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 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

汽車工業的發展為現代社會提供便利的同時，也產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，不僅造成環境污染，還會引發火災并危害人們健康，如1999年美國Stanislaus縣數百萬廢棄輪胎發生自燃，嚴重污染環境[1]。研究表明，橡膠砂混合土具有體積密度低、物理化學耐久性好，滲透性與純砂相當等優點[2]。因此，橡膠砂作為輕質填料已探索性地應用于公路路堤[3-4]、擋土墻后填土[5-6]，也作為消能墊層應用于動力基礎或建筑基礎中，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度特性進行研究是將其應用到實際工程中的必要前提。目前，學者主要對干燥或稍濕狀態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，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]還指出當橡膠顆粒含量超過某一臨界值(20%)時，其豎向應變會急劇增大；鄧安等[10]針對含水量約為5%的橡膠砂開展壓縮試驗，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系。同樣，關于其抗剪強度特性，學者們也主要關注了干燥或稍濕狀態時的橡膠砂，但研究仍沒有達成共識。Anvari等[13]、顧成壯等[14]研究發現混合土的抗剪強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度影響并不大，而Tanchaisawat等[16]研究發現橡膠含量的增大反而會使得混合土抗剪強度下降；關于抗剪強度指標，絕大多數學者均認為加入橡膠顆粒會導致混合土內摩擦角變大，但Sellaf等[5]研究卻發現，隨著橡膠含量的增加，橡膠砂內摩擦角的變化并無規律性。

這些研究積極推動了廢舊橡膠的工程應用[17-19]，但研究主要關注干燥或稍濕狀態下橡膠砂的力學特性，對高含水量狀態下橡膠砂壓縮及抗剪強度特性的研究不多，而作為公路路基填料或支護結構回填料的橡膠砂需要考慮處于潮濕或飽和狀態等不利條件下的力學性質變化。本文采用壓縮試驗和直剪試驗研究了干燥和飽和狀態下橡膠砂混合土的壓縮特性及抗剪強度特性。

1 壓縮特性研究

1.1 試驗材料、試樣制備和試驗過程

1.1.1 試驗材料和試驗設備 試驗研究對象為橡膠砂混合土，由福建標準砂和橡膠顆粒混合制成，具體參數見表1。福建標準砂的最大、最小干重度分別為18.53、16.01 kN/m3，測定流程均按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[20]進行，橡膠顆粒是將廢舊輪胎通過機械切割、破碎并除去鋼絞線后得到，其粒徑為1～5 mm，根據ASTMD 6270-08(2012)劃分屬于橡膠顆粒[21]。圖1、圖2給出了試驗所用材料的實物圖和顆粒級配曲線。

壓縮試驗所用儀器為WG-1C型單杠桿中壓固結儀。

表1 試驗用福建標準砂及橡膠顆粒的物理參數Table 1 Index properties of the Fujian sand and rubber particles used in the tests

圖1 試驗用材料

圖2 福建標準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指橡膠顆粒的質量含量，%；mR為橡膠質量；mS為砂質量。

表2 壓縮試驗的影響因素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層擊實制樣。對于4個干燥工況，將擊實后的干燥試樣直接安裝到固結儀里，調平后開始加載，如圖3(a)所示。對于4個飽和工況，先將擊實后的干燥試樣置于真空飽和器內，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儀中，后續操作同干燥試樣，開始進行壓縮試驗，如圖3(b)所示。

圖3 制備完成的試樣

試驗中設置了11級豎向荷載：12.5、25、50、100、200、400、800、400、200、100、0 kPa，每級加載后固結約24 h后視為穩定狀態，即可進行下一級加載。

1.2 試驗結果

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變Fig.5 Vertical strains under different

2 抗剪特性研究

2.1 試驗方案

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

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

2.2 試驗結果

圖6 剪應力剪切位移關系曲線Fig.6 Shear stress-horizontal displacement

圖7 不同試樣的抗剪強度Fig.7 The shear strength of different

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

2.2.2 抗剪強度指標 根據Mohr-Coulomb強度準則計算得到試樣的抗剪強度指標內摩擦角。圖8給出了內摩擦角與橡膠顆粒含量的關系曲線，從中可發現：干燥及飽和狀態下內摩擦角與橡膠顆粒含量的關系表現出不同的發展趨勢：干燥試樣的內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，內摩擦角并沒有下降，反而輕微增加。

圖8 內摩擦角與橡膠顆粒含量的關系Fig.8 The relationship between internal friction

內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出明顯的剪縮特性，導致剪脹效應減小，即咬合摩擦w2減小，顯然，當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，混合土的剪縮導致咬合摩擦w2減小，當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，上述機理是基于試驗結果分析，仍需要進一步的驗證研究。

將Duncan-Chang模型應用到直剪試驗中，可以得到不同正應力下橡膠砂剪應力與剪切位移的關系

(2)

式中：τ為剪應力；δ為剪切位移；D為試樣直徑；參數a為初始切線模量Esi的倒數；參數b為極限剪切強度τult的倒數。

1)初始剪切模量

初始切線剪切模量Esi與正應力σn間具有的關系

(3)

式中：k為無量綱模型參數；n為無量綱指數參數；pa為標準大氣壓，取101.4 kPa。

2)模型參數的確定

將式(2)變換為：

(4)

對式(3)兩邊取對數，可得

(5)

3 結論

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)橡膠砂的抗剪強度隨正應力的增大而增大，但受橡膠顆粒含量的影響不明顯。干燥試樣的內摩擦角隨著橡膠顆粒含量的增加而減小，飽和試樣的內摩擦角隨著橡膠顆粒含量增加而變大。孔隙水對試樣內摩擦角的影響較為明顯且機理復雜，需進一步研究。