廢舊輪胎加筋路基的力學(xué)特性研究

郭 銳

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西呂梁 032300）

0 引言

廢舊輪胎難以降解，直接填埋需要占用大量土地，同時(shí)還會(huì)帶來巨大的環(huán)境污染[1]。為了減小廢舊輪胎對(duì)環(huán)境的壓力，許多學(xué)者已經(jīng)將廢舊輪胎運(yùn)用到邊坡防護(hù)、地基填料和擋土墻等工程的修建中[2-6]。廢舊輪胎質(zhì)量輕、彈性好，是良好的土木工程材料。在工程領(lǐng)域，直接將廢舊的整個(gè)輪胎內(nèi)部加填料用于地基加固、邊坡防護(hù)及擋墻等工程中，具有較為廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景[7-8]。但目前對(duì)于廢舊輪胎在工程中應(yīng)用的研究仍不充分，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究欠缺，更沒有合適的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可以參照，不足以支撐其在工程中的大規(guī)模運(yùn)用，因此需要進(jìn)行廢舊加筋路基相關(guān)的試驗(yàn)研究，為其在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 建立計(jì)算模型

為了研究輪胎在土體內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)，建立直徑2 m、高1.5 m 的實(shí)體圓柱體模型模擬土體，劃分單元網(wǎng)格如圖1所示，土體采用鄧肯-張本構(gòu)模型，土體參數(shù)見表1。廢舊輪胎規(guī)格：直徑60 cm，寬（高）20 cm，模型中的廢舊輪胎材料采用FLAC 3D 中內(nèi)置的襯砌結(jié)構(gòu)單元（liner）來進(jìn)行模擬，如圖2所示。襯砌結(jié)構(gòu)單元具有兩個(gè)界面，可以反映輪胎外部土體和輪胎內(nèi)部土體與輪胎的相互作用。本文對(duì)于廢舊輪胎的模擬就采用內(nèi)外不同的摩擦角、筋土黏聚力等材料特性，反映輪胎內(nèi)外與土的不同相互作用。廢舊輪胎加筋材料參數(shù)采用表2 中的材料參數(shù)。

表2 廢舊輪胎加筋材料參數(shù)

圖1 FLAC 3D土體模型圖

圖2 輪胎模型示意圖

1.2 數(shù)值模擬工況

數(shù)值模擬試驗(yàn)以廢舊輪胎加筋土模型為研究對(duì)象，在模型上表面施加豎直均布荷載，分析土體性質(zhì)（根據(jù)土體參數(shù)不同，定義兩種土體分別為松散砂土、密實(shí)砂土，具體參數(shù)見表1）、輪胎加筋層位置和輪胎加筋層層數(shù)對(duì)土體荷載-沉降特性的影響，共分為18組基礎(chǔ)試驗(yàn)，各基礎(chǔ)試驗(yàn)組工況參數(shù)如表3所示，加筋層位置示意見圖3。

表3 數(shù)值模擬基礎(chǔ)試驗(yàn)工況

圖3 輪胎加筋層位置示意圖

2 土體性質(zhì)對(duì)加筋土性能的影響

由圖4 可見，對(duì)比松散砂（ZL）、松散砂-加筋（TL）或密實(shí)砂（ZD）、密實(shí)砂-加筋（TD）曲線，砂土經(jīng)過輪胎加筋后能夠極大地增強(qiáng)土體的承載能力；同時(shí)在相同荷載作用下，經(jīng)過加筋后的土體，所產(chǎn)生的沉降量較未加筋土體產(chǎn)生的沉降量略大，是因?yàn)橥馏w經(jīng)輪胎加筋后，相同荷載作用下由于輪胎彈性模量小產(chǎn)生的彈性變形大，導(dǎo)致土體整體沉降量較加筋前變大，并且由于輪胎受徑向荷載作用而變形對(duì)所包裹土體提供環(huán)向約束，增大了土體的承載能力。

圖4 不同密實(shí)度砂荷載-沉降曲線

對(duì)比松散砂（ZL、TL）和密實(shí)砂（ZD、TD）兩組曲線可知，在相同的荷載作用下，松散砂土加筋前后沉降量的差值小于密實(shí)砂土加筋前后沉降量的差值，表明松散砂土在加筋后，輪胎的變形和輪胎與土體相互作用下的變形更小，輪胎對(duì)于松散砂土的約束能力更好，松散砂土的加筋效果更好。

3 輪胎對(duì)加筋土性能的影響

3.1 輪胎加筋層位置對(duì)加筋土性能的影響

由圖5、圖6 可見，對(duì)比松散砂土與密實(shí)砂土兩種土體下的6 個(gè)工況，在相同荷載的作用下，加筋層的位置越靠近土體的下方，加筋土體的沉降量越小，由于在模型上表面施加豎向均布荷載，加筋層的位置越靠近上表面，在施加荷載后加筋層輪胎變形越大，所產(chǎn)生土體沉降越大。相比較之下，輪胎加筋層的位置對(duì)土體沉降以及土體承載力的影響較小，且在兩種密實(shí)度土體中均表現(xiàn)出相同的性狀，差異較小。

圖5 松散砂土不同加筋層位置荷載-位移曲線

圖6 密實(shí)砂土不同加筋層位置荷載-位移曲線

3.2 輪胎加筋層層數(shù)對(duì)加筋土性能的影響

由圖7 可知，加筋層數(shù)不同的松散砂土的沉降量受最上層加筋層的位置影響。1 層加筋，加筋層的位置越靠下，相同荷載作用下的沉降量越小。2 層加筋，加筋位置為中層和下層（BL3），在相同荷載作用下的沉降量小于加筋位置為上層中層（BL1）、上層下層（BL2），工況BL1、BL2，沉降量基本相同。2 層加筋松散砂土，在相同荷載作用下，最上層加筋層的位置越靠下，沉降量越小。3 層加筋松散砂土，在相同荷載作用下，沉降量大于1 層加筋、2 層加筋砂土。

圖7 松散砂土不同加筋層數(shù)荷載-沉降曲線

由圖8 可知，加筋層數(shù)不同的密實(shí)砂土的沉降量受最上層加筋層的位置影響。1 層加筋，加筋層的位置越靠下，相同荷載作用下的沉降量越小。2 層加筋，最上層加筋層的位置越靠下，沉降量越小，次一層加筋層的位置對(duì)沉降量的影響較小。3 層加筋，在相同荷載作用下，沉降量大于1 層加筋、2 層加筋砂土。

圖8 密實(shí)砂土不同加筋層數(shù)荷載-沉降曲線

4 結(jié)論

a）經(jīng)過廢舊輪胎加筋后的土體，其承載能力較未加筋土體有顯著改善，加筋土體承載力顯著增大。加筋土體中的加筋材料承受豎向荷載后對(duì)土體產(chǎn)生了軸向約束力，在土體與輪胎的相互作用下，增大了土體的承載能力。松散砂土的加筋效果好于密實(shí)砂土。相同荷載作用下，松散砂土加筋前后的沉降量差值明顯小于密實(shí)砂土加筋前后的沉降量差值，在輪胎與砂土的相互作用下，松散砂土的變形更小，輪胎加筋材料對(duì)于松散砂土的約束效果更好。

b）輪胎加筋層的位置越靠近下方，相同荷載作用下，土體的沉降量越小；加筋層位置對(duì)土體總體沉降的影響較小。加筋后土體沉降量的一部分受加筋材料變形的影響，加筋層越靠近土體的下方，受荷載的直接影響越小，其變形對(duì)于土體的影響越小。加筋層的位置對(duì)土體沉降量總體變化影響不大。