周恩全 王瓊 陸建飛

摘要：將廢棄輪胎作為建筑材料應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域是對(duì)其回收處理最有前景的方法之一。為了研究輪胎橡膠顆粒改良砂土的效果，選取橡膠顆粒與福建砂的混合土為研究對(duì)象，研究了橡膠砂的壓縮和抗剪特性，分析了橡膠含量與干濕狀態(tài)對(duì)橡膠砂力學(xué)特性的影響，并建立了雙曲線(xiàn)模型預(yù)測(cè)橡膠砂受剪過(guò)程的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系。結(jié)果表明：橡膠砂的壓縮變形隨橡膠含量增大而增大，飽和橡膠砂的壓縮變形明顯大于干燥橡膠砂;橡膠砂的剪應(yīng)力一剪切位移曲線(xiàn)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征;橡膠砂的抗剪強(qiáng)度與橡膠含量的關(guān)系不大;干燥試樣內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量的增大而降低，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量的增大而輕微升高;通過(guò)雙曲線(xiàn)模型預(yù)測(cè)的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

關(guān)鍵詞：橡膠砂;壓縮特性;抗剪特性;抗剪強(qiáng)度;雙曲線(xiàn)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU411 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2019）06-0104-07

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。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)。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、擋土墻后填土，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。

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;Rao等還指出當(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。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(xiàn)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、顧成壯等研究發(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，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)砂和橡膠顆粒混合制成，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、16.01kN/m³，測(cè)定流程均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）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(xiàn)后得到，其粒徑為1～5mm，根據(jù)ASTMD 6270-08（2012）劃分屬于橡膠顆粒。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(xiàn)。

壓縮試驗(yàn)所用儀器為WG-1C型單杠桿中壓固結(jié)儀。

1.1.2試樣制備與試驗(yàn)方案 在壓縮試驗(yàn)中，主要考慮橡膠質(zhì)量含量和干濕狀態(tài)對(duì)混合土壓縮一回彈性能的影響，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)，具體見(jiàn)表2。按照各工況混合土干密度不變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)來(lái)控制制備試樣，純砂的相對(duì)密實(shí)度為50%，然后，根據(jù)等質(zhì)量替換原則制備不同橡膠含量的混合土。

圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8mm和20mm，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2h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。

試驗(yàn)中設(shè)置了ll級(jí)豎向荷載：12.5、25、50、100、200、400、800、400、200、100、0kPa，每級(jí)加載后固結(jié)約24h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給出了不同工況下橡膠砂試樣的壓縮、回彈曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)：干燥和飽和狀態(tài)下的橡膠砂試樣的壓縮特性均表現(xiàn)出前期迅速增長(zhǎng)、后期增速減慢的應(yīng)變發(fā)展模式;加載至最大荷載后，逐漸卸載至0kPa，試樣發(fā)生回彈，初期回彈緩慢，后期回彈發(fā)展迅速。當(dāng)荷載及干濕狀態(tài)相同時(shí)，試樣的豎向累積應(yīng)變隨著橡膠含量的增加而增大，顯然，這是因?yàn)橄鹉z顆粒具有較強(qiáng)壓縮一回彈特性，加入橡膠顆粒后混合土的壓縮回彈能力也大幅提升，因此，當(dāng)荷載及干濕狀態(tài)相同時(shí)，擁有更多橡膠顆粒的試樣其累積豎向應(yīng)變也相應(yīng)更大。圖4同時(shí)表明，在其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，飽和試樣的豎向應(yīng)變顯著大于干燥試樣的豎向應(yīng)變，這是因?yàn)轱柡驮嚇宇w粒表面水膜潤(rùn)滑作用效果明顯，增加了試樣的可變形性能和適應(yīng)變形能力。

圖5給出了不同工況下橡膠砂混合土豎向應(yīng)變一橡膠顆粒含量關(guān)系曲線(xiàn)。其中“總應(yīng)變”是指“彈性應(yīng)變”與“塑性應(yīng)變”之和。結(jié)果顯示，在干燥、飽和狀態(tài)下試樣的應(yīng)變發(fā)展呈現(xiàn)出一致的規(guī)律性：試樣的總應(yīng)變、彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變均隨著橡膠含量的增大而增大，但塑性應(yīng)變?cè)龇幻黠@。值得注意的是，純砂試樣的塑性應(yīng)變大于彈性應(yīng)變，而加人橡膠顆粒后混合土的塑性應(yīng)變小于彈性應(yīng)變，且兩者的差異隨著橡膠含量的增大而變大。顯然，這是因?yàn)橄鹉z顆粒的存在顯著增大了混合土的彈性變形性能。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，變形過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，因此，在將橡膠砂混合土應(yīng)用于土木工程中時(shí)應(yīng)充分考慮彈性變形過(guò)大帶來(lái)的影響。

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61.8mm和20mm。

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、400kPa。剪切位移速率為2.4mm/min。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

圖6為部分試樣的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)：相同橡膠含量條件下，干燥及飽和試樣的曲線(xiàn)具有一致的發(fā)展規(guī)律，但同樣干燥或飽和狀態(tài)下，純砂和橡膠砂混合土的曲線(xiàn)發(fā)展呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化兩種不同形態(tài)。純砂試樣的應(yīng)變軟化具體表現(xiàn)為：前期剪應(yīng)力隨著剪切位移的增大而不斷升高，達(dá)到峰值后其剪應(yīng)力不再增大。橡膠砂混合土試樣的應(yīng)變硬化具體表現(xiàn)為：剪應(yīng)力在剪切過(guò)程持續(xù)升高，并不出現(xiàn)峰值。造成這種應(yīng)變硬化現(xiàn)象的原因是：混合土相比純砂具有較大壓縮性，這一點(diǎn)在前文的壓縮試驗(yàn)中已經(jīng)得到證實(shí)，因此壓縮性較明顯的混合土在受剪過(guò)程中具有一定的剪切收縮特性，宏觀上即表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。

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4mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力定義為試樣的抗剪強(qiáng)度。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(xiàn)，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。

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。

2.2.3剪應(yīng)力一剪切位移雙曲線(xiàn)模型 通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，不同橡膠顆粒含量的橡膠砂混合土剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系展現(xiàn)出應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化兩種模式，且在剪應(yīng)力達(dá)到峰值前，其剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系均呈現(xiàn)出雙曲線(xiàn)特征，考慮利用Duncan_Chang雙曲線(xiàn)模型來(lái)描述橡膠砂受剪切到達(dá)峰值前的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系。

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。

2）純砂的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征，而加入橡膠顆粒后混合土的剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。

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。孑L隙水對(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。

4）利用Duncan-Chang雙曲線(xiàn)模型預(yù)測(cè)橡膠砂受剪過(guò)程中剪應(yīng)力一剪切位移關(guān)系曲線(xiàn)峰值前部分，結(jié)果是可行的。