王鳳池，田裴裴，劉甜甜

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) a.交通工程學(xué)院；b.土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168)

廢棄橡膠輪胎的循環(huán)再利用是一個(gè)熱門課題，其主旨在于減輕汽車工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境壓力，核心是以較少的二次能源投入和較低的碳排放將廢棄橡膠輪胎變廢為寶。目前，廢棄橡膠輪胎的主要利用途徑有：舊輪胎翻新、生產(chǎn)膠粉、生產(chǎn)再生膠、熱裂解和土法煉油等，但效果都不理想[1-2]。將廢棄橡膠輪胎整體或物理破碎后作為工程材料，引入土木工程領(lǐng)域，有效解決了廢棄橡膠輪胎與環(huán)保之間的矛盾。

整體利用方面，將廢棄橡膠輪胎內(nèi)填充不同的散體材料，應(yīng)用于擋土墻、邊坡、路基、筑堤等工程中。Garga等[3]、O’shaughnessy等[4]使用廢棄橡膠輪胎作為擋土墻和斜坡建筑的加固，對(duì)填充了黏土和砂的廢棄輪胎加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量拉拔試驗(yàn)，結(jié)果表明，輪胎墊增強(qiáng)材料的抗拔力主要取決于土壤的有效剪切強(qiáng)度；王鳳池等[5]、蘭海洋等[6]提出一種廢棄橡膠輪胎環(huán)箍散體材料的復(fù)合地基形式，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究不同因素對(duì)其承載能力和變形特點(diǎn)的影響；魯洋等[7]、王耀明等[8]提出一種采用廢舊輪胎柱的加筋土結(jié)構(gòu)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了此結(jié)構(gòu)的水平循環(huán)剪切和豎向激振特性，并進(jìn)一步研究了不同填充材料對(duì)廢舊輪胎柱加筋體循環(huán)剪切性能的影響；李麗華等[9]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了廢舊輪胎與土工格室加筋路堤邊坡的性能。破碎再利用方面，將廢棄橡膠輪胎碎片用作擋土墻回填材料[10-11]，或?qū)⑾鹉z顆粒摻入到砂土[12-13]、水泥土[14-15]、黏土[16]、瀝青[17]等材料中，制成新型土工材料加以應(yīng)用。

目前，村鎮(zhèn)建筑普遍存在因地基基礎(chǔ)不均勻沉降而導(dǎo)致的建筑傾斜、墻體開(kāi)裂等現(xiàn)象。地基基礎(chǔ)已經(jīng)成為影響村鎮(zhèn)建筑安全性能的關(guān)鍵因素之一。鑒于此，筆者提出了一種面向村鎮(zhèn)建筑整體利用廢棄輪胎的新型人工地基體系——廢棄橡膠輪胎復(fù)合地基，如圖1所示。村鎮(zhèn)建筑設(shè)計(jì)等級(jí)一般為丙級(jí)，根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，此類建筑物地基承載力為80～300 kPa，方可滿足要求。

圖1 廢棄橡膠輪胎復(fù)合地基

廢棄橡膠輪胎復(fù)合地基的承載力主要來(lái)源于柱狀布置的廢棄橡膠輪胎-散體材料復(fù)合體，研究廢棄橡膠輪胎-砂土復(fù)合體的豎向載荷性能，為復(fù)合地基的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與測(cè)試元件

共設(shè)計(jì)兩類試驗(yàn)：橡膠輪胎條拉伸試驗(yàn)和橡膠輪胎-砂土復(fù)合體軸壓試驗(yàn)。試驗(yàn)所用輪胎為廢棄橡膠輪胎，外徑577.6 mm，內(nèi)徑355.6 mm，胎面高度185 mm，橡膠輪胎內(nèi)部含有鋼絲帶束層，構(gòu)造如圖2所示。

圖2 輪胎的構(gòu)造尺寸

試驗(yàn)加載模型箱的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 300 mm×1 000 mm×800 mm，箱體選用10 mm厚的鋼板焊制而成，以確保進(jìn)行有側(cè)限條件下的軸壓試驗(yàn)時(shí)，模型箱不發(fā)生鼓脹甚至破壞。

試驗(yàn)散體材料選用顆粒級(jí)配良好的廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂(泊松比vs=0.33，E=200 MPa)；土應(yīng)力選用直徑17 mm、量程2 MPa的土壓力盒進(jìn)行量測(cè)；應(yīng)變選用BX120-3AA型號(hào)的應(yīng)變片進(jìn)行量測(cè)；位移選用量程100 mm的位移傳感器進(jìn)行量測(cè)；試驗(yàn)加載板選用30 mm厚的鋼板，加載板直徑與輪胎外徑相同；為克服模型箱對(duì)復(fù)合體的剛性環(huán)箍作用，將10 mm厚橡膠板粘貼在模型箱內(nèi)，用以模擬地基土半無(wú)限空間狀態(tài)。

1.2 試件制作

1.2.1 橡膠輪胎條制作過(guò)程 用角磨機(jī)將輪胎沿胎面紋路切割成條帶，保證切割面平整光滑。為避免橡膠輪胎條與拉力機(jī)夾具咬合時(shí)發(fā)生條帶脫落或受力不均等情況，將試驗(yàn)條帶制作成啞鈴狀。橡膠輪胎條尺寸如圖3所示(單位：mm)。

圖3 橡膠輪胎條(單位：mm)

1.2.2 橡膠輪胎-砂土復(fù)合體制作步驟

1)橡膠輪胎-砂土復(fù)合體由3層輪胎疊加組成，首先，使用酒精對(duì)中間層輪胎內(nèi)測(cè)進(jìn)行擦拭、除油處理，使得被測(cè)點(diǎn)表面平整清潔，以保證應(yīng)變片與胎壁共同變形。待酒精揮發(fā)后，進(jìn)行應(yīng)變片粘貼，粘貼后的應(yīng)變片使用704硅橡膠進(jìn)行防水處理。

2)將標(biāo)準(zhǔn)砂分3層填充至模型箱內(nèi)，每層厚50 mm，并進(jìn)行逐層擊實(shí)(擊實(shí)度為90%)，以避免復(fù)合體在承受豎向載荷時(shí)下部土體產(chǎn)生過(guò)大的壓縮變形。

3)將底層輪胎放入底部填有150 mm厚的標(biāo)準(zhǔn)砂模型箱中，并置于中心位置，把標(biāo)準(zhǔn)砂按照其最優(yōu)含水率(10%)進(jìn)行配制，配制好后，分層填充到輪胎中。每次填充胎高的1/3，并充分夯實(shí)。隨后,把粘貼好應(yīng)變片的中間層輪胎垂直疊加到底層輪胎上，將應(yīng)變片導(dǎo)線從內(nèi)部引出。當(dāng)填充到中間層輪胎胎高的1/2時(shí)，在相應(yīng)位置埋放土壓力盒。完成中間層輪胎制作后,對(duì)土壓力盒進(jìn)行測(cè)量，替換失準(zhǔn)的土壓力盒。最后,進(jìn)行頂層輪胎的制作，工序與底層輪胎相同。

4)對(duì)于胎周有側(cè)限的試驗(yàn)，底層輪胎按照第3)步制作好后，待輪胎周圍空間填充完成后，再進(jìn)行中間層輪胎的疊加制作，依此完成復(fù)合體及輪胎周圍空間的填充。

1.3 試驗(yàn)加載

1)橡膠輪胎條拉伸試驗(yàn)加載裝置如圖4所示，選用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)最大負(fù)荷100 kN，試驗(yàn)分別采用2、20、200 mm/min這3種加載速率。

圖4 橡膠輪胎條拉伸試驗(yàn)加載裝置

2)橡膠輪胎-砂土復(fù)合體軸壓試驗(yàn)加載裝置如圖5、圖6所示，選用試驗(yàn)室9 m高反力架，豎向承載力為1 200 kN，配套選用600 kN千斤頂，最大行程為400 mm。圖5為無(wú)側(cè)限軸壓試驗(yàn)加載裝置，圖6為有側(cè)限軸壓試驗(yàn)加載裝置。

圖5 無(wú)側(cè)限試驗(yàn)加載裝置

圖6 有側(cè)限試驗(yàn)加載裝置

為確保試件能夠均勻受壓，在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)載，加載至10 kN后持載，待讀數(shù)穩(wěn)定再卸載至0，同時(shí)，將各測(cè)試原件讀數(shù)清零。

試驗(yàn)采用分級(jí)加載制，無(wú)側(cè)限軸壓試驗(yàn)共進(jìn)行3組試驗(yàn)研究，為對(duì)比研究加載制度對(duì)復(fù)合體承載能力的影響，分別在不同的加載制度下進(jìn)行；有側(cè)限軸壓試驗(yàn)難度大，因此，只做了1組試驗(yàn)，采用在慢速加載制度下進(jìn)行。采用慢速加載，是因?yàn)樵趥?cè)限試驗(yàn)前已經(jīng)完成了無(wú)側(cè)限約束試驗(yàn)，慢速加載取得了較好的試驗(yàn)效果。圖7為不同加載制度下的時(shí)間-荷載設(shè)計(jì)曲線。

圖7 不同加載制度下的時(shí)間-荷載設(shè)計(jì)曲線

1)慢速加載：每級(jí)勻速加載10 kN，每級(jí)加載完成后持載5 min再進(jìn)行下一級(jí)加載，累加至500 kN時(shí)進(jìn)行持載，待位移不再產(chǎn)生變化方可進(jìn)行卸載。卸載依舊按照每級(jí)10 kN的方式進(jìn)行，直至豎向荷載卸載至0 kN。

2)快速加載：每級(jí)勻速加載20 kN，每級(jí)加載完成后持載1 min再進(jìn)行下一級(jí)加載，同樣，累加至500 kN時(shí)進(jìn)行持載，待位移不再產(chǎn)生變化后，進(jìn)行卸載。依舊按照每級(jí)20 kN的方式進(jìn)行卸載，直至卸載至0 kN。

3)單向往復(fù)加卸載：每級(jí)勻速加載10 kN，每級(jí)加載完成后持載5 min再進(jìn)行下一級(jí)加載，累加至100 kN時(shí),進(jìn)行持載，待位移不再產(chǎn)生變化方可進(jìn)行卸載，再按照10 kN每級(jí)進(jìn)行卸載，直至卸載到0 kN。隨后，繼續(xù)施加荷載，即按照l(shuí)evel1(0 kN-100 kN-0 kN)-level2(0 kN-200 kN-0 kN)-level3(0 kN-300 kN-0 kN)-level4(0-400 kN-0 kN)-level5(0 kN-500 kN-0 kN)的方式進(jìn)行單向循環(huán)加卸載。

1.4 測(cè)試元件布置及作用

土壓力盒與應(yīng)變片均布置于中間層輪胎中，具體分布位置如圖8所示。胎壁上側(cè)、中測(cè)、下側(cè)各放置一個(gè)土壓力盒，胎高1/2平面上等間距的水平放置5個(gè)土壓力盒，分別量測(cè)試件不同位置處的土壓力。胎壁內(nèi)測(cè)共粘貼有18枚應(yīng)變片，包括9枚環(huán)向應(yīng)變片和9枚徑向應(yīng)變片，分別用以量測(cè)輪胎內(nèi)壁的環(huán)向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。

圖8 土壓力盒與應(yīng)變片布置

試驗(yàn)加載裝置中，加載板上的兩個(gè)位移計(jì)量測(cè)橡膠輪胎-砂土復(fù)合體的縱向沉降量，中間的位移計(jì)量測(cè)橡膠輪胎-砂土復(fù)合體的徑向位移。

2 兩個(gè)重要定義

2.1 環(huán)箍效應(yīng)

橡膠輪胎-砂土復(fù)合體在豎向荷載作用下，胎內(nèi)砂土沿加荷方向發(fā)生豎向沉降的同時(shí)，也因泊松效應(yīng)產(chǎn)生橫向膨脹，外部橡膠輪胎對(duì)砂土的橫向膨脹起約束作用，這種約束作用稱為環(huán)箍效應(yīng)。受荷時(shí)，砂土處于三向受壓狀態(tài)，橡膠輪胎也受三向應(yīng)力作用，示意圖如圖9所示。在豎向荷載F作用下，砂土對(duì)輪胎內(nèi)壁的側(cè)向壓力為qr；橡膠輪胎所受的三向應(yīng)力為豎向應(yīng)力σz、徑向應(yīng)力σr、環(huán)向應(yīng)力σθ；橡膠輪胎的環(huán)向位移為uθ，徑向位移為ur。

圖9 復(fù)合體應(yīng)力單元

2.2 自恢復(fù)能力

在豎向荷載F作用下，復(fù)合體產(chǎn)生豎向沉降和側(cè)向鼓脹變形，散體材料更加密實(shí)，使周圍彈塑性的橡膠輪胎受壓變形并儲(chǔ)存彈性勢(shì)能；當(dāng)外荷載卸去后，變形的橡膠輪胎能恢復(fù)部分形變，并帶動(dòng)已發(fā)生塑性變形的散粒材料共同運(yùn)動(dòng)，將儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能以動(dòng)能的形式釋放出來(lái)。將這種復(fù)合體可恢復(fù)部分形變的能力定義為自恢復(fù)能力，自恢復(fù)能力系數(shù)為K。

K=(Δ-Δi)/Δ(i=1,2,3,…)

(1)

式中：Δ為加載完成時(shí)復(fù)合體的沉降量，mm；Δi為卸載完成時(shí)，復(fù)合體的沉降量，mm，如圖10所示。自恢復(fù)能力系數(shù)值越接近于1，說(shuō)明復(fù)合體的自恢復(fù)性能越好。

圖10 自恢復(fù)力計(jì)算方法示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 橡膠輪胎的彈性模量

如圖11所示，彈性模量取應(yīng)力-應(yīng)變曲線原點(diǎn)的切線與橫軸夾角的正切值。而應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的任一點(diǎn)C與原點(diǎn)連線和橫軸夾角的正切值稱為割線模量。從圖12中可以看出，橡膠輪胎條的σ-ε曲線經(jīng)歷了典型的彈性階段和破壞階段，而塑性破壞階段并不明顯。因此，將不同加載速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)與原點(diǎn)連線，并將其均值線與橫軸夾角的正切值作為輪胎橡膠的彈性模量，即式(2)。

(2)

式中：α為割線與橫坐標(biāo)的夾角；σC為總應(yīng)力；εC為總應(yīng)變。將曲線的割線彈性模量取平均值，得到橡膠輪胎的彈性模量E=130.3 MPa。

圖11 模量選取方式示意圖

圖12 橡膠輪胎條的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

3.2 加載制度對(duì)復(fù)合體承載能力影響

圖13為不同加載制度下的p-s曲線。從復(fù)合體受壓的軸向荷載-沉降曲線分析，前期加載階段曲線成線性變化，外部橡膠輪胎與胎內(nèi)散粒體發(fā)生協(xié)同變形，p-s成正比關(guān)系；后期加載階段，隨著荷載的增大沉降略有減小，呈現(xiàn)出下凹的趨勢(shì)，說(shuō)明內(nèi)部散粒體被壓的愈發(fā)緊密，孔隙已經(jīng)難以被壓縮；前期卸載階段，隨著荷載逐漸減小，復(fù)合體的沉降量無(wú)明顯變化，表明此階段復(fù)合體所承受的豎向荷載始終大于自恢復(fù)所產(chǎn)生的回彈力；后期卸載階段，當(dāng)豎向載荷小于0.4 MPa時(shí)，沉降量隨荷載的減小而減少，當(dāng)卸載完成時(shí)，復(fù)合體無(wú)法回彈到初始狀態(tài)，說(shuō)明其變形為彈塑性變形。

圖13 不同加載制度下的p-s曲線圖

從p-s曲線整體分析，相同載荷作用時(shí)，不同加載制度下，復(fù)合體的沉降量由大到小依次為：快速加卸載、慢速加卸載、單向往復(fù)加卸載。快速加卸載時(shí)，每級(jí)加載完成后持載時(shí)間為1 min，胎內(nèi)砂土未能充分流動(dòng)，砂土中應(yīng)力擴(kuò)散不均勻，對(duì)輪胎產(chǎn)生的側(cè)向壓力qr較小，輪胎的環(huán)箍效應(yīng)未能充分發(fā)揮，故復(fù)合體的沉降量較大。慢速加卸載時(shí)，每級(jí)加載完成后持載時(shí)間為5 min，此階段胎內(nèi)砂土得以充分流動(dòng)，砂土中應(yīng)力擴(kuò)散充分，砂土的徑向膨脹使輪胎發(fā)生拉伸變形，橡膠輪胎產(chǎn)生環(huán)箍應(yīng)力作用到砂土上，進(jìn)一步增強(qiáng)了砂土的圍壓，減少了砂土的豎向沉降。單向往復(fù)加卸載時(shí),復(fù)合體最終沉降量最小，由波克羅夫斯基提出的接觸理論可知，散粒體顆粒彼此的接觸不是沿著它們的整個(gè)表面，而是單個(gè)接觸點(diǎn)，接觸點(diǎn)數(shù)越多，散粒體抵抗作用力就越大，在該力作用下的變形越小。與另外兩種加載制度相比，單向往復(fù)加卸載下,胎中散粒體最為密實(shí)，顆粒間接觸點(diǎn)數(shù)最多，故沉降量最小。

快速加載制度下，Δ=47.78 mm、Δi=32.5 mm、自恢復(fù)能力系數(shù)K=0.32；慢速加載制度下，Δ=40.26 mm、Δi=26.76 mm、K=0.34；單向往復(fù)加卸載制度下，Δ=31.8 mm、Δ5=11.16 mm、K=0.65。單向往復(fù)加卸載制度下復(fù)合體的自恢復(fù)性能最好。

圖14為單向往復(fù)加卸載制度下各級(jí)沉降量圖，由圖14可看出，各級(jí)加載完成時(shí)，試件的沉降量隨加載等級(jí)的提高而增加，荷載越大，沉降量越大。已有試驗(yàn)表明[5]，3胎疊合體的極限承載力接近6 MPa，2 MPa荷載前，沉降基本呈線性變化，與試驗(yàn)基本相吻合。各級(jí)卸載完成時(shí)，試件的沉降增量隨等級(jí)的提高而不斷減小，因?yàn)橄鹉z輪胎不是彈性材料，每次卸載為0時(shí)，塑性變形不能恢復(fù)，即存在一定的殘余變形，隨著加卸載次數(shù)的增加，塑性變形耗盡，所以，經(jīng)過(guò)多次加卸載后，試件的沉降量會(huì)趨于一個(gè)定值。

圖14 單向往復(fù)加卸載下各級(jí)沉降量圖

3.3 側(cè)限約束對(duì)復(fù)合體承載能力影響

圖15為不同側(cè)限條件下的p-s曲線。從單一曲線分析：加載階段,p-s成正比關(guān)系，外部橡膠輪胎與胎內(nèi)散粒體發(fā)生協(xié)同變形；前期卸載階段，由于豎向荷載遠(yuǎn)大于復(fù)合體自恢復(fù)回彈力，故沉降量無(wú)明顯變化；后期卸載階段，隨著荷載的減小，沉降量變化逐漸明顯。從整體曲線分析：同一豎向荷載作用時(shí)，與無(wú)側(cè)限條件相比，有側(cè)限條件下,復(fù)合體的沉降量更小。其原因是，有側(cè)限條件下，復(fù)合體受荷發(fā)生膨脹變形時(shí)，胎周土體會(huì)產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力阻止復(fù)合體側(cè)向變形。

圖15 不同側(cè)限條件下的p -s曲線圖

圖16為不同側(cè)限條件下的時(shí)間-沉降曲線圖，橫坐標(biāo)以卸載開(kāi)始時(shí)間為起點(diǎn)，縱坐標(biāo)以加載最終沉降量為起點(diǎn)。卸載開(kāi)始時(shí)，有、無(wú)側(cè)限條件下復(fù)合體的沉降量分別為26.68、40.26 mm；卸載完成時(shí)(300 min)，復(fù)合體的彈性變形恢復(fù)，剩余的塑性變形未能恢復(fù)，此時(shí)，有、無(wú)側(cè)限條件下，復(fù)合體的沉降量分別為16.29、26.76 mm；卸載完成后，雖然外力已全部撤去，但橡膠輪胎中仍存在部分殘留的彈性勢(shì)能，散粒體之間也存在著未完全擴(kuò)散的應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，輪胎中的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)散粒體運(yùn)動(dòng)，少部分塑性變形慢慢恢復(fù)，待數(shù)值穩(wěn)定后，有、無(wú)側(cè)限條件下，復(fù)合體的最終沉降量分別為14.67、21.66 mm。

圖16 不同側(cè)限條件下的時(shí)間-沉降曲線圖

由表1可知，有、無(wú)側(cè)限條件下，試件的自恢復(fù)能力系數(shù)分別為0.45、0.46，兩者差異較小，說(shuō)明橡膠輪胎-砂土復(fù)合體的自恢復(fù)能力與胎周環(huán)境無(wú)關(guān)。

表1 不同側(cè)限條件下的自恢復(fù)能力Table 1 Self-recovery under different confined condition

圖17為橡膠輪胎-砂土復(fù)合體與胎周土體關(guān)系圖。在豎向荷載F作用下，復(fù)合體發(fā)生鼓脹變形，作用于胎周土體的側(cè)向壓力qu產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形。其原因是隨著荷載開(kāi)始施加并逐漸增大，側(cè)向壓力qu也隨之增大，胎周土體從彈性變形狀態(tài)逐步進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，且塑性區(qū)不斷發(fā)展，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)，塑性區(qū)半徑為rp，復(fù)合體半徑由r0擴(kuò)大到ru；當(dāng)卸去荷載時(shí)，變形的橡膠輪胎帶動(dòng)內(nèi)部的散粒材料恢復(fù)部分形變，而胎周土體由于發(fā)生塑性變形而無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。故復(fù)合體自恢復(fù)形變時(shí)，胎周土體并沒(méi)有發(fā)揮作用。因此，柱狀構(gòu)造的廢棄輪胎復(fù)合地基，可采用Winkler地基模型計(jì)算。

圖17 復(fù)合體與胎周土體關(guān)系圖

3.4 荷載-徑向變形關(guān)系

圖18為不同側(cè)限條件下的荷載-徑向位移關(guān)系曲線。加載初始，胎內(nèi)散粒體因豎向荷載作用被壓密，主要發(fā)生豎向位移沉降，故此階段徑向位移ur的數(shù)值較小，且有、無(wú)側(cè)限條件下的荷載-徑向位移曲線相互重合。當(dāng)豎向荷載F越來(lái)越大時(shí)，胎內(nèi)散粒體開(kāi)始產(chǎn)生橫向膨脹，散粒體對(duì)輪胎內(nèi)壁產(chǎn)生的側(cè)向壓力qr越來(lái)越大，橡膠輪胎發(fā)揮其環(huán)箍效應(yīng)，約束散粒體橫向變形。卸載階段，從開(kāi)始卸載到卸至0.4 MPa時(shí)，由于豎向荷載遠(yuǎn)大于復(fù)合體自恢復(fù)回彈力，故胎周位移計(jì)讀數(shù)始終無(wú)明顯變化；當(dāng)豎向荷載小于0.4 MPa時(shí)，橡膠輪胎發(fā)揮其環(huán)箍作用，復(fù)合體不斷恢復(fù)形變。

圖18 不同側(cè)限條件下的荷載-徑向位移曲線圖

3.5 胎體應(yīng)力分布場(chǎng)

根據(jù)胎內(nèi)壁應(yīng)變片量測(cè)得到的數(shù)據(jù)繪制荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線(圖19、圖20)可以看出，荷載-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系。因此，可以根據(jù)式(2)計(jì)算胎中應(yīng)力。

圖19 無(wú)側(cè)限條件下荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線

圖20 有側(cè)限條件下荷載-環(huán)向應(yīng)變曲線

利用橡膠輪胎拉伸試驗(yàn)測(cè)得的彈性模量，計(jì)算相同豎向荷載作用下,不同位置的應(yīng)力，繪出圖21、圖22應(yīng)力分布圖(內(nèi)部數(shù)字表示胎壁位置)。

圖21為無(wú)側(cè)限條件下輪胎各部位環(huán)向應(yīng)力分布，各部位應(yīng)力均隨著豎向荷載增大而增大，其中，9號(hào)與1號(hào)位置的應(yīng)力最大，在輪胎邊緣處，由于應(yīng)力集中，環(huán)向應(yīng)力較大。胎壁側(cè)5號(hào)位置既要承受上部荷載，又要承受內(nèi)部散體材料的側(cè)向擠壓作用，因此，其應(yīng)力值僅次于9號(hào)和1號(hào)。圖22為有側(cè)限條件下輪胎各部位環(huán)向應(yīng)力分布，胎壁環(huán)向應(yīng)力相對(duì)較大，隨著豎向荷載的增大，胎壁各處應(yīng)力在胎周土體的約束作用下趨于等值。上、下胎側(cè)處應(yīng)力值較小，由于胎周土體對(duì)復(fù)合體產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，抑制復(fù)合體發(fā)生形變。

圖21 無(wú)側(cè)限條件下環(huán)向應(yīng)力分布

圖22 有側(cè)限條件下環(huán)向應(yīng)力分布

3.6 胎體內(nèi)土應(yīng)力分布規(guī)律

圖23為同一徑向平面上豎向荷載-土應(yīng)力關(guān)系曲線，胎內(nèi)土應(yīng)力隨荷載整體呈線性變化。同一荷載作用下，胎內(nèi)中心處土應(yīng)力始終小于兩側(cè)散粒體的土應(yīng)力，說(shuō)明橡膠輪胎發(fā)揮了環(huán)箍效應(yīng)，距離復(fù)合體中心處越近，受橡膠輪胎環(huán)箍效應(yīng)的影響越小，土應(yīng)力值越大。

圖23 豎向荷載-土應(yīng)力關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1)廢棄橡膠輪胎-砂土復(fù)合體復(fù)合地基，依靠橡膠輪胎的環(huán)箍效應(yīng)可形成較好的承載體，能滿足村鎮(zhèn)建筑對(duì)地基承載力的要求。

2)廢棄橡膠輪胎-砂土復(fù)合體的承載能力與加載制度有關(guān)。與快速加載及慢速加載相比，單向往復(fù)加卸載條件下，復(fù)合體的沉降量最小，自恢復(fù)能力和承載能力最優(yōu)。

3)廢棄橡膠輪胎-砂土復(fù)合體的承載能力與胎周環(huán)境有關(guān)。有側(cè)限條件下,復(fù)合體的承載性能較好，但復(fù)合體的自恢復(fù)能力與胎周環(huán)境無(wú)關(guān)。

4)廢棄橡膠輪胎-砂土復(fù)合體承受上部荷載時(shí)，輪胎內(nèi)壁不同位置處的環(huán)向應(yīng)力各不相同，有無(wú)側(cè)限條件下的應(yīng)力分布規(guī)律也不同。

5)廢棄橡膠輪胎-砂土復(fù)合體中橡膠輪胎的環(huán)箍效應(yīng)具有一定的影響范圍，即同一徑向平面上，距離復(fù)合體中心處越近，受橡膠輪胎環(huán)箍效應(yīng)的影響越小，土應(yīng)力值越大。