輪胎碎片加筋砂土路基承載力試驗(yàn)

李麗華， 劉　毅， 肖衡林， 崔飛龍， 任增樂(lè)， 高　萌

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢　430068)

?

輪胎碎片加筋砂土路基承載力試驗(yàn)

李麗華， 劉毅， 肖衡林， 崔飛龍， 任增樂(lè)， 高萌

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢430068)

[摘要]廢舊輪胎碎片與砂土混合使用，可以有效提高路基承載力，減小路基不均勻沉降。為了深入研究廢舊輪胎碎片加筋路基工作機(jī)理，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用數(shù)字照相無(wú)標(biāo)點(diǎn)變形測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合地基土壓力分布和P-S曲線，研究了廢舊輪胎碎片加筋路基的加筋機(jī)理和破壞模式，研究結(jié)果表明，輪胎碎片加筋使土體位移場(chǎng)產(chǎn)生了顯著的變化，有效的限制了路基淺部土體的水平位移，輪胎碎片含量為5%時(shí)，加筋效果較優(yōu)。

[關(guān)鍵詞]廢舊輪胎碎片； 加筋路基； 沉降； 地基承載力

1概述

廢舊輪胎橡膠回收已成為全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一。由郝立新[1]研究巖質(zhì)邊坡構(gòu)造可知，邊坡可以加入土工格柵。對(duì)于路基排水黃治湘[2]做了相關(guān)研究。對(duì)于普通土工合成材料加筋路基的受力變形特性，當(dāng)前已有許多學(xué)者開(kāi)展模型試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)研究[3]，廢舊輪胎橡膠土壤混合物的相關(guān)研究很少。廢舊輪胎在工程中應(yīng)用十分廣泛，主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土堤壩，瀝青路面攤鋪系統(tǒng)，地基基礎(chǔ)和其他應(yīng)用。使用橡膠碎片隨機(jī)分配到土壤中，可以提高地基承載力[4]。加筋地基是在基礎(chǔ)下一定范圍內(nèi)的軟弱土層中鋪設(shè)輪胎橡膠碎片，這種處理方法可以改善地基土抗拉、抗剪性能，提高地基承載力，減小沉降。對(duì)于輪胎碎片-砂混合土的研究，主要集中在物理、力學(xué)、化學(xué)等幾方面，S.Kumar[5]對(duì)廢舊輪胎碎片用作常規(guī)加筋材料或填料進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示會(huì)對(duì)混合土特性尤其是強(qiáng)度造成影響，砂土中加入橡膠顯著降低了路基沉降，橡膠碎片具有很好的耐磨性，不易開(kāi)裂，具有很高的彈性。本文開(kāi)展了室內(nèi)路基沉降模型試驗(yàn)，通過(guò)改變不同輪胎碎片含量來(lái)觀測(cè)土壓力值的變化情況以及路基沉降的變化。

2試驗(yàn)介紹

為了深入了解廢舊輪胎碎片加筋路基的加筋機(jī)理，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，利用數(shù)字照相無(wú)標(biāo)點(diǎn)變形測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合地基土壓力分布和P-S曲線來(lái)研究橡膠碎片加筋地基的加筋機(jī)理和破壞模式。采用長(zhǎng)為2 m，寬為0.8 m的室內(nèi)物理模型試驗(yàn)對(duì)輪胎碎片加筋路基進(jìn)行了試驗(yàn)研究，見(jiàn)圖1。該模型試驗(yàn)采用兩種初始?jí)簩?shí)度回填土(DR=0.58，0.40)，選擇4種加筋輪胎碎片含量(2.5%，5%，7.5%，10%)[6]。

圖1　加載系統(tǒng)及模型箱Figure 1　Loading system and model box

試驗(yàn)采用的輪胎碎片長(zhǎng)寬厚分別為10 cm×2 cm×2 cm，輪胎碎片大小如圖2所示。通過(guò)Ayse Edincliler[7]實(shí)驗(yàn)可知，最大碎片含量控制在加筋層砂土質(zhì)量的10%，且碎片含量增加量在2.5%左右時(shí)試驗(yàn)效果最佳。所以選取橡膠碎片含量為：2%、5%、7.5%、10%。加筋層厚度和上層素土層厚度控制在20 cm。模型箱為長(zhǎng)方體，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為200 cm×80 cm×80 cm，試驗(yàn)箱一側(cè)采用12 mm鋼化玻璃板密封，以便觀察和監(jiān)測(cè)模型變形。加載鋼板面積覆蓋路基，使得加載時(shí)荷載分布較為均勻，加載板尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)80 cm×30 cm×3 cm。

圖2　輪胎碎片F(xiàn)igure 2　Tyre pieces

2.1試驗(yàn)材料、儀器及方法

試驗(yàn)過(guò)程中回填土的壓實(shí)度以實(shí)際擊實(shí)情況進(jìn)行控制，以小型夯實(shí)錘進(jìn)行擊實(shí)，控制落距并保持相同，每鋪設(shè)100 mm進(jìn)行擊實(shí)，保證單位面積的擊實(shí)功相同。模型的密實(shí)度由模型試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量密實(shí)度方法為在模型不同位置隨機(jī)抽取3個(gè)樣本，取其平均值分別計(jì)算得到2種初始相對(duì)密度分別為0.58和0.40。

表1 砂土基本物理參數(shù)Table1 Sandysoilbasicphysicalparameters干密度/(g·cm-3)孔隙比最大最小最大最小不均勻系數(shù)曲率系數(shù)1.891.660.610.417.101.33

液壓系統(tǒng)豎向壓力由自行研制的加載系統(tǒng)施加，加載系統(tǒng)公稱壓力100 kN，液壓最大工作壓力是25 MPa，配有16 MPa壓力表，配備相應(yīng)的壓力傳感器進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。本次試驗(yàn)的傳感器元件為江蘇海巖工程材料儀器有限公司所生產(chǎn)的TXR-2030型微型土壓力盒。

2.2監(jiān)測(cè)參數(shù)及方法

標(biāo)準(zhǔn)砂采用落雨法(落距10 cm)分層裝入模型箱，裝砂到指定的深度后再分層裝入模型箱并采用分層壓實(shí)的方法壓實(shí)砂土。

試驗(yàn)過(guò)程總監(jiān)測(cè)的參數(shù)有： ①路基頂部豎向壓力值由加載系統(tǒng)設(shè)定的加載值得到；通過(guò)在路基內(nèi)布置小型的土壓力盒測(cè)定路基不同部位壓力值； ②通過(guò)在模型箱鋼化玻璃一側(cè)埋設(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)并定時(shí)量測(cè)點(diǎn)的位移，測(cè)得路基不同深度位移值。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置見(jiàn)圖3。

圖3　監(jiān)測(cè)布置立面圖Figure 3　Monitoring arrangement elevation

2.3試驗(yàn)終止條件

根據(jù)路基的破壞模式，若加載過(guò)程中加載裝置無(wú)法繼續(xù)加載，可認(rèn)為路基模型已經(jīng)破壞，即終止試驗(yàn)。同時(shí)，也可以根據(jù)破壞時(shí)路基變形跡象，破壞路基可能出現(xiàn)以下變形跡象： ①在荷載作用下，路基在基礎(chǔ)邊緣以下開(kāi)始發(fā)生剪切破壞，隨著荷載的繼續(xù)增大，路基變形增大，剪切破壞區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大，基礎(chǔ)兩側(cè)土體有部分隆起，但剪切破壞區(qū)滑動(dòng)面發(fā)展到地面，基礎(chǔ)沒(méi)有明顯的傾斜和倒塌。基礎(chǔ)由于產(chǎn)生過(guò)大的沉降而喪失繼續(xù)承載能力； ②本級(jí)荷載作用下產(chǎn)生的沉降量突然增大，荷載-沉降曲線出現(xiàn)明顯陡降[8]。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1加筋含量對(duì)應(yīng)力場(chǎng)演化的影響

（2）內(nèi)部污染和外部污染會(huì)導(dǎo)致淬火液的冷卻性能發(fā)生較大的改變，因此應(yīng)及時(shí)對(duì)淬火液進(jìn)行檢測(cè)、污染物清除，防止工件變形甚至開(kāi)裂。

為研究不同碎片含量對(duì)路基應(yīng)力演化場(chǎng)和沉降的影響，所有工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況Table2 Testconditions工況碎片含量/%加筋層厚度/cm素土層厚度/cmA12A25A37.5A410A502020

路基模型在荷載作用下的附加應(yīng)力場(chǎng)演化是路基應(yīng)力變化的體現(xiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)路基不同時(shí)刻在不同荷載值作用下的應(yīng)力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，土壓力盒在路基模型中的分布如圖3所示。由于每種工況下有部分土壓力盒的數(shù)據(jù)無(wú)法測(cè)得，選取部分?jǐn)?shù)據(jù)完整的土壓力盒進(jìn)行分析。圖4為加筋前后加載過(guò)程中各種工況下路基內(nèi)的豎向附加應(yīng)力演化過(guò)程。

路基模型在荷載作用下的附加應(yīng)力場(chǎng)演化是路基應(yīng)力變化的體現(xiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)路基不同時(shí)刻在不同荷載值作用下的應(yīng)力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，土壓力盒在路基模型中的分布如圖3所示。由于每種工況下有部分土壓力盒的數(shù)據(jù)無(wú)法測(cè)得，選取部分?jǐn)?shù)據(jù)完整的土壓力盒進(jìn)行分析。圖4為加筋前后加載過(guò)程中各種工況下路基內(nèi)的豎向附加應(yīng)力演化過(guò)程。

由圖4中可知：路基模型在達(dá)到破壞應(yīng)力時(shí)，其中應(yīng)力值下降明顯的壓力盒為T(mén)1，T2，T3，應(yīng)力值分別降低43%，32%，20%。此曲線反映了土壓力盒在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的變化。路基模型破壞時(shí)，加筋前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)中應(yīng)力值的變化，表明加筋路基模型壓力盒檢測(cè)范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，所以壓力值沒(méi)有出現(xiàn)陡降而未加筋的路基出現(xiàn)較為明顯的的塑形流動(dòng)。

輪胎碎片與填充在輪胎碎片中的砂土組成的單元體，在路基模型中對(duì)砂土顆粒間應(yīng)力傳遞產(chǎn)生較大的影響，使得砂土承擔(dān)的豎向附加應(yīng)力明顯降低。

3.2輪胎碎片加筋對(duì)路基沉降的影響

分析路基沉降變形規(guī)律中，以路基頂部沉降監(jiān)測(cè)值為分析數(shù)據(jù)，為減少誤差取左右對(duì)稱位置沉降數(shù)值的平均值。

針對(duì)有無(wú)輪胎碎片的情況進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，得出加筋前后路基模型頂處的豎向沉降關(guān)系如圖5、圖6所示，圖5(a)、圖6(a)為遠(yuǎn)離路基對(duì)稱軸一側(cè)的豎向沉降，圖5(b)、圖6(b)為中軸線一側(cè)的沉降值。圖5(a)沉降曲線顯示，當(dāng)荷載值較大時(shí)，遠(yuǎn)離中軸線一側(cè)的沉降值趨于穩(wěn)定，由圖5、圖6可知：各種加筋工況下加筋碎片對(duì)減小沉降量作用十分明顯，且隨著荷載的增加，加筋碎片改善沉降效果更加明顯。

圖4　應(yīng)力曲線Figure 4　The stress curve

通過(guò)對(duì)靠近路基對(duì)稱軸一側(cè)各工況較未加筋時(shí)沉降減少統(tǒng)計(jì)值。對(duì)比加筋前后各工況的豎向沉降發(fā)現(xiàn)，碎片對(duì)減小沉降量作用十分明顯，且荷載越大加筋效果越顯著，在荷載值達(dá)到4 MPa時(shí)，路基中線軸附近出現(xiàn)明顯的剪切裂縫，此時(shí)路基發(fā)生破壞，從圖5、圖6中可以看到：未加筋路基沉降明顯大于加筋路基且最大沉降值已達(dá)60 mm。加筋效果最佳時(shí)最大沉降僅有25 mm。這與S.N.Moghaddas Tafreshi[9]的研究成果一致。加筋輪胎碎片對(duì)路基沉降的影響主要由兩個(gè)方面的因素。一方面，由3.1節(jié)分析結(jié)果可知，砂土路基采用輪胎碎片加筋后，附加應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，加筋砂土豎向附加應(yīng)力明顯降低；另一方面，由實(shí)驗(yàn)可知，路基中分布著橡膠碎片，由于碎片對(duì)路基加筋作用，改善填土路基的支承剛度，降低路基內(nèi)的垂直應(yīng)力，有效緩解路基沉降的非均勻性。

圖5　初始相對(duì)密度0.58砂土路基沉降曲線Figure 5　The initial relative density 0.58 sand subgrade settlement curve

圖6　初始相對(duì)密度0.40砂土路基沉降曲線Figure 6　The initial relative density 0.40 sand subgrade settlement curve

同時(shí)，路基頂面和路基結(jié)構(gòu)層表面的水平拉應(yīng)力和剪應(yīng)力有較大幅度減少，從而降低了路基頂面和路面結(jié)構(gòu)拉裂或剪切的可能性。

由圖5、圖6可以得出：在工況2情況下沉降量最小，即在橡膠含量為5%的情況下，路基基礎(chǔ)性能得到了改進(jìn)。碎片含量比例在5%時(shí)加筋效果是最好的，隨著碎片含量的增加，路基沉降反而增大。這與Bosscher PJ[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相似。由圖5、圖6可以得出，當(dāng)繼續(xù)增加橡膠含量時(shí)到達(dá)7.5%時(shí)，路基沉降量反而增大。在所有工況下，隨著深度的增加，豎向附加應(yīng)力逐漸變小，如土壓力盒T3、 T2、T1均位于路基中軸線上。

橡膠是通過(guò)填充物的相互作用來(lái)構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向和大剛度的柔性結(jié)構(gòu)層，其相互作用主要表現(xiàn)在以下方面[11]：由路基模型中的附加應(yīng)力場(chǎng)分布可知，越靠近加載板豎向附加應(yīng)力越大，由此可知，加載板附近的回填土產(chǎn)生的沉降較遠(yuǎn)離加載板的回填土的大。當(dāng)路基用輪胎碎片加筋后，由于加筋碎片單元體剛度較回填土大，故能有效減小路基沉降量。在路基中填充橡膠碎片，能構(gòu)成較大剛度的柔性結(jié)構(gòu)層，有效的減少地基附加應(yīng)力而引起的固結(jié)，達(dá)到消除路基不均勻沉降的目的。

3.3輪胎碎片加筋對(duì)路基破壞模式的影響

試驗(yàn)過(guò)程中可明顯的觀察到路基頂面的破壞形態(tài)，由于路基中軸處側(cè)向位移最為明顯，為研究輪胎碎片加筋對(duì)于路基破壞模式的影響，對(duì)不同位置的路基位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并觀察不同深度的位移曲線。

圖7為不同輪胎碎片含量下路基的破壞形態(tài)，在上部重復(fù)荷載作用下加載板兩側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫隨著加載強(qiáng)度增大越來(lái)越寬，未加筋工況A5裂縫比其它工況寬。其結(jié)果是基礎(chǔ)向比較薄弱一側(cè)傾倒，地基整體失去穩(wěn)定性。

工況A1工況A2

工況A3工況A4

工況A5

圖7中紅線為各種工況下破壞時(shí)裂縫的寬度，可以看出不同碎片含量時(shí)破壞路基的裂縫明顯不同，當(dāng)路基處于未加筋情況下，破壞裂縫明顯比加筋工況下寬，表現(xiàn)為整體剪切破壞，且隨著加筋含量的增加，裂縫整體表現(xiàn)為先變窄后變寬，當(dāng)碎片含量在一個(gè)適宜含量時(shí)，對(duì)限制砂土位移達(dá)到最佳效果。表明路基承載力隨著橡膠碎片含量的增加先增強(qiáng)后減小，這與國(guó)內(nèi)外研究結(jié)論保持一致[12-14]。

4結(jié)論

① 在加筋路基內(nèi)部，加筋區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑形流動(dòng)，所以路基內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的路基沒(méi)有出現(xiàn)大幅度沉降，而未加筋的路基中，路基出現(xiàn)明顯的塑形流動(dòng)。出現(xiàn)土壓力盒數(shù)值出現(xiàn)陡降的情況。

② 輪胎碎片加筋使土體位移場(chǎng)產(chǎn)生了顯著的變化。軟土地基通過(guò)輪胎碎片加筋有效的限制了地基淺部土體的水平位移。

③ 碎片最佳加筋含量為5%。橡膠碎片加筋增加了滑動(dòng)體的抗滑力，使路基的穩(wěn)定性得到提高。

[參考文獻(xiàn)]

[1]郝立新.巖質(zhì)邊坡坡體結(jié)構(gòu)分類及其工程意義[J].公路工程，2014，39(2)：19-24.

[2]黃治湘.高速公路大修工程路面排水結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工[J].公路工程，2014，39(4)：149-152.

[3]Lee K M，Manjunath V R.Experimental and numerical studies of geosynthetic-reinforced sand slops loaded with a footing[J].Canadian Geotechnical Journal，2000，37(4)：828-842.

[4]N.Hataf， M. M. Rahimi. Experimental investigationof bearing capacity of sand reinforced with randomly distributed tire shreds[J].Construction and Building Meterials 20(2006)910-916.

[5]S. Kummar. Centrifuge modeling reinforced soil slopes using tire chips.Indian Institute of technology bombay，Powai.Mumbai-400076，India.

[6]A.H，Norouzi.Bearing Capacity of a square model footing on sand reinforced with shredded tire-An experimental investigation[J].Construction and Building Meterials35(2012)547-556.

[7]Ayse Edincliler.Influence of different processing techniques on the mechanical properties of used tires in embankment construction[J].Waste Management30(2010)1073-1080.

[8]汪益敏，李慶臻，高水琴.差異沉降對(duì)土工格柵加筋路堤工作性能影響的試驗(yàn)研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39(9)：68-73.

[9]S.N.MoghaddAS Tafreshi.Bearing Capacity of asquare model footing on sand reinforced with shredded tire-An experimental Investigation[J].Construction and Building Meterials35(2012)547-556.

[10]Bosscher PJ， Edil TB， Kuraoka S. Design of highway embankments using tire chips[J].Geotech Geoenviron ENG.ASCE. 1997；123(4)：295.

[11]Tuncer B.Edil.A review of mechanical and chemical properties of shredded tires and soil Mixtures[J].Recycled Materials In Geotechnics 32(2012)201-206.

[12]DennesT. Bergado. Numerical analysis of reinforced wall using rubber tire chips-sand mixtures as backfill material[J].Computers and Geotechnics31(2004)103-114.

[13]O.Khalaj.Pilot-scale load tests of a combined multilayered geocall and rubber-reinforced foundation[J].Geosynthetics International，2013，20，No.3.

[14]Ki Sang Son.Strength and deformability of waste tyre rubber-filled reinforced concrete columns[J].Construction and Building Materials 25(2011)218-226.

Tyre Pieces of Reinforced Sand Subgrade Bearing Capacity Test

LI Lihua， LIU Yi， XIAO Henglin， CUI Feilong， REN Zengle， GAO Meng

(School of Civil Engineering and Architecture， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068， China)

[Abstract]Scrap tire chips mixed with sand，can effectively improve the subgrade bearing capacity，reduce differential settlement of subgrade.In order to study fragments of scrap tires working mechanism of reinforced embankment.Through model tests，the use of digital photography without punctuation deformation measurement system.Combined with soil pressure distribution and P-S curve.Study the reinforcement mechanism of scrap tires and debris reinforced embankment failure mode.The results show，tyre pieces of reinforcement to displacement field of soil produced a significant change and effective limits the roadbed shallow soil horizontal displacement.When the tire debris content is 5%，subgrade has the best effect of reinforcement.

[Key words]scrap tire chips； reinforced embankment； settlement； the foundation bearing capacity

[收稿日期]2015-03-06

[基金項(xiàng)目]巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(Z014011)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308197，51178166)；湖北省橋梁安全監(jiān)控技術(shù)及裝備工程技術(shù)研究中心基金(QLZX2014016)，校優(yōu)秀博士基金(BSQD12055)

[作者簡(jiǎn)介]李麗華(1980-)，女，湖北孝感人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事地基處理、邊坡加固、土工材料、模擬月壤、環(huán)境巖土等方面的研究工作。

[中圖分類號(hào)]TU 411； U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0064-05