Mechanical behavior of expanded polystyrene (EPS) under static and cyclic loading

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.ObhájenoNowadays, development of constructions and infrastructures has been moved to marginal areas due to population growth and thus, variable ground conditions might be encountered frequently along civil projects. With the growing needs for new constructions, novel methods are studied to enable quicker construction of embankments. As a solution, Expanded Polystyrene (EPS) geofoams are frequently used for a broad range of civil engineering, mining and agricultural applications. Performance of EPS geofoam systems is mainly dependent on the overlying soil thickness, density of EPS geofoam layers, thickness of EPS layers and the type and amplitude of applied pressure. Considering reduction in overburden and accelerating construction, EPS geofoam has served as an ultra-light weight material however, studies that consider the effect of these parameters as well as mechanical properties of EPS geofoams are rare, or in some cases non-existing. To investigate the effect of these factors, a series of small-scale as well as large-scale tests were carried out under static and cyclic loading which then, accompanied with numerical analyses (for the static loading condition). The static small-scale tests were performed by using universal testing machine however the large-scale tests were carried out using special testing box. The box dimensions were 2200x2200 mm in plan and up to 1400 mm in height and loading plate dimension was 300 mm. The repeated loading was applied as 100 cycles of 275 kPa pressure, followed by 400 cycles of 550 kPa pressure (equivalent to 39 kN), with 10 second time per each load application. EPS densities of 14.4 to 28.8 kg/m3 were tested and gravelly sand was used as the overlying layer. The uniaxial test results show that a cylindrical shape might have an advantage over the cubic shape due to more uniform pressure distribution on the top and bottom surfaces of the samples. Also, the train rate, can influence both elastic modulus and compressive strength of the EPS geofoam. The results during static loading indicated that increasing soil thickness from 300 to 600 mm reduced settlements by up to 65% and provision of reinforcement could cause up to 54% reduction in surface settlements. Numerical analyses signified that increasing the vertical gap between EPS blocks from 0 to 5 mm substantially increased surface settlement in the unreinforced pavement, though settlements due to gaps were almost diminished by using reinforcement. Under repeated loading, the rut depths reduced by 13.5% and 40.8% with increasing the soil thickness by 33% and 100% from 300 mm, respectively. Increasing thickness of the overlying denser EPS geofoam layer beyond 200 mm (and simultaneous decrease of bottom EPS thickness) would only result in a 20% decrease in the peak settlements at the final loading cycle. EPS density can be reduced to a minimum of 19.4 kg/m3, provided that 600 mm thick soil layer is used