周恩全, 王瓊, 陸建飛

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展為現(xiàn)代社會(huì)提供便利的同時(shí)，也產(chǎn)生了愈來(lái)愈多難以處理的廢舊輪胎。如果廢舊輪胎處理不當(dāng)，不僅造成環(huán)境污染，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)并危害人們健康，如1999年美國(guó)Stanislaus縣數(shù)百萬(wàn)廢棄輪胎發(fā)生自燃，嚴(yán)重污染環(huán)境[1]。研究表明，橡膠砂混合土具有體積密度低、物理化學(xué)耐久性好，滲透性與純砂相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)[2]。因此，橡膠砂作為輕質(zhì)填料已探索性地應(yīng)用于公路路堤[3-4]、擋土墻后填土[5-6]，也作為消能墊層應(yīng)用于動(dòng)力基礎(chǔ)或建筑基礎(chǔ)中，以減少振動(dòng)和地震影響[7-9]。

對(duì)橡膠砂混合土的壓縮特性及抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究是將其應(yīng)用到實(shí)際工程中的必要前提。目前，學(xué)者主要對(duì)干燥或稍濕狀態(tài)的橡膠砂開(kāi)展了壓縮特性研究，研究表明，橡膠砂的壓縮性能、回彈模量與橡膠含量密切相關(guān)，壓縮變形和回彈變形隨著橡膠含量的增加而增加[10-11]；Rao等[12]還指出當(dāng)橡膠顆粒含量超過(guò)某一臨界值(20%)時(shí)，其豎向應(yīng)變會(huì)急劇增大；鄧安等[10]針對(duì)含水量約為5%的橡膠砂開(kāi)展壓縮試驗(yàn)，提出了一種雙曲線方程來(lái)描述橡膠砂變形與加載之間的關(guān)系。同樣，關(guān)于其抗剪強(qiáng)度特性，學(xué)者們也主要關(guān)注了干燥或稍濕狀態(tài)時(shí)的橡膠砂，但研究仍沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。Anvari等[13]、顧成壯等[14]研究發(fā)現(xiàn)混合土的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著橡膠顆粒的加入而變大，Ghazavi[15]研究表明橡膠含量對(duì)混合土抗剪強(qiáng)度影響并不大，而Tanchaisawat等[16]研究發(fā)現(xiàn)橡膠含量的增大反而會(huì)使得混合土抗剪強(qiáng)度下降；關(guān)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，絕大多數(shù)學(xué)者均認(rèn)為加入橡膠顆粒會(huì)導(dǎo)致混合土內(nèi)摩擦角變大，但Sellaf等[5]研究卻發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠含量的增加，橡膠砂內(nèi)摩擦角的變化并無(wú)規(guī)律性。

這些研究積極推動(dòng)了廢舊橡膠的工程應(yīng)用[17-19]，但研究主要關(guān)注干燥或稍濕狀態(tài)下橡膠砂的力學(xué)特性，對(duì)高含水量狀態(tài)下橡膠砂壓縮及抗剪強(qiáng)度特性的研究不多，而作為公路路基填料或支護(hù)結(jié)構(gòu)回填料的橡膠砂需要考慮處于潮濕或飽和狀態(tài)等不利條件下的力學(xué)性質(zhì)變化。本文采用壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)研究了干燥和飽和狀態(tài)下橡膠砂混合土的壓縮特性及抗剪強(qiáng)度特性。

1 壓縮特性研究

1.1 試驗(yàn)材料、試樣制備和試驗(yàn)過(guò)程

1.1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)研究對(duì)象為橡膠砂混合土，由福建標(biāo)準(zhǔn)砂和橡膠顆?；旌现瞥?，具體參數(shù)見(jiàn)表1。福建標(biāo)準(zhǔn)砂的最大、最小干重度分別為18.53、16.01 kN/m3，測(cè)定流程均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[20]進(jìn)行，橡膠顆粒是將廢舊輪胎通過(guò)機(jī)械切割、破碎并除去鋼絞線后得到，其粒徑為1～5 mm，根據(jù)ASTMD 6270-08(2012)劃分屬于橡膠顆粒[21]。圖1、圖2給出了試驗(yàn)所用材料的實(shí)物圖和顆粒級(jí)配曲線。

壓縮試驗(yàn)所用儀器為WG-1C型單杠桿中壓固結(jié)儀。

表1 試驗(yàn)用福建標(biāo)準(zhǔn)砂及橡膠顆粒的物理參數(shù)Table 1 Index properties of the Fujian sand and rubber particles used in the tests

圖1 試驗(yàn)用材料

圖2 福建標(biāo)準(zhǔn)砂和橡膠顆粒的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grain size distribution of Fujian sand and

(1)

式中：RC指橡膠顆粒的質(zhì)量含量，%；mR為橡膠質(zhì)量；mS為砂質(zhì)量。

表2 壓縮試驗(yàn)的影響因素Table 2 The influence factors of compression tests

圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8 mm和20 mm，分3層擊實(shí)制樣。對(duì)于4個(gè)干燥工況，將擊實(shí)后的干燥試樣直接安裝到固結(jié)儀里，調(diào)平后開(kāi)始加載，如圖3(a)所示。對(duì)于4個(gè)飽和工況，先將擊實(shí)后的干燥試樣置于真空飽和器內(nèi)，抽2 h真空來(lái)保證試樣完全飽和，然后將飽和試樣安裝到固結(jié)儀中，后續(xù)操作同干燥試樣，開(kāi)始進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，如圖3(b)所示。

圖3 制備完成的試樣

試驗(yàn)中設(shè)置了11級(jí)豎向荷載：12.5、25、50、100、200、400、800、400、200、100、0 kPa，每級(jí)加載后固結(jié)約24 h后視為穩(wěn)定狀態(tài)，即可進(jìn)行下一級(jí)加載。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同工況下試樣的壓縮回彈曲線Fig.4 The vertical settlement and rebound curves of samples under different

圖5 不同工況下試樣的豎向應(yīng)變Fig.5 Vertical strains under different

2 抗剪特性研究

2.1 試驗(yàn)方案

直剪試驗(yàn)所用儀器為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8 mm和20 mm。

在直剪試驗(yàn)中，同樣探討了橡膠顆粒含量和干濕狀態(tài)對(duì)橡膠砂抗剪特性的影響。橡膠質(zhì)量含量分別為0%、5%、10%和15%，干濕狀態(tài)分別為干燥和飽和狀態(tài)，具體參數(shù)同表2。試驗(yàn)材料和試樣制備方法與上述壓縮試驗(yàn)相同。試驗(yàn)設(shè)置了4組正應(yīng)力：100、200、300、400 kPa。剪切位移速率為2.4 mm/min。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線Fig.6 Shear stress-horizontal displacement

圖7 不同試樣的抗剪強(qiáng)度Fig.7 The shear strength of different

2.2.1 抗剪強(qiáng)度 圖7給出了不同試樣的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)無(wú)峰值應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)，將剪切位移4 mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力定義為試樣的抗剪強(qiáng)度[20]。從圖7中發(fā)現(xiàn)：1)抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力增大而增大；2)總體上抗剪強(qiáng)度受橡膠顆粒含量的影響不明顯，這與Ghazavi[15]的研究結(jié)論是一致的。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角。圖8給出了內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系曲線，從中可發(fā)現(xiàn)：干燥及飽和狀態(tài)下內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢(shì)：干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量增大而大幅度減小，但飽和試樣橡膠含量增大，內(nèi)摩擦角并沒(méi)有下降，反而輕微增加。

圖8 內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系Fig.8 The relationship between internal friction

內(nèi)摩擦角由兩部分組成：滑動(dòng)摩擦w1和咬合摩擦w2。對(duì)于干燥試樣，橡膠顆粒的加入可能會(huì)增大顆粒間的滑動(dòng)摩擦w1，但由于橡膠顆粒使得混合土試樣呈現(xiàn)出明顯的剪縮特性，導(dǎo)致剪脹效應(yīng)減小，即咬合摩擦w2減小，顯然，當(dāng)前干燥條件下咬合摩擦w2減小的程度要大于滑動(dòng)摩擦w1的增加，所以，干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量增大而減小。對(duì)于飽和試樣，一方面孔隙水破壞顆粒表面的吸附膜以及橡膠顆粒的加入同時(shí)增大了滑動(dòng)摩擦w1，另一方面，混合土的剪縮導(dǎo)致咬合摩擦w2減小，當(dāng)前飽和條件下咬合摩擦w2減小的程度要小于滑動(dòng)摩擦w1的增加，所以，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量的增大而輕微增大。需要說(shuō)明的是，上述機(jī)理是基于試驗(yàn)結(jié)果分析，仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證研究。

將Duncan-Chang模型應(yīng)用到直剪試驗(yàn)中，可以得到不同正應(yīng)力下橡膠砂剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

(2)

式中：τ為剪應(yīng)力；δ為剪切位移；D為試樣直徑；參數(shù)a為初始切線模量Esi的倒數(shù)；參數(shù)b為極限剪切強(qiáng)度τult的倒數(shù)。

1)初始剪切模量

初始切線剪切模量Esi與正應(yīng)力σn間具有的關(guān)系

(3)

式中：k為無(wú)量綱模型參數(shù)；n為無(wú)量綱指數(shù)參數(shù)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.4 kPa。

2)模型參數(shù)的確定

將式(2)變換為：

(4)

對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù)，可得

(5)

3 結(jié)論

1)橡膠砂的壓縮變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成，隨著橡膠含量的增加，兩者均逐漸增加，但彈性變形的增長(zhǎng)更明顯。飽和橡膠砂的壓縮變形要明顯大于干燥橡膠砂的壓縮變形量。

3)橡膠砂的抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力的增大而增大，但受橡膠顆粒含量的影響不明顯。干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠顆粒含量的增加而減小，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠顆粒含量增加而變大?？紫端畬?duì)試樣內(nèi)摩擦角的影響較為明顯且機(jī)理復(fù)雜，需進(jìn)一步研究。