Mechanické chování expandovaného polystyrenu (EPS) za statického a cyklického zatěžování

Abstract

V současnosti se kvůli populačnímu růstu vývoj staveb a infrastruktur přesouvá i do nových oblastí, kde se ve stavebních projektech mohou často vyskytovat komplikované geodetické podmínky. S rostoucí potřebou nových staveb jsou vyvíjeny nové metody umožňující rychlejší stavbu násypů. Jednou z možností řešení jsou tzv. "geofoamy" z expandovaného polystyrenu (EPS), kterou jsou použitelné pro širokou škálu stavebních, těžebních i zemědělských aplikací. Výkon geofoamových systémů EPS závisí především na tloušťce použité nadložní zeminy, hustotě a tloušťce vrstev EPS a na charakteru zatěžování stavby. S ohledem na minimalizaci nadloží a na požadavky urychlení staveb byla vypracována tato studie zaměřená na aplikaci EPS, jako ultralehkého materiálu, která zahrnuje účinky reálných podmínek použití na vlastnosti EPS geofoamů. Studie tohoto typu jsou v literatuře doposud velmi ojedinělé a pro některé podmínky zcela chybí. Pro zkoumání vlivu zatěžovacích faktorů byla v této práci provedena řada zkoušek v malém i ve velkém měřítku a to jak při statickém, tak při cyklickém zatížení. Experimenty byly doprovázeny numerickými analýzami pro podmínky statického zatížení. Statické zkoušky na malých modelech byly prováděny pomocí univerzálního testovacího stroje, velkorozměrové zkoušení bylo provedeno pomocí speciálního testovacího zařízení s velkou testovací matricí. Půdorysné rozměry matrice byly 2200 x 2200 mm s výškou 1400 mm. Rozměr standardní zatěžovací desky byl 300 mm. Opakované zatěžování bylo provedeno se 100 cykly o tlaku 275 kPa a následně 400 cykly při tlaku 550 kPa (ekvivalent 39 kN) s 10 sekundovou periodou na každou aplikaci zatěžování. Z hlediska materiálu byly zkoušeny hustoty EPS od 14.4 až 28.8 kg/m3. Jako reálná nadložní vrstva byl použit štěrkový písek. Výsledky jednoosé zkoušky ukázaly, že válcový tvar zkušební matrice má výhodu oproti krychlovému tvaru, především díky rovnoměrnějšímu rozložení tlaku na horní a spodní povrch vzorků. Dále bylo zjištěno, že rychlost zatížení ovlivňuje jak modul pružnosti, tak pevnost v tlaku. Výsledky při statickém zatížení ukázaly, že zvýšení tloušťky nadložní zeminy z 300 na 600 mm snížilo sesedání až o 65%. Použití geotextilie může zabezpečit až 54% snížení povrchového sedání. Numerické analýzy potvrdily, že zvětšení svislé mezery mezi bloky EPS z 0 na 5 mm podstatně zvyšuje sesedání povrchu, pokud není použita geotextilie. Geotextilie celkově výrazně eliminuje sesedání zeminy. Při opakovaném zatížení byla hloubka vyjeté koleje oproti původní tloušťce zeminy 7.5mm. Pokud se mocnost zeminy v nadloží zvětšila o jednu třetinu, pak se hloubka vyjeté koleje snížila o 13.5% a při dvojnásobné tloušťce nadloží došlo ke snížení hloubky vyjeté koleje o 40.8%. Zvýšení hustoty použitého EPS umožňuje snížit nadložní vrstvu na 200 mm. Pokud je použita dvojnásobně silná vrstva nadložní zeminy, lze dosáhnout pouze 20% snížení hloubky vyjeté koleje. Pokud je použita vrstva zeminy o tloušťce minimálně 600 mm lze dosáhnout optimální skladby konstrukce s hustotou EPS sníženou až na 19.4 kg/m3.