李博文，魯洋，劉斯宏，等.輪胎加筋砂墊層抗液化性能振動臺試驗研究［J］.地震工程學(xué)報，2024，46（2）：369375.DOI：10.20000j.10000844.20220430001

摘要：

將廢棄橡膠輪胎內(nèi)填充散體材料形成加筋土結(jié)構(gòu)，已被應(yīng)用于地基、擋土墻和邊坡加固等工程，表現(xiàn)出較好的減震隔振效果，而輪胎加筋土的抗液化性能尚缺乏研究。開展3組小型振動臺試驗，通過改變輪胎墊層的排水條件，驗證輪胎加筋砂墊層的抗液化效果。結(jié)果表明：輪胎加筋砂墊層具有良好的抗液化效果，與剛性墊層相比，超靜孔壓比峰值差值范圍在0.01～0.19，殘余超靜孔壓比差值范圍在0.08～0.16，輪胎加筋砂墊層提供的排水通道具有抑制超靜孔隙水壓力發(fā)展和加速超靜孔隙水消散的作用，孔隙水會沿著輪胎與下部土體的界面以及胎間的排水通道排出;采用量測側(cè)向動土壓力的方法，定義土體液化程度量化指標(biāo)，進一步驗證輪胎加筋砂墊層抗液化效果;振動過程中輪胎加筋墊層表面沉降范圍為11.3～15.7mm，表現(xiàn)出較好的變形協(xié)調(diào)性能。

關(guān)鍵詞：

輪胎;加筋;抗液化;振動臺試驗

中圖分類號：TU411+8文獻標(biāo)志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0369-07

DOI：10.20000j.10000844.20220430001

0引言

在地震作用下，孔隙水壓力的累積和有效應(yīng)力的降低是飽和砂土液化的主要原因。砂土液化所導(dǎo)致的重大地震災(zāi)害現(xiàn)象包括地基破壞、地面不均勻沉降和地表噴水冒砂等［1］。目前處理可液化地基主要分為兩種常見思路：提高土體本身的抗液化強度［23］和改善土體液化時的應(yīng)力條件［4］。土壤加筋是一種通過改變土體應(yīng)力條件來減輕液化的措施。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者嘗試采用各式各樣的加筋材料來控制液化土體的流動變形，主要包括纖維、橡膠顆粒和土工格柵等材料［57］。

隨著加筋土在巖土工程領(lǐng)域的發(fā)展，將廢舊輪胎經(jīng)過處理后形成的新型加筋土材料和結(jié)構(gòu)（“變廢為寶”）也逐漸受到關(guān)注和使用。廢舊輪胎內(nèi)填充土料形成加筋結(jié)構(gòu)，在外力的作用下胎面會對內(nèi)部土體產(chǎn)生一個“附加黏聚力”或“環(huán)箍效應(yīng)”，將輪胎布置在地基內(nèi)可大幅度提高地基承載力［89］。目前對于廢舊輪胎抗液化特性方面的研究主要還局限在使用破碎的橡膠碎片［10］和橡膠顆粒［11］，將整形廢舊輪胎作為加筋約束體直接進行抗液化的嘗試還未見報道。

鑒于此，本文開展了3組小振動臺試驗，研究了輪胎及組合體對地基抗液化的效果，分析超靜孔壓比、側(cè)向動土壓力和沉降量值等對比關(guān)系，研究結(jié)果可為相關(guān)工程提供理論參考。

1試驗方法與材料

1.1試驗裝置

試驗所用振動臺為DY6005電磁式小型振動臺，臺面尺寸為70cm（長）×70cm（寬），如圖1所示。試驗所采用的波形由固定磁場和位于磁場中通有交流電流的線圈相互作用產(chǎn)生的振動力驅(qū)動產(chǎn)生。振動臺最大負載為300kg，振動頻率范圍為5～2000Hz，額定位移為51mm，額定速度為100cms，額定加速度為50g。采用DH5922A動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進行試驗數(shù)據(jù)的采集。試驗?zāi)Ｐ拖錇?0cm（長）×60cm（寬）×40cm（高），其整體骨架由附帶螺栓的鋼板和鋼框架焊接而成，側(cè)面由厚度為0.5mm的有機玻璃和鋼框架組合而成。在模型箱內(nèi)側(cè)沿振動方向和垂直振動方向兩側(cè)分別壓入厚度為5cm和10cm的海綿墊，便于吸收模型箱側(cè)壁的入射波。在海綿墊內(nèi)側(cè)設(shè)置一層厚0.5mm的復(fù)合HDPE土工膜，用來防止砂土或水的滲漏。

振動過程中，模型地基內(nèi)的超靜孔隙水壓力和側(cè)向動土壓力采用靈敏度為0.01mVkPa的孔壓計和土壓力計量測，模型地基表面沉降量采用固定在自制鐵架上靈敏度為20mVmm的位移計量測。

1.2試驗?zāi)Ｐ拖嗨票仍O(shè)計

由于試驗設(shè)備的限制，經(jīng)過計算確定，模型試驗所采用的幾何相似比為1∶4，質(zhì)量密度相似比為1∶1，彈性模量相似比為1∶1。依據(jù)Bockingham定理及前人的研究［12］可計算得到各物理量的相似關(guān)系和相似系數(shù)（表1）。

1.3試驗材料

（1）試驗用砂

試驗中使用的砂樣選用南京某風(fēng)干細砂，平均粒徑為0.170mm，細度模數(shù)為1.7，該砂的級配參數(shù)（表2）及曲線見圖2。由圖2知，該細砂級配不良，易發(fā)生液化現(xiàn)象。

（2）輪胎

輪胎胎皮采用橡膠制作而成。單個輪胎外徑為10cm，內(nèi)徑為5cm。單個輪胎胎內(nèi)裝填0.5kg細砂，整平后平面尺寸為10cm（長）×10cm（寬），高為4.5cm。

1.4試驗方案

為研究輪胎組合體在地基土中的抗液化性能，設(shè)計了具有不同排水界面與通道墊層的對比試驗，墊層分別為輪胎墊層、不透水剛性墊層和不透水輪胎墊層。輪胎墊層由3×3方式布置的9個輪胎組成，尺寸為30cm（長）×30cm（寬）×4.5cm（高），輪胎的鋪設(shè)和接觸方式與實際施工過程相同;不透水剛性墊層是與輪胎墊層相同尺寸的亞克力板制作的盒子，盒內(nèi)裝填飽和細砂，其質(zhì)量與輪胎墊層填充飽和砂后相同，其目的是與輪胎墊層相比，改變排水界面和通道;不透水輪胎由上下胎圈附有一層塑料膜的胎皮裝填飽和砂土而成，其墊層尺寸及質(zhì)量與輪胎墊層相同，目的是與輪胎墊層相比，保留排水界面和胎間排水通道，不考慮輪胎內(nèi)部的抗液化效果。對比試驗中，模型地基深度均為25cm，三種墊層均布置在模型地基表層的中部。

對于每組對比試驗，為量測墊層表面在振動過程中的沉降，在墊層的表面布置4支位移計;為記錄振動過程中模型地基的超靜孔隙水壓力與動土壓力的變化，在墊層的下部土體中埋設(shè)6支孔壓計和6支土壓力計。4支位移計分別布置在墊層四角輪胎的表面中心位置;孔壓計和土壓力計緊挨布置在垂直振動方向的中心面上，沿深度方向布置兩排，距模型地基表面深度分別為5cm和15cm;每排各布置3支孔壓計和土壓力計，分別位于墊層中心、距中心5cm（胎間）和10cm（墊層邊界），如圖3所示。

由于輪胎平面形狀為圓形，輪胎填砂后整體相對密度的計算與實際存在誤差，因此輪胎內(nèi)部填砂的相對密度采用阿基米德原理求得。具體方法為：將包裹一層塑料膜的輪胎放入量杯中，輪胎內(nèi)部填入干砂，總體質(zhì)量與排出水的體積的比值定義為輪胎內(nèi)填砂的干密度，根據(jù)最大、最小干密度求得輪胎胎內(nèi)填砂相對密度為45％。根據(jù)輪胎的相對密度采用干裝法［13］分層制備模型地基，即在模型箱內(nèi)四周豎立標(biāo)尺，分層進行制備，除表面墊層按4.5cm高度制備外，其余層高度為2.5cm。每組試驗裝砂完畢后均從表層緩慢注水，吸去試樣頂部多余的水至砂樣面與水面齊平，并將表面刮平，用塑料膜包裹模型箱24h，使模型地基充分排氣飽和。為測試采用干裝法來保證模型地基的飽和度，預(yù)先制備一次飽和地基，取3個試樣測定含水率，依據(jù)已有的物理性質(zhì)指標(biāo)，可以計算出模型地基飽和度可達90%。最后，開展振動臺試驗，每組試驗均采用正弦波，峰值加速度為0.2g，振動頻率為5Hz，振幅峰值為±3.97mm，振動持續(xù)時間為180s。振動結(jié)束后，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)60s，試驗總時間為240s。

需要說明的是，實物照片與示意圖中的輪胎布置一致，胎間空隙填充少量松散砂，對輪胎間形成排水通道影響較小。

2試驗結(jié)果與分析

2.1超靜孔壓比的變化

參考相關(guān)文獻［13］，采用超靜孔壓比來評價地基的液化程度，超靜孔壓比為試驗量測得到的超靜孔隙水壓力與初始豎向有效應(yīng)力的比值。圖4比較了三種墊層在振動過程中（0.2g）超靜孔壓比的變化。從圖中可見：（1）試驗過程中，三種墊層下部土體不同測點處的超靜孔壓比變化趨勢相同，超靜孔壓比先迅速增長，達到峰值后迅速消散，最后趨于穩(wěn)定。（2）在同一深度處，三種墊層超靜孔壓比的變化從墊層邊緣向中部逐漸減小。這主要是因為：在同一深度處，墊層邊緣相對于墊層中部，與周圍土體的距離較近，超靜孔隙水在邊緣處積累較多。（3）位于模型地基內(nèi)相同位置的測點，輪胎墊層的超靜孔壓比均比不透水剛性墊層和不透水輪胎墊層的小。這主要是因為：輪胎墊層的胎間形成排水通道，有助于孔隙水的排出，深處的孔隙水向上排出后，淺處的孔隙水沿著輪胎胎側(cè)排水界面流向胎間排水通道和墊層的邊緣;而不透水剛性墊層相當(dāng)于一個封閉的幾何體，墊層下部模型地基內(nèi)的孔隙水只能沿剛性墊層底面向墊層邊緣排出;不透水輪胎墊層的上下胎圈被塑料膜封閉，阻止一部分孔隙水直接通過胎內(nèi)土體向上排出。因此，輪胎上下胎面的透水性也尤為重要。（4）輪胎墊層相較于不透水剛性墊層的超靜孔壓比峰值差值最大值為0.19（P6測點處），最小值為0.01（P1測點處）;殘余超靜孔壓比差值最大值約為0.16（P3和P6測點），最小值為0.08（P1和P4測點）。從量值上可以看出，輪胎墊層提供的排水通道，不僅極大程度地減弱了下部土體中孔隙水的積累，而且加快了超靜孔隙水壓力的消散。

根據(jù)圖4中超靜孔壓比的變化特征，輪胎加筋砂墊層在砂土地基土中良好的抗液化性能主要是由于其具有較好的排水性能，孔隙水通過胎間的空隙以及沿著排水界面排出，如圖5所示。

2.2側(cè)向動土壓力的變化

除了將超靜孔壓比作為研究砂土液化問題的評價指標(biāo)外，也可以通過地基土中側(cè)向動土壓力的變化來反映液化程度。試驗過程中，在每支孔壓計旁均布置1支土壓力計來量測模型地基內(nèi)側(cè)向動土壓力。土壓力計垂直于振動方向豎向埋設(shè)在地基內(nèi)相應(yīng)測點處。

振動前，假設(shè)模型地基內(nèi)某一深度處土體側(cè)向總應(yīng)力P1a為

P1a=Pw+Ps（1）

式中：Pw為水壓力;Ps為土骨架側(cè)向應(yīng)力，Ps=K0γh。其中，K0為側(cè)向土壓力系數(shù)，由Jacky公式［14］可知K0=1-sinφ;γ為土體的有效容重;h為深度;φ為有效內(nèi)摩擦角。

當(dāng)發(fā)生完全液化時，有效內(nèi)摩擦角變?yōu)?，此時模型地基內(nèi)某一深度處土體側(cè)向總應(yīng)力P2a變?yōu)椋?/p>

P2a=Pw+P′s（2）

式中：P′s=γh。發(fā)生完全液化時與振動前側(cè)向總應(yīng)力變化極大值為：

ΔP=P2a-P1a=sinφγh（3）

由上可知，側(cè)向動土壓力增量ΔF范圍為［0，sinφγh），定義ΔF和ΔP比值為Fp，即范圍為［0，1）。表明量測得到的側(cè)向動土壓力增量ΔF與總應(yīng)力變化極值ΔP越接近，土體發(fā)生完全液化的可能性越大。圖6比較了三種墊層下部土體中不同測點處Fp值在振動過程中的變化。可見，振動初期，三種墊層的Fp峰值均有接近或大于1的現(xiàn)象，說明模型地基內(nèi)發(fā)生了瞬時的液化現(xiàn)象。但是穩(wěn)定以后，F(xiàn)p值均小于1，而且輪胎墊層Fp均小于不透水剛性墊層和不透水輪胎墊層，進一步驗證了輪胎加筋砂墊層在地基土中具有更好的抗液化性能。

2.3墊層表面沉降

圖7為振動過程中輪胎加筋砂墊層和不透水剛性墊層表面4個測點的沉降變化?？梢?，兩種墊層表面測點的沉降量均在短時間內(nèi)迅速上升，達到峰值后趨于穩(wěn)定。振動結(jié)束后，輪胎墊層表面4個測點的沉降變化范圍為11.3～15.7mm，基本保持水平，輪胎加筋砂墊層表面在地基土中的完整性較好，如圖8（a）所示;而不透水剛性墊層變化范圍為16.0～36.2mm，在振動過程中向一側(cè)傾斜，產(chǎn)生較大的不均勻沉降，并基本沉沒模型地基內(nèi)，如圖8（b）所示。從量值上可以看出，不透水剛性墊層所產(chǎn)生的不均勻沉降約為輪胎加筋砂墊層的4倍，說明在振動過程中輪胎加筋砂墊層可以抵抗下部土體的變形，其具有較好的變形協(xié)調(diào)性。試驗現(xiàn)象也驗證了輪胎加筋砂墊層的排水性能。

3結(jié)論

本文以輪胎內(nèi)填充砂土形成輪胎加筋砂墊層作為研究對象，開展了3組小振動臺試驗，從超靜孔壓比、Fp和沉降量等開展效果分析，主要結(jié)論如下：

（1）輪胎加筋砂墊層設(shè)置在地基中，振動產(chǎn)生

的孔隙水通過胎間排水通道和沿著胎土接觸界面排出，其具有較好的排水性能。輪胎加筋砂墊層相較于不透水剛性墊層的超靜孔壓比峰值差值最大值為0.19（P6測點處），最小值為0.01;殘余超靜孔壓比差值最大值約為0.16，最小值為0.08。輪胎墊層形成的排水體，對超靜孔隙水壓力的累積和消散都起到積極的作用。

（2）輪胎加筋砂墊層作為一種柔性加筋土結(jié)構(gòu)，在振動過程中可與下部土體進行快速磨合，發(fā)揮變形協(xié)調(diào)作用，沉降范圍在11.3～15.7mm，表面基本保持水平，減少地基不均勻沉降。

（3）綜上考慮試驗規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)廢舊輪胎可以作為一種性能優(yōu)異的抗液化材料，在處理可液化地基的過程中可以發(fā)揮排水性能，并表現(xiàn)出良好的變形協(xié)調(diào)性。

我國地震帶分布廣泛，作為地震多發(fā)、頻發(fā)和重發(fā)的國家，適當(dāng)選取環(huán)保經(jīng)濟的抗液化措施尤為重要。因此，合理利用廢舊輪胎，既可以循環(huán)利用固廢資源，又可以起到減震減災(zāi)的作用。

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（本文編輯：張向紅）

收稿日期：20220430

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2017YFE0128900）;國家自然科學(xué)基金（52109123）;中國博士后科學(xué)基金（2021M690878）

第一作者簡介：李博文（1998-），男，博士研究生，主要從事加筋地基處理等方面的研究。Email：bowenli886@163.com。

通信作者：魯洋（1991-），男，博士，副教授，主要從事加筋土和水工巖土方面的研究。Email：luy@hhu.edu.cn。