周恩全，張蔣浩，崔 磊，宗之鑫，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）

中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致廢舊輪胎產(chǎn)量快速增長，而廢舊輪胎的利用仍以堆放、焚燒等為主，既不經(jīng)濟(jì)還會(huì)造成環(huán)境污染［1］，因此學(xué)者們嘗試將廢舊輪胎破碎后與土混合作為填料，應(yīng)用于路基、擋土墻等工程中［2-4］，以期為廢舊輪胎再利用提供新的方法.

目前，對(duì)于橡膠混合土動(dòng)模量與阻尼比的研究仍未達(dá)成共識(shí)，且對(duì)橡膠-粉土混合土模量與阻尼特性的研究鮮有報(bào)道.Xia等［5］發(fā)現(xiàn)橡膠黏土混合土的動(dòng)彈性模量和動(dòng)阻尼比的變化規(guī)律與純黏土一致；Nakhaei等［6］、盧震等［7］發(fā)現(xiàn)隨著橡膠含量的增加，橡膠黏土混合土的動(dòng)彈性模量逐漸降低，阻尼比逐漸增大.在橡膠-砂/礫混合土方面，學(xué)者們一致認(rèn)為混合土與純土的動(dòng)彈性模量與阻尼比發(fā)展規(guī)律一致，隨著橡膠含量的增大，動(dòng)彈性模量隨之減少.Pistolas等［8-14］發(fā)現(xiàn)混合土的阻尼比隨著橡膠含量的增大而增大；Madhusudhan等［15］發(fā)現(xiàn)橡膠-砂混合土的阻尼比隨著橡膠含量的增大而降低；李麗華等［16］發(fā)現(xiàn)橡膠-砂混合土的等效阻尼比先隨著橡膠含量的增大而增大，之后又隨之減小.

本文將橡膠顆粒摻入粉土制成橡膠-粉土輕質(zhì)混合土（RSMS），通過擊實(shí)試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn)研究混合土的最大干密度、最優(yōu)含水率、動(dòng)彈性模量及其阻尼比特性，為橡膠-粉土輕質(zhì)土的工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

粉土（S）取自江蘇省鎮(zhèn)江市，塑限（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文涉及的塑限、含水率等除特別指明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為19.41%，液限為26.35%，最優(yōu)含水率為17.0%；橡膠顆粒（RP）由廢舊汽車輪胎經(jīng)機(jī)械切割、破碎后去除鋼絞線得到.粉土和橡膠顆粒的基本物理性能見表1.表中Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)；emax為最大孔隙比；emin為最小孔隙比；Gs為顆粒相對(duì)密度.

表1 粉土和橡膠顆粒的基本物理性能Table 1 Basic physical pr oper ties of slit and r ubber par ticles

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)主要研究橡膠顆粒摻量φRP（本文橡膠顆粒摻量均為體積分?jǐn)?shù)）對(duì)混合土擊實(shí)特性的影響，取φRP＝0%、10%、20%、30%，制備的混合土分別記為RSMS0、RSMS10、RSMS20、RSMS30，其 中RSMS0即為純粉土.試驗(yàn)儀器采用ZLJ-I型全自動(dòng)兩用擊實(shí)儀，擊實(shí)筒直徑100 mm，高127 mm.試驗(yàn)過程為：制備干燥土樣，并配置目標(biāo)含水率，每組混合土制備5種含水率試樣，且相鄰2種試樣的含水率差值為2%；反復(fù)攪拌使橡膠顆粒與粉土混合均勻，覆上保鮮膜，靜置24 h；將擊實(shí)筒內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，稱量擊實(shí)筒的質(zhì)量；將試樣均勻分3層進(jìn)行擊實(shí)，每層錘擊25下，每層擊實(shí)完畢需對(duì)試樣表面刮毛，在第3次裝樣前需安裝套環(huán)；擊實(shí)完畢后，取下護(hù)筒，刮除超出筒壁部分的土，將擊實(shí)筒外壁清理干凈，稱取質(zhì)量；在試樣的中心處取2點(diǎn)，收集土樣，質(zhì)量為20 g，用于測量試樣的實(shí)際含水率w，計(jì)算試樣干密度ρd，并將最大干密度對(duì)應(yīng)的含水率定義為最優(yōu)含水率.

1.2.2 動(dòng)變形特性試驗(yàn)

動(dòng)變形特性試驗(yàn)主要研究橡膠顆粒摻量、圍壓pc（pc＝50、100、200 kPa）對(duì)混合土動(dòng)變形特性的影響，采用DSZ-2型動(dòng)三軸儀，輸入1 Hz正弦波加載，試樣直徑39.1 mm，高80 mm.試驗(yàn)過程為：分4層均勻制備試樣，每層混合土按預(yù)設(shè)質(zhì)量充分?jǐn)嚢枰员ＷC橡膠顆粒分布均勻，每層混合土壓實(shí)到預(yù)定高度后，將土樣表面刮毛，再進(jìn)行下1層制樣；接著將試樣裝入壓力倉中進(jìn)行排水等壓固結(jié)，當(dāng)試樣變形量不大于0.01 mm/h時(shí)完成等壓固結(jié)；然后對(duì)固結(jié)完成試樣進(jìn)行應(yīng)力控制式不排水加載，應(yīng)力幅值逐級(jí)增大，增大幅值為10 k Pa，每級(jí)應(yīng)力循環(huán)8次，加載完畢后進(jìn)行5 min排水固結(jié)；最后根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線計(jì)算混合土的動(dòng)彈性模量和阻尼比.考慮試樣每級(jí)8次應(yīng)力循環(huán)所表現(xiàn)出的動(dòng)力特性具有一定的差異，采用每級(jí)荷載2～7次循環(huán)的動(dòng)彈性模量和阻尼比平均值.

2 擊實(shí)特性

圖1為混合土的擊實(shí)曲線.由圖1可見：含水率較低時(shí)，試樣（除RSMS20以外）的干密度隨含水率升高而逐漸增大，表明試樣的擊實(shí)效果逐步提升；含水率達(dá)到最優(yōu)含水率之后，隨著含水率的進(jìn)一步升高，由于“橡皮土”效應(yīng)，試樣干密度逐漸降低，即試樣的擊實(shí)效果逐步減弱.

圖1 混合土的擊實(shí)曲線Fig.1 Compaction curves of mixed soil

由圖1還可見，不同摻量橡膠顆粒的摻入，可以明顯改變粉土的擊實(shí)特性.與純粉土相比，混合土的最大干密度和最優(yōu)含水率均顯著降低，且隨著橡膠顆粒摻量的增大，其最大干密度不斷減小，RSMS30的最大干密度和最優(yōu)含水率分別比純粉土RSMS0降低約5.85%、23.5%.橡膠顆粒的摻入有一定的輕質(zhì)效果，這是由于本文采用“等體積替換”的原則制備混合土試樣，而橡膠顆粒的密度明顯低于粉土，因此橡膠顆粒摻量越大的混合土試樣干密度就越低.最優(yōu)含水率的變化是因?yàn)椋海?）橡膠顆粒的摻入使混合土的粒徑更加不均勻，級(jí)配變得更加良好（見圖2），且橡膠顆粒摻量越大，混合土級(jí)配越良好，混合土越容易壓密；（2）橡膠顆粒粒徑較大，顆粒比表面積較小，隨著橡膠顆粒摻量的增大，混合土中顆粒與顆粒之間的總接觸面積逐漸減小，那么增加顆粒間的潤滑作用所需的水就越來越少，顆粒易移動(dòng)，混合土更易壓密.

圖2 混合土的級(jí)配曲線Fig.2 Grain size distributions of mixed soil

3 動(dòng)變形特性

3.1 動(dòng)彈性模量

3.1.1 動(dòng)彈性模量Ed與應(yīng)變?chǔ)興的關(guān)系

混合土的Ed-εd曲線見圖3.由圖3可見：混合土的動(dòng)彈性模量隨其應(yīng)變?cè)龃蟪尸F(xiàn)逐漸衰減的趨勢；同一應(yīng)變水平下，圍壓越高，混合土動(dòng)彈性模量越大，這是因?yàn)殡S著圍壓的增大，試樣受到的約束應(yīng)力越大，顆粒之間的接觸應(yīng)力越大，試樣的變形能力就越弱，即表現(xiàn)出其動(dòng)彈性模量越高；加入橡膠顆粒后，同一應(yīng)變水平下，混合物的動(dòng)彈性模量明顯降低，且隨著橡膠顆粒摻量的增大，其動(dòng)彈性模量亦逐漸降低，顯然是因?yàn)橄鹉z顆粒本身相比粉土具有相對(duì)較大的彈性變形性能，加入橡膠顆粒后，混合土的變形性能勢必也會(huì)相應(yīng)增大.即在同樣的應(yīng)力水平下，橡膠顆粒摻量越大的混合土發(fā)生的應(yīng)變?cè)酱螅@與周恩全等［17］對(duì)橡膠混合土壓縮特性的研究結(jié)果是一致的.因此，在橡膠混合土工程應(yīng)用時(shí)，必須要對(duì)其較大的變形能力給予充分的考慮.

圖3 混合土的E d-εd和E d-1-εd曲線Fig.3 E d-εd and E d-1-εd curves of mixed soil

3.1.2 最大動(dòng)彈性模量Ed，max

pc＝50 k Pa時(shí)，混合土的Ed-1-εd曲線見圖3.由圖3可見：Ed-1與εd呈現(xiàn)出典型的線性關(guān)系，表明純粉土及混合土的動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變關(guān)系均符合雙曲線模型［18-19］，即Ed-1與εd之間的關(guān)系可表示為：

式中：a、b分別為Ed-1-εd直線的截距、斜率.

令εd＝0，由式（1）可得到Ed，max＝a-1，其計(jì)算結(jié)果見表2.由表2可見，Ed，max受圍壓、橡膠顆粒摻量的影響顯著：純粉土及混合土的Ed，max與圍壓成正相關(guān)，隨著圍壓的增大，Ed，max不斷增大；混合土的Ed，max與橡膠顆粒摻量成負(fù)相關(guān)，隨著橡膠顆粒摻量的增大，Ed，max不斷減小.

表2 不同圍壓下混合土的E d，max計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculated E d，max of mixed soil under different confining pressures MPa

3.1.3 動(dòng)彈性模量比Ed/Ed，max與應(yīng)變?chǔ)興關(guān)系

為了更直觀描述混合土動(dòng)彈性模量的衰退特征，基于Davidenkov模型［21］，建 立 了 歸 一 化 后 的Ed/Ed，max-εd關(guān)系模型：

式中：A、B和ε0為均為無量綱擬合參數(shù).

不同圍壓下混合土的Ed/Ed，max-εd曲線見圖4.由圖4可見：圍壓對(duì)純粉土及混合土的影響展示出一致的規(guī)律性，Ed/Ed，max隨著εd增大而逐漸衰減；隨著圍壓的增大，Ed/Ed，max的衰減速率越緩慢，即在相同的εd水平下，圍壓越大，Ed/Ed，max的值也越大.

圖4 不同圍壓下混合土的E d/E d，max-εdFig.4 E d/E d，max-εd curves of mixed soil under different confining pressures

不同橡膠顆粒摻量混合土的Ed/Ed，max-εd曲線見圖5.由圖5可見：橡膠顆粒的摻入明顯加快了Ed/Ed，max的衰減速率；隨著橡膠顆粒摻量的增大，Ed/Ed，max衰減的速率增大.

圖5 不同橡膠顆粒摻量混合土的E d/E d，max-εd的曲線Fig.5 E d/E d，max-εd curves of mixed soil with differentφRP

3.2 阻尼比

借鑒阻尼比λ與歸一化剪切模量G/Gmax的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系［20］，提出描述混合土λ與Ed/Ed，max關(guān)系式：

式中：λmin為混合土的基本阻尼比，與試樣的性質(zhì)有關(guān)；λ0、C為擬合參數(shù)，與試樣的性質(zhì)有關(guān)，決定阻尼比曲線的形狀特性.

不同圍壓下混合土的λ-εd曲線見圖6.由圖6可見，圍壓對(duì)純粉土及混合土λ的影響展示出一致的規(guī)律性，隨著圍壓的增大，λ隨著εd上升的速率減緩，即在相同的εd水平下，圍壓越大，λ越小.

圖6 不同圍壓下混合土的λ-εd曲線Fig.6 λ-εd curves of mixed soil under different confining pressures

不同橡膠顆粒摻量混合土的λ-εd曲線見圖7.由圖7可見，摻入橡膠顆粒對(duì)粉土的λ有明顯的影響：隨著橡膠顆粒摻量的增大，λ隨著εd增大而上升的速率加快，即在相同的εd水平下，橡膠顆粒摻量越大，λ也越大.這是因?yàn)橄鹉z顆粒能夠通過其本身的變形耗散所承受的荷載，具備良好的阻尼特性，因此摻入橡膠顆粒后，混合土的阻尼比增大，并且隨著橡膠顆粒摻量的增加，混合土的阻尼比不斷增大；加入橡膠顆粒后，減小了混合土的比表面積，會(huì)減小由于顆粒相互作用而引發(fā)的耗能阻尼，提高其耗能特性，這也證明了利用橡膠混合土作為減振耗能的巖土填料是可行的.

圖7 不同橡膠顆粒摻量混合土的λ-εd的曲線Fig.7 λ-εd curves of mixed soil with differentφRP

4 結(jié)論

（1）橡膠-粉土輕質(zhì)混合土的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著橡膠顆粒摻量的增大而減小.當(dāng)橡膠顆粒的體積分?jǐn)?shù)從0%增大到30%時(shí)，混合土的干密度降低了5.85%，表現(xiàn)出一定的輕質(zhì)效果；最優(yōu)含水率降低了23.5%.

（2）混合土的最大動(dòng)彈性模量隨著圍壓的增大而增大，隨著橡膠顆粒摻量的增大而降低；基于Davidenkov模型建立的混合土動(dòng)彈性模量比-應(yīng)變本構(gòu)方程表明，圍壓越大、橡膠顆粒摻量越低，混合土的動(dòng)彈性模量比隨應(yīng)變衰減越緩慢.

（3）建立的混合土阻尼比-應(yīng)變本構(gòu)方程表明，當(dāng)圍壓相同時(shí)，橡膠顆粒摻量越高，混合土的阻尼比越大.這說明在粉土中加入橡膠顆粒，能顯著增大其阻尼比，提高耗能特性，利用橡膠改良粉土作為減振耗能的巖土填料是可行的.

（4）由于動(dòng)三軸試驗(yàn)本身測試精度的局限性，本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要集中在10-4＜εd＜10-2這一區(qū)間，需要進(jìn)一步研究εd＜10-4時(shí)混合土的動(dòng)變形特性.本文的研究初步得到了將橡膠顆粒部分代替粉土的混合土擊實(shí)及動(dòng)變形特性，為今后橡膠-粉土混合土的研究及工程應(yīng)用提供了有益的數(shù)據(jù)和參考.但是實(shí)際工程比室內(nèi)試驗(yàn)要復(fù)雜多樣，需要對(duì)混合土的利用開展持續(xù)深入研究，進(jìn)一步驗(yàn)證混合土在工程實(shí)踐中應(yīng)用的合理性和有效性.