廢舊輪胎顆粒—尾砂混合土動力特性試驗研究

凌 亮 潘建平 劉 慷

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000；2.江西省環境巖土與工程災害控制重點實驗室，江西贛州341000；3.深圳市華陽國際工程設計股份有限公司南昌分公司，江西南昌330000）

21世紀以來，我國礦冶行業快速發展，選礦過程中產生的大量尾礦堆積起來形成尾礦壩，尾礦這類固體廢棄物不僅占用大面積的土地，還會對環境造成很大影響，并且隨著尾礦庫容量、數量逐年增加和尾礦壩不斷加高，以及尾礦壩下游工業和民用建筑增多，一旦發生潰壩事故必然導致大量人員傷亡和嚴重的經濟損失，因此，尾礦壩的安全問題已經成為制約我國礦業可持續發展的瓶頸問題［1-3］。近年來，隨著汽車工業快速發展和我國人民生活水平提高，我國人均汽車保有量增長迅速，每年都會產生大量的廢舊輪胎，大部分得不到再次利用的廢舊輪胎被亂堆亂放，不僅占用土地，影響市容，還易滋生細菌，傳播疾病，對生態環境和人們生活造成嚴重影響。輪胎具有密度小、質量輕、變形模量小、減震隔震效果好等優良特性，將其與尾砂拌和制成混合土可應用于軟弱土地基處理、擋土墻回填、邊坡治理、路基抗震減震等工程領域，能很好地解決廢舊輪胎和尾砂這兩種固體廢棄物的處理問題。因此，在動荷載作用下，深入研究輪胎顆粒—尾砂混合土的動力特性，不僅有利于促進廢舊輪胎顆粒在土工抗震減災領域的應用，還有助于解決固廢堆積引起的環境、經濟及安全難題。

近年來，不少學者對輪胎顆粒—尾砂混合土的靜力特性進行了大量的試驗研究，成果豐碩［4-9］，但有關動力特性方面的研究成果較少。Feng等［10］通過扭轉共振柱試驗，研究了不同比例橡膠砂試樣動剪切模量和阻尼比的特性，給出了最大剪切模量和最小阻尼比，同時得出“50%橡膠體積摻量的混合土歸一化剪切模量接近飽和黏性土”的結論；Hazarika等［11］通過模型測試試驗、元素測試和現場應用，研究了輪胎碎片—砂混合土的動力特性，試驗認為：輪胎碎片的加入使得結構的動荷載和動力誘導永久位移顯著減小；李麗華等［12］基于動三軸試驗，研究了廢舊輪胎顆粒摻量、圍壓對混合土動強度、動彈性模量和等效阻尼比的影響，試驗結果證明輪胎顆粒可使得混合土動強度和剪切模量降低，阻尼比增大，在一定范圍內可以發揮輪胎的減震優勢；高玉峰等［13］通過動三軸試驗，分析了水泥摻量、聚苯乙烯泡沫顆粒（EPS）含量、圍壓以及循環次數對聚苯乙烯泡沫顆粒混合輕質土（LSES）在動力荷載下變形特性的影響規律，為LSES材料在軟弱地基處理方面的應用提供了依據；劉方成等［14］基于循環單剪試驗，研究了不同配比、豎向固結壓力對橡膠砂的動剪切模量和阻尼比的影響，為橡膠砂在隔震方面應用提供了理論依據；李博等［15］通過CKC循環動三軸試驗儀，研究了不同橡膠粉末粒徑、摻量對試樣抗液化性能的影響，得出能明顯提高砂土抗液化能力的合理橡膠粒徑，同時對橡膠和砂土之間的微觀作用機制進行了分析。

尾礦砂的二次利用不僅能夠很好地處理尾砂固廢堆積問題，還能有效解決尾礦壩體安全穩定問題。縱觀目前行業內研究現狀，鮮有將尾砂作為試驗對象進行廢舊輪胎顆粒混合土的動力特性研究，混合土的動彈性模量和阻尼比與其減震隔震效果直接相關，本研究將廢舊輪胎顆粒和尾砂按不同質量比進行混合，對混合土進行固結不排水動三軸試驗，研究混合土在飽和條件下的動力特性，分析輪胎顆粒摻量、圍壓對混合土動強度、動彈性模量、阻尼比等參數的影響，并給出混合土中臨界輪胎顆粒摻量取值范圍，為促進廢舊輪胎顆粒—尾砂混合土在土工抗震減災領域的應用提供參考。

1 試驗方案

試驗儀器采用英國GDS動三軸測試系統，試驗尾砂取自贛州市崇義縣茅坪鎢礦，為尾粉砂，細顆粒含量遠大于粗顆粒含量，顆粒粒徑大多為0.075～0.5 mm，密度為1.62 g/cm3。廢舊輪胎顆粒粒徑為40～60目（0.25～0.38 mm），堆積密度為0.39 g/cm3，尾砂和輪胎顆粒的物理特性參數如表1所示，尾砂的顆粒級配曲線如圖1所示。制備試樣時控制所有混合土（包括純尾砂）相對密實度Dr=0.7，使得不同廢舊輪胎顆粒摻量的混合土干密度始終保持一致。先將尾礦砂烘干、碾碎、過篩（2 mm），選用50 mm×100 mm（直徑×高度）圓柱形試樣，采用擊實法制備重塑土樣，分3層擊實成型。試樣飽和方式按CO2飽和、水頭飽和、反壓飽和順序進行，確保最終試樣的飽和度達到95%以上。以質量比配制4種不同配比（0%、4%、8%、12%）的廢舊輪胎顆粒—尾砂混合土試樣（圖2），按設定的循環應力比（CSR=0.30、0.35、0.40），分別在圍壓為100、150、200 kPa條件下進行室內動三軸試驗。

2 動強度變化規律

在某一破壞標準下，對飽和土樣施加一定大小的動應力，對應的試樣破壞時所需要的振動次數稱為振動破壞周次，施加的動應力稱為土的動強度。試驗中所有試樣制備時控制相對密實度為0.7，考慮到相對密實度較大和圍壓對試樣液化的影響，以及輪胎顆粒對混合土抗液化能力的增強作用，最后選擇破壞標準為應變破壞標準，當試樣的軸向應變達到5%時，可認為試樣發生破壞。對于土體動強度的表達方式，可在選定的破壞標準下，作用某一固結圍壓，施加不同的動應力σd，與之對應的試樣振動破壞時的振動次數為N，兩者之間的關系曲線稱為土的動強度曲線。根據試驗結果，用冪函數σd=ANB（A、B為擬合參數）對動應力和振動破壞周次的數據點進行曲線擬合（表2為動強度曲線擬合參數結果），得出混合土的σd～N關系曲線。分別分析輪胎顆粒摻量和固結圍壓對混合土σd～N關系曲線的影響。

注：R為相關系數。

2.1 輪胎顆粒摻量的影響

不同圍壓作用下，不同輪胎顆粒摻量對混合土σd～N關系曲線的影響如圖3所示。由圖3可知：無論圍壓如何變化，摻有輪胎顆粒混合土的動強度都會降低，且輪胎顆粒摻量越大，動強度降低也越明顯。由試驗結果分析可得，應變破壞標準中的5%軸向應變包含彈性應變和塑性應變，對于摻有輪胎顆粒的混合土而言，彈性應變占主要部分，是由于輪胎顆粒的彈性模量比尾砂低，發生彈性變形的能力比尾砂大，而尾砂不易發生彈性變形，相比之下輪胎顆粒摻量越多，混合土越容易發生彈性變形且變形量越大。故在其他條件相同時，輪胎顆粒摻量大的試樣發生破壞時彈性變形大，振動破壞周次比輪胎顆粒摻量小的試樣少。

2.2 圍壓的影響

在不同輪胎顆粒摻量條件下，不同圍壓對混合土σd～N關系曲線的影響如圖4所示。由圖4可知：振動次數相同時，圍壓越大，混合土所能承受的動應力越大；相同動應力作用下，圍壓越大，混合土振動破壞時所需要的振動次數越多，即圍壓越大，混合土的動強度越大。混合土顆粒間的孔隙在周圍壓力增大時被壓縮，顆粒之間接觸更加趨于緊密，試樣越發密實，間接地表現為抵抗變形的能力增大，即變形模量增大。變形模量越大，試樣越不易發生變形，故破壞時所需要的振動周次增加。進一步分析圖4可知：第二次增加圍壓時，試樣的振動破壞周次增加幅度在減小，是因為隨著圍壓增加，試樣顆粒間原本就被壓密的孔隙無法再次被壓密，即在高圍壓下，試樣動強度增大不明顯。

3 動彈性模量變化規律

根據動三軸試驗結果，利用動彈性模量的定義計算出具體數值，以動應變εd為橫坐標、動彈性模量Ed為縱坐標，將數據整理于同一坐標系中，用冪函數Ed=CεdD（C、D為擬合參數）對動彈性模量和動應變的數據點進行曲線擬合（表3為動彈性模量曲線擬合參數結果），得出混合土的Ed～εd關系曲線。再分別分析輪胎顆粒摻量和固結圍壓對混合土Ed～εd關系曲線的影響。

注：R為相關系數。

3.1 輪胎顆粒摻量的影響

不同圍壓作用下，不同輪胎顆粒摻量對混合土Ed～εd關系曲線的影響如圖5所示。由圖5可知：隨動應變εd增大，混合土試樣的動彈性模量Ed都減小，是因為發生較大應變時，試樣本身產生很大的變形，導致內部結構松散表現為彈性模量降低。動應變相同時，隨著輪胎顆粒摻量增加，混合土的動彈性模量Ed都減小，根本原因是輪胎顆粒自身的彈性模量較低。固結圍壓為100 kPa時，純尾砂的最大動彈性模量為89 MPa，摻入4%的廢舊輪胎顆粒后，混合土的最大動彈性模量減小到35 MPa，降低了54 MPa，相比于純尾砂降低了60.7%，說明輪胎顆粒的摻入使得混合土的動彈性模量明顯降低。隨著廢舊輪胎顆粒摻入量繼續增加，最大動彈性模量還會繼續降低，但是降低幅度不大。試樣的變形主要有顆粒壓縮和孔隙壓縮兩方面原因。對于純尾砂而言，尾砂顆粒由于彈性模量大很難被壓縮，變形主要來源于尾砂顆粒間孔隙的壓密，這種壓密作用相對有限，所以純尾砂試樣的彈性模量較大。輪胎相比于尾砂而言彈性模量很小，在動荷載作用下能夠發生較大的彈性變形，且輪胎摻量越大，變形能力越大。當輪胎顆粒摻量達到8%及以上時，混合土的動彈性模量降低不再明顯，是因為此時彈性模量已經很低，壓縮性很大，很難再大幅度降低。

3.2 圍壓的影響

不同輪胎顆粒摻量條件下，不同圍壓對混合土Ed～εd關系曲線的影響如圖6所示。由圖6可知：軸向應變相同時，圍壓越大，混合土的動彈性模量越大，是因為圍壓增大后，混合土中的孔隙在圍壓作用下進一步壓密，顆粒間的接觸更加致密，在動荷載作用下不易發生變形，動彈性模量增大。從圖中可以看出，隨著圍壓進一步增加，試樣的動彈性模量增加幅度較之前有所減小，是因為隨著圍壓再一級增加，試樣顆粒之間原本就被壓密的孔隙無法再次被壓密，即相對較高的圍壓對試樣動彈性模量的增加作用在減小。

4 阻尼比變化規律

根據動三軸試驗結果，利用阻尼比的定義計算出具體數值，以動應變εd為橫坐標、阻尼比D為縱坐標，將數據整理于同一坐標系中，用冪函數（X、Y為擬合參數）對阻尼比和動應變的數據點進行曲線擬合（表4為阻尼比曲線擬合參數結果），得出混合土的D～εd關系曲線。再分別分析輪胎顆粒摻量和固結圍壓對混合土D～εd關系曲線的影響。

4.1 輪胎顆粒摻量的影響

不同圍壓作用下，不同輪胎顆粒摻量對混合土D～εd關系曲線的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著動應變εd增大，混合土試樣的阻尼比D都增大，是由于應變增大導致結構疏松孔隙增多，在動荷載作用下孔隙再壓密需要一定的時間，表現為阻尼比增大。隨著輪胎顆粒摻量增加，阻尼比也增大，輪胎顆粒由于彈性模量低而具有較高的回彈特性，所以能對動荷載起到一定的緩沖作用，同樣表現為混合土的阻尼比增大。固結圍壓為100 kPa時，純尾砂的最小阻尼比為0.083，摻入4%的廢舊輪胎顆粒后，混合土的最小阻尼比增大到0.208，增加值為0.125，相比于純尾砂增大了150.6%，說明輪胎顆粒摻入使得混合土試樣的阻尼比增大明顯。

4.2 圍壓的影響

不同輪胎顆粒摻量條件下，不同圍壓對混合土D～εd關系曲線的影響如圖8所示。由圖8可知：隨著圍壓增大，混合土的阻尼比在減小，是由于圍壓增大后，混合土顆粒間的孔隙被壓密減小，顆粒之間接觸更加趨于緊密，試樣越發密實，表現為顆粒間接觸點增多，根據波在固體介質中的傳播速度大于氣體的特點可知，應力波在壓密后的土體中傳播速度更快，系統能量來不及耗散，同時顆粒之間的摩擦作用也隨著圍壓的增大而增強，在振動加載過程中顆粒之間不易發生相對滑動，導致變形減小，應變越小，土體耗散的能量就越小，最終表現為阻尼比減小。

注：R為相關系數。

5 混合土顆粒間相互作用機制分析及臨界輪胎顆粒摻量確定

根據上述試驗分析，混合土動強度、動彈性模量降低和阻尼比增加的現象可以解釋為：隨著輪胎顆粒的摻入，使得土體的受力骨架從尾砂顆粒逐漸轉向輪胎顆粒，尾砂顆粒可視為剛性體，在荷載作用下不會發生變形，純尾砂試樣的軸向應變主要是加載初期尾砂顆粒間孔隙的壓密和試驗后期孔壓累積升高導致土體結構破壞引起的應變迅速增長，因此對于純尾砂和輪胎顆粒摻量較少的混合土，受力骨架為（或主要為）尾砂顆粒，其動強度也相對更高。當混合土受力骨架由尾砂顆粒轉向輪胎顆粒時，由于輪胎顆粒自身的理想彈性體特性，振動加載時因其彈性模量低容易發生變形，因此混合土的軸向應變能快速增長達到破壞標準，動強度降低。動彈性模量降低的顆粒間內在作用機制分析和動強度分析相同，主要歸因于輪胎顆粒的骨架作用，隨著輪胎顆粒摻量增加，混合土顆粒間力的相互作用主要由輪胎顆粒承擔，而輪胎顆粒彈性模量很小，使得混合土的動彈性模量顯著降低。

在振動加載時，試樣中應力波傳播速度主要取決于試樣的孔隙結構［16］。制備試樣時控制相對密實度Dr=0.7，即各試樣的干密度始終保持一致，因此可以認為所有試樣的孔隙特性沒有差別。輪胎顆粒摻入尾砂后，由于輪胎顆粒彈性模量較低加上自身的多孔隙特性，導致混合土試樣的孔隙率較純尾砂試樣明顯增大，應力波在尾砂和輪胎等固體介質中的傳播速度大于空氣，即混合土對動荷載作用反應相對滯后，表現為阻尼比增大。同時加載過程中孔隙被壓密所需要的時間也增多，系統能量有足夠的時間耗散，阻尼比增加。然而在混合土中，由于輪胎顆粒的高壓縮和易變形特性，導致輪胎顆粒間、尾砂和輪胎顆粒間的摩擦作用相比于純尾砂顆粒間大大減小，輪胎摻量大的混合土變形主要由輪胎高彈特性決定，此時顆粒間的摩擦作用很小，很難發生顆粒間相對運動進而耗散系統能量，因此輪胎顆粒摻量水平較高時（摻量大于8%），阻尼比不再增加，反而有所降低。

由試驗結果可知，當輪胎顆粒摻量為4%時，混合土的阻尼比顯著增加，當摻量增加到8%、12%時，相同的動應變下混合土阻尼比不再增加并且有所減小。輪胎顆粒摻量為4%～8%時，混合土的動彈性模量也降低明顯；摻量大于8%時，相同動應變下，輪胎顆粒摻量對混合土動彈性模量影響很小。因此可以將4%～8%的取值區間作為混合土的臨界輪胎顆粒摻量范圍。臨界摻量不等于最優摻量，混合土阻尼比增加，動彈性模量降低有利于其減震隔震性能的發揮，在抗震減災領域中的具體應用還要根據實際工程的減震隔震要求（混合土動強度要求、減震隔震等級規定，即對結構動彈性模量和阻尼比大小要求等）確定合適的輪胎顆粒摻量，以滿足不同工程的最佳摻量要求。

6 結論

通過開展固結不排水動三軸試驗，對廢舊輪胎顆粒—尾砂混合土在飽和條件下的動力特性進行了研究，得到以下結論：

（1）無論圍壓如何變化，摻有輪胎顆粒的混合土動強度都低于純尾砂，且輪胎顆粒摻量越多，動強度降低也越明顯。增大圍壓能有效提高混合土的動強度，但相對較高的圍壓對試樣動強度的增大作用不明顯。

（2）隨著動應變εd增大、橡膠顆粒摻量增加，混合土的動彈性模量Ed都減小，固結圍壓越大，混合土動彈性模量Ed也越大。

（3）隨著動應變εd增大，混合土阻尼比D增大；橡膠顆粒摻量增加，混合土的阻尼比D先增大后有所減小；固結圍壓越大，混合土阻尼比D越小。

（4）輪胎顆粒摻量從0提高到4%時，混合土的阻尼比D增加明顯，隨后（摻量為8%、12%）有所減小，同時在這一摻量范圍（4%～8%）內，動彈性模量也在繼續降低，直至摻量大于8%時變化不再明顯。根據這一變化特點，可將4%～8%的取值區間確定為混合土中輪胎顆粒的臨界摻量范圍。