橡膠砂復(fù)合土的抗剪性能試驗(yàn)研究

王國忠 張 巖 胡江三

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010000）

隨著社會(huì)飛速發(fā)展，廢舊輪胎回收再利用是目前需解決的問題。內(nèi)蒙古部分地區(qū)處于沙漠環(huán)境，風(fēng)積沙資源豐富，將輪胎碎片摻入砂土中作為填料，形成的橡膠砂不僅能改善砂土的力學(xué)性能，提高路基的穩(wěn)定性，還能消耗大量廢舊輪胎，解決運(yùn)輸問題并節(jié)省資金消耗。

圖1 級(jí)配曲線

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橡膠砂復(fù)合土的力學(xué)性能主要做了以下研究。張永富等[1-2]在3 種不同初始狀態(tài)下對(duì)橡膠砂進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒質(zhì)量在0～30%時(shí)可改善抗剪強(qiáng)度特性，內(nèi)摩擦角在10%出現(xiàn)峰值，粘聚力的最大值在20%附近。董超等[3-4]等研究不同橡膠顆粒摻量和粒徑對(duì)細(xì)海砂及中粗砂抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒摻量小于20%時(shí)的抗剪強(qiáng)度隨摻量的增加而減小，2～4mm 粒徑的橡膠顆粒可顯著提高砂土的抗剪強(qiáng)度。Yang 和Robert A.Lohnes[5]對(duì)2～10mm 的輪胎碎片進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到正應(yīng)力與直剪強(qiáng)度、圍壓的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Zornberg和Cabral[6]等對(duì)橡膠砂混合土中橡膠細(xì)粒含量、橡膠細(xì)粒尺寸和長寬比進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橡膠最佳顆粒含量為35%，增加細(xì)粒長寬比可提高抗剪強(qiáng)度。Aminaton Marto 等[7]探討不同摻量橡膠砂的抗剪強(qiáng)度特性，考慮砂與輪胎碎片混合不同的重量百分比，分析不同參數(shù)對(duì)內(nèi)摩擦角的影響。Cabalar[8]研究橡膠顆粒以5%、10%、20%、50%的比例混合對(duì)細(xì)砂和粗砂抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨橡膠顆粒摻量增大，抗剪強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角略有降低。

本文以橡膠砂復(fù)合土為研究對(duì)象，通過對(duì)橡膠顆粒不同摻量和不同粒徑選取，進(jìn)行直剪試驗(yàn)，獲得不同狀態(tài)下橡膠砂復(fù)合土的剪應(yīng)力- 剪切位移關(guān)系曲線，分析其影響因素抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ。

1 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

1.1 試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)

采用廢舊橡膠輪胎磨碎制成的橡膠顆粒，粒徑為1.18，2.36，4.75mm，密度分別是1.279g/cm3，1.258g/cm3，1.247g/cm3；砂土為內(nèi)蒙古鄂爾多斯庫布齊沙漠的風(fēng)積沙，其基本的物理量：不均勻系數(shù)為1.77，曲率系數(shù)為0.74，顆粒比重為2.64，粒徑分布范圍0.7～2.3mm。級(jí)配曲線如圖1。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)儀器為ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀。選取3 種不同粒徑的橡膠顆粒進(jìn)行擊實(shí)，橡膠和砂的配比用等體積法確定，擊實(shí)5層，每層27 次確定不同橡膠摻量（0、10%、20%、30%、40%、50%）的橡膠砂復(fù)合土的最大干密度和最佳含水率進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速率為0.8mm/min，施加的法向應(yīng)力為50、100、200、300、400kPa，在3～5min 內(nèi)剪損，每隔一定時(shí)間測百分表讀數(shù)，直至剪損。

圖2 剪切位移與剪應(yīng)力關(guān)系曲線

圖3 橡膠摻量與抗剪強(qiáng)度曲線

2 直剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪位移- 剪應(yīng)力、橡膠摻量- 抗剪強(qiáng)度關(guān)系

通過試驗(yàn)對(duì)1.18mm、2.36mm、4.75mm 橡膠顆粒不同摻量（10%、20%、30%、40%、50%） 繪制剪應(yīng)力- 剪位移曲線，以1.18mm 為例如圖2。上述圖可從兩方面考慮：a.相同橡膠顆粒尺寸不同摻量橡膠砂復(fù)合土剪切位移與剪應(yīng)力的關(guān)系。圖2 可知在不同豎向壓力范圍內(nèi)，剪應(yīng)力隨著剪切位移的增而增大，這與純砂在剪切過程中應(yīng)力與應(yīng)變的性質(zhì)一樣，呈現(xiàn)硬化型趨勢。從圖3 前三幅圖發(fā)現(xiàn)在相同豎向壓力的條件下，橡膠顆粒摻量增加時(shí)抗剪強(qiáng)度基本都優(yōu)于純砂的抗剪強(qiáng)度，說明摻橡膠顆?？梢圆煌潭忍岣呱巴恋目辜魪?qiáng)度。b.不同橡膠顆粒尺寸的橡膠砂復(fù)合土橡膠顆粒摻量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。為對(duì)比3 種粒徑，圖3 末圖中的實(shí)線、點(diǎn)線、劃線分別表示1.18、2.36、4.75mm 橡膠砂的抗剪強(qiáng)度，可以看出不同豎向壓力下每種粒徑的橡膠砂復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度趨勢，1.18mm 明顯高于其余兩種粒徑的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)摻量增加到40%以上，1.18mm 的抗剪強(qiáng)度逐漸呈下降趨勢，故綜合考慮橡膠砂復(fù)合土的最佳粒徑應(yīng)為1.18mm。

2.2 內(nèi)摩擦角及粘聚力

通過豎向壓力與抗剪強(qiáng)度曲線，擬合后根據(jù)曲線得出內(nèi)摩擦角φ 和粘聚力c 指標(biāo)，如圖4、5。

圖4 可以看出φ 的變化趨勢，1.18mm 和2.36mm 橡膠砂的φ 都在橡膠摻量為40%時(shí)最大，4.75mm 的則為50%摻量最佳，φ 愈大則抗剪強(qiáng)度愈高，故綜合考慮3 種粒徑橡膠砂復(fù)合土的最佳摻量應(yīng)在40%～50%范圍之間可以提高抗剪強(qiáng)度。

這個(gè)趨勢是由于顆粒間的接觸力作用所導(dǎo)致，如摩擦力、嵌瑣力。嵌瑣和摩擦力共同作用形成內(nèi)摩阻力，砂類土的抗剪強(qiáng)度主要依據(jù)內(nèi)摩擦角來確定，而粘聚力的作用不是很明顯，這是因?yàn)檎尘哿χ饕强客令w粒之間存在的分子力作用的，而風(fēng)積沙是無粘性土，故風(fēng)積沙之間不存在粘結(jié)性，只是與自由水的水膜產(chǎn)生了粘結(jié)作用，是一種“假”粘聚力。摻入橡膠后砂與砂接觸較少，致使摩擦力、嵌瑣力變大，因此抗剪強(qiáng)度性能提高，內(nèi)摩擦角變大。

3 結(jié)論

圖4 橡膠摻量與內(nèi)摩擦角曲線

圖5 橡膠摻量與粘聚力曲線

通過直剪試驗(yàn)研究可以得出以下結(jié)論：

3.1 隨著不同粒徑的橡膠顆粒以不同摻量加入風(fēng)積沙中，在橡膠摻量為40%～50%時(shí)內(nèi)摩擦角最大。

3.2 添加橡膠顆?？梢愿纳葡鹉z砂復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度，經(jīng)三種粒徑對(duì)比，1.18mm 橡膠砂復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度明顯高于其余兩種粒徑，故1.18mm 為最佳粒徑。