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        循環(huán)荷載下回收輪胎纖維改良路基土動(dòng)力性能研究

        2023-03-10 09:23:30張玉潔
        黑龍江交通科技 2023年1期
        關(guān)鍵詞:阻尼比模量塑性

        張玉潔

        (銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 銅仁 554300)

        我國(guó)內(nèi)陸湖區(qū)附近分布有大量軟黏土,在該地區(qū)修筑的公路路基,如果能夠充分利用這些軟黏土,將大量減少外購(gòu)路基土的成本[1,2],常用的改良材料為水泥、石灰、火山灰等[3-5],但水泥、石灰的使用無(wú)疑會(huì)加大建設(shè)成本,而且生產(chǎn)和使用過(guò)程中都帶有一定的環(huán)境污染性。在過(guò)去的幾十年里,對(duì)工業(yè)廢棄物進(jìn)行循環(huán)再生利用,從而用于路基土的改良加固引起了廣泛的關(guān)注,為達(dá)到“變廢為寶”的效果,許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究工作,木質(zhì)素[6]、椰纖維[7]、建筑垃圾[8]、微生物橡膠顆粒[9]都曾被嘗試作為路基土改良的改良劑,上述材料對(duì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮模量、CBR、抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)的提升作用都得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

        近年來(lái),隨著報(bào)廢車(chē)輛數(shù)量的日益增加,產(chǎn)生了大量的廢棄輪胎,其中的輪胎纖維用于給輪胎提供足夠的抗拉強(qiáng)度。傳統(tǒng)的輪胎纖維處理方法為掩埋或燃燒,前者占用大片垃圾填埋區(qū)域,后者則引起大氣污染??紤]到回收輪胎纖維(recycled tyre fiber,RTF)可能有助于改善土的工程性質(zhì),文獻(xiàn)[10]和[11]對(duì)其在改良土方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究和探討,但是僅限于評(píng)價(jià)其靜力學(xué)指標(biāo),由于路基土受到交通荷載的影響,評(píng)價(jià)改良后路基土的動(dòng)力性能也是至關(guān)重要的,但目前此方面的研究報(bào)道較少。鑒于此,對(duì)湖南省恩吉高速路基土進(jìn)行了RTF改良,通過(guò)循環(huán)動(dòng)三軸試驗(yàn)獲取不同纖維含量下累積塑性應(yīng)變、回彈模量、阻尼比等,分析了纖維含量對(duì)上述指標(biāo)的影響規(guī)律,建立相關(guān)的動(dòng)力性能表征指標(biāo)預(yù)測(cè)模型,并從動(dòng)力性能角度探討采用輪胎纖維進(jìn)行路基土改良的適用性,旨在為輪胎纖維改良路基土提供試驗(yàn)參考。

        1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)用土取自湖南省恩吉高速,現(xiàn)場(chǎng)河網(wǎng)密集,屬典型的湖沼積平原,沿河軟基十分發(fā)育,表層黏土厚度達(dá)10.3~15.7 m,含水率高、承載力低,其基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

        表1 黏土的基本物理性質(zhì)

        試驗(yàn)用土天然含水率高,而且天然孔隙比大于1,CBR達(dá)不到路基填筑要求,而周邊取土難度較大,故嘗試進(jìn)行改良處理。使用的回收輪胎纖維本身是由許多纖細(xì)的尼龍聚合物構(gòu)成的,上面附著了一些橡膠顆粒,其外觀(guān),由于其表面有凹槽和顛簸,纖維和土壤顆粒之間會(huì)形成相對(duì)較好的粘結(jié)。

        2 試驗(yàn)方法

        首先將試驗(yàn)用土進(jìn)行翻曬,分別按0.5%、1%、2%、3%、4%質(zhì)量比關(guān)系向其中摻入RTF以配置五種改良土,這五種改良土的最大干密度MDD分別為1.71 g/cm3、1.68 g/cm3、1.64 g/cm3、1.62 g/cm3、1.61 g/cm3,最優(yōu)含水率OMC分別為18.55%、18.85%、18.7%、18.44%、18.8%,可以看出,隨著纖維含量的增加,最大干密度有所降低,這也意味著在同一壓實(shí)度下,干密度略微變小,這是由于輪胎纖維的比重(1.1~1.2)小于土的比重所致,而最優(yōu)含水率基本維持穩(wěn)定。

        開(kāi)展循環(huán)動(dòng)三軸試驗(yàn)前,首先將土的含水率控制在其最優(yōu)含水率±1%附近,利用雙瓣模制作直徑為40 mm、高度為80 mm的圓柱體試樣,為了獲得較為均勻的試樣,進(jìn)行了5層壓實(shí),考慮到改良土用于填筑路堤,因此壓實(shí)度按照路堤層的壓實(shí)度要求控制,為0.93。施加的循環(huán)動(dòng)力荷載為周期=1 s的半正弦荷載,其中0.1 s為加載試驗(yàn),0.9 s為間歇時(shí)間,圍壓選擇40 kPa,而動(dòng)偏應(yīng)力為25 kPa,該荷載接近于公路路基的代表性的荷載條件[12],循環(huán)加載次數(shù)最大為10 000次。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 永久變形

        圖1 基于安定理論的永久變形行為

        車(chē)轍問(wèn)題是公路設(shè)計(jì)需要考慮的主要問(wèn)題之一,因此盡量減少動(dòng)力荷載作用下的路基永久變形(累積塑性應(yīng)變)至關(guān)重要。安定理論是一類(lèi)常用于評(píng)估路基填料的永久變形行為的方法,根據(jù)這一理論,材料可分為三類(lèi),第一類(lèi)(A)為塑性安定,其材料在有限的循環(huán)次數(shù)內(nèi)表現(xiàn)出塑性變形,但塑性變形增長(zhǎng)很快消失,材料表現(xiàn)出完全的彈性變形。第二類(lèi)(B)為塑性蠕變,材料在前幾個(gè)循環(huán)中表現(xiàn)較大的塑性變形,但隨著循環(huán)次數(shù)的增加,塑性變形增粘速率變小,最終達(dá)到一個(gè)恒定值。第三類(lèi)(C)為增量破壞,永久變形始終快速增加,最后試樣在有限的加載次數(shù)內(nèi)破壞。如果在3 000~5 000次加載下累積塑性應(yīng)變小于4.5×10-5,則材料屬于塑性安定狀態(tài);若累積塑性應(yīng)變介于4.5×10-5和4.0×10-4之間,則材料屬于塑性蠕變狀態(tài);若累積塑性應(yīng)變大于4.0×10-4,則材料屬于增量破壞狀態(tài)。為了避免車(chē)轍快速發(fā)展,保障公路的耐久性,路基填料應(yīng)該處于A類(lèi)和B類(lèi),而應(yīng)該采取措施防止填料進(jìn)入C類(lèi)。

        從不同RTF含量下試樣的累積塑性應(yīng)變可以看出,相對(duì)于素土(RTF摻入量=0%),經(jīng)過(guò)10 000次加載后,RTF含量為0.5%、1%、2%、3%、4%試樣的累積塑性應(yīng)變?cè)黾恿?.9%、15.8%、101%、367%和543%。累積塑性應(yīng)變的急劇增大是由干密度降低(隨著纖維摻入干密度下降)、纖維的相對(duì)高壓縮性等因素引起的,由此可見(jiàn),RTF的含量不能一味增大。

        在2 000~5 000次循環(huán)加載期間累積塑性應(yīng)變的變化Δεp如圖1所示,在土中添加0.5%、1%和2%的RTF可以使Δεp分別得的67.3%、85.1%和53.6%的降低,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),這三種改良土屬于塑性安定狀態(tài)。而RTF含量繼續(xù)增加時(shí),Δεp的變化會(huì)增大,例如,當(dāng)RTF含量分別為3%和4%時(shí),Δεp分別增加了613%和967%,根據(jù)3.1節(jié)中的標(biāo)準(zhǔn),這兩種試樣屬于塑性蠕變狀態(tài)??傮w來(lái)看,0.5%~4%的RTF摻入不會(huì)過(guò)于犧牲土抵抗永久變形的能力,導(dǎo)致土在交通荷載下發(fā)生快速的永久變形增加。美國(guó)新建和修復(fù)的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)指南(MEPDG)推薦了一種常用于預(yù)測(cè)顆粒材料累積塑性應(yīng)變的模型,即

        εp(N)=ε0exp-(ρ/N)β

        (1)

        式中:εp為累積塑性應(yīng)變;N為循環(huán)加載數(shù);ε0為最大累積塑性應(yīng)變;ρ為尺度因子;β為形狀因子。

        采用該模型,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,其擬合效果見(jiàn)圖2中實(shí)線(xiàn),與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,由此可見(jiàn),模型也適用于輪胎纖維改良土,可作為預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期永久變形的工具。

        圖2 利用安定理論標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同纖維含量改良土的狀態(tài)劃分

        回彈模量表征路基層的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,其值是滯回圈端點(diǎn)連線(xiàn)的斜率,本次試驗(yàn)中素土和纖維含量=4%改良土的滯回圈如圖3所示。

        圖3 滯回圈

        從回彈模量隨循環(huán)加載次數(shù)的變化可以看出,回彈模量隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而提高,從3 000次加載到5 000次加載,0%、0.5%、1%、2%、3%、4%纖維含量下改良土的回彈模量分別增加了1.77 MPa、2.35 MPa、4.51 MPa、6.49 MPa、16.1 MPa和4.1 MPa,這一現(xiàn)象是由是土顆粒重排列、土壓實(shí)致密所引起的。值得注意的是,同一加載次數(shù)下,回彈模量隨著纖維含量的增加而先增后減,纖維含量為2%時(shí)土的回彈模量最大。結(jié)合3.1節(jié)可以看出,隨著纖維含量的增加,彈性變形和塑性變形并沒(méi)有表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì),這種現(xiàn)象可以解釋為土的彈性變形(可恢復(fù)變形)取決于土顆粒本身的壓縮變形和土顆粒的重排列,而塑性性能取決于顆粒的粘聚、顆粒相互嵌固以及顆粒的磨損(級(jí)配發(fā)生變化)。在每個(gè)加載次數(shù)下,彈性變形和塑性變形同時(shí)發(fā)生,但又相互獨(dú)立。因此,在土中加入回收輪胎纖維,對(duì)土的彈性變形和塑性變形的影響會(huì)有所不同。

        基于回彈模量隨循環(huán)加載次數(shù)的變化,采用如下模型來(lái)預(yù)測(cè)回彈模量值

        Mr(N)=k1×Nk2+k3

        (2)

        式中:N為加載次數(shù),k1、k2和k3為模型參數(shù)。模型參數(shù)與RTF含量的關(guān)系如表2。

        根據(jù)表2中的模型參數(shù),可以計(jì)算出各個(gè)纖維含量下特定加載次數(shù)下的回彈模量。圖7對(duì)比了實(shí)驗(yàn)得到的回彈模量值與預(yù)測(cè)的回彈模量值,可以看出,利用表2和式(2)可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)改良土的回彈模量,纖維含量為0.5%、1%、2%、3%和4%時(shí)的R2分別為0.932 3、0.945 3、0.973 1、0.939 5、0.87 19。

        表2 模型參數(shù)擬合值

        3.3 能量耗散和阻尼比

        循環(huán)加載下試樣耗散能量和阻尼比的計(jì)算方法如圖4所示。不同改良土耗散能量隨循環(huán)加載次數(shù)的變化如圖5所示,高的耗散能量并不一定對(duì)應(yīng)較高的阻尼比。

        圖4 動(dòng)力作用下滯回圈示意圖

        圖5 耗散能量與加載次數(shù)的關(guān)系

        根據(jù)圖5,對(duì)于前500個(gè)循環(huán),耗散能量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減少,這種現(xiàn)象可歸因于土顆粒的重排列以及試樣彈性變形的減少。在前500次加載中,RTF含量從0%增加至2%,將導(dǎo)致耗散能量降低,而RTF含量繼續(xù)增加時(shí),耗散能量開(kāi)始略有增加。例如,對(duì)于纖維含量為0%、0.5%、1%、2%、3%和4%的土,100次加載時(shí)耗散能量分別為0.94、0.71、0.43、0.06、0.51和0.53毫焦(mJ)。然而,這一規(guī)律隨著循環(huán)次數(shù)的增加而改變,在10 000次加載條件下,各個(gè)纖維含量土的耗散能量分別為0.32、0.47、0.3、0.04、0.61和0.41 mJ。隨著RTF含量的增加,RTF降低耗散能量的作用減弱,例如在10 000次加載條件下,0.5%、1%、2%和3%纖維含量改良土的耗散能量下降到1.86、1.17、0.23和0.14 mJ(素土為2.29 mJ),纖維含量在2%時(shí),降低耗散能量的效果最為明顯。

        不同RTF含量下的阻尼比隨循環(huán)加載次數(shù)的變化如圖6所示??梢钥闯?,相對(duì)于素土,各個(gè)纖維含量下阻尼比的增幅分別為19.8%、86.6%、69.8%、53%和27%,當(dāng)纖維含量為1%時(shí),阻尼比增加效果最優(yōu)。

        圖6 阻尼比與加載次數(shù)的關(guān)系

        4 機(jī)理分析

        纖維對(duì)土的加固作用主要是纖維的張拉強(qiáng)度發(fā)揮所致,當(dāng)含有纖維的土單元出現(xiàn)裂縫,纖維將被扭曲、拉伸,只要纖維足夠長(zhǎng)而不被拉出土體,其抗拉強(qiáng)度(T)將發(fā)揮作用,使得土在裂縫處仍然有一定連接,從而增強(qiáng)改良土整體的強(qiáng)度。纖維的抗拉強(qiáng)度由纖維與土顆粒之間的摩阻力決定,包含纖維與土顆粒的黏著、摩擦和嵌固作用,這些作用又與纖維類(lèi)型(表面質(zhì)地、直徑、長(zhǎng)度、彈性等)以及圍壓、壓實(shí)程度有關(guān)。

        RTF改良土一部分RTF嵌入了土中,土粘附在RTF表面,土顆粒與纖維之間的摩擦?xí)?dǎo)致土動(dòng)力性能的改善。

        5 結(jié) 論

        (1)RTF加入會(huì)導(dǎo)致永久應(yīng)變顯著增加,這主要是由于干密度減小、纖維壓縮性較高引起的。根據(jù)安定理論標(biāo)準(zhǔn),RTF含量為0%、0.5%、1%和2%時(shí),改良土表現(xiàn)出塑性安定狀態(tài)(A類(lèi)),而含量為3%、4%時(shí)試樣表現(xiàn)出塑性蠕變狀態(tài)(B類(lèi))??傮w來(lái)看,0.5%~4%的RTF摻入不會(huì)導(dǎo)致土在交通荷載下發(fā)生快速的永久變形增加,從永久變形的角度出發(fā),輪胎纖維改良土可以用于路堤填筑的。

        (2)回彈模量隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而提高,同一加載次數(shù)下,回彈模量隨著纖維含量的增加而先增后減,纖維含量為2%時(shí)土的回彈模量最大,隨后RTF含量繼續(xù)增加時(shí),回彈模量將降低。

        (3)對(duì)于前500個(gè)循環(huán),耗散能量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減少,當(dāng)RTF含量從0%增加至2%,將導(dǎo)致耗散能量降低,而RTF含量繼續(xù)增加時(shí),耗散能量開(kāi)始略有增加。阻尼比隨著纖維含量的增加而先增后減,最佳RTF含量為1%,與素土相比,該纖維含量下阻尼比提高了近87%。

        (4)根據(jù)試驗(yàn),摻入RTF盡管會(huì)略微降低路基土的干密度,但可明顯改善其動(dòng)力性能,減少車(chē)轍,增加回彈模量和阻尼比,有助于減少路面層厚度,節(jié)約路面材料,同時(shí)還能緩解廢棄物填埋或焚燒帶來(lái)的環(huán)境危害,具有較好的應(yīng)用前景。

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