尹志勇,許鳴珠,景立平,高 攀,韓 雪,楊 光

(1. 湖南文理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,湖南 常德 415000; 2. 中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

隨著全球汽車數(shù)量的增加,廢舊輪胎的數(shù)量逐年增長(zhǎng),產(chǎn)生了大量的廢舊輪胎。廢舊輪胎具有很強(qiáng)的抗熱、抗生物、抗機(jī)械性,難以降解,處理不當(dāng)將造成橡膠資源的浪費(fèi)及環(huán)境污染問題,如長(zhǎng)期露天堆放會(huì)造成廢舊輪胎侵占土地,這很可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的危險(xiǎn),比如發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生有毒的氣體會(huì)造成空氣污染[1]。廢舊輪胎的處理已經(jīng)成為許多城市的一個(gè)重大環(huán)境問題。目前,全球廢舊輪胎的回收水平非常低,特別是在發(fā)展中國家。據(jù)資料顯示[2],發(fā)達(dá)國家已開始將廢舊橡膠應(yīng)用于在公路橋梁的工程建設(shè)中;而我國的廢舊輪胎回收再利用形勢(shì)不容樂觀,大部分廢舊輪胎被用于生產(chǎn)再生膠或直接焚燒,造成極大的浪費(fèi)和環(huán)境問題,且對(duì)廢舊橡膠及其破碎后產(chǎn)品的工程應(yīng)用還非常落后。找到有效的方法來回收和再利用存量巨大的廢舊輪胎,對(duì)提高我國廢舊輪胎綜合利用水平、緩解廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染問題具有非常重要的意義。

最近的研究表明,廢舊輪胎碎塊或顆粒與砂土按一定比例混合而成的混合土(以下簡(jiǎn)稱橡膠-砂混合土)具有密度小、彈性變形能力強(qiáng)、模量低、阻尼大等特點(diǎn),是一種優(yōu)良、環(huán)保的新土工材料,在橋臺(tái)、道路和邊坡等的輕質(zhì)填料[3-7]、地基處理[8-9]、管道回填[10-12]、隔震(振)墊層[13-17]等土木工程中應(yīng)用具有巨大的潛力,并且室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的相關(guān)研究表明[18],廢舊輪胎不是一種危險(xiǎn)的回收材料,在土木工程中的應(yīng)用不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期的環(huán)境問題。

近年來,我國多次發(fā)生大地震,如2008年的汶川地震、2010年玉樹地震。震害調(diào)查顯示,在汶川地震和玉樹地震中,村鎮(zhèn)建筑都遭到了嚴(yán)重破壞甚至倒塌。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,以疊層橡膠支座和摩擦擺支座為代表的隔震技術(shù)在我國建筑結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用,但由于其造價(jià)高昂,在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的村鎮(zhèn)建筑中不易推廣[19-23]。近年來,學(xué)者TSANG[24]首次提出了基于橡膠-砂混合土的巖土隔震系統(tǒng),研究結(jié)果表明該隔震方法隔震性能良好且造價(jià)廉價(jià),適用于低層的村鎮(zhèn)建筑,工程應(yīng)用前景十分廣闊。為加快推進(jìn)橡膠-砂混合土這一新土工材料在減隔震方面的工程應(yīng)用,迫切需要對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論與實(shí)踐問題的研究給出解答。因此,本文通過歸納和總結(jié),闡述了橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展及成果,指出了當(dāng)前存在的問題,并就未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 橡膠-砂混合土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

橡膠-砂混合土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要有動(dòng)剪切模量、阻尼比。橡膠-砂混合土的動(dòng)力學(xué)參數(shù)是橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)的重要組成部分,既是工程設(shè)計(jì)的依據(jù)之一,也是數(shù)值模擬時(shí)不可缺少的參數(shù)[25]。目前,研究成果中橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)試方法主要有動(dòng)三軸試驗(yàn)法、循環(huán)剪切試驗(yàn)法、共振柱法和波速法等。

1.1 動(dòng)剪切模量

橡膠-砂混合土動(dòng)剪切模量是橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)參數(shù)中的重要指標(biāo),是在動(dòng)荷載作用下橡膠-砂混合土剪切應(yīng)力與剪應(yīng)變的比值。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的試驗(yàn)研究橡膠-砂混合土動(dòng)剪切模量的變化規(guī)律,結(jié)果表明,動(dòng)剪切模量主要受橡膠含量、圍壓、應(yīng)變幅值、橡膠和砂土粒度特性、加載情況等因素影響。

1)橡膠含量

隨著橡膠含量的增加,橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量逐漸減小[26-31]?？偟膩碇v,相比較對(duì)純砂土,橡膠-砂混合土具有較低的剪切剛度[32],在砂土中加入橡膠顆粒會(huì)使動(dòng)剪切模量降低[33]。BERNAL-SANCHEZ等[34]的研究結(jié)果表明,橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量隨橡膠含量的增加而減小,但橡膠顆粒的彈性賦予橡膠-砂混合土更大的能力來承受大變形,從而降低剪切模量的衰減。此外,FAKHARIAN等[35]的研究結(jié)果表明,在0.002和0.004的剪切應(yīng)變幅度下,無論初始固結(jié)狀態(tài)如何,增加橡膠含量都有助于降低剪切模量的衰減率。

2)圍壓

尚守平等[27]、NAKHAEE[28]、NAKHAEI等[29]均發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠含量不變,橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量隨圍壓的增大而增大。BANZIBAGANYE等[36]通過制備直徑為100 mm、高200 mm的橡膠-砂混合土試樣開展了共振柱試驗(yàn),結(jié)果表明:在小應(yīng)變時(shí),增大圍壓會(huì)導(dǎo)致剪切模量增大;在較高應(yīng)變時(shí),增大圍壓使剪切模量衰減曲線變平。

3)粒度特征

隨著橡膠含量的增加,橡膠-砂混合土的干密度逐漸降低[32],橡膠-砂混合土的剪切模量受砂土的粒度特性影響(如:平均顆粒尺寸和均勻系數(shù)),動(dòng)剪切模量隨橡膠顆粒尺寸的增大而增大[37],SARAJPOOR等[38]認(rèn)為動(dòng)剪切模量的增大可以歸因于含有較大尺寸橡膠顆粒的混合土中產(chǎn)生了更多的砂-砂接觸。EHSANI等[39]在扭轉(zhuǎn)共振柱和動(dòng)三軸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),橡膠與砂的相對(duì)平均粒徑比D50r/D50s的增加導(dǎo)致橡膠-砂混合土的剪切模量更高,而降低D50r/D50s或使用更細(xì)橡膠材料會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的模量降低,特別是在較小的剪切應(yīng)變幅度下。

4)剪應(yīng)變幅值

橡膠-砂混合土的剪切模量高度依賴于剪切應(yīng)變[38,40],橡膠-砂混合土的剪切模量隨剪切應(yīng)變的增達(dá)而減小[34]。此外,MADHUSUDHAN等[40]的研究還表明,在含砂量較低時(shí),動(dòng)剪切模量隨剪切應(yīng)變的減小幅度小于橡膠含量較低時(shí)的減小幅度。

5)加載情況

徐小東等[41]對(duì)橡膠-砂混合土開展了循環(huán)剪切試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,隨著豎向荷載的增大,動(dòng)剪切模量變大。MADHUSUDHAN等[40]發(fā)現(xiàn)隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,動(dòng)剪切模量的降低不顯著;并且將動(dòng)力單剪試驗(yàn)結(jié)果與循環(huán)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,還發(fā)現(xiàn)循環(huán)三軸試驗(yàn)得到的動(dòng)剪切模量約為動(dòng)力單剪試驗(yàn)的5～7倍,這可能是由于2種試驗(yàn)類型的循環(huán)荷載方向不同所致。MADHUSUDHAN等[42]的研究結(jié)果表明加載頻率對(duì)橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量影響不顯著,而DING等[43]研究結(jié)果表明,橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量的變化與加載頻率的變化成反比。此外,吳孟桃等[44]、陳璐[45]通過開展橡膠-砂混合土的大型循環(huán)單剪試驗(yàn),對(duì)橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量有了新的認(rèn)識(shí):在大應(yīng)變情況下,橡膠-砂混合土的動(dòng)剪模量隨循環(huán)次數(shù)變化的存在臨界值;豎向加載次數(shù)對(duì)動(dòng)剪切模量影響顯著且存在臨界值,該范圍內(nèi)隨豎向加載次數(shù)增加橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量也增大。

6)其他

吳孟桃等[44]、陳璐[45]均發(fā)現(xiàn)在大應(yīng)變情況下,含水率對(duì)動(dòng)剪切模量的影響顯著。MADHUSUDHAN等[46]的研究結(jié)果表明:除純砂外,飽和條件下的動(dòng)剪切模量均高于干燥條件下的動(dòng)剪切模量;在大應(yīng)變水平下,飽和對(duì)剪切模量的影響不顯著。FAKHARIAN等[35]研究結(jié)果表明:與純砂相比,初始各向異性固結(jié)對(duì)橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量影響較小,這是由于橡膠顆粒的高度彈性和各向同性所致,而與橡膠含量大小無關(guān)。

目前,針對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)剪切模量的研究大都是基于純凈砂與橡膠顆粒的混合物,而自然界中廣泛分布著含細(xì)粒土的非潔凈砂土,已有研究表明,細(xì)粒土的存在對(duì)砂土的物理特性、滲透特性、動(dòng)力特性等方面均有不同程度的影響,即含細(xì)粒的非純凈砂土與純凈砂在靜動(dòng)力學(xué)特性存在不同程度差異[47-53]。此外,實(shí)際工程中采用純凈砂,將導(dǎo)致工程造價(jià)的增加不符合經(jīng)濟(jì)性原則。橡膠-砂混合土作為隔震材料的應(yīng)用必須考慮其工程性能,參數(shù)的變化會(huì)產(chǎn)生積極或消極的影響。另外,加載頻率對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)剪切模量的影響尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。因此,試樣的制備方法、試樣的材料選取、試驗(yàn)方法等對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)剪切模量影響的研究還需進(jìn)一步的完善。

1.2 阻尼比

橡膠-砂混合土的阻尼比是衡量橡膠-砂混合土吸收動(dòng)荷載能量能力的尺度,通常用阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比表示。對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比的大量研究表明,橡膠含量、圍壓、應(yīng)變幅值、橡膠和砂土粒度特性、加載情況等是影響阻尼比的主要因素。

1)橡膠含量

橡膠-砂混合土的阻尼比與橡膠含量密切相關(guān),阻尼比隨著混合土中的橡膠-含量的增加而增大[54-56]。此外,LI等[57]的研究結(jié)果表明,對(duì)于較低的橡膠含量(質(zhì)量占比<20%),橡膠含量的變化對(duì)阻尼的影響較小。有學(xué)者還發(fā)現(xiàn)橡膠含量對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比的影響與剪切應(yīng)變和圍壓相關(guān)。PISTOLAS等[58]指出橡膠含量對(duì)阻尼比的影響取決于剪切應(yīng)變水平:對(duì)于低剪切應(yīng)變(γ<10-4)時(shí),橡膠-砂混合土的阻尼比高于砂土的阻尼比;對(duì)于中等剪切應(yīng)變水平(10-4<γ<5×10-3)時(shí),橡膠-砂混合土的阻尼比低于砂土的阻尼比,高剪切應(yīng)變水平(γ>5×10-3)時(shí)出現(xiàn)反轉(zhuǎn),橡膠-砂混合土的阻尼比大于砂土的阻尼比。SARAJPOOR等[38]、LI等[37]均發(fā)現(xiàn)當(dāng)剪切應(yīng)變幅度小于臨界應(yīng)變值時(shí),橡膠-砂混合土的阻尼比隨著橡膠體積含量的增加而增加,并表現(xiàn)出比純砂更高的阻尼比;當(dāng)剪切應(yīng)變高于臨界應(yīng)變值時(shí),觀察到相反的趨勢(shì)。NAKHAEI等[29]發(fā)現(xiàn)在50 kPa和100 kPa的圍壓下,隨著橡膠含量增加,橡膠-砂混合土的阻尼比隨之越小,而對(duì)于200 kPa和300 kPa的圍壓下結(jié)果卻相反。

與純砂相比,橡膠顆粒的加入使得橡膠-砂混合土表現(xiàn)出更多的阻尼特性,但對(duì)于阻尼比最大值所需的橡膠含量存在分歧,如:李麗華等[33]的研究結(jié)果表明,橡膠含量介于30%～40%時(shí)阻尼比可達(dá)最大值,而MADHUSUDHAN等[42,46]發(fā)現(xiàn)橡膠含量為10%時(shí)的橡膠-砂混合土的阻尼比表現(xiàn)最高。

2)圍壓

橡膠-砂混合土的阻尼比增加隨著圍壓的增加而增加[29,55]。但不少學(xué)者持不同的觀點(diǎn),如LI等[37]發(fā)現(xiàn)阻尼比隨圍壓的增加而略有下降,DING等[43]認(rèn)為阻尼比與圍壓呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。此外,LI等[57]通過共振柱試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大應(yīng)變水平下的較低圍壓下具有略高的阻尼比。PISTOLAS等[56]發(fā)現(xiàn)低應(yīng)變水平下,圍壓變化對(duì)阻尼比的影響隨著橡膠含量的增加而定界。BANZIBAGANYE等[36]發(fā)現(xiàn)在小應(yīng)變時(shí),增大圍壓會(huì)導(dǎo)致阻尼比減小;在較高應(yīng)變時(shí),增大圍壓使阻尼比增長(zhǎng)曲線變平緩。

3)粒度特征

由于橡膠顆粒和橡膠與橡膠以及砂與橡膠接觸的可變形性,橡膠-砂混合土?xí)憩F(xiàn)出更多的阻尼特性。EHSANI等[39]發(fā)現(xiàn)膠砂平均粒徑比D50r/D50s的增加不會(huì)顯著影響阻尼性能。LI等[57]的研究結(jié)果表明,對(duì)于較低的橡膠含量(質(zhì)量占比<20%),阻尼比不受橡膠尺寸的顯著影響。但后續(xù)學(xué)者們卻發(fā)現(xiàn)了一些不同的規(guī)律,如:PISTOLAS等[56]發(fā)現(xiàn)減小平均粒徑尺寸比D50r/D50s,阻尼比會(huì)增加,并且認(rèn)為這是由于形成了土-橡膠骨架的滯回行為;SARAJPOOR等[38]發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠-砂混合土的相對(duì)密度和橡膠含量一定時(shí),隨著橡膠尺寸的增大,阻尼比減小,橡膠含量越大,這種行為越明顯;另一方面,當(dāng)橡膠顆粒的尺寸減小時(shí),砂-橡膠和橡膠-橡膠的接觸點(diǎn)數(shù)量增加,促進(jìn)了剪切加載過程中砂粒的運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致橡膠-砂混合土具有更高的阻尼比。

4)加載情況

吳孟桃等[44]、陳璐[45]利用大型循環(huán)單剪試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了不同循環(huán)次數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比的影響,研究結(jié)果表明:在大應(yīng)變情況下,橡膠-砂混合土的阻尼比隨循環(huán)次數(shù)變化的存在臨界值。MADHUSUDHAN等[40]的研究結(jié)果表明,隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,阻尼比的降低不顯著,在大約7個(gè)加載循環(huán)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。此外,還有學(xué)者的研究結(jié)果表明阻尼比隨軸向應(yīng)變?cè)龃蠖龃骩46],阻尼比對(duì)加載頻率改變不敏感[43]。

5)其他

MADHUSUDHAN等[40]發(fā)現(xiàn)采用動(dòng)力單剪試驗(yàn)結(jié)果和循環(huán)三軸試驗(yàn)中得到的阻尼比值實(shí)際上是相同的。MADHUSUDHAN等[46]的研究表明,干燥狀態(tài)下橡膠-砂混合土的阻尼比均高于飽和狀態(tài)下的橡膠-砂混合土。吳孟桃等[44]、陳璐[45]發(fā)現(xiàn)阻尼比受含水率影響顯著。FAKHARIAN等[35]發(fā)現(xiàn)初始各向異性固結(jié)對(duì)橡膠-砂混合土的阻尼比沒有顯著影響。

目前,橡膠含量、圍壓、顆粒特性等評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比的影響仍存在不同觀點(diǎn),這顯示出橡膠-砂混合土與評(píng)估參數(shù)關(guān)系復(fù)雜,變化規(guī)律存在很大的不確定性,需進(jìn)一步深入研究不同評(píng)估參數(shù)對(duì)其阻尼比的影響,不同評(píng)估參數(shù)之間對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比存在著耦合影響,而這一問題尚無研究報(bào)道。

2 橡膠-砂混合土的動(dòng)強(qiáng)度

橡膠-砂混合土的動(dòng)強(qiáng)度特性的獲取必然離不開土動(dòng)力試驗(yàn)。國內(nèi)外學(xué)者們研究在橡膠-砂混合土的動(dòng)強(qiáng)度問題時(shí)開展了大量的動(dòng)三軸試驗(yàn),主要考察了橡膠-砂混合土的抗液化特性。

目前,在飽和砂土摻入廢舊橡膠是否會(huì)提高其抗液化性能方面存在2種觀點(diǎn)。一是在飽和砂土摻入廢舊橡膠會(huì)顯著提高其抗液化性能,橡膠-砂混合土相比較砂土具有更高的抗液化能力[59-62]。HYODO等[63]的研究結(jié)果表明,當(dāng)橡膠體積含量大于50%時(shí),橡膠-砂混合土將不會(huì)發(fā)生液化。橡膠的摻入使橡膠-砂混合土在本質(zhì)上具有延性[40],橡膠顆粒的加入可以抑制橡膠-砂混合土的動(dòng)孔隙水壓力的產(chǎn)生和積累[42-43],提高了抗液化性能。LIU等[64]研究了橡膠-尾礦砂混合土的動(dòng)態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)橡膠-尾礦砂的液化循環(huán)次數(shù)比尾礦砂提高了50%。此外,基于動(dòng)三軸試驗(yàn),學(xué)者們還發(fā)現(xiàn):①橡膠-砂混合土的抗液化性能隨著橡膠含量的增加而提高[65-66];②膠砂粒徑比大的橡膠-砂混合土與膠砂粒徑比小的比,具有更高的抗液化性[62];③在相同的橡膠含量情況下,增大圍壓可提升橡膠-砂混合土的抗液化效果,而圍壓增大不會(huì)顯著影響膠砂粒徑比大的橡膠-砂混合土的抗液化性能[62];④飽和的橡膠-砂混合土的抗液化性能受pH值的影響[64],在不同pH下浸泡28 d后其抗液化性能顯著降低,抗液化性能隨pH值的增加先減小后增大。二是在飽和砂土摻入廢舊橡膠會(huì)減弱其抗液化性能。李麗華等[33]、PROMPUTTHANGKOON和HYDE[67]的研究結(jié)果均表明同等條件下,橡膠-砂混合土的抗液化能力小于純砂。此外,SHARIATMADARI等[68-69]發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠-砂混合土中的橡膠顆粒體積含量從0%增加至25%,橡膠-砂混合土的抗液化能力先降低后提高。MASHIRI等[61]發(fā)現(xiàn)隨著橡膠質(zhì)量配比逐漸增大,橡膠-砂混合土的抗液化能力呈現(xiàn)先增大后稍微減小的趨勢(shì)。LIU等[64]以橡膠-尾礦砂混合土為對(duì)象開展了動(dòng)三軸試驗(yàn),結(jié)果表明在橡膠粒徑不變的前提下隨著橡膠含量和圍壓的增大,橡膠-尾礦砂混合土的抗液化能力均呈先增大后減小的趨勢(shì)。

現(xiàn)有動(dòng)強(qiáng)度研究多涉及橡膠-砂混合土的抗液化特性,對(duì)其他問題的研究還需要進(jìn)一步的完善。橡膠顆粒的加入是否會(huì)提高飽和砂土的抗液化能力仍存在分歧,需進(jìn)一步深入開展飽和橡膠-砂混合土抗液化效果研究。

3 動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

在場(chǎng)地地震反應(yīng)分析和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中,以歸一化動(dòng)剪切模量和阻尼比曲線的形式表現(xiàn)出來的土動(dòng)力特性是數(shù)值分析方法的主要組成部分之一[70]。動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂深A(yù)測(cè)動(dòng)荷載作用下土體的動(dòng)力特性,也是準(zhǔn)確計(jì)算橡膠-砂混合土的非線性響應(yīng)的前提條件。

土的動(dòng)模量函數(shù)通常采用HARDIN等[71]提出的以骨干曲線為基礎(chǔ)而建立的動(dòng)模量函數(shù)來表示:

(1)

式中:G為動(dòng)剪切模量;G0為初始動(dòng)剪切模量;γd為動(dòng)剪應(yīng)變;γr為參考應(yīng)變。FENG等[26]將參考應(yīng)變的概念應(yīng)用到橡膠-砂混合土,當(dāng)把混合土中橡膠的體積被視為空隙時(shí),G0可以根據(jù)HARDIN和DRNEVICH[72]的經(jīng)驗(yàn)公式來估計(jì)。學(xué)者們對(duì)于橡膠-砂混合土動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯靠偨Y(jié)如表1所示。由表1可知,現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投际腔诠舱裰騽?dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,在HARDIN等[72]提出的雙曲線模型基礎(chǔ)上,綜合考慮多種評(píng)估因素(如:橡膠含量、圍壓、粒度特征)進(jìn)行改進(jìn)而形成的橡膠-砂混合土動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)中考慮的評(píng)估參數(shù)較少,還沒有一個(gè)數(shù)據(jù)支撐考慮工程實(shí)際下的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?橡膠-砂混合土動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€需要做進(jìn)一步的研究。

表1 動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4 當(dāng)前存在問題與展望

橡膠-砂混合土可作為新型的減隔震材料,在土木工程中的應(yīng)用前景非常廣闊。搞清楚橡膠-砂混合土的動(dòng)力學(xué)特性是加快這一土工材料在工程應(yīng)用中推廣的重要前提。為此,國內(nèi)外學(xué)者從不同的方面進(jìn)行探索,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展和豐碩的成果,使得學(xué)者對(duì)橡膠-砂混合土的動(dòng)力學(xué)特性有了一定的認(rèn)識(shí),但是要更加深入地了解橡膠-砂混合土的動(dòng)力學(xué)特性,還面臨許多亟待解決的問題。對(duì)于橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究,今后建議著眼于以下幾個(gè)方面的工作:

1)試驗(yàn)材料方面,以非潔凈砂為材料開展試驗(yàn)研究。含細(xì)粒的非純凈砂土與純凈砂在靜動(dòng)力學(xué)特性存在不同程度差異,以潔凈砂為材料開展橡膠-砂混合土相關(guān)試驗(yàn)的研究成果可能無法真實(shí)反映實(shí)際情況。此外,在實(shí)際工程中,多使用非潔凈砂為建造材料,使用潔凈砂為建造材料將導(dǎo)致工程造價(jià)偏高。

2)試驗(yàn)尺寸方面,大型共振柱或動(dòng)三軸試驗(yàn)以及大直徑試樣的相關(guān)研究成果還比較欠缺。常規(guī)試驗(yàn)尺寸的研究成果已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)和規(guī)律,但是對(duì)于實(shí)際工程建設(shè)中能否很好地進(jìn)行應(yīng)用,還需要更寬范圍粒徑尺寸和大型試驗(yàn)的研究,以便能夠更好地反映實(shí)際情況,對(duì)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)。

3)對(duì)橡膠-砂混合土的物理性質(zhì)開展深入研究。橡膠-砂混合土作為減隔震材料應(yīng)用必須考慮其工程性能,橡膠-混合土的力學(xué)性質(zhì),物理性質(zhì)以及在實(shí)際工程應(yīng)用中如何平衡動(dòng)力特性與其他性質(zhì)的關(guān)系亟需探討。

4)評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)力特性的耦合影響。研究表明,橡膠含量、圍壓、應(yīng)變幅值等評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)力特性具有重要影響。然而,橡膠和砂土粒度特性、加載情況、試樣的制備方法、試驗(yàn)方法等因素對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)力特性的影響尚不充分。特別是阻尼比方面,橡膠含量、圍壓等評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比的影響已經(jīng)有了模棱兩可甚至相互矛盾的結(jié)果,這表明橡膠-砂混合土動(dòng)力特性與評(píng)估參數(shù)關(guān)系復(fù)雜,需進(jìn)一步深入研究各評(píng)估參數(shù)對(duì)動(dòng)力特性的影響,探討不同評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)力特性的耦合影響。

5)飽和橡膠-砂混合土抗液化性能系統(tǒng)性研究。目前,橡膠顆粒的加入是否會(huì)提高飽和砂土的抗液化能力仍存在分歧,這可能和學(xué)者之間采用的試驗(yàn)材料、試驗(yàn)方法不同有關(guān),尚需對(duì)飽和橡膠-砂混合土抗液化能力開展深入系統(tǒng)的研究。

6)建立考慮實(shí)際工程影響的橡膠-砂混合土動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。土?dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菍?shí)際工程中開展場(chǎng)地地震反應(yīng)分析的重要設(shè)計(jì)參考,不同評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律研究十分必要。現(xiàn)有研究中所建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕婕霸u(píng)估參數(shù)較少,面對(duì)工程應(yīng)用尚缺乏數(shù)據(jù)支撐,考慮實(shí)際工程影響的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭档锰接懞蜕钊胙芯俊?/p>

5 結(jié)論

本文從橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)參數(shù)、動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)力特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿矫娼榻B了橡膠-砂混合土動(dòng)力學(xué)特性研究現(xiàn)狀,指出了當(dāng)前存在的問題,并就未來研究方向給出了建議。主要研究成果如下:

1)研究結(jié)果表明,橡膠顆粒的加入會(huì)使砂土的動(dòng)剪切模量降低,橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量隨橡膠含量增加而減小,隨圍壓增大而增大,隨橡膠顆粒尺寸增大而增大,隨剪切應(yīng)變?cè)龃蠖鴾p小,隨豎向荷載增大而增大。另外,含水量、加載次數(shù)、加載頻率等因素對(duì)橡膠-砂混合土的動(dòng)剪切模量也存在影響。

2)加載頻率對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比的影響較小,而橡膠含量、圍壓、應(yīng)變幅值、粒度特性、加載情況等評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土的阻尼比影響顯著,但這些評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土阻尼比的影響尚未形成共識(shí)需進(jìn)一步完善,不同評(píng)估參數(shù)對(duì)橡膠-砂混合土的阻尼比的耦合影響亟需探討。

3)橡膠-砂混合土動(dòng)強(qiáng)度問題的研究較為局限,成果主要在抗液化特性方面,然而對(duì)在飽和砂土中摻入橡膠顆粒是否會(huì)提高其抗液化性能仍存在分歧,橡膠-砂混合土的抗液化效果研究需要進(jìn)一步的完善。

4)橡膠-砂混合土動(dòng)力特性可在雙曲線模型基礎(chǔ)上擬合形成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并考慮多種評(píng)估因素的影響,但現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)中考慮的評(píng)估參數(shù)較少,針對(duì)工程應(yīng)用還需要進(jìn)一步完善相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐,考慮實(shí)際工程影響的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭档锰接懞蜕钊胙芯俊?/p>