RST輕質砂強度特性試驗研究

史 萍，李大勇

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049； 2.山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590； 3.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

RST輕質砂強度特性試驗研究

史 萍1，2，3，李大勇2，3

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049； 2.山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590； 3.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

為了研究RST輕質砂抗剪強度特性，對不同配合比的RST輕質砂進行常規三軸固結不排水試驗，得到在不同條件下的應力應變關系曲線.研究發現，初始相對密實度越大，軟化現象越明顯；橡膠顆粒摻量的影響隨應力水平的不同而變化，而且抗剪強度指標隨橡膠顆粒摻量的增加呈現明顯減小的趨勢；粒徑不同時，RST輕質砂的峰值應力存在差異性，摻加的橡膠顆粒最佳粒徑為不大于0.5mm；固結圍壓對峰值應力比和殘余應力比的影響較大. 研究成果可作為進一步研究這種新材料本構關系的依據.

RST輕質砂；廢舊輪胎；細砂；橡膠顆粒；固結不排水剪切試驗

隨著我國經濟的快速發展，橡膠產量整體保持穩步增長的態勢.近幾年橡膠輪胎外胎產量和產量增長率一直走高，隨之廢舊橡膠的數量迅速增多.目前以每年兩位數的速度增長，如果不對其進行適當處理，勢必會對環境造成嚴重污染.因此廢棄橡膠的處理日益得到重視，研究用廢棄橡膠研磨的橡膠顆粒在巖土工程中的應用具有重要的實際意義.由于橡膠顆粒具有質量小、彈性變形能力強、滲透能力強、成本低廉等特點，在巖土工程領域關于橡膠碎片力學性質的相關研究開展的比較早，多集中在對橡膠碎片的強度和變形特性[1-2]、橡膠碎片與土混合物的相關性能研究[3-5]等方面，積累了大量研究成果和工程經驗，為橡膠碎片和顆粒在巖土工程中的應用起到了一定的借鑒作用.針對橡膠碎片和顆粒在巖土工程中的應用和研究多集中在橡膠碎片和土的混合物研究方面，而對橡膠顆粒和砂的混合物研究比較少，Lee[6]和Zornberg[7]、Gotteland[8]、鄧安[9]、李麗華[10]等對橡膠-砂混合物進行了固結排水剪切試驗，發現混合物的剪切特性介于純橡膠顆粒和純砂顆粒之間，橡膠含量和圍壓對其剪切特性都有顯著影響，而未考慮初始相對密實度、橡膠顆粒摻量、橡膠顆粒粒徑等因素的影響.

綜上所述，橡膠顆粒含量和所選定的圍壓對橡膠顆粒砂混合物的剪切特性有影響，揭示初始相對密實度和橡膠顆粒粒徑對混合砂的力學特性影響是亟待解決的問題.為此，筆者嘗試將廢棄橡膠粉碎物與砂、水按一定比例混合，制成廢棄輪胎橡膠顆粒輕質混合物(lightweight sand mixed with rubber chips of scrap tires，以下簡稱RST輕質砂)[11]，采用應變控制式普通三軸儀，研究不同圍壓條件下，多種配比方案的RST 輕質砂強度特性的影響規律，研究其固結不排水剪切特性.

1 試驗材料及方案設計

試驗用砂選取青島黃海金沙灘細海砂，試樣的物理參數見表1.

表1 試驗用砂的物理參數

天然含水率w/%最大孔隙比emax最小孔隙比emin比重級配情況粒組分類28．830．9030．5952．684不良細砂

試驗采用的橡膠顆粒由粉碎加工設備將廢舊輪胎切割呈均勻粒徑，粒徑范圍分別控制在(0，0.5]、(0.5，1]、(1，2]、[3，5]，將細海砂和橡膠顆粒置于烘箱內烘干，然后按照計算稱量，將兩者與水進行均勻混合.

為研究所選定的圍壓和初始相對密實度、橡膠顆粒含量、橡膠顆粒粒徑對RST 輕質砂力學性質的影響，首先在不同的固結圍壓條件下，對不同初始相對密實度的純砂試樣做固結不排水三軸剪切試驗，然后在不同圍壓條件下，對摻加不同橡膠顆粒摻量、不同橡膠顆粒粒徑的混合物做固結不排水三軸剪切試驗.

試驗方案分為三組：

第一組：在固結圍壓分別為100kPa、200kPa、300kPa條件下，測定不同初始相對密實度的純砂試樣的固結不排水三軸剪切試驗；

第二組：在固結圍壓分別為100kPa、200kPa、300kPa條件下，測定摻加不同質量的橡膠顆粒的RST 輕質砂的固結不排水三軸剪切試驗；

第三組：在向同固結圍壓條件下，測定摻加不同粒徑的橡膠顆粒的RST 輕質砂的固結不排水三軸剪切試驗.

三軸試驗直徑為39.1mm，高度為80mm.試樣采用砂雨法制樣[12]，進行固結不排水三軸試驗，首先將飽和試樣在圍壓下固結，圍壓分別取100kPa、200kPa、300kPa，然后關閉排水閥門，施加軸向應力差.三軸剪切試驗采用應變控制式，加載速率為0.005mm/min，試驗過程中實時記錄荷載、位移等參數的變化.

2 試驗結果及分析

2.1 應力應變特性

2.1.1 初始相對密實度的影響

圖1為不同初始相對密實度條件下純砂試樣的應力應變關系曲線.從圖1中可以看出，不同初始相對密實度條件下純砂的應力應變關系曲線大致呈雙曲線型，相同的應力水平下，試樣的峰值應力隨著初始相對密實度的增大而增大，且出現峰值時的軸向應變也在逐漸增大，但均未達到總軸向應變的10%.

在初始變形階段，有一段切線斜率較小的曲線，依據制樣方法推斷，出現此現象的原因為施加軸向應力前試樣頂端會有少量水，而導致試驗初始沒有能及時施加豎向應力，但是此部分水對試樣的高度有一定擠壓作用，所以軸向應變顯現出相對于應力差增長更快的趨勢.而隨著試驗的進行，豎向應力很快直接作用到土樣頂部，此時顯現近似雙曲線型的變形特點.較高的圍壓在固結過程中更有效地促進顆粒密實及變形，所以在高圍壓固結條件下，初始切線模量隨試樣密實度的增大而增大.

(a)σ3=100kPa (b)σ3=200kPa (c)σ3=300kPa圖1 相同圍壓、不同初始相對密實度條件下的應力應變關系

對于應力水平較低的試樣，出現峰值應力前試樣的初始變形模量沒有明顯規律，這與對于同一類型的應力路徑，隨著粉質黏土固結壓力的增大，初始切線模量增大的理論[13]相悖.究其原因主要有兩個方面：一是此試驗中砂粒級配不良，單位體積中顆粒接觸點少，接觸應力多，且砂粒之間黏聚力非常小，近似為0，在剪切試驗中砂粒呈現一定的滑動特性；二是較低的圍壓沒有很好的約束試樣，不能使得土體顆粒充分黏結在一起.

初始相對密實度是影響砂土強度的重要因素，相對密實度越大，孔隙比越小，承受的軸向應力越大，故主應力差越大.初始相對密實度較小的海砂(Dr=0.3)，在剪切過程中會出現應變硬化現象，大約在軸向應變為3%時即達到了峰值強度；隨著初始相對密實度的逐漸增大，軟化現象逐漸顯現，當達到0.7以上時，海砂在剪切過程中均出現較明顯的應變軟化現象，大約在軸向應變為6 %時達到峰值強度，然后隨著應變增加，其應力差減小，隨后盡管應變增加，應力差不再變化，此時試驗中的超靜孔壓急劇上升，有效應力減小，實際砂土呈流動狀態，也稱為“流滑”，此時的強度為殘余強度.雖然飽和砂土試樣流動了，但應力狀態并未達到其強度，峰值應力差對應的有效應力路徑遠未達到有效應力破壞線，并未達到砂土真正意義上的“破壞”，所以有學者提出用最大應力比分析更合理[14].

2.1.2 橡膠顆粒摻量的影響

圖2為初始相對密實度為0.7時，不同橡膠顆粒摻量條件下RST 輕質砂的應力應變關系曲線.

(a)σ3=100kPa (b)σ3=200kPa (c)σ3=300kPa圖2 相同圍壓、不同橡膠顆粒摻量條件下的應力應變關系

從圖2中可以看出，摻加橡膠顆粒后的RST輕質砂的應力應變曲線依然為雙曲線.在較低應力水平(σ3≤200kPa)作用下，隨著橡膠顆粒摻量的增加，試樣的峰值應力并沒有發生顯著的改變，軸向應變也維持在同一范圍，也就是說較低應力水平下，峰值應力和軸向應變基本不隨橡膠顆粒含量而變化.

在較高應力水平(σ3>200kPa)條件下，隨橡膠顆粒含量的增加，試樣的峰值應力逐漸降低.在圍壓為300kPa時，峰值應力差由摻量為5%時的1 431kPa，逐漸降低到摻量為45%時的1 050kPa，且隨著橡膠顆粒含量的增加，降低的幅度越來越大.當橡膠顆粒摻量為45%時，峰值應力差明顯低于純砂試樣在相同圍壓下的峰值應力差， 圍壓為300kPa時，由純砂時的1587kPa降低到1 050kPa.

綜上分析，隨著橡膠顆粒摻量的增加，RST輕質砂中砂的含量減小，抗剪切能力隨之逐漸減弱，而且一部分砂粒填充在橡膠顆粒內部，削弱了砂粒之間的咬合，故高壓作用下，峰值應力會隨著摻量的增加而逐漸降低；而在較低圍壓作用下，橡膠顆粒的摩擦強度分量可以彌補被替代砂粒的剪脹和摩擦分量,導致低圍壓下抗剪強度受橡膠顆粒摻入量的影響較小，因此在低圍壓作用下，峰值應力基本不隨橡膠顆粒摻量的變化而變化.

2.1.3 橡膠顆粒粒徑的影響

為了分析橡膠顆粒粒徑對RST 輕質砂剪切峰值的影響，本次實驗利用振動篩篩出用四種不同粒徑的橡膠顆粒摻入砂中，為了較好成型，按照初始相對密實度為0.7制樣，固結圍壓為200kPa，進行固結不排水剪切試驗，試驗結果如圖3所示.

圖3 摻加不同粒徑橡膠顆粒的試樣應力應變關系曲線

對于在相同圍壓條件下固結，當砂中橡膠顆粒摻量相同，而粒徑不同時，RST輕質砂的峰值應力存在差異性：摻入橡膠顆粒粒徑不大于0.5mm時，試樣的峰值應力最大，且達到峰值應力時的軸向應變也最大；隨著摻加橡膠顆粒粒徑的增大，峰值應力逐漸減小，而且應變軟化特點愈加顯著.這是因為，小粒徑的橡膠顆粒可以改善細海砂的級配，增大土樣密實度，從而提高了試樣的抗剪強度；而粒徑較大的橡膠顆粒，容易使一部分砂粒填充在內，使砂樣的剪脹效應減弱，從而降低了抗剪強度.

綜上分析，摻加粒徑不大于0.5mm的橡膠顆粒可以提高土樣的抗剪強度.

2.2 抗剪強度指標和最佳橡膠顆粒摻量的討論

圖4為圍壓為200 kPa時不同橡膠顆粒摻量條件下RST輕質砂試樣的黏聚力和內摩擦角變化規律.試樣的內摩擦角大小隨橡膠顆粒摻量的增加呈現明顯減小的趨勢；而在橡膠顆粒摻量不大于15%時，黏聚力隨橡膠顆粒摻量的增大而增大，反之則存在一定程度的衰減.

圖4 抗剪強度指標和橡膠顆粒摻量關系

隨著橡膠顆粒摻量(質量分數)的增加，試樣的黏聚力c從純砂時的0kPa(橡膠顆粒摻量為0時)逐漸增大到37 kPa(橡膠顆粒摻量為15%時)，繼而逐漸減小，內摩擦角從36。(橡膠顆粒摻量為15%時)逐漸降低到28。(橡膠顆粒摻量為45%時). 這是因為摻入的橡膠顆粒使顆粒之間具有一定的“黏聚力”，同時當橡膠顆粒摻量過高時，砂含量較小，高壓固結作用下，一部分砂粒填充在橡膠顆粒內部，削弱了砂粒之間的咬合，摩擦力減小，因此內摩擦角較小.

綜上所述，對于常壓條件(不大于200kPa)，RST砂樣中橡膠顆粒最佳摻量為15%，而對于圍壓較高的工況橡膠顆粒的最佳摻量大小還有待進一步研究.

2.3 峰值應力比和殘余應力比

峰值應力比和殘余應力比是分析地基承載力問題的重要指標，對于一般地基承載力問題用峰值應力比分析，而對于古舊滑坡、斷層夾泥和大變形問題等塑性變形較大的情況，應采用殘余應力比進行分析.為了得到橡膠顆粒摻量對RST輕質砂的峰值應力比和殘余應力比的影響，在此文中分析峰值應力比和殘余應力比與圍壓的關系曲線，分別如圖5和圖6所示.

圖5 峰值應力比和圍壓關系

圖6 殘余應力比和圍壓關系

如圖5所示，峰值應力比受各種因素影響，圍壓較小時，橡膠顆粒摻量對峰值應力比的影響不大，而當圍壓較大時，橡膠顆粒摻量和試驗圍壓越大，峰值應力比越小.如圖6所示，較低圍壓下殘余應力比基本不受圍壓影響，但圍壓高于200kPa時，隨著橡膠顆粒摻量的增大，殘余應力比急劇降低.

綜上所述，在低圍壓和高圍壓條件下，峰值應力比和殘余應力比均有顯著差異，因此在臨界狀態分析及RST力學模型研究中需要綜合考慮不同圍壓條件下所得到的強度參數，以期獲得能夠綜合考慮常壓至高壓下強度、變形特性的理想模型.

3 結論與展望

(1)初始相對密實度是影響砂土強度的重要因素，初始相對密實度較小的海砂，在剪切過程中會出現應變硬化現象；隨著初始相對密實度的逐漸增大，軟化現象逐漸顯現.

(2)在較低應力水平作用下，峰值應力和軸向應變基本不隨橡膠顆粒含量而變化，而在較高應力水平條件下，隨著橡膠顆粒摻量的增加，試樣的峰值應力逐漸降低.

(3)當固結圍壓相同、砂中橡膠顆粒摻量相同、粒徑不同時，RST輕質砂的峰值應力存在差異性，摻加的橡膠顆粒最佳粒徑為不大于0.5mm.

(4)砂土試樣的內摩擦角隨橡膠顆粒摻量的增加呈現明顯減小的趨勢；而常壓條件下當橡膠顆粒摻量不大于15%時，黏聚力隨橡膠顆粒摻量的增大而增大，反之則存在一定程度的衰減.

(5)在較低圍壓固結條件下峰值應力比和殘余應力比基本不受圍壓影響，但圍壓較大時，隨著橡膠顆粒摻量的增大， 峰值應力比和殘余應力比都急劇

降低.

(6)為了得到更理想的RST輕質砂臨界狀態和力學模型，必須綜合考慮不同圍壓條件下所得到的強度參數，有待于進一步研究.

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[14] 李廣信. 高等土力學[M]. 北京:清華大學出版社, 2004.

(編輯：姚佳良)

Experimental research on steady strength of RST lightweight sand

SHI Ping1，2，3，LI Da-yong2，3

(1.School of Architecture Engineering， Shandong University of Technology, Zibo 255049, China； 2. Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation， Qingdao 266590， China； 3.College of Architecture and Civil Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China)

Based on the consolidated undrained triaxial compression tests, the lightweight sand mixed with rubber chips of scrap tires of different ingredient proportions is studied to analyze its shear strength properties. The results show that with the increase of initial relative density, the stress-strain curves of the sand changes from the hardening type to the softening one. The influence of rubber particle content varies with the stress level, and the shear strength index decreases obviously with the increase of the rubber particle content. When the grain size is different, the peak stress of RST light sand is different.The best particle size of rubber particles is not more than 0.5mm. The effect of consolidation pressure on peak stress ratio and residual stress ratio is bigger. Thus the present findings may lay a foundation for further researches on the constitutive relation properties of the soil.

RST lightweight sand；scrap tire；fine sand；rubber chip；consolidated undrained triaxial compression test

2016-12-08

國家自然科學基金項目(51379118) ；山東省土木工程防災減災重點實驗室開放基金項目(CDPM2013KF02)

史萍, 女, shiping0813@163.com； 通信作者：李大勇，男，ldydy@163.com

1672-6197(2017)06-0001-05

TU443

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