吳世興
(甘肅省白銀公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 白銀 730900)
隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,汽車(chē)等交通工具越來(lái)越多,因此產(chǎn)生的廢舊輪胎也隨之不斷增多,輪胎為橡膠材料制成,其不能為自然所降解,焚燒處理又會(huì)嚴(yán)重污染空氣環(huán)境[1,2],因此,如果可以將廢棄輪胎再利用將具有重要的工程意義。
近些年,眾多學(xué)者將廢舊輪胎粉碎制成橡膠顆?;蛳鹉z粉,然后摻入路基填料中進(jìn)行改良研究,取得了較多成果。顏椿釗[3]、李麗華等[4]均通過(guò)將橡膠粉摻入黏土中制成混合試樣,探究了其抗剪強(qiáng)度變化,結(jié)果表明:混合試樣的抗剪強(qiáng)度得到了顯著的增強(qiáng),且強(qiáng)度大小與橡膠粉的摻量有關(guān),當(dāng)摻量在較小范圍變化時(shí),混合試樣抗剪強(qiáng)度隨摻量的增大而增大,而當(dāng)摻量增加到一定值后,隨摻量的增大,混合試樣抗剪強(qiáng)度反而下降。有研究表明[5],橡膠顆粒摻入砂土制成混合試樣后,影響其抗剪強(qiáng)度的主要因素是橡膠顆粒摻量、形狀及尺寸大小。朱偉[6]通過(guò)將水泥、橡膠顆粒及砂土按照不同配比混合制成水泥橡膠砂試樣,分別研究了其抗壓及抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性,結(jié)果表明:橡膠顆粒的摻加使得混合試樣抗壓及抗剪強(qiáng)度提升明顯。
綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橡膠顆粒摻入路基填料制成混合料的改良問(wèn)題進(jìn)行大量的探究試驗(yàn),但關(guān)于橡膠顆粒摻入砂土中制成混合砂材料的抗液化性能研究較少,因此,本文主要通過(guò)改變橡膠顆粒的摻量、粒徑及混合砂的圍壓、固結(jié)比等,探究其動(dòng)孔隙水壓力隨動(dòng)荷載振次的變化規(guī)律,從而評(píng)價(jià)其抗液化性能。
如圖1所示,試驗(yàn)儀器采用DYNTTS型號(hào)動(dòng)三軸儀,其由控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,包括軸力及圍壓控制器、壓力室、反壓控制器、軸力及孔壓傳感器、信號(hào)接收器等。
圖1 動(dòng)三軸儀對(duì)混合砂試樣施壓過(guò)程
本文試驗(yàn)采用機(jī)械粉碎設(shè)備,并通過(guò)篩分試驗(yàn)將橡膠顆粒平均粒徑取為0.75 mm、1.5 mm及2.5 mm三種,分別摻入砂土中制成混合砂試樣,采用動(dòng)三軸儀施加正弦荷載,荷載幅值為30 kPa,頻率為1 Hz,荷載振次為300次,具體試驗(yàn)變量見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)相關(guān)變量
為了探究當(dāng)砂土中摻入橡膠顆粒制成混合砂時(shí),顆粒摻量、粒徑變化對(duì)混合砂的動(dòng)孔隙水壓力的影響規(guī)律,采用動(dòng)三軸儀進(jìn)行研究,動(dòng)荷載施加為30 kPa,得出不同橡膠顆粒摻量及粒徑對(duì)應(yīng)的動(dòng)孔壓隨動(dòng)荷載振次變化規(guī)律曲線圖,見(jiàn)圖2。
圖2 不同摻量及粒徑對(duì)應(yīng)的動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖2可知,不同橡膠顆粒摻量、粒徑的混合砂動(dòng)孔壓均隨著動(dòng)荷載振次的增大而增大,且發(fā)現(xiàn)增長(zhǎng)規(guī)律分為三個(gè)階段,分別為增長(zhǎng)迅速階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段及平穩(wěn)階段。
增長(zhǎng)迅速階段:由圖2發(fā)現(xiàn),當(dāng)動(dòng)荷載振次在0~25振次變化時(shí),動(dòng)孔壓隨振次變化增長(zhǎng)迅速,變化曲線接近于直線,增長(zhǎng)速率較快,這是由于未施加動(dòng)荷載時(shí),混合砂試樣孔隙較大,因此當(dāng)施加動(dòng)荷載時(shí),孔隙急劇減小,孔隙比也隨之急劇減小,此時(shí),動(dòng)孔壓增長(zhǎng)迅速。
穩(wěn)定增長(zhǎng)階段:混合砂試樣經(jīng)歷增長(zhǎng)迅速階段后,孔隙大部分被壓縮,此時(shí)隨動(dòng)荷載振次的增大,混合試樣孔隙減小速率減慢,動(dòng)孔壓隨振次變化曲線呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。
平穩(wěn)階段:混合砂試樣在動(dòng)荷載振次較大時(shí),孔隙基本處于完全壓密狀態(tài),此時(shí),動(dòng)荷載振次增加,動(dòng)孔壓變化很小。
如式(1),表示混合砂試樣的抗液化性能,以提高率R進(jìn)行評(píng)價(jià):
式中:R為提高率;Ud為動(dòng)孔壓;σ3為有效圍壓。
通過(guò)式(1)計(jì)算出不同橡膠顆粒摻量、粒徑對(duì)應(yīng)混合砂試樣的抗液化性能提高率,見(jiàn)表2。
表2 橡膠顆粒摻量、粒徑對(duì)混合砂抗液化性能影響
由圖2試驗(yàn)結(jié)果可知:不同粒徑橡膠顆粒的摻入可明顯提高混合砂的抗液化能力,且橡膠顆粒粒徑越大,混合砂試樣的抗液化性能越好,同時(shí),由表2,隨橡膠顆粒摻入量的增加,相同粒徑的混合砂試樣的抗液化提高率也隨之不斷增大,且當(dāng)顆粒粒徑Dr為2.5 mm,摻入量Rf為30%時(shí),提高率增大顯著,可達(dá)52.6%。這是由于,當(dāng)摻入橡膠顆粒粒徑較大時(shí),會(huì)使得混合砂的孔隙增大,在動(dòng)荷載施加過(guò)程中,動(dòng)孔壓很容易被消散,從而在很大程度提高混合砂的抗液化能力。
由圖2可知,當(dāng)摻入橡膠顆粒粒徑一定時(shí),隨摻量的增加,動(dòng)孔壓不斷減小,當(dāng)摻入量達(dá)到30%時(shí),動(dòng)孔壓隨振次的變化幅度很小,保持在30~50 kPa之間平穩(wěn)增長(zhǎng),趨于穩(wěn)定,由此可知,橡膠顆粒的摻入量對(duì)混合砂的抗液化能力影響較大,且摻入量越大,混合砂抗液化性能越好,當(dāng)摻入量增長(zhǎng)到一定程度后,混合砂試樣橡膠顆粒成為主要受力骨架,此時(shí),混合砂抗液化能力較強(qiáng)。
為了探究圍壓大小對(duì)混合砂試樣抗液化性能的影響,施加三種圍壓,分別為100 kPa、150 kPa和200 kPa,得出不同圍壓下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線,結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 不同圍壓下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖3可知,隨動(dòng)荷載振次的不斷增大,不同圍壓下的混合砂動(dòng)孔壓也隨之不斷增大,且增長(zhǎng)速率不斷減小,最后趨于平穩(wěn),同時(shí)發(fā)現(xiàn),施加圍壓大小對(duì)混合砂動(dòng)孔壓影響較大,且圍壓越大,混合砂動(dòng)孔壓越小,抗液化性能越好。這是由于,當(dāng)施加圍壓較大時(shí),會(huì)使得混合砂試樣的孔隙被最大程度壓密,孔隙減小,因此抗液化能力明顯提高。
為了探究固結(jié)應(yīng)力比對(duì)混合砂試樣抗液化性能的影響,采用動(dòng)三軸試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)分析,試驗(yàn)中固結(jié)比分別控制為K=1.0,K=1.5,K=2.0。當(dāng)反壓傳感器變化值不大于5 mm3時(shí)視為固結(jié)完全,此時(shí)對(duì)不同固結(jié)比的混合砂試樣施加動(dòng)荷載,直至試樣破壞,記錄相關(guān)值,得出不同固結(jié)比下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線,結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 不同固結(jié)比下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖4可知,隨混合砂試樣固結(jié)比的增大,相應(yīng)的動(dòng)孔壓不斷減小,且當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí),動(dòng)孔壓減小明顯,當(dāng)動(dòng)荷載振次達(dá)到300時(shí),固結(jié)比為1.0時(shí)對(duì)應(yīng)的混合砂試樣達(dá)到了液化狀態(tài),而固結(jié)比為1.5、2.0時(shí)對(duì)應(yīng)混合砂試樣的動(dòng)孔壓僅為46 kPa、25 kPa,抗液化性能較強(qiáng)。由此可知,混合砂試樣的固結(jié)比越大,其抗液化性能越好,且當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí),抗液化性能提高顯著。這是由于,當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí),混合砂試樣在固結(jié)過(guò)程中承受的圍壓值較大,使得試樣更加緊密,且存在偏應(yīng)力使得混合砂試樣被施加剪應(yīng)力,在動(dòng)荷載作用下,擾動(dòng)試樣排列結(jié)構(gòu),使得其更加緊密,從而抗液化性能在很大程度得到提高。
本文通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)分別探究了不同橡膠顆粒摻量、粒徑變化及混合砂試樣圍壓、固結(jié)比變化對(duì)混合砂試樣的抗液化性能影響,得出以下結(jié)論:
(1)不同橡膠顆粒摻量、粒徑的混合砂動(dòng)孔壓均隨著動(dòng)荷載振次的增大而增大,且發(fā)現(xiàn)增長(zhǎng)規(guī)律分為三個(gè)階段,分別為增長(zhǎng)迅速階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段及平穩(wěn)階段。
(2)橡膠顆粒摻量及粒徑對(duì)混合砂的抗液化能力影響較大,且橡膠顆粒摻量及粒徑越大,混合砂試樣的抗液化性能越好,且當(dāng)顆粒粒徑Dr為2.5 mm,摻入量Rf為30%時(shí),混合砂抗液化性能最優(yōu),此時(shí)提高率增大顯著,可達(dá)52.6%。
(3)施加較大圍壓會(huì)使得混合砂試樣排列緊密,動(dòng)孔壓水壓力減小,從而使得混合試樣抗液化性能顯著增強(qiáng)。
(4)混合砂試樣的固結(jié)比越大,其抗液化性能越好,當(dāng)固結(jié)比為1.5、2.0時(shí)對(duì)應(yīng)混合砂試樣的動(dòng)孔壓僅為46 kPa、25 kPa,由此可知當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí),抗液化性能提高顯著。