干燥及飽和橡膠砂壓縮和剪切特性

周恩全, 王瓊, 陸建飛

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

汽車工業(yè)的發(fā)展為現(xiàn)代社會提供便利的同時，也產(chǎn)生了愈來愈多難以處理的廢舊輪胎。如果廢舊輪胎處理不當(dāng)，不僅造成環(huán)境污染，還會引發(fā)火災(zāi)并危害人們健康，如1999年美國Stanislaus縣數(shù)百萬廢棄輪胎發(fā)生自燃，嚴(yán)重污染環(huán)境[1]。研究表明，橡膠砂混合土具有體積密度低、物理化學(xué)耐久性好，滲透性與純砂相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)[2]。因此，橡膠砂作為輕質(zhì)填料已探索性地應(yīng)用于公路路堤[3-4]、擋土墻后填土[5-6]，也作為消能墊層應(yīng)用于動力基礎(chǔ)或建筑基礎(chǔ)中，以減少振動和地震影響[7-9]。

對橡膠砂混合土的壓縮特性及抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究是將其應(yīng)用到實(shí)際工程中的必要前提。目前，學(xué)者主要對干燥或稍濕狀態(tài)的橡膠砂開展了壓縮特性研究，研究表明，橡膠砂的壓縮性能、回彈模量與橡膠含量密切相關(guān)，壓縮變形和回彈變形隨著橡膠含量的增加而增加[10-11]；Rao等[12]還指出當(dāng)橡膠顆粒含量超過某一臨界值(20%)時，其豎向應(yīng)變會急劇增大；鄧安等[10]針對含水量約為5%的橡膠砂開展壓縮試驗(yàn)，提出了一種雙曲線方程來描述橡膠砂變形與加載之間的關(guān)系。同樣，關(guān)于其抗剪強(qiáng)度特性，學(xué)者們也主要關(guān)注了干燥或稍濕狀態(tài)時的橡膠砂，但研究仍沒有達(dá)成共識。Anvari等[13]、顧成壯等[14]研究發(fā)現(xiàn)混合土的抗剪強(qiáng)度會隨著橡膠顆粒的加入而變大，Ghazavi[15]研究表明橡膠含量對混合土抗剪強(qiáng)度影響并不大，而Tanchaisawat等[16]研究發(fā)現(xiàn)橡膠含量的增大反而會使得混合土抗剪強(qiáng)度下降；關(guān)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，絕大多數(shù)學(xué)者均認(rèn)為加入橡膠顆粒會導(dǎo)致混合土內(nèi)摩擦角變大，但Sellaf等[5]研究卻發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠含量的增加，橡膠砂內(nèi)摩擦角的變化并無規(guī)律性。

這些研究積極推動了廢舊橡膠的工程應(yīng)用[17-19]，但研究主要關(guān)注干燥或稍濕狀態(tài)下橡膠砂的力學(xué)特性，對高含水量狀態(tài)下橡膠砂壓縮及抗剪強(qiáng)度特性的研究不多，而作為公路路基填料或支護(hù)結(jié)構(gòu)回填料的橡膠砂需要考慮處于潮濕或飽和狀態(tài)等不利條件下的力學(xué)性質(zhì)變化。本文采用壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)研究了干燥和飽和狀態(tài)下橡膠砂混合土的壓縮特性及抗剪強(qiáng)度特性。

1 壓縮特性研究

1.1 試驗(yàn)材料、試樣制備和試驗(yàn)過程

1.1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)研究對象為橡膠砂混合土，由福建標(biāo)準(zhǔn)砂和橡膠顆?；旌现瞥桑唧w參數(shù)見表1。福建標(biāo)準(zhǔn)砂的最大、最小干重度分別為18.53、16.01 kN/m3，測定流程均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[20]進(jìn)行，橡膠顆粒是將廢舊輪胎通過機(jī)械切割、破碎并除去鋼絞線后得到，其粒徑為1～5 mm，根據(jù)ASTMD 6270-08(2012)劃分屬于橡膠顆粒[21]。圖1、圖2給出了試驗(yàn)所用材料的實(shí)物圖和顆粒級配曲線。

壓縮試驗(yàn)所用儀器為WG-1C型單杠桿中壓固結(jié)儀。

表1 試驗(yàn)用福建標(biāo)準(zhǔn)砂及橡膠顆粒的物理參數(shù)Table 1 Index properties of the Fujian sand and rubber particles used in the tests

圖1 試驗(yàn)用材料

圖2 福建標(biāo)準(zhǔn)砂和橡膠顆粒的顆粒級配曲線Fig.2 Grain size distribution of Fujian sand and

(1)

式中：RC指橡膠顆粒的質(zhì)量含量，%；mR為橡膠質(zhì)量；mS為砂質(zhì)量。

表2 壓縮試驗(yàn)的影響因素Table 2 The influence factors of compression tests

圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8 mm和20 mm，分3層擊實(shí)制樣。對于4個干燥工況，將擊實(shí)后的干燥試樣直接安裝到固結(jié)儀里，調(diào)平后開始加載，如圖3(a)所示。對于4個飽和工況，先將擊實(shí)后的干燥試樣置于真空飽和器內(nèi)，抽2 h真空來保證試樣完全飽和，然后將飽和試樣安裝到固結(jié)儀中，后續(xù)操作同干燥試樣，開始進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，如圖3(b)所示。

圖3 制備完成的試樣

試驗(yàn)中設(shè)置了11級豎向荷載：12.5、25、50、100、200、400、800、400、200、100、0 kPa，每級加載后固結(jié)約24 h后視為穩(wěn)定狀態(tài)，即可進(jìn)行下一級加載。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同工況下試樣的壓縮回彈曲線Fig.4 The vertical settlement and rebound curves of samples under different

圖5 不同工況下試樣的豎向應(yīng)變Fig.5 Vertical strains under different

2 抗剪特性研究

2.1 試驗(yàn)方案

直剪試驗(yàn)所用儀器為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，圓柱形試樣的直徑和高度分別為61.8 mm和20 mm。

在直剪試驗(yàn)中，同樣探討了橡膠顆粒含量和干濕狀態(tài)對橡膠砂抗剪特性的影響。橡膠質(zhì)量含量分別為0%、5%、10%和15%，干濕狀態(tài)分別為干燥和飽和狀態(tài)，具體參數(shù)同表2。試驗(yàn)材料和試樣制備方法與上述壓縮試驗(yàn)相同。試驗(yàn)設(shè)置了4組正應(yīng)力：100、200、300、400 kPa。剪切位移速率為2.4 mm/min。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 剪應(yīng)力剪切位移關(guān)系曲線Fig.6 Shear stress-horizontal displacement

圖7 不同試樣的抗剪強(qiáng)度Fig.7 The shear strength of different

2.2.1 抗剪強(qiáng)度 圖7給出了不同試樣的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)無峰值應(yīng)力出現(xiàn)時，將剪切位移4 mm所對應(yīng)的剪應(yīng)力定義為試樣的抗剪強(qiáng)度[20]。從圖7中發(fā)現(xiàn)：1)抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力增大而增大；2)總體上抗剪強(qiáng)度受橡膠顆粒含量的影響不明顯，這與Ghazavi[15]的研究結(jié)論是一致的。

2.2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計算得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角。圖8給出了內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系曲線，從中可發(fā)現(xiàn)：干燥及飽和狀態(tài)下內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢：干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量增大而大幅度減小，但飽和試樣橡膠含量增大，內(nèi)摩擦角并沒有下降，反而輕微增加。

圖8 內(nèi)摩擦角與橡膠顆粒含量的關(guān)系Fig.8 The relationship between internal friction

內(nèi)摩擦角由兩部分組成：滑動摩擦w1和咬合摩擦w2。對于干燥試樣，橡膠顆粒的加入可能會增大顆粒間的滑動摩擦w1，但由于橡膠顆粒使得混合土試樣呈現(xiàn)出明顯的剪縮特性，導(dǎo)致剪脹效應(yīng)減小，即咬合摩擦w2減小，顯然，當(dāng)前干燥條件下咬合摩擦w2減小的程度要大于滑動摩擦w1的增加，所以，干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量增大而減小。對于飽和試樣，一方面孔隙水破壞顆粒表面的吸附膜以及橡膠顆粒的加入同時增大了滑動摩擦w1，另一方面，混合土的剪縮導(dǎo)致咬合摩擦w2減小，當(dāng)前飽和條件下咬合摩擦w2減小的程度要小于滑動摩擦w1的增加，所以，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠含量的增大而輕微增大。需要說明的是，上述機(jī)理是基于試驗(yàn)結(jié)果分析，仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證研究。

將Duncan-Chang模型應(yīng)用到直剪試驗(yàn)中，可以得到不同正應(yīng)力下橡膠砂剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

(2)

式中：τ為剪應(yīng)力；δ為剪切位移；D為試樣直徑；參數(shù)a為初始切線模量Esi的倒數(shù)；參數(shù)b為極限剪切強(qiáng)度τult的倒數(shù)。

1)初始剪切模量

初始切線剪切模量Esi與正應(yīng)力σn間具有的關(guān)系

(3)

式中：k為無量綱模型參數(shù)；n為無量綱指數(shù)參數(shù)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取101.4 kPa。

2)模型參數(shù)的確定

將式(2)變換為：

(4)

對式(3)兩邊取對數(shù)，可得

(5)

3 結(jié)論

1)橡膠砂的壓縮變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成，隨著橡膠含量的增加，兩者均逐漸增加，但彈性變形的增長更明顯。飽和橡膠砂的壓縮變形要明顯大于干燥橡膠砂的壓縮變形量。

3)橡膠砂的抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力的增大而增大，但受橡膠顆粒含量的影響不明顯。干燥試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠顆粒含量的增加而減小，飽和試樣的內(nèi)摩擦角隨著橡膠顆粒含量增加而變大。孔隙水對試樣內(nèi)摩擦角的影響較為明顯且機(jī)理復(fù)雜，需進(jìn)一步研究。