廢舊輪胎加筋土性能試驗研究

(湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院，武漢 430068)

1 研究背景

近年來各種不同加筋材料廣泛用于高速公路、鐵路與水利工程中。不同加筋筋材的加筋效果存在差異。廢舊輪胎由于良好的力學性能以及經濟環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于巖土工程領域。由于廢舊輪胎具有抗拉伸強度優(yōu)越、耐久性強、抗腐蝕性強、穩(wěn)定性強等各種優(yōu)良的力學性能，以及運輸方便等優(yōu) 點，作為優(yōu)良的土工加筋材料被廣泛應用于巖土工程中改善其力學性能[1-2]，如將土工格室、廢舊輪胎作為加筋材料可顯著提高邊坡、擋墻穩(wěn)定性，用來處理軟土地基可增強其極限承載力等。

Khedkar等[3]開展三軸試驗對砂土混合試樣鋪設不同層數蜂窩狀加筋材料的力學性能進行研究，結果表明加筋后的試樣力學指標顯著高于無筋素砂土，抗剪強度隨加筋層數增加而增加；Biswas等[4]、張達德等[5]、孫州等[6]、楊慶等[7]各團隊分別從不同角度研究了土工格室加筋土的力學性能，并得出了重要結論：土工格室三維立體加筋，使得路堤邊坡的沉降位移和側向位移減小，其承載能力和整體穩(wěn)定性得到有效的提高。王協(xié)群等[8]研究顯示加筋土地基可通過格室側壁來約束土體，產生的摩擦力可改變土體自身抗拉強度弱的性質；李麗華等[9]開展了土工格室加筋路堤模型試驗，研究加筋路堤中土工格室的埋深、土工格室層數對路堤承載力學性能影響，研究結果表明加筋可以有效提高路堤承載性能，改善力學穩(wěn)定特性；Moghaddas等[10]開展了循環(huán)荷載作用下土工格室加筋路堤邊坡模型試驗研究，發(fā)現(xiàn)加筋路堤可以有效減小路堤累積沉降；Hazarika等[11]利用CT對直剪和三軸試驗試樣破壞斷裂面掃描，研究輪胎碎片用于加筋材料對土體力學性能的改良和加筋變形機理，試驗表明輪胎碎屑混合于砂土中產生的剪切應變小于素砂土。Yoon等[12]對廢舊輪胎胎邊和胎面編織成平面結構運用于加筋地基的性能進行試驗研究，試驗表明廢舊輪胎對地基承載力提高效果比較明顯；Yoon等[13]對“8”形輪胎立體結構加筋地基進行試驗研究也得到相對一致的結果；李麗華等[14]的研究結果表明廢舊輪胎作為筋材用于堤壩和堤防加固性能良好。綜上所述，目前對土工格室加筋土力學性能的研究較多，對廢舊輪胎加筋土力學特性的研究尚處于起步階段，特別是對廢舊輪胎與土工格室組合加筋的研究鮮有報道。

本文利用廢舊輪胎作為三維立體加筋材料開展了三軸固結排水剪切試驗和路堤邊坡模型試驗，分別研究了輪胎加筋對土體強度與變形特性以及邊坡穩(wěn)定性的影響。通過三軸試驗，分析了廢舊輪胎對素砂土強度以及變形的影響，并研究了廢舊輪胎層數的影響。進行了室內路堤邊坡模型試驗，分別對素砂土、土工格室單一加筋和廢舊輪胎與土工格室組合加筋進行研究，分析了3種工況下路堤邊坡的豎向沉降位移、側向位移和附加應力場規(guī)律。最后討論了廢舊輪胎與土工格室三維立體組合加筋路堤邊坡性能及工作機理。

2 試驗方案

2.1 試驗設備

三軸壓縮試驗采用SZ30-4DA大型三軸試驗機，如圖1(a)所示。該設備能實現(xiàn)軸向荷載、軸向位移、周圍壓力、孔隙壓力、體積變化等參數的微機自動控制與采集。試樣尺寸為Φ300 mm×600 mm，如圖1(b)。

圖1 大型三軸試驗Fig.1 Large-scale triaxial test

注：U表示首層筋材埋深；Z表示筋材層間距。圖2 模型試驗箱及測點布置Fig.2 Model tank and arrangement of testing points

模型試驗在模擬試驗箱中進行,模型試驗箱及測點布置如圖2所示。模型試驗箱的尺寸為長2 000 mm×寬800 mm×高760 mm，如圖2(a)。該試驗箱配備有壓力機、DH3816-2靜態(tài)應變采集儀、XTR-2030微型應變式土壓力盒、測試位移的鋼珠和數據采集系統(tǒng)等，便于測量試樣的變形和內部土壓力。并且模型箱正面由透明鋼化玻璃制成，方便觀察路堤變形及鋼珠位移行程。由于路堤邊坡模型呈等腰梯形，明顯具有對稱性，故土壓力計和鋼珠采集元件只需埋設在試驗模型其中一側。鋼珠緊貼鋼化玻璃布置，相鄰間距均為150 mm，具體分布位置如圖2(b)所示。在與鋼化玻璃平行的路堤模型中間剖面處，且與B1、B3、C1、C3、D1、D3對應的水平位置布設土壓力采集元件。由于模型及施加荷載的對稱性，對應模型的附加應力圖和位移圖可直接根據對稱特性進行繪制。

圖3 三軸試驗廢舊輪胎Fig.3 Waste tires used in triaxial test

2.2 試驗材料

試驗用砂為標準砂，土工格室采用TGGS-50-400型，試驗廢舊輪胎為小型電動車不同尺寸的輪胎,如圖3所示。三軸試驗采用輪胎加筋為單個輪胎單元，研究單元個體與砂土相互作用的力學特性；模型試驗采用的輪胎加筋是通過綁扎帶將多個輪胎單元相互連接成網狀加筋墊層來實現(xiàn)的。砂土、廢舊輪胎和土工格室的相關性能技術參數見表1—表3。

表1 砂土力學參數Table 1 Mechanics parameters of sand

表2 廢舊輪胎技術指標Table 2 Technical indexes of waste tire

表3 土工格室技術指標與力學參數Table 3 Technical indexes and mechanics parameters of geocell

2.3 試 驗

2.3.1 三軸試驗

三軸試驗分層擊實制樣，壓實度控制在95%。由于砂土透水性良好，試驗試樣采用抽真空飽和，并用自然水頭飽和方式檢測試樣是否完全飽和。每組試驗設置4個圍壓(200，400，600，800 kPa)，試驗類型為慢剪(CD)固結排水剪切試驗，當剪切加載速率為0.5 mm/min，軸向位移達到85 mm左右時，試驗終止。根據試樣尺寸及試驗目的，對廢舊輪胎進行鋪設，由于輪胎內側土體不便于壓實，在鋪設過程中采用人工搗實環(huán)內側的土體，以保證輪胎內外土體壓實度一致，輪胎筋材鋪設分為2種工況，筋材在試樣中的位置如圖4所示，不同工況的三軸試驗方案如表4所示。

圖4 筋材布筋方式Fig.4 Arrangement of reinforcements

工況試驗類型試驗材料圍壓σ3/kPa試樣壓實度/%剪切速率/(mm·min-1)1素砂土2CD三軸1層輪胎加筋32層輪胎加筋200,400,600,800950.5

2.3.2 路堤模型試驗

路堤模型橫斷面為等腰梯形，模型尺寸為：上底 1 000 mm×下底2 000 mm×高650 mm×寬800 mm。模型試樣進行分層壓實回填，每層壓實厚度為100 mm，每層填料壓實度保持一致。根據試驗目的，試驗模型的筋材使用類型和鋪設方式如表5所示，并按照圖2(b)中筋材位置鋪設筋材、埋設土壓力計和測量鋼珠位移。其中，工況3布設筋材順序從上往下依次為廢舊輪胎和土工格室，為了防止土工格室側壁被壓折，預先用木條定位鋪設，待回填壓實之后，撤掉木條，進行下一層試樣回填。施加靜荷載采用應力控制方式分級加壓，每級施加荷載為0.5 MPa，路堤邊坡中間部位放置承壓鋼板(長790 mm，寬400 mm和厚14 mm)。當荷載達到某一級時，路堤邊坡模型上部加載承壓鋼板的豎向沉降迅速增加，產生明顯滑坡裂縫時，視為模型破壞，終止加載，并及時記錄相關數據，試驗結束。

表5 路堤模型試驗方案Table 5 Program for embankment model test

注:B為加載承壓鋼板長度，見圖2(b)所示。

3 三軸試驗結果及分析

3.1 應力-應變關系

圖5為試樣進行三軸固結排水剪切的應力-應變關系曲線。

圖5 試驗砂土的應力-應變關系曲線Fig.5 Stress-strain curves of test sand

由圖5可知，在相同壓實度條件下，通過加筋試樣與無筋試樣試驗結果對比發(fā)現(xiàn)：

(1)應力-應變關系曲線最后基本趨于平穩(wěn)，與文獻[15]中的結果吻合，即當試驗圍壓σ3保持恒定時，即使每次試驗的砂土初始孔隙比不同，最終應力在達到破壞應力后總會趨于保持恒定的一個值；對加筋試樣，該結論仍然成立。

(2)與素砂土相比，試樣加筋時偏應力穩(wěn)定增長，最終趨于穩(wěn)定，1層輪胎加筋和2層輪胎加筋破壞時的軸向偏應力值均大于素砂土。

(3)圍壓對試樣的側向變形有一定的約束作用，施加的圍壓越大，對試樣的側向變形約束效應更加顯著，破壞時的軸向偏應力增加更加明顯。

(4)1層加筋和2層加筋在較低圍壓下出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，在較高圍壓800 kPa時，產生應變硬化現(xiàn)象，且2層加筋試樣剪切破壞時的偏應力是1層加筋的1.2倍，但均比無筋試樣破壞時偏應力高。原因是輪胎加筋后，輪胎環(huán)對土柱產生較大的側向約束作用，輪胎表面凹凸花紋與砂土顆粒產生嵌鎖作用，使砂土之間顆粒重新分布，使得輪胎與土體更加緊密，產生界面摩擦阻力，同時施加較高的圍壓對試樣側向約束作用更強，使得試樣抵抗變形能力提高。

(5)低圍壓下，增加輪胎層數對砂土試樣的抗剪強度影響不明顯；隨著圍壓增大，增加筋材層數，試樣抗剪強度增強效果顯著。

圖6 抗剪強度曲線Fig.6 Shear strength curves

3.2 內摩擦角和黏聚力

素砂土、1層輪胎加筋及2層加筋的試樣抗剪強度曲線如圖6所示，抗剪強度指標見表6。相對素砂土而言，鋪設1層輪胎使得土體的抗剪強度指標均有提高，土體黏聚力和內摩擦角分別增加了4.5倍和2倍；2層加筋試樣的黏聚力和內摩擦角明顯大于1層加筋試樣，分別是素砂土的12.6倍和4倍，因此，隨加筋層數的增加，抗剪強度指標增大，顯現(xiàn)出的加筋效果越好。

表6 各材料抗剪強度指標
Table 6 Shear strength indexes of sand andreinforcements

材料φ/(°)c/kPa素砂土4.72.71層加筋14.614.82層加筋19.533.9

圖7 荷載與沉降位移關系曲線Fig.7 Load-settlement curves

4 路堤模型試驗結果及分析

圖7為路堤邊坡附加荷載-豎向沉降位移曲線。從圖7可知：隨著附加荷載的增加，素砂土路堤模型豎向沉降位移增加迅速，當施加附加荷載1.5 MPa時，素砂土路堤邊坡已經發(fā)生破壞，并且豎向沉降位移達到60 mm；而在此附加荷載下，單一土工格室加筋、輪胎與格室組合加筋試樣產生的沉降位移分別為6 mm和3 mm，且模型并未發(fā)生破壞。單一筋材土工格室加筋模型破壞發(fā)生在附加荷載達到3.5 MPa時，此時豎向沉降位移為45 mm。而廢舊輪胎與土工格室組合加筋破壞則在附加荷載達到4.0 MPa時，試樣的豎向沉降位移為45 mm。這表明采用輪胎與土工格室組合的加筋土減小路堤邊坡豎向沉降位移的效果更加顯著。

圖8為附加荷載1.5 MPa時，路堤邊坡內部不同深度處(A1、B1、C1、D1)側向位移分布。從圖8可以看出，在路堤內部任一深度處，廢舊輪胎與土工格室組合加筋的路堤側向位移幅值都比土工格室單一加筋小。施加附加荷載1.5 MPa時，素砂土路堤已經發(fā)生破壞，而廢舊輪胎與土工格室組合加筋路堤、單一筋材土工格室加筋路堤并未發(fā)生明顯破壞，此時工況1、工況2、工況3對應的最大側向累計位移分別為20.0，4.0，2.5 mm。廢舊輪胎-土工格室組合加筋路堤邊坡側向位移明顯比土工格室單一加筋路堤邊坡小，約為土工格室單一加筋的65%。

圖8 側向位移與路堤深度關系曲線Fig.8 Curves of lateral displacement versus depth of embankment

圖9 復合加筋與單一加筋路堤的附加應力分布Fig.9 Distributions of additional stress of composite reinforcement and single reinforcement

圖9為附加荷載為1.5 MPa時，加筋路堤邊坡內部B1、B3測點的附加應力分布。由圖9可知：素砂土路堤邊坡、土工格室單一加筋路堤邊坡、廢舊輪胎-土工格室復合加筋路堤邊坡內部附加應力峰值分別為1 283，614,476 kPa；輪胎-格室復合加筋比土工格室單一加筋能更好地降低附加應力峰值且減小幅度是單一加筋的121%，即廢舊輪胎-土工格室組合加筋比土工格室加筋能更好地使附加應力擴散角變大，使土體應力分布范圍更廣，更加均勻。因此采用廢舊輪胎與土工格室組合加筋與采用土工格室單一加筋相比，更能夠提高路堤邊坡穩(wěn)定性，廢舊輪胎與土工格室組合加筋在提高路堤邊坡穩(wěn)定性方面更具有優(yōu)越性。

廢舊輪胎與土工格室加筋原理相似，均是由筋材界面與土體之間的相互作用增大對土體的側向約束，從而提高路堤邊坡穩(wěn)定性，但兩者還是有一定的區(qū)別。土工格室是由格室側壁對土體的側向約束阻力和側壁與土體的豎向界面摩擦阻力對土體起到加固作用，廢舊輪胎與土體之間的作用力除了上述作用力外，輪胎胎邊與土體的水平摩擦力對土體的側向變形起到限制作用。此外，輪胎胎面的凹凸花紋與土體顆粒之間的咬合力對路堤整體穩(wěn)定性有較大的提高。

廢舊輪胎與土工格室組合加筋路堤抗變形能力比土工格室單一加筋路堤好。在施加附加荷載過程中，廢舊輪胎空隙中的土體受到外部土體的擠壓，使得輪胎空隙內部土體變得更加密實，輪胎加筋復合土體剛度增大，在抵抗外界荷載引起的路堤變形上最終比土工格室加筋更為顯著，使得路堤邊坡穩(wěn)定性得到有效提高。

5 結 論

(1)由三軸試驗應力-應變曲線分析可知，輪胎加筋后，砂土顆粒重新分布，與素砂土相比破壞時軸向偏應力和抵抗剪切變形能力顯著提高。

(2)在較低圍壓200 kPa時，加筋試樣均有應變軟化現(xiàn)象，在較高圍壓600 kPa和800 kPa時，試樣存在應變硬化現(xiàn)象；在圍壓400 kPa時，加筋層數變化對砂土影響較小，在較高圍壓時影響較為顯著。

(3)隨著加筋層數增加，試樣抵抗剪切變形能力增加，破壞時軸向偏應力增加。相對素砂土而言，輪胎加筋使得土體抗剪強度指標c和φ值增加，1層加筋使得抗剪強度指標c和φ值分別增加了4.5倍和2倍，并且隨著加筋層數增加至2層時，c和φ值分別增加了12.6倍和4倍左右。

(4)路堤模型試驗結果表明廢舊輪胎與土工格室組合加筋使得路堤豎向沉降位移、側向位移和路堤內部附加應力峰值減小，且附加應力峰值減小的幅度是土工格室單一加筋路堤的121%。

(5)輪胎-格室復合加筋比土工格室單一加筋能較好地使土體附加應力分布更加均勻。廢舊輪胎與土工格室復合加筋使土體附加應力均勻分散和減小豎向沉降及側向位移的效果優(yōu)于土工格室單一加筋。