(西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730100)

1 研究背景

廢舊輪胎派生骨料(Tire Derived Aggregates，TDA)具有質(zhì)量輕、高彈性、高摩阻性、耐久性好、絕熱性優(yōu)良、高滲透性等優(yōu)異的性能，而且對(duì)地下空間環(huán)境的影響微乎其微，被廣泛應(yīng)用于巖土工程回填領(lǐng)域。廣泛分布于我國(guó)西北地區(qū)的黃土是其組成物質(zhì)在沉積歷史過(guò)程中形成的綜合產(chǎn)物，是一種典型的特殊性問(wèn)題土。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了利用廢舊輪胎改良不同土的工程性質(zhì)，針對(duì)廢舊輪胎與土的混合物相繼開(kāi)展了一系列研究。Zornberg等[1]、Foose等[2]研究發(fā)現(xiàn)輪胎條摻量、TDA長(zhǎng)寬比、砂基質(zhì)相對(duì)密度對(duì)混合土抗剪強(qiáng)度具有顯著的影響，混合土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及體積變形特征受橡膠顆粒摻量和砂基質(zhì)相對(duì)密度的影響較為明顯。Xiao等[3]報(bào)道了大尺寸TDA的大規(guī)模直接剪切試驗(yàn)，采用自己設(shè)計(jì)和制造的大型直接剪切試驗(yàn)裝置，比較了TDA與砂、混凝土和土工合成材料的剪切性能，得出了TDA與其他材料接觸時(shí)的剪切強(qiáng)度主要由混合材料之間的摩擦性能決定。Mashiri等[4]研究發(fā)現(xiàn)輪胎碎屑對(duì)混合物的抗剪強(qiáng)度和膨脹性能影響較大，進(jìn)一步研究了軟約束和相對(duì)密度對(duì)混合物剪切強(qiáng)度、剪脹性、初始切線模量的影響，并試圖解決與土壤低強(qiáng)度和高膨脹性相關(guān)的問(wèn)題。孫樹(shù)林等[5-6]、李麗華等[7-8]研究了輪胎顆粒含量及法向應(yīng)力對(duì)混合土抗剪強(qiáng)度的影響，總結(jié)出混合土的抗剪強(qiáng)度變化特征。

針對(duì)西北地區(qū)的黃土，李朝暉等[9]利用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)探討橡膠顆粒摻量和圍壓對(duì)混合物應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響，在低圍壓下?lián)搅繛?0%可以提高混合土的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)行剪切機(jī)制分析找到孔隙填充狀態(tài)、基質(zhì)土物理狀態(tài)、彈性骨架顆粒等與混合土剪切機(jī)制相關(guān)的影響因子。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于輪胎條改良不同土所做試驗(yàn)用到的多是橡膠顆粒，關(guān)于輪胎條尺寸特征對(duì)混合土剪切機(jī)制影響的研究相對(duì)較少。

El-Sherbiny等[10]使用了較小粒徑的顆粒狀橡膠和較大尺寸的橡膠塊進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)來(lái)評(píng)定混合土的靜態(tài)抗剪強(qiáng)度和變形特性，發(fā)現(xiàn)隨著橡膠摻量的增加，混合土的抗剪強(qiáng)度和剛度降低、變形能力增強(qiáng)；橡膠摻量超過(guò)20%時(shí)，橡膠在混合土基體中占主導(dǎo)地位。李珊珊等[11]采用Shear Trac-Ⅱ型直剪儀研究了廢舊輪胎橡膠顆粒-黏土混合土的力學(xué)特性，分析了橡膠顆粒摻量、橡膠顆粒粒徑大小(分為大粒徑、小粒徑)對(duì)混合土抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)最佳橡膠摻量為40%，且橡膠顆粒摻量低于20%時(shí)，增大橡膠顆粒粒徑可使混合土的抗剪強(qiáng)度顯著提高。目前國(guó)內(nèi)外研究多是探討 TDA摻量對(duì)混合土(尤其是砂土)力學(xué)性能的影響，其中改良粉土(黃土)的相關(guān)研究相對(duì)較少，特別是關(guān)于輪胎條形狀特征(即長(zhǎng)寬比)對(duì)輪胎條-黃土混合物(scrap tire strip-loess mixture，STR-LM)剪切過(guò)程中力學(xué)特性影響的研究數(shù)據(jù)較少。

本文旨在利用大尺寸輪胎條改良西北地區(qū)黃土力學(xué)特性，試驗(yàn)研究中進(jìn)一步擴(kuò)大了輪胎條摻量范圍(0%～100%)，精確考慮輪胎條尺寸效應(yīng)對(duì)土的抗剪強(qiáng)度特性的影響，將輪胎條尺寸精確化，為改良黃土工程特性和廢舊輪胎的回收利用提供新的途徑。

2 試驗(yàn)材料及儀器

2.1 試驗(yàn)材料

定義u表示輪胎條長(zhǎng)寬比，即

(1)

式中：lts表示輪胎條的長(zhǎng)度；wts表示輪胎條的寬度。

定義w表示輪胎條的摻量，即

(2)

式中：mts表示輪胎條質(zhì)量；ms表示混合土中黃土的質(zhì)量。

黃土取自西北地區(qū)甘肅省蘭州市榆中縣白虎墩地區(qū)，其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 黃土基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of loess

圖1 廢舊輪胎條Fig.1 Photo of scrap tire strip

在廢品回收市場(chǎng)收集廢舊汽車輪胎，利用切割機(jī)將廢舊汽車輪胎按照既定尺寸加工，抽取輪胎條中的鋼絲尼龍繩，獲得純橡膠的輪胎條，對(duì)尺寸進(jìn)行人工修剪，保持輪胎條的寬度在1 cm左右，厚度在3 mm左右，輪胎條的長(zhǎng)度為1～8 cm，制成長(zhǎng)寬比u=1，u=2，u=4，u=8共4種輪胎條。相比于目前試驗(yàn)研究使用較多的橡膠顆粒、輪胎碎片尺寸明顯增大，也更加精細(xì)化，在實(shí)際工程應(yīng)用中簡(jiǎn)單易行、適用于大批量生產(chǎn)。本次試驗(yàn)測(cè)得輪胎條的平均含水率為1.22%。廢舊輪胎條加工后長(zhǎng)寬比及形狀如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用從美國(guó)進(jìn)口的Shear Trac-Ⅲ型大型直剪儀(圖2)，可以全自動(dòng)完成固結(jié)和剪切試驗(yàn)。大型直剪儀剪切盒尺寸為305 mm×305 mm，標(biāo)準(zhǔn)高度為200 mm，可以自動(dòng)控制土和土工編織物的大型直剪試驗(yàn)。

圖2 Shear Trac-Ⅲ大型直剪儀裝置Fig.2 Shear Trac-Ⅲ large-scale direct shear apparatus

3 試驗(yàn)方法

3.1 制 樣

試樣為黃土與廢舊輪胎條混合物，按照最優(yōu)含水率進(jìn)行配土，采用動(dòng)力制樣，將黃土與輪胎條拌勻，利用擊實(shí)錘人工擊打混合物，具體擊實(shí)試驗(yàn)步驟按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[12]進(jìn)行，擊實(shí)錘質(zhì)量為2.5 kg，控制擊實(shí)錘落高在0.3 m，讓擊實(shí)錘做自由落體運(yùn)動(dòng)依次逐層擊打混合物，計(jì)算得出一個(gè)樣需要擊打1 473錘，分成3層分別進(jìn)行擊實(shí)。先擊打外圍土層，然后逐漸向內(nèi)圈推進(jìn)，每一圈之間搭接擊打。每次試驗(yàn)剪切盒質(zhì)量控制在31 kg左右。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

利用Shear Trac-Ⅲ型大型直剪儀對(duì)底面尺寸為305 mm×305 mm的正方形試樣進(jìn)行試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)方式為快剪，剪切速率設(shè)置為0.013 3 mm/s。

試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了8組一共32次大型直剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)包括4次試驗(yàn)，即每組試驗(yàn)分別在垂直壓力為24，48，96，144 kPa下進(jìn)行。每組的4次剪切試驗(yàn)采用相同的輪胎條摻量、相同的輪胎條長(zhǎng)寬比和相同的黃土(基本參數(shù)相似度較高)制成的混合物剪切試樣。

首先為了找出輪胎條的最佳摻量，分別進(jìn)行輪胎條摻量為0%，10%，20%，30%，100%的5組試驗(yàn)(u=4),一共20次試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出20%為較優(yōu)化的摻量；然后保持摻量為20%，分別進(jìn)行長(zhǎng)寬比u=1，u=2，u=8的3組試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 輪胎條摻量對(duì)STR-LM剪切強(qiáng)度的影響

利用u=4的輪胎條和黃土混合，輪胎條摻量分別為0%，10%，20%，30%，100%，分別在正應(yīng)力24，48，96，144 kPa共4種情況下進(jìn)行大型剪切試驗(yàn)。選取輪胎條摻量為20%、正應(yīng)力為96 kPa的一個(gè)試樣剪切破壞后的剪切面，如圖3。STR-LM水平應(yīng)力-水平位移關(guān)系如圖4所示。

圖3 剪切破壞面Fig.3 Shear failure surface

圖4 不同輪胎條摻量下的STR-LM水平應(yīng)力- 水平位移關(guān)系Fig.4 Relation between horizontal stress versus horizontal displacement of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip

從圖4可以看出：

(1)在正應(yīng)力96 kPa和144 kPa作用下，水平應(yīng)力-水平位移曲線存在較多的交錯(cuò)現(xiàn)象。而且在所有的試樣中，僅素土和輪胎條摻量10%對(duì)應(yīng)正應(yīng)力24 kPa情況下，STR-LM的水平應(yīng)力-水平位移曲線存在峰值，峰值之后逐漸降低并趨于平緩。

(2)除了在輪胎條摻量為0%和10%并施加24 kPa的正應(yīng)力時(shí)，STR-LM試樣存在著較弱的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，其他試樣均呈現(xiàn)出或強(qiáng)或弱的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而且試樣應(yīng)變硬化程度隨著正應(yīng)力和輪胎條摻量的增大而增大。純輪胎條在4種正應(yīng)力作用下均呈現(xiàn)出近似線性的水平應(yīng)力-水平位移曲線特點(diǎn)。這與李朝暉等[9]用橡膠顆粒與黃土混合的研究結(jié)果，即所有試樣均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特點(diǎn)相吻合。Lee等[13]用砂粒和TDA進(jìn)行三軸試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)：在偏應(yīng)力增大的情況下試樣表現(xiàn)出近似線性的水平應(yīng)力-水平位移行為，在軸向應(yīng)變?cè)黾拥那闆r下，材料很難達(dá)到峰值強(qiáng)度，這與本次試驗(yàn)的結(jié)果較為相似。

(3)不同STR-LM試樣水平應(yīng)力-水平位移曲線幾乎都有交錯(cuò)現(xiàn)象，這是由于輪胎條的加入，STR-LM的剪切范圍發(fā)生了變化，明顯改變了黃土的力學(xué)特性。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[12]取水平位移為15 mm處對(duì)應(yīng)的水平應(yīng)力為試樣的峰值強(qiáng)度，如圖5。

圖5 不同輪胎條摻量下的STR-LM峰值強(qiáng)度Fig.5 Peak strength of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip under different normal stresses

根據(jù)圖5可知，輪胎條摻量為20%時(shí)，除了施加144 kPa正應(yīng)力外，其他試驗(yàn)條件下STR-LM的水平應(yīng)力均達(dá)到峰值。在試驗(yàn)范圍內(nèi)可以認(rèn)為在長(zhǎng)寬比u=4時(shí)，20%為一個(gè)較為合適的摻量。同時(shí)，當(dāng)施加較大的正應(yīng)力144 kPa時(shí)，輪胎條摻量為10%，即輪胎條含量較少的情況下已經(jīng)達(dá)到了強(qiáng)度峰值。可以認(rèn)為在輪胎條尺寸遠(yuǎn)大于土體顆粒效應(yīng)的情況下，是剪切面之間的輪胎條發(fā)揮了其本身的一些特性，增加了STR-LM的抗剪強(qiáng)度。

輪胎條摻量對(duì)STR-LM剪切強(qiáng)度影響線性擬合結(jié)果如圖6，擬合結(jié)果具體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖6 輪胎條摻量對(duì)STR-LM剪切強(qiáng)度影響 線性擬合結(jié)果Fig.6 Fitted result of the influence of scrap tire strip dosage on the shear strength of mixture

長(zhǎng)寬比u輪胎條摻量/%黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)R24044.7543.820.97841052.0045.110.97542070.0539.790.99743050.8030.490.85241007.9117.470.988

從表2可以看出，輪胎條摻量的增加對(duì)提高黏聚力有著顯著影響，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。這可能是由于輪胎條尺寸明顯遠(yuǎn)大于土體，剪切面之間的輪胎條發(fā)揮了其本身的一些特性，通過(guò)提高黏聚力增加了混合體的抗剪強(qiáng)度。

再根據(jù)擬合結(jié)果得出STR-LM的抗剪強(qiáng)度，如圖7。

圖7 不同輪胎條摻量下的STR-LM抗剪強(qiáng)度Fig.7 Shear strength of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip under different normal stresses

根據(jù)圖7可知：

(1)輪胎條摻量為10%～20%時(shí)，輪胎條對(duì)黃土的改良作用較好，輪胎條對(duì)STR-LM的剪切特性影響較大，STR-LM的抗剪強(qiáng)度相對(duì)于素土最多提高了22%，剪切強(qiáng)度參數(shù)中黏聚力的增加尤其凸顯，摻量20%時(shí)的黏聚力相對(duì)于素土增加了56.5%。

(2)長(zhǎng)寬比為4時(shí)，除了正應(yīng)力144 kPa之外，所有的試樣在輪胎條摻量為20%時(shí)均取得較大的抗剪強(qiáng)度。在正應(yīng)力144 kPa情況下，摻量為10%時(shí)具有較大的抗剪強(qiáng)度(196.55 kPa)。這與Cetin等[14]在黏土中加入小尺寸橡膠碎片(粒徑24.75 mm)得出最優(yōu)摻量為20%相一致,與Fathali等[15]提出10%的最佳摻量應(yīng)用于實(shí)際工程也有一定的契合度。由于試驗(yàn)材料尺寸有別，試樣制作過(guò)程、試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式等存在差異，本次試驗(yàn)結(jié)果與Zornberg等[1]得出的最優(yōu)輪胎條含量為35%存在一定的差異性。

(3)增加輪胎條摻量到30%及其以上時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度較素土明顯降低，這是因?yàn)檩喬l具有較高的彈性，隨著輪胎條摻量的增加，輪胎條在STR-LM中占據(jù)主導(dǎo)地位，顯著影響試樣的剪切性能，較高摻量的輪胎條會(huì)分離黃土顆粒，導(dǎo)致不同顆粒之間的聯(lián)鎖和摩擦作用減少。同時(shí)說(shuō)明了輪胎條的加入破壞了土體顆粒之間原有的穩(wěn)定空間，剪切過(guò)程中黃土顆粒必須運(yùn)動(dòng)翻過(guò)輪胎條或者穿過(guò)輪胎條之間的空隙，即輪胎條通過(guò)在潛在剪切面上搶占位置來(lái)提高黃土顆粒的抗剪強(qiáng)度。

4.2 輪胎條長(zhǎng)寬比對(duì)STR-LM剪切強(qiáng)度的影響

分別利用長(zhǎng)寬比u=1，u=2，u=4，u=8的輪胎條和黃土混合進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所得STR-LM水平應(yīng)力-水平位移關(guān)系如圖8所示。輪胎條長(zhǎng)寬比對(duì)STR-LM剪切強(qiáng)度影響線性擬合結(jié)果如圖9，擬合結(jié)果具體參數(shù)見(jiàn)表3。根據(jù)擬合結(jié)果得出STR-LM的抗剪強(qiáng)度，如圖10。

圖8 不同輪胎條長(zhǎng)寬比下的STR-LM 水平應(yīng)力- 水平位移關(guān)系Fig.8 Relation between horizontal stress versus horizontal displacement of soil mixture with varying length-width ratio

圖9 輪胎條長(zhǎng)寬比對(duì)STR-LM剪切強(qiáng)度影響線性 擬合結(jié)果Fig.9 Fitted result of the influence of length-width ratio on the shear strength of mixture

長(zhǎng)寬比u輪胎條摻量/%黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)R212039.4946.510.99022049.5046.870.99542070.0539.790.99782065.6035.240.726

圖10 不同輪胎條長(zhǎng)寬比下的STR-LM抗剪強(qiáng)度Fig.10 Shear strength of soil mixture with varying length-width ratio under different normal stresses

由圖8、圖9、表3以及圖10可知：

摻量為20%情況下，正應(yīng)力為24 kPa和48 kPa時(shí)，u=4時(shí)STR-LM取得較大的剪切強(qiáng)度；正應(yīng)力為96 kPa和144 kPa時(shí)，u=2時(shí)STR-LM取得較大的抗剪強(qiáng)度；當(dāng)u=8時(shí)，STR-LM的抗剪強(qiáng)度低于素土的抗剪強(qiáng)度，這說(shuō)明輪胎條尺寸較大時(shí)，輪胎條本身占據(jù)了主導(dǎo)地位，決定著混合土的抗剪性質(zhì)。

針對(duì)輪胎條尺寸的變化，有以下討論：

(1)隨著輪胎條長(zhǎng)寬比的增大，STR-LM黏聚力和抗剪強(qiáng)度增加。這是由于長(zhǎng)寬比增大，相應(yīng)地增加了輪胎條表面積，加大了輪胎條與黃土顆粒之間的摩擦力度，導(dǎo)致土顆粒與土顆粒、土顆粒與輪胎條、輪胎條與輪胎條之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)更加困難，從而使得剪切面上黏聚力增大，這也說(shuō)明混合物的抗剪強(qiáng)度和土顆粒簇與輪胎條之間的咬合作用具有較大的相關(guān)性。

(2)長(zhǎng)寬比在1～4之間變化時(shí)，增加輪胎條尺寸能夠明顯提高STR-LM的抗剪強(qiáng)度。這是由于輪胎條具有較大的變形能力。當(dāng)輪胎條長(zhǎng)寬比較大時(shí)，剪切過(guò)程中輪胎條自身能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲扭轉(zhuǎn)變形，減少了剪切面上土顆粒在輪胎條周邊區(qū)域移動(dòng)的需要；而當(dāng)輪胎條長(zhǎng)寬比較小時(shí)，黃土顆粒與輪胎條具有更好的連續(xù)性，降低了黃土顆粒與輪胎條的分離程度。

(3)在剪切過(guò)程中剪切面上土顆粒移動(dòng)時(shí)阻力最小的路徑將決定試樣最終剪切強(qiáng)度，可以認(rèn)為剪切過(guò)程中土顆粒被迫繞著輪胎條移動(dòng)，即可能存在一個(gè)臨界長(zhǎng)寬比，在剪切界面上使得混合物獲得了較高的抗剪強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)黃土與不同摻量、不同長(zhǎng)寬比輪胎條混合形成的混合物進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)，總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1)STR-LM的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與輪胎條摻量和長(zhǎng)寬比有關(guān)，輪胎條摻量、長(zhǎng)寬比的增加對(duì)提高黏聚力有著顯著影響，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小，其中內(nèi)摩擦角隨著摻量的增加先增大后減小，輪胎條摻量10%～20%是較為理想的摻量；黏聚力隨著摻量的增加先增大后減小，在摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值70.0 kPa。輪胎條長(zhǎng)寬比在1～4之間變化時(shí)，STR-LM的黏聚力對(duì)輪胎條長(zhǎng)寬比的變化較為敏感。隨著長(zhǎng)寬比的增加，STR-LM的黏聚力先增大后減小，在u=4時(shí)取得最大值70.0 kPa。內(nèi)摩擦角受長(zhǎng)寬比的影響相對(duì)較小，呈現(xiàn)出隨著長(zhǎng)寬比增大而減小的規(guī)律。

(2)通過(guò)優(yōu)化輪胎條的尺寸可明顯提高STR-LM的黏聚力以改善混合物的剪切特性，輪胎條與黃土的界面作用發(fā)揮了STR-LM的強(qiáng)度效應(yīng)，改善了接觸面上的摩擦特性，提高了黃土的抗剪強(qiáng)度，改良了黃土的工程性質(zhì)。

(3)輪胎橡膠具有較高的回彈性和摩阻性，導(dǎo)致STR-LM在震動(dòng)荷載與循環(huán)加載作用下體現(xiàn)出可恢復(fù)剪脹性，將其應(yīng)用于濕陷性黃土的地基處理及回填領(lǐng)域具有很大的工程實(shí)踐意義，值得進(jìn)一步研究。