大尺寸輪胎條-黃土混合物剪切特性試驗(yàn)研究

(西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730100)

1 研究背景

廢舊輪胎派生骨料(Tire Derived Aggregates，TDA)具有質(zhì)量輕、高彈性、高摩阻性、耐久性好、絕熱性優(yōu)良、高滲透性等優(yōu)異的性能，而且對地下空間環(huán)境的影響微乎其微，被廣泛應(yīng)用于巖土工程回填領(lǐng)域。廣泛分布于我國西北地區(qū)的黃土是其組成物質(zhì)在沉積歷史過程中形成的綜合產(chǎn)物，是一種典型的特殊性問題土。

國內(nèi)外學(xué)者為了利用廢舊輪胎改良不同土的工程性質(zhì)，針對廢舊輪胎與土的混合物相繼開展了一系列研究。Zornberg等[1]、Foose等[2]研究發(fā)現(xiàn)輪胎條摻量、TDA長寬比、砂基質(zhì)相對密度對混合土抗剪強(qiáng)度具有顯著的影響，混合土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及體積變形特征受橡膠顆粒摻量和砂基質(zhì)相對密度的影響較為明顯。Xiao等[3]報道了大尺寸TDA的大規(guī)模直接剪切試驗(yàn)，采用自己設(shè)計和制造的大型直接剪切試驗(yàn)裝置，比較了TDA與砂、混凝土和土工合成材料的剪切性能，得出了TDA與其他材料接觸時的剪切強(qiáng)度主要由混合材料之間的摩擦性能決定。Mashiri等[4]研究發(fā)現(xiàn)輪胎碎屑對混合物的抗剪強(qiáng)度和膨脹性能影響較大，進(jìn)一步研究了軟約束和相對密度對混合物剪切強(qiáng)度、剪脹性、初始切線模量的影響，并試圖解決與土壤低強(qiáng)度和高膨脹性相關(guān)的問題。孫樹林等[5-6]、李麗華等[7-8]研究了輪胎顆粒含量及法向應(yīng)力對混合土抗剪強(qiáng)度的影響，總結(jié)出混合土的抗剪強(qiáng)度變化特征。

針對西北地區(qū)的黃土，李朝暉等[9]利用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)探討橡膠顆粒摻量和圍壓對混合物應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響，在低圍壓下?lián)搅繛?0%可以提高混合土的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)行剪切機(jī)制分析找到孔隙填充狀態(tài)、基質(zhì)土物理狀態(tài)、彈性骨架顆粒等與混合土剪切機(jī)制相關(guān)的影響因子。目前國內(nèi)關(guān)于輪胎條改良不同土所做試驗(yàn)用到的多是橡膠顆粒，關(guān)于輪胎條尺寸特征對混合土剪切機(jī)制影響的研究相對較少。

El-Sherbiny等[10]使用了較小粒徑的顆粒狀橡膠和較大尺寸的橡膠塊進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)來評定混合土的靜態(tài)抗剪強(qiáng)度和變形特性，發(fā)現(xiàn)隨著橡膠摻量的增加，混合土的抗剪強(qiáng)度和剛度降低、變形能力增強(qiáng)；橡膠摻量超過20%時，橡膠在混合土基體中占主導(dǎo)地位。李珊珊等[11]采用Shear Trac-Ⅱ型直剪儀研究了廢舊輪胎橡膠顆粒-黏土混合土的力學(xué)特性，分析了橡膠顆粒摻量、橡膠顆粒粒徑大小(分為大粒徑、小粒徑)對混合土抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)最佳橡膠摻量為40%，且橡膠顆粒摻量低于20%時，增大橡膠顆粒粒徑可使混合土的抗剪強(qiáng)度顯著提高。目前國內(nèi)外研究多是探討 TDA摻量對混合土(尤其是砂土)力學(xué)性能的影響，其中改良粉土(黃土)的相關(guān)研究相對較少，特別是關(guān)于輪胎條形狀特征(即長寬比)對輪胎條-黃土混合物(scrap tire strip-loess mixture，STR-LM)剪切過程中力學(xué)特性影響的研究數(shù)據(jù)較少。

本文旨在利用大尺寸輪胎條改良西北地區(qū)黃土力學(xué)特性，試驗(yàn)研究中進(jìn)一步擴(kuò)大了輪胎條摻量范圍(0%～100%)，精確考慮輪胎條尺寸效應(yīng)對土的抗剪強(qiáng)度特性的影響，將輪胎條尺寸精確化，為改良黃土工程特性和廢舊輪胎的回收利用提供新的途徑。

2 試驗(yàn)材料及儀器

2.1 試驗(yàn)材料

定義u表示輪胎條長寬比，即

(1)

式中：lts表示輪胎條的長度；wts表示輪胎條的寬度。

定義w表示輪胎條的摻量，即

(2)

式中：mts表示輪胎條質(zhì)量；ms表示混合土中黃土的質(zhì)量。

黃土取自西北地區(qū)甘肅省蘭州市榆中縣白虎墩地區(qū)，其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 黃土基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of loess

圖1 廢舊輪胎條Fig.1 Photo of scrap tire strip

在廢品回收市場收集廢舊汽車輪胎，利用切割機(jī)將廢舊汽車輪胎按照既定尺寸加工，抽取輪胎條中的鋼絲尼龍繩，獲得純橡膠的輪胎條，對尺寸進(jìn)行人工修剪，保持輪胎條的寬度在1 cm左右，厚度在3 mm左右，輪胎條的長度為1～8 cm，制成長寬比u=1，u=2，u=4，u=8共4種輪胎條。相比于目前試驗(yàn)研究使用較多的橡膠顆粒、輪胎碎片尺寸明顯增大，也更加精細(xì)化，在實(shí)際工程應(yīng)用中簡單易行、適用于大批量生產(chǎn)。本次試驗(yàn)測得輪胎條的平均含水率為1.22%。廢舊輪胎條加工后長寬比及形狀如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用從美國進(jìn)口的Shear Trac-Ⅲ型大型直剪儀(圖2)，可以全自動完成固結(jié)和剪切試驗(yàn)。大型直剪儀剪切盒尺寸為305 mm×305 mm，標(biāo)準(zhǔn)高度為200 mm，可以自動控制土和土工編織物的大型直剪試驗(yàn)。

圖2 Shear Trac-Ⅲ大型直剪儀裝置Fig.2 Shear Trac-Ⅲ large-scale direct shear apparatus

3 試驗(yàn)方法

3.1 制 樣

試樣為黃土與廢舊輪胎條混合物，按照最優(yōu)含水率進(jìn)行配土，采用動力制樣，將黃土與輪胎條拌勻，利用擊實(shí)錘人工擊打混合物，具體擊實(shí)試驗(yàn)步驟按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[12]進(jìn)行，擊實(shí)錘質(zhì)量為2.5 kg，控制擊實(shí)錘落高在0.3 m，讓擊實(shí)錘做自由落體運(yùn)動依次逐層擊打混合物，計算得出一個樣需要擊打1 473錘，分成3層分別進(jìn)行擊實(shí)。先擊打外圍土層，然后逐漸向內(nèi)圈推進(jìn)，每一圈之間搭接擊打。每次試驗(yàn)剪切盒質(zhì)量控制在31 kg左右。

3.2 試驗(yàn)過程

利用Shear Trac-Ⅲ型大型直剪儀對底面尺寸為305 mm×305 mm的正方形試樣進(jìn)行試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)方式為快剪，剪切速率設(shè)置為0.013 3 mm/s。

試驗(yàn)共計進(jìn)行了8組一共32次大型直剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)包括4次試驗(yàn)，即每組試驗(yàn)分別在垂直壓力為24，48，96，144 kPa下進(jìn)行。每組的4次剪切試驗(yàn)采用相同的輪胎條摻量、相同的輪胎條長寬比和相同的黃土(基本參數(shù)相似度較高)制成的混合物剪切試樣。

首先為了找出輪胎條的最佳摻量，分別進(jìn)行輪胎條摻量為0%，10%，20%，30%，100%的5組試驗(yàn)(u=4),一共20次試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出20%為較優(yōu)化的摻量；然后保持摻量為20%，分別進(jìn)行長寬比u=1，u=2，u=8的3組試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 輪胎條摻量對STR-LM剪切強(qiáng)度的影響

利用u=4的輪胎條和黃土混合，輪胎條摻量分別為0%，10%，20%，30%，100%，分別在正應(yīng)力24，48，96，144 kPa共4種情況下進(jìn)行大型剪切試驗(yàn)。選取輪胎條摻量為20%、正應(yīng)力為96 kPa的一個試樣剪切破壞后的剪切面，如圖3。STR-LM水平應(yīng)力-水平位移關(guān)系如圖4所示。

圖3 剪切破壞面Fig.3 Shear failure surface

圖4 不同輪胎條摻量下的STR-LM水平應(yīng)力- 水平位移關(guān)系Fig.4 Relation between horizontal stress versus horizontal displacement of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip

從圖4可以看出：

(1)在正應(yīng)力96 kPa和144 kPa作用下，水平應(yīng)力-水平位移曲線存在較多的交錯現(xiàn)象。而且在所有的試樣中，僅素土和輪胎條摻量10%對應(yīng)正應(yīng)力24 kPa情況下，STR-LM的水平應(yīng)力-水平位移曲線存在峰值，峰值之后逐漸降低并趨于平緩。

(2)除了在輪胎條摻量為0%和10%并施加24 kPa的正應(yīng)力時，STR-LM試樣存在著較弱的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，其他試樣均呈現(xiàn)出或強(qiáng)或弱的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而且試樣應(yīng)變硬化程度隨著正應(yīng)力和輪胎條摻量的增大而增大。純輪胎條在4種正應(yīng)力作用下均呈現(xiàn)出近似線性的水平應(yīng)力-水平位移曲線特點(diǎn)。這與李朝暉等[9]用橡膠顆粒與黃土混合的研究結(jié)果，即所有試樣均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特點(diǎn)相吻合。Lee等[13]用砂粒和TDA進(jìn)行三軸試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)：在偏應(yīng)力增大的情況下試樣表現(xiàn)出近似線性的水平應(yīng)力-水平位移行為，在軸向應(yīng)變增加的情況下，材料很難達(dá)到峰值強(qiáng)度，這與本次試驗(yàn)的結(jié)果較為相似。

(3)不同STR-LM試樣水平應(yīng)力-水平位移曲線幾乎都有交錯現(xiàn)象，這是由于輪胎條的加入，STR-LM的剪切范圍發(fā)生了變化，明顯改變了黃土的力學(xué)特性。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[12]取水平位移為15 mm處對應(yīng)的水平應(yīng)力為試樣的峰值強(qiáng)度，如圖5。

圖5 不同輪胎條摻量下的STR-LM峰值強(qiáng)度Fig.5 Peak strength of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip under different normal stresses

根據(jù)圖5可知，輪胎條摻量為20%時，除了施加144 kPa正應(yīng)力外，其他試驗(yàn)條件下STR-LM的水平應(yīng)力均達(dá)到峰值。在試驗(yàn)范圍內(nèi)可以認(rèn)為在長寬比u=4時，20%為一個較為合適的摻量。同時，當(dāng)施加較大的正應(yīng)力144 kPa時，輪胎條摻量為10%，即輪胎條含量較少的情況下已經(jīng)達(dá)到了強(qiáng)度峰值?？梢哉J(rèn)為在輪胎條尺寸遠(yuǎn)大于土體顆粒效應(yīng)的情況下，是剪切面之間的輪胎條發(fā)揮了其本身的一些特性，增加了STR-LM的抗剪強(qiáng)度。

輪胎條摻量對STR-LM剪切強(qiáng)度影響線性擬合結(jié)果如圖6，擬合結(jié)果具體參數(shù)見表2。

圖6 輪胎條摻量對STR-LM剪切強(qiáng)度影響 線性擬合結(jié)果Fig.6 Fitted result of the influence of scrap tire strip dosage on the shear strength of mixture

長寬比u輪胎條摻量/%黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)R24044.7543.820.97841052.0045.110.97542070.0539.790.99743050.8030.490.85241007.9117.470.988

從表2可以看出，輪胎條摻量的增加對提高黏聚力有著顯著影響，而對內(nèi)摩擦角的影響較小。這可能是由于輪胎條尺寸明顯遠(yuǎn)大于土體，剪切面之間的輪胎條發(fā)揮了其本身的一些特性，通過提高黏聚力增加了混合體的抗剪強(qiáng)度。

再根據(jù)擬合結(jié)果得出STR-LM的抗剪強(qiáng)度，如圖7。

圖7 不同輪胎條摻量下的STR-LM抗剪強(qiáng)度Fig.7 Shear strength of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip under different normal stresses

根據(jù)圖7可知：

(1)輪胎條摻量為10%～20%時，輪胎條對黃土的改良作用較好，輪胎條對STR-LM的剪切特性影響較大，STR-LM的抗剪強(qiáng)度相對于素土最多提高了22%，剪切強(qiáng)度參數(shù)中黏聚力的增加尤其凸顯，摻量20%時的黏聚力相對于素土增加了56.5%。

(2)長寬比為4時，除了正應(yīng)力144 kPa之外，所有的試樣在輪胎條摻量為20%時均取得較大的抗剪強(qiáng)度。在正應(yīng)力144 kPa情況下，摻量為10%時具有較大的抗剪強(qiáng)度(196.55 kPa)。這與Cetin等[14]在黏土中加入小尺寸橡膠碎片(粒徑24.75 mm)得出最優(yōu)摻量為20%相一致,與Fathali等[15]提出10%的最佳摻量應(yīng)用于實(shí)際工程也有一定的契合度。由于試驗(yàn)材料尺寸有別，試樣制作過程、試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式等存在差異，本次試驗(yàn)結(jié)果與Zornberg等[1]得出的最優(yōu)輪胎條含量為35%存在一定的差異性。

(3)增加輪胎條摻量到30%及其以上時，混合物的抗剪強(qiáng)度較素土明顯降低，這是因?yàn)檩喬l具有較高的彈性，隨著輪胎條摻量的增加，輪胎條在STR-LM中占據(jù)主導(dǎo)地位，顯著影響試樣的剪切性能，較高摻量的輪胎條會分離黃土顆粒，導(dǎo)致不同顆粒之間的聯(lián)鎖和摩擦作用減少。同時說明了輪胎條的加入破壞了土體顆粒之間原有的穩(wěn)定空間，剪切過程中黃土顆粒必須運(yùn)動翻過輪胎條或者穿過輪胎條之間的空隙，即輪胎條通過在潛在剪切面上搶占位置來提高黃土顆粒的抗剪強(qiáng)度。

4.2 輪胎條長寬比對STR-LM剪切強(qiáng)度的影響

分別利用長寬比u=1，u=2，u=4，u=8的輪胎條和黃土混合進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所得STR-LM水平應(yīng)力-水平位移關(guān)系如圖8所示。輪胎條長寬比對STR-LM剪切強(qiáng)度影響線性擬合結(jié)果如圖9，擬合結(jié)果具體參數(shù)見表3。根據(jù)擬合結(jié)果得出STR-LM的抗剪強(qiáng)度，如圖10。

圖8 不同輪胎條長寬比下的STR-LM 水平應(yīng)力- 水平位移關(guān)系Fig.8 Relation between horizontal stress versus horizontal displacement of soil mixture with varying length-width ratio

圖9 輪胎條長寬比對STR-LM剪切強(qiáng)度影響線性 擬合結(jié)果Fig.9 Fitted result of the influence of length-width ratio on the shear strength of mixture

長寬比u輪胎條摻量/%黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)R212039.4946.510.99022049.5046.870.99542070.0539.790.99782065.6035.240.726

圖10 不同輪胎條長寬比下的STR-LM抗剪強(qiáng)度Fig.10 Shear strength of soil mixture with varying length-width ratio under different normal stresses

由圖8、圖9、表3以及圖10可知：

摻量為20%情況下，正應(yīng)力為24 kPa和48 kPa時，u=4時STR-LM取得較大的剪切強(qiáng)度；正應(yīng)力為96 kPa和144 kPa時，u=2時STR-LM取得較大的抗剪強(qiáng)度；當(dāng)u=8時，STR-LM的抗剪強(qiáng)度低于素土的抗剪強(qiáng)度，這說明輪胎條尺寸較大時，輪胎條本身占據(jù)了主導(dǎo)地位，決定著混合土的抗剪性質(zhì)。

針對輪胎條尺寸的變化，有以下討論：

(1)隨著輪胎條長寬比的增大，STR-LM黏聚力和抗剪強(qiáng)度增加。這是由于長寬比增大，相應(yīng)地增加了輪胎條表面積，加大了輪胎條與黃土顆粒之間的摩擦力度，導(dǎo)致土顆粒與土顆粒、土顆粒與輪胎條、輪胎條與輪胎條之間產(chǎn)生相對滑動更加困難，從而使得剪切面上黏聚力增大，這也說明混合物的抗剪強(qiáng)度和土顆粒簇與輪胎條之間的咬合作用具有較大的相關(guān)性。

(2)長寬比在1～4之間變化時，增加輪胎條尺寸能夠明顯提高STR-LM的抗剪強(qiáng)度。這是由于輪胎條具有較大的變形能力。當(dāng)輪胎條長寬比較大時，剪切過程中輪胎條自身能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲扭轉(zhuǎn)變形，減少了剪切面上土顆粒在輪胎條周邊區(qū)域移動的需要；而當(dāng)輪胎條長寬比較小時，黃土顆粒與輪胎條具有更好的連續(xù)性，降低了黃土顆粒與輪胎條的分離程度。

(3)在剪切過程中剪切面上土顆粒移動時阻力最小的路徑將決定試樣最終剪切強(qiáng)度，可以認(rèn)為剪切過程中土顆粒被迫繞著輪胎條移動，即可能存在一個臨界長寬比，在剪切界面上使得混合物獲得了較高的抗剪強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

通過對黃土與不同摻量、不同長寬比輪胎條混合形成的混合物進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)，總結(jié)得出以下結(jié)論：

(1)STR-LM的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與輪胎條摻量和長寬比有關(guān)，輪胎條摻量、長寬比的增加對提高黏聚力有著顯著影響，而對內(nèi)摩擦角的影響較小，其中內(nèi)摩擦角隨著摻量的增加先增大后減小，輪胎條摻量10%～20%是較為理想的摻量；黏聚力隨著摻量的增加先增大后減小，在摻量為20%時達(dá)到最大值70.0 kPa。輪胎條長寬比在1～4之間變化時，STR-LM的黏聚力對輪胎條長寬比的變化較為敏感。隨著長寬比的增加，STR-LM的黏聚力先增大后減小，在u=4時取得最大值70.0 kPa。內(nèi)摩擦角受長寬比的影響相對較小，呈現(xiàn)出隨著長寬比增大而減小的規(guī)律。

(2)通過優(yōu)化輪胎條的尺寸可明顯提高STR-LM的黏聚力以改善混合物的剪切特性，輪胎條與黃土的界面作用發(fā)揮了STR-LM的強(qiáng)度效應(yīng)，改善了接觸面上的摩擦特性，提高了黃土的抗剪強(qiáng)度，改良了黃土的工程性質(zhì)。

(3)輪胎橡膠具有較高的回彈性和摩阻性，導(dǎo)致STR-LM在震動荷載與循環(huán)加載作用下體現(xiàn)出可恢復(fù)剪脹性，將其應(yīng)用于濕陷性黃土的地基處理及回填領(lǐng)域具有很大的工程實(shí)踐意義，值得進(jìn)一步研究。