橡膠砂液化特性的動扭剪試驗(yàn)研究

王珂琦, 朱小軍, b*

(揚(yáng)州大學(xué) a. 建筑科學(xué)與工程學(xué)院; b. 巖土工程研究所, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

橡膠砂是一種經(jīng)濟(jì)型填料, 其力學(xué)特性研究在建筑工程應(yīng)用中具有重要意義．姚玉文等[1]采用彎曲-伸縮元法對橡膠砂進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)在相同圍壓下, 橡膠砂初始剪切模量和側(cè)限模量隨橡膠顆粒摻量的增加而逐漸減小; 周恩金[2]和Ghazavi[3]等采用動扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn), 試樣抗液化能力隨著橡膠顆粒摻量和粒徑的增加而增強(qiáng); 劉方成等[4-5]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)橡膠顆粒含量較少時, 橡膠顆粒分布在砂顆?？障吨袇⑴c整體受力, 橡膠砂動剪切模量較低,當(dāng)橡膠含量增加時, 橡膠顆粒被砂顆粒包圍但不嵌入其中, 形成拱效應(yīng), 動剪切模量較大; 研究人員還發(fā)現(xiàn), 橡膠砂的阻尼比趨于穩(wěn)定時所需的循環(huán)次數(shù)隨豎向應(yīng)力減小而減少, 且橡膠砂的阻尼比隨橡膠顆粒摻量及含水率的增加而減小[6-8]; 劉啟菲[9]和祝夢凡[10]等認(rèn)為橡膠顆粒含量增加時, 橡膠砂的內(nèi)摩擦角相應(yīng)減小, 而相對密實(shí)度的增加可以提高其抗剪切能力; Amuthan等[11]通過研究砂-橡膠混合料和砂的界面行為, 發(fā)現(xiàn)其界面系數(shù)在0.85～1范圍內(nèi)變化; Wu等[12]認(rèn)為橡膠顆?？娠@著改善宿主砂性土的動力性能, 在隔震減震技術(shù)中有巨大應(yīng)用潛力; Okur等[13]對橡膠砂開展共振柱和動扭剪試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)橡膠質(zhì)量摻量為 5%時, 橡膠砂的剪切模量和阻尼比更接近于純砂．目前, 關(guān)于橡膠顆粒對飽和砂土影響的研究多數(shù)針對靜力特性方面, 而對橡膠砂動力特性的影響尚無明確、系統(tǒng)的研究結(jié)論．故本文擬通過動扭剪試驗(yàn)研究橡膠摻量、循環(huán)應(yīng)力比、相對密實(shí)度、頻率、有效圍壓等對橡膠砂動力特性的影響, 為橡膠砂理論研究與實(shí)踐應(yīng)用提供相應(yīng)的參考和借鑒．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用粒徑為0.5～2 mm的粗砂, 顆粒密度為2.70×103kg·m-3, 平均粒徑為0.714 mm, 不均勻系數(shù)為1.492, 曲率系數(shù)為0.921, 級配曲線見圖1．篩取粉碎的廢橡膠輪胎, 得到粒徑為2～4 mm的干橡膠顆粒, 顆粒密度為1.28×103kg·m-3, 平均粒徑為3.382 mm, 不均勻系數(shù)為1.402, 曲率系數(shù)為1.125．

圖1 砂土粒徑級配曲線Fig.1 Particle size grading curve of sand

1.2 試驗(yàn)方案

采用濕擊法制作內(nèi)徑60 mm、外徑100 mm、高度200 mm的空心圓柱形橡膠砂試樣．制樣時先將內(nèi)橡膠膜固定到基座上, 再將大尺寸的內(nèi)膜具四瓣膜插入橡膠膜內(nèi), 與底座卡合, 用鐵箍套于外圍進(jìn)行固定,避免歪斜、褶皺等．然后將小尺寸的一對內(nèi)模具插入四瓣膜內(nèi)固定, 形成圓柱環(huán)內(nèi)腔．在底座透水石上放置濾紙, 再將三瓣膜的外膜具包裹外橡膠膜安裝在底座上, 形成圓柱環(huán)結(jié)構(gòu)．最后將橡膠砂混合土裝入圓柱環(huán)內(nèi)．由于空心扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試樣尺寸較大, 故采取二氧化碳飽和、水頭飽和、反壓飽和等3種措施保證試樣達(dá)到飽和度要求．通過壓力加載測試孔隙水壓力系數(shù),若數(shù)值穩(wěn)定并大于0.95, 則飽和度達(dá)到要求．試樣飽和后, 設(shè)置相同的內(nèi)外圍壓進(jìn)行等向固結(jié), 固結(jié)時間為8 h．觀察反壓體積曲線是否處于水平趨勢, 并讀取每小時的體積變化, 若體積變化小于60 mm3·h-1, 則固結(jié)完成, 然后在動扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)軟件中選擇加載模式,并設(shè)定相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橡膠摻量的影響

在頻率f為0.1 Hz, 有效圍壓為100 kPa, 循環(huán)應(yīng)力比CSR為0.15, 試樣相對密實(shí)度Dr為0.3的條件下, 改變橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Rf, 測試橡膠顆粒摻量對橡膠砂孔壓和剪切應(yīng)力應(yīng)變的影響, 結(jié)果如圖2所示．

由圖2(a)可知,Rf=5%～30%時, 橡膠砂的孔壓發(fā)展模式均呈現(xiàn)先快速增長后趨于平穩(wěn)的趨勢．在孔壓快速增長階段,Rf為5%時的孔壓發(fā)展曲線斜率較緩, 但在孔壓發(fā)展后期出現(xiàn)二次快速增長現(xiàn)象, 平穩(wěn)階段的累積孔壓隨Rf的增加而呈現(xiàn)下降趨勢．Rf=20%的橡膠砂在振動40周后, 循環(huán)孔壓趨于穩(wěn)定, 最大孔壓比約0.95, 達(dá)到臨界液化水平, 相比于Rf=10%的橡膠砂發(fā)生液化時的周數(shù)增加了148%;Rf=30%的橡膠砂的孔壓在振動至60周后逐漸平穩(wěn), 最大累積孔壓比為0.91, 未達(dá)到孔壓破壞標(biāo)準(zhǔn)．說明橡膠摻量的增加可提高橡膠砂的抗液化水平．這是由于試樣中橡膠摻量較大時, 橡膠顆粒起到骨架作用, 砂粒填充在橡膠顆粒之間的孔隙中, 使骨架結(jié)構(gòu)更為密實(shí), 不易液化．此外, 由于摻入橡膠顆粒的粒徑較大, 橡膠砂滲透系數(shù)增加,在循環(huán)載荷作用下試樣的孔壓更易消散．同時橡膠顆粒降低了橡膠砂的彈性模量, 在循環(huán)荷載作用下可產(chǎn)生回彈效應(yīng), 使橡膠顆粒與砂顆粒間接觸更緊密, 當(dāng)孔壓急劇上升時, 能降低孔壓的累積增長趨勢．

圖2(b)顯示, 不同橡膠摻量下試樣的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本均以原點(diǎn)為中心對稱發(fā)展, 這表明在循環(huán)扭剪載荷作用下, 橡膠顆粒的摻入沒有引起材料明顯的各向異性．當(dāng)橡膠顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高時, 試樣的剪切應(yīng)變發(fā)展范圍增大,滯回曲線的斜率隨之減小, 說明其動彈性模量逐漸減小, 剛性減弱．結(jié)合圖2(c)的廣義剪切應(yīng)變發(fā)展曲線可知,隨著橡膠含量的增多, 廣義剪切應(yīng)變的累積程度逐漸減緩, 說明橡膠砂的抗變形能力相應(yīng)增強(qiáng)．

2.2 循環(huán)應(yīng)力比的影響

在頻率為0.1 Hz, 有效圍壓為100 kPa,Dr為0.3,Rf分別為10%, 20%, 30%的條件下, 試樣孔壓比在不同循環(huán)應(yīng)力比下的發(fā)展曲線如圖3所示．由圖3可知, 橡膠摻量相同時, 循環(huán)應(yīng)力比越大, 循環(huán)孔壓比趨于平衡時所需的振動周次越少, 這是因?yàn)镃SR增大時, 試樣中橡膠顆粒壓縮、回彈的程度相應(yīng)提高, 導(dǎo)致循環(huán)孔壓比增速加快, 試樣更快發(fā)生液化．

圖3 孔壓比隨循環(huán)應(yīng)力比發(fā)展的曲線Fig.3 Pore pressure ratio development curve with cycle stress ratio

2.3 相對密實(shí)度的影響

在頻率為0.1 Hz, 有效圍壓為100 kPa,Rf為30%, 循環(huán)應(yīng)力比分別為0.15和0.20的條件下, 相對密實(shí)度對試樣孔壓的影響如圖4所示. 由圖4可知,Dr為0.3和0.6時, 試樣的孔壓比均呈現(xiàn)先快速增長后趨于平穩(wěn)的發(fā)展規(guī)律, 且兩種密實(shí)度的孔壓曲線均有重合．當(dāng)Dr=0.3時, 橡膠砂的孔壓增長較快, 達(dá)到臨界液化水平; 當(dāng)Dr=0.6時, 其循環(huán)孔壓幅值相對較小, 未達(dá)到液化水平．增大循環(huán)應(yīng)力比CSR時, 此現(xiàn)象更為明顯．當(dāng)Rf=30%, CSR=0.2時, 相對密實(shí)度對剪切應(yīng)變時程曲線的影響見圖5．由圖5可知,Dr較小時橡膠砂剪切應(yīng)變幅值更大, 發(fā)展速度更快, 這是因?yàn)镈r較小的橡膠砂結(jié)構(gòu)更為疏松, 顆粒在液化時發(fā)生移動破壞; 而Dr較大的橡膠砂顆粒在液化時的運(yùn)動范圍有限, 顆粒排列方式更穩(wěn)定．且橡膠顆粒摻量較大時, 液化現(xiàn)象也難以發(fā)生．綜上, 隨著相對密實(shí)度增大, 橡膠砂發(fā)生液化的難度增加．

圖4 不同密實(shí)度下孔壓比發(fā)展曲線Fig.4 Pore pressure ratio development curve with different density

圖5 不同密實(shí)度下剪切應(yīng)變時程曲線Fig.5 Shear strain time history curve with different density

2.4 頻率的影響

在有效圍壓為100 kPa, 循環(huán)應(yīng)力比為0.15,Dr為0.3的條件下, 橡膠砂振動頻率對孔壓發(fā)展曲線和剪切應(yīng)變時程曲線的影響見圖6和圖7．由圖6可知, 頻率由0.1 Hz提高到0.5 Hz后, 孔壓發(fā)展速度明顯加快．圖7顯示, 頻率較低的試樣剪切應(yīng)變幅值較低且發(fā)展速度較慢, 這是由于在頻率較低時, 扭矩的周期變慢, 橡膠砂中的橡膠顆粒來不及充分回彈, 這也是循環(huán)孔壓發(fā)展滯后的原因．因此, 在時間一定的情況下, 試樣的液化速度隨著頻率的增大而加快．

圖6 不同振動頻率下孔壓比發(fā)展曲線Fig.6 Pore pressure ratio development curve with different vibrational frequency

圖7 不同頻率下剪切應(yīng)變時程曲線Fig.7 Shear strain time history curve with different vibrational frequency

2.5 有效圍壓的影響

在頻率為0.1 Hz, 循環(huán)應(yīng)力比為0.20,Rf為30%的條件下, 有效圍壓對孔壓的影響關(guān)系曲線見圖8．由圖8可知, 有效圍壓100 kPa下, 橡膠砂在振動約100周后達(dá)到液化水平, 當(dāng)有效圍壓為200 kPa時, 橡膠砂的循環(huán)孔壓最高僅能達(dá)到有效圍壓的92%, 經(jīng)過多次振動后也不能達(dá)到臨界液化水平, 孔壓保持穩(wěn)定后不再增長, 但此時的循環(huán)孔壓較大．由于各顆粒間的應(yīng)力隨著有效圍壓增加而增加, 橡膠與砂之間的連接更密實(shí), 摩擦力相應(yīng)增加, 橡膠顆粒進(jìn)一步壓縮并回彈, 使橡膠砂的抗液化能力提高．對比不同密實(shí)度下試樣的孔壓發(fā)展情況可知, 在密實(shí)度為0.3時, 不同圍壓下的試樣在振動60周后達(dá)到液化水平; 而密實(shí)度為0.6時, 有效圍壓為100和200 kPa下, 試樣分別振動100周和200周以上才能發(fā)生液化．

3 彈性模量和阻尼規(guī)律的分析

3.1 彈性模量的變化規(guī)律

在頻率為0.1 Hz, 有效圍壓為100 kPa, 循環(huán)應(yīng)力比為0.15,Dr為0.3的條件下, 橡膠砂剪切應(yīng)變γ和彈性模量E關(guān)系的擬合曲線見圖9．由圖9可知, 4種不同Rf的橡膠砂的彈性模量均隨應(yīng)變的增大而減小, 這是因?yàn)樵嚇釉谳d荷下產(chǎn)生較大應(yīng)變時, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散．對比圖中初始彈性模量可知,其隨著橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低．這是因?yàn)橄鹉z砂的形變主要來自橡膠顆粒的壓縮和顆?？紫堕g的壓縮, 而純砂的壓縮形變僅來自孔隙間的壓縮,所以橡膠砂在循環(huán)載荷下的彈性形變大于純砂, 且變形能力隨著橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)．因此在相同剪切應(yīng)變下, 試樣的動彈性模量隨著橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小．

圖9 橡膠砂彈性模量-剪切應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve of rubber sand mixture between elastic modulus and shear strain

3.2 阻尼比的變化規(guī)律

在頻率為0.1 Hz, 有效圍壓為100 kPa, CSR為0.15,Dr為0.3的條件下, 橡膠砂剪切應(yīng)變γ和阻尼比λ關(guān)系的擬合曲線見圖10．由圖10可知, 4種不同橡膠顆粒摻量的橡膠砂的阻尼比均隨應(yīng)變的增大而增大．這是因?yàn)樵嚇咏Y(jié)構(gòu)隨著應(yīng)變增加而疏松, 孔隙增多, 所以阻尼比增大．純砂的最小阻尼比λmin為 0.067, 當(dāng)Rf為5%和30%時, 橡膠砂的λmin分別為0.153和0.225, 比純砂分別提高了128.4%和235.8%．表明橡膠砂的阻尼比隨著橡膠顆粒質(zhì)量比的增加而顯著增加．這是由于低彈性模量和高回彈性的橡膠顆粒在緩沖循環(huán)載荷的同時吸收了能量, 因此在循環(huán)載荷作用下橡膠砂的剪切應(yīng)變滯后, 從而提高了阻尼比．

圖10 橡膠砂阻尼比-剪切應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curve of rubber sand mixture between damping ratio and shear strain

4 結(jié)論

在砂土中摻入橡膠顆?？梢蕴岣呱巴恋目挂夯阅? 改善其動力特性, 橡膠顆粒摻量越高, 橡膠砂孔壓發(fā)展速度越緩慢, 越不容易液化; 有效圍壓、試樣相對密實(shí)度及橡膠顆粒摻量的增加,可顯著提高試樣的阻尼比,試樣更不容易破壞．當(dāng)橡膠顆粒質(zhì)量摻量低于30%時, 橡膠砂混合土的動彈性模量可以滿足一般擋土墻或路基等填料的要求, 且阻尼比較大,具有良好的減震耗能效果．