魯 洋， 劉斯宏， 張雨灼， 徐小東

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

STC加筋砂水平循環(huán)剪切與豎向激振特性試驗(yàn)研究①

魯 洋， 劉斯宏， 張雨灼， 徐小東

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，大量廢舊輪胎帶來的“黑色污染”問題日益顯著。提出一種采用廢舊輪胎柱(Scrap tire columns，STC)的加筋土結(jié)構(gòu)，并初步探究其作為基礎(chǔ)減隔振材料的可行性。通過室內(nèi)水平循環(huán)剪切試驗(yàn)和豎向激振試驗(yàn)研究STC加筋砂(STCRS)的水平循環(huán)剪切和豎向激振特性。結(jié)果表明，最大剪應(yīng)變?yōu)?%時(shí)STCRS的等效阻尼比未加筋前增加約10%，等效動(dòng)剪切模量減小20%～25%，水平向減振性能得以提高；STCRS的豎向加速度衰減呈現(xiàn)出速度快、幅值大的特點(diǎn)，豎向減振效果較未加筋砂顯著提高。STC加筋砂作為基礎(chǔ)減振材料是可行的，且為原形廢舊輪胎的資源化利用提供新思路。

廢舊輪胎； 砂； 水平循環(huán)剪切； 豎向激振； 減隔振； 環(huán)境巖土

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，汽車數(shù)量劇增，廢舊輪胎帶來的“黑色污染”問題日益顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-2]①中華人民共和國國家發(fā)展與改革委員會(huì).中國資源綜合利用年度報(bào)告(2012)，2012.，2011年我國廢舊輪胎產(chǎn)生量約1 000萬噸，2013年達(dá)1 080萬噸，已超過美國，成為全球廢舊輪胎生產(chǎn)第一大國。廢舊輪胎的綜合利用已成為解決環(huán)境和資源再生問題的重要手段，目前利用方式主要包括：廢舊輪胎翻新、再生膠生產(chǎn)、熱裂解回收利用、原形改制和硫化膠粉生產(chǎn)等。在巖土工程領(lǐng)域，國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)察覺到廢舊輪胎的潛在利用價(jià)值，將其“變廢為寶”，廣泛用于擋土墻構(gòu)筑[3]、邊坡加固[5]、堤岸加固[5]、道路工程[6]和輕質(zhì)回填土[7]等工程中。

基礎(chǔ)減振技術(shù)在近幾十年的防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，傳統(tǒng)減振技術(shù)的減震消能效果優(yōu)越，但是由于加工成本和安裝技術(shù)等因素制約，一般只應(yīng)用于政府大樓、醫(yī)院、學(xué)校、核電站等重要建筑結(jié)構(gòu)[8]。近年來針對(duì)村鎮(zhèn)及經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)問題已經(jīng)逐漸引起人們的重視，國內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)簡易、經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)減振措施進(jìn)行了有益探索，如尚守平[9]提出了鋼筋瀝青隔振系統(tǒng)，錢國楨[10]發(fā)明了封閉式約束沙墊層隔震減震地基，劉斯宏[11]提出了利用土工袋進(jìn)行基礎(chǔ)減隔振并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于廢舊輪胎減振性能研究的報(bào)道并不多，且主要集中在以下兩類。一類學(xué)者將輪胎破碎成橡膠顆粒與砂土混合，如Tsang[12-13]提出了一種利用橡膠土(Rubber-soil mixtures，RSM)的巖土隔振技術(shù)(Geotechnical seismic isolation，GST)，并對(duì)其減振性能進(jìn)行理論分析與數(shù)值研究，在此基礎(chǔ)上Xiong等[14]對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了GST具有減輕地震災(zāi)害的顯著潛力；另一類學(xué)者將廢舊輪胎簡易加工成橡膠墊片，如Turer等[15]對(duì)廢舊輪胎墊(Scrap tire pads，STP)的力學(xué)和動(dòng)力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，Mishra等[16]也在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明STP作為基礎(chǔ)減振材料效果較好，且具有成本低廉、輕質(zhì)、易于處理、環(huán)境友好等特點(diǎn)。因此，廢舊輪胎在環(huán)境巖土工程與減振隔振技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是用于基礎(chǔ)減振能夠被大量消耗，具有顯著的工程意義和環(huán)保效益。

但筆者認(rèn)為廢舊輪胎作為一個(gè)主要由橡膠層、尼龍帶束層、鋼絲層、簾線層等構(gòu)成的有機(jī)整體，其本身即為一個(gè)力學(xué)性質(zhì)良好的結(jié)構(gòu)，在豎向壓力作用下胎面勢必給內(nèi)部填充料一個(gè)附加的“圍壓”，根據(jù)加筋土結(jié)構(gòu)的“準(zhǔn)黏聚力”加筋原理，輪胎的約束給內(nèi)部土體施加了一個(gè)附加黏聚力，增加了土體的強(qiáng)度。因此，從地基加固的角度來看，沒有必要利用專門的機(jī)械將輪胎破碎成顆粒；倘若原形輪胎加筋土的減振性能也很好，實(shí)際工程中完全可以將原形廢舊輪胎加筋土用于地震多發(fā)區(qū)的城鎮(zhèn)農(nóng)居基礎(chǔ)減隔振中。

基于這個(gè)思路，本文提出一種廢舊輪胎柱(Scrap tire columns，STC)加筋土結(jié)構(gòu)，并嘗試通過室內(nèi)水平循環(huán)剪切和豎向激振試驗(yàn)來探究STC加筋土的減振性能，初步驗(yàn)證其作為基礎(chǔ)減振材料的可行性。

1 STC加筋土結(jié)構(gòu)單元

廢舊輪胎柱(Scrap tire columns，STC)加筋土結(jié)構(gòu)主要由廢舊輪胎填料后形成的STC單元體組合而成，由于輪胎的加筋作用主要由胎面的側(cè)向約束提供，故實(shí)際工程中為便于施工填料，可將輪胎一側(cè)邊切去，再進(jìn)行填料壓實(shí)形成STC單元體，其形成過程如圖1所示。不同疊層的STC單元組合連接后可以構(gòu)成形式多樣的STC加筋土模式。

圖1 廢舊輪胎柱加筋土單元示意圖Fig.1 Unit diagram of STC reinforced soils

2 試驗(yàn)方案

本文對(duì)STC加筋砂(STC reinforced sand，STCRS)單元進(jìn)行一定層數(shù)的豎向疊加后形成簡單的試樣，并對(duì)其進(jìn)行水平循環(huán)剪切和豎向激振特性試驗(yàn)，以探究STCRS的水平和豎向減振性能。

2.1 試驗(yàn)材料

(1) 輪胎試樣

由于試驗(yàn)裝置尺寸的限制，本文選用的廢舊輪胎為摩托車廢舊輪胎，外徑D1約為400 mm、內(nèi)徑D2約為250 mm、高h(yuǎn)約為100 mm。

(2) 砂樣

砂樣為天然河砂，經(jīng)過篩分等基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，砂樣的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示，基本物理特性參數(shù)列于表1中。

圖2 試驗(yàn)用砂樣的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle size grading curve of sand used in test

表1 試驗(yàn)用砂樣的物理特性參數(shù)

Table1 Physical parameters of sand used in test

重度γ/(kN·m-3)含水率w/%CuCc黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)15．53．51．60．93．331．8

2.2 試驗(yàn)裝置及工況

(1) 水平循環(huán)剪切試驗(yàn)

為驗(yàn)證STC的水平減振效果，分別對(duì)STC加筋河砂(STC reinforced sand，STCRS)和天然河砂(sand)進(jìn)行水平循環(huán)剪切對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)采用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究所自主研制的水平循環(huán)剪切裝置。該裝置由豎向加載系統(tǒng)、水平向張拉系統(tǒng)、量測系統(tǒng)和底部框架等組成(圖3)。豎向伺服加載系統(tǒng)施加的最大豎向力為30 kN。整個(gè)試驗(yàn)儀固定在混凝土底座上，反力架系統(tǒng)通過螺栓與底部框架連接在一起，左右兩張拉系統(tǒng)由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過四根上下可調(diào)的螺桿固定于底部框架上，試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)螺栓高度使整個(gè)張拉系統(tǒng)位于同一水平面上，以減小試驗(yàn)時(shí)的水平傳力誤差。試驗(yàn)裝置的底板及上部加載板均用角鋼形成齒槽，使得試樣頂部可隨上部加載板一起水平滑動(dòng)，試樣底部固定于齒槽內(nèi)以防止其沿底板滑動(dòng)。

圖3 水平循環(huán)剪切試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Diagram of horizontal cyclic shear test device for STC

本文分別對(duì)STCRS和天然河砂在同一剪應(yīng)變下進(jìn)行各4組不同豎向壓力條件下的水平循環(huán)剪切試驗(yàn)，每組循環(huán)剪切次數(shù)均為4，具體試驗(yàn)方案如表2所示。當(dāng)進(jìn)行STCRS剪切試驗(yàn)時(shí)，將四層STCRS單元體豎向疊加后形成試樣，當(dāng)進(jìn)行天然河砂剪切試驗(yàn)時(shí)，采用該儀器配套的碟環(huán)式剪切框進(jìn)行試驗(yàn)。在上部加載板表面設(shè)置豎向位移計(jì)，當(dāng)豎向壓縮變形穩(wěn)定(波動(dòng)小于0.01 mm)后進(jìn)行水平循環(huán)加載。

表2 水平循環(huán)剪切試驗(yàn)工況

(2) 豎向激振試驗(yàn)

為了驗(yàn)證STC的豎向減振效果，分別對(duì)STC加筋河砂和天然河砂進(jìn)行豎向激振對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)在一個(gè)尺寸為100 cm×100 cm×100 cm的模型箱內(nèi)進(jìn)行，如圖4所示。當(dāng)進(jìn)行STCRS試驗(yàn)時(shí)，將五層STC單元體填砂壓實(shí)后豎直堆疊于模型箱正中，每放置一層STC單元后在其上方設(shè)置一加速度傳感器，并用試驗(yàn)河砂將四周填滿擊實(shí)整平；當(dāng)進(jìn)行天然河砂試驗(yàn)時(shí)，分層裝樣，層厚與輪胎高度相同，裝完一層后進(jìn)行擊實(shí)整平并設(shè)置加速度傳感器，裝完四層砂樣后在其頂部鋪設(shè)一層STC單元體并填砂壓實(shí)。豎向激振振源采用頻率為50 Hz的電動(dòng)激振器，每次試驗(yàn)待激振加速度響應(yīng)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)20 s。

圖4 STC加筋河砂及河砂本身豎向激振試驗(yàn)示意圖Fig.4 Diagram of vertical excitation tests on STCRS and sand

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水平循環(huán)剪切試驗(yàn)結(jié)果

土的動(dòng)剪切模量和阻尼比是土動(dòng)力學(xué)特性的首要參數(shù)，也是土層地震反應(yīng)分析和場地地震安全性評(píng)價(jià)中的必要參數(shù)。動(dòng)剪切模量是使土體產(chǎn)生單位動(dòng)剪應(yīng)變所需的動(dòng)剪應(yīng)力，動(dòng)剪切模量越大表明抵抗剪切變形的能力越強(qiáng)；阻尼比反映土在周期性動(dòng)荷載作用下動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滯回環(huán)表現(xiàn)出的滯后性，阻尼比越大表明減振消能效果越好。

當(dāng)把所有阻尼能量損耗等效于黏性阻尼能量損耗時(shí)，一個(gè)循環(huán)加載周期下的土體的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)可近似由圖5中的等效剪切模量Geq和等效阻尼比λeq來反映。

圖5 循環(huán)加載下的典型動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(滯回環(huán))Fig.5 Typical relationship between dynamic stress and strain under a cyclic loading (a hysteresis loop)

等效阻尼比的表達(dá)式為

(1)

式中，AL為應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)的面積，即一個(gè)周期動(dòng)應(yīng)變之內(nèi)的總能量耗散；AT為圖5中陰影部分三角形的面積，即等效振動(dòng)系統(tǒng)的最大能量輸入。

動(dòng)剪切模量的表達(dá)式為

(2)

式中τmax和γmax分別表示滯回環(huán)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)變。

本試驗(yàn)取γmax=1%時(shí)豎向壓力分別為50、100、200和250 kPa四種工況進(jìn)行水平循環(huán)剪切試驗(yàn)，每個(gè)工況均進(jìn)行4次循環(huán)，繪出STCRS和天然河砂的滯回環(huán)曲線，由于篇幅限制，文中僅給出豎向壓力為100 kPa和200 kPa的試驗(yàn)曲線，分別如圖6、7所示。

圖6 不同豎向壓力下STC加筋河砂的滯回環(huán)(γmax=1% )Fig.6 Stress-strain hysteresis loops of the STC reinforced sand (STCRS) under different vertical pressures (γmax=1%)

圖7 不同豎向壓力下天然河砂的滯回環(huán)(γmax=1% )Fig.7 Stress-strain hysteresis loops of the sand under different vertical pressures (γmax=1%)

由式(1)和式(2)計(jì)算得出最大剪應(yīng)變?yōu)?%時(shí)不同豎向壓力下STCRS和天然河砂的等效阻尼比與等效動(dòng)剪切模量，匯總于表3中，動(dòng)力參數(shù)隨豎向壓力的變化規(guī)律曲線如圖8所示。

由圖8(a)可知，隨著豎向壓力的增大，STC加筋河砂和天然河砂的等效阻尼比均呈減小的趨勢：豎向壓力小于100 kPa時(shí)，STCRS的等效阻尼相對(duì)天然河砂提高了0.02～0.03，說明經(jīng)廢舊輪胎加筋后的河砂水平向減振消能效果提高了約10%，且豎向壓力小于100 kPa時(shí)提高的尤為顯著；豎向壓力大于200 kPa時(shí)，STCRS的阻尼比相對(duì)天然河砂的增加量不大，表明廢舊輪胎加筋砂用于淺層建筑基礎(chǔ)的減振消能效果更為顯著。

表3 等效阻尼比與等效動(dòng)剪切模量

圖8 STC加筋河砂和天然河砂動(dòng)力參數(shù)比較Fig.8 Comparison of the dynamic parameters of STCRS and sand

由圖8(b)可知，隨著豎向壓力的增大，STC加筋河砂和天然河砂的等效動(dòng)剪切模量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且基本呈線性關(guān)系；豎向壓力小于100 kPa時(shí)，STCRS的等效動(dòng)剪切模量與天然河砂相差不大，豎向壓力大于100 kPa時(shí)，STCRS的等效動(dòng)剪切模量減小了2～3 MPa，說明經(jīng)廢舊輪胎加筋后的河砂水平動(dòng)剛度減小了20～25%，柔性的增大使得STC加筋砂在振動(dòng)荷載作用下具有“以柔克剛”的減振潛力；隨著豎向壓力的增大，STCRS相對(duì)天然河砂的水平剛度減小量越來越大，表明廢舊輪胎加筋砂用于淺基礎(chǔ)加固地基時(shí)，動(dòng)剪切模量相對(duì)原始砂土的減小量不大，使得上部結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下不致產(chǎn)生過大的水平位移，確保上部結(jié)構(gòu)的正常使用。

綜合上述分析，對(duì)于本試驗(yàn)所用材料，當(dāng)豎向壓力小于100 kPa時(shí)，即廢舊輪胎加筋砂用于淺層建筑基礎(chǔ)時(shí)(小于6 m)，在水平向不但能發(fā)揮較好的減振消能作用，還能達(dá)到較好的地基加固效果。

3.2 豎向激振試驗(yàn)結(jié)果

考慮到試驗(yàn)時(shí)激振器的振動(dòng)加速度不穩(wěn)定，為方便準(zhǔn)確地比較各種工況下STCRS和天然河砂的豎向減振效果，對(duì)實(shí)測的絕對(duì)加速度反應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，即對(duì)于每次試驗(yàn)，各測點(diǎn)實(shí)測加速度反應(yīng)均同時(shí)乘以一相同的系數(shù)，以確保各層豎向加速度衰減率不變，且最上層STC單元體的最大加速度固定在同一值(1 g)，結(jié)果如表4所示。

表4 各測點(diǎn)最大加速度及其衰減率

圖9 各測點(diǎn)歸一化的最大加速度分布曲線Fig.9 A distribution curve for normalized maximum acceleration in each layer of sand and STCRS

由表4和圖9可知，隨著加速度計(jì)埋深的增加，STCRS和天然河砂中所測的歸一化加速度均逐漸減小，STCRS的每層層間衰減率均比天然河砂要大，STCRS的累積衰減幅值為0.722 g，遠(yuǎn)大于天然河砂的0.473 g；在傳感器埋設(shè)深度范圍內(nèi)，加速度在天然河砂中逐漸衰減，最終趨于穩(wěn)定，而加速度在STCRS中快速衰減，且有繼續(xù)減小的趨勢，說明經(jīng)廢舊輪胎加筋后的河砂豎向減振效果顯著提高。

此外，STCRS在第一層與第二層的層間加速度衰減46.8%，約一半的能量被消耗掉，表明埋深較淺時(shí)加速度衰減效果顯著，即廢舊輪胎用于淺層建筑基礎(chǔ)豎向減振效果更好。

4 結(jié)論與展望

本文提出一種利用原形廢舊輪胎柱(Scrap tire columns, STC)的加筋土結(jié)構(gòu)，并通過室內(nèi)水平循環(huán)剪切試驗(yàn)和豎向激振試驗(yàn)探究了STC加筋砂的水平和豎向減振特性。初步結(jié)論如下：

(1) 水平循環(huán)剪切試驗(yàn)表明，1%剪應(yīng)變下，相對(duì)天然河砂，STCRS的等效阻尼比增加約10%，等效動(dòng)剪切模量減小20%～25%。廢舊輪胎加筋砂具有的一定的水平減振特性。

(2) 豎向激振試驗(yàn)表明，STCRS的豎向加速度衰減幅度和衰減率均比未加筋前明顯增加。廢舊輪胎加筋砂具有的顯著的豎向減振特性。

(3) 廢舊輪胎加筋砂用于淺層基礎(chǔ)加固，在增加基礎(chǔ)強(qiáng)度的同時(shí)能更好地發(fā)揮減振效果。

本文僅初步針對(duì)STC加筋砂進(jìn)行了簡單工況下的水平循環(huán)剪切和豎向激振特性試驗(yàn)，為進(jìn)一步深入研究STC加筋土的減振特性，有必要開展其他相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn)。

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Experimental Study on Horizontal Cyclic Shear and Vertical Excitation Behavior of STC Reinforced Sand

LU Yang， LIU Si-hong， ZHANG Yu-zhuo， XU Xiao-dong

(CollegeofWaterConservancyandHydropower，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu210098，China)

With the rapid development of the automotive industry in China，“black pollution” caused by scrap tires has become increasingly significant.A reinforcing earth structure using scrap tire columns (STC) is presented in the current research.Horizontal cyclic shear tests and vertical excitation tests were conducted to validate the effectiveness of scrap tire columns reinforced sand (STCRS) on horizontal and vertical damping.The results of the horizontal shear tests show that when the maximum shear strain is 1%，the equivalent damping ratio of STCRS increased by about 10% more than the sand itself，and the shear modulus decreased by 20%～25%，improving the horizontal damping performance.In the vertical vibration tests，the acceleration attenuation showed characteristics of fast speed and large amplitude，indicating that STCRS had a significant damping effect compared to unreinforced sand.STC reinforced sand as a material for seismic isolation is feasible，and is also a new use for scrap tire resources.

scrap tires； sand； horizontal cyclic shear； vertical excitation； vibration absorption and isolation； environmental geotechnology

2014-08-20

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2014B36614)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX_0472)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51379066)

魯 洋(1991-)，男，博士研究生，主要從事水工巖土方面的學(xué)習(xí)與研究.E-mail：luy@hhu.edu.cn；luyhhu@163.com

劉斯宏(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土石壩、粒狀體力學(xué)、地基處理方面的教學(xué)和科研工作.E-mail：sihongliu@hhu.edu.cn

TU411

A

1000-0844(2015)01-0494-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0494