]、汪益敏[37]、韋杰[38]、Trandafir A C[39.40]、Ertugrul O L[41,42]、Zekkos A A[43]等開(kāi)展了大量的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：無(wú)論是靜荷載還是動(dòng)荷載、剛性墻還是柔性墻，使用EPS泡沫作為緩沖層都起到顯著的減壓效果，側(cè)向土壓力減小幅度可達(dá)30～60%，且與EPS的厚度、壓縮模量密切相關(guān)。從工程經(jīng)濟(jì)學(xué)角度分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于3～12 m高重力式擋墻，采用10 cm厚EPS泡沫作為緩沖層，大約能減少工程造價(jià)28%左右，可見(jiàn)其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著[44]。

將EPS泡沫作為擋土結(jié)構(gòu)和填土之間的緩沖層，其減壓原理如下：

根據(jù)土壓力理論，擋土墻后的土壓力與墻體位移密切關(guān)系，如圖7所示。當(dāng)墻體沒(méi)有側(cè)向移動(dòng)時(shí)，作用在擋土墻上的土壓力稱(chēng)為靜止土壓力E0；墻體向填土方向移動(dòng)，墻后土體發(fā)生擠壓，當(dāng)位移量達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)位移Δp時(shí)，墻后填土臨近破壞狀態(tài)，此時(shí)作用在擋土墻上的土壓力稱(chēng)為被動(dòng)土壓力Ep，即土壓力的最大值；墻體背向填土移動(dòng)，墻后土體因側(cè)限放松而有下滑趨勢(shì)，土內(nèi)潛在滑動(dòng)面剪應(yīng)力增加，土的抗剪強(qiáng)度得以發(fā)揮，土壓力隨墻體移動(dòng)而減小，當(dāng)位移量達(dá)到主動(dòng)極限狀態(tài)位移Δa時(shí)，墻后填土臨近破壞，此時(shí)作用在擋土墻上的土壓力稱(chēng)為主動(dòng)土壓力Ea，即土壓力的最小值[45]。

圖7 土壓力與擋墻位移關(guān)系Fig.7 Relation of soil pressure and displacement of the wall

如果給擋土墻一定的離開(kāi)土體方向的位移量，那么作用在墻體上的土壓力將減小，利用這一點(diǎn)，將EPS板的壓縮變形視為擋土結(jié)構(gòu)背向填土方向產(chǎn)生的位移，則作用在擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力可接近或達(dá)到主動(dòng)狀態(tài)，其值遠(yuǎn)小于靜止土壓力。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上文的分析可以得知，EPS作為一種減荷材料，在國(guó)內(nèi)外逐漸引起工程界和學(xué)術(shù)界的重視，并在礦井、涵洞以及擋土結(jié)構(gòu)中得以成功應(yīng)用。但由于EPS材料本身性能的復(fù)雜性以及研究方法的局限性，在使用過(guò)程中尚有許多需要解決的問(wèn)題。而且在不同的工程應(yīng)用中，EPS材料所表現(xiàn)的減荷效應(yīng)也不盡相同。

針對(duì)礦井井筒中EPS材料的減荷效應(yīng)及機(jī)理研究，今后可從以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：

(1)高應(yīng)力條件下EPS材料的變形特性

在礦井井筒的外井壁和凍結(jié)壁(井幫)之間使用EPS作為減壓材料，EPS在高應(yīng)力條件下的壓縮性能、蠕變性能等變形特性需要進(jìn)一步明確。

(2)復(fù)雜環(huán)境中EPS材料的熱力性能

礦井井筒處于惡劣的工程環(huán)境之中，十分必要研究地下水、溫度變化以及水熱力耦合作用下EPS材料的含水率、滲透性、抗壓性能、抗剪性能、導(dǎo)熱性能。

(3)巖土-EPS-井壁相互作用

基于相互作用理論，探討EPS與巖土、EPS與井壁界面的接觸性狀和力學(xué)響應(yīng)，從而分析其減荷效應(yīng)，此外，由于含水層疏水，引起上覆土體下沉，使井壁產(chǎn)生向下的豎直附加力，故需研究EPS材料的存在對(duì)豎直附加力的影響。

(4)EPS材料減荷效應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

創(chuàng)新研究方法，采用模型試驗(yàn)、數(shù)值試驗(yàn)等手段，驗(yàn)證礦井井筒中EPS材料的減荷效應(yīng)，分析其影響因素，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論提出井壁受力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。

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(編輯 吳 琛)

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