橡膠-粉土輕質混合土擊實及動變形特性研究

周恩全，張蔣浩，崔 磊，宗之鑫，陸建飛

（江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇鎮江 212013）

中國汽車工業的快速發展導致廢舊輪胎產量快速增長，而廢舊輪胎的利用仍以堆放、焚燒等為主，既不經濟還會造成環境污染［1］，因此學者們嘗試將廢舊輪胎破碎后與土混合作為填料，應用于路基、擋土墻等工程中［2-4］，以期為廢舊輪胎再利用提供新的方法.

目前，對于橡膠混合土動模量與阻尼比的研究仍未達成共識，且對橡膠-粉土混合土模量與阻尼特性的研究鮮有報道.Xia等［5］發現橡膠黏土混合土的動彈性模量和動阻尼比的變化規律與純黏土一致；Nakhaei等［6］、盧震等［7］發現隨著橡膠含量的增加，橡膠黏土混合土的動彈性模量逐漸降低，阻尼比逐漸增大.在橡膠-砂/礫混合土方面，學者們一致認為混合土與純土的動彈性模量與阻尼比發展規律一致，隨著橡膠含量的增大，動彈性模量隨之減少.Pistolas等［8-14］發現混合土的阻尼比隨著橡膠含量的增大而增大；Madhusudhan等［15］發現橡膠-砂混合土的阻尼比隨著橡膠含量的增大而降低；李麗華等［16］發現橡膠-砂混合土的等效阻尼比先隨著橡膠含量的增大而增大，之后又隨之減小.

本文將橡膠顆粒摻入粉土制成橡膠-粉土輕質混合土（RSMS），通過擊實試驗和動三軸試驗研究混合土的最大干密度、最優含水率、動彈性模量及其阻尼比特性，為橡膠-粉土輕質土的工程應用提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

粉土（S）取自江蘇省鎮江市，塑限（質量分數，本文涉及的塑限、含水率等除特別指明外均為質量分數）為19.41%，液限為26.35%，最優含水率為17.0%；橡膠顆粒（RP）由廢舊汽車輪胎經機械切割、破碎后去除鋼絞線得到.粉土和橡膠顆粒的基本物理性能見表1.表中Cu為不均勻系數；Cc為曲率系數；emax為最大孔隙比；emin為最小孔隙比；Gs為顆粒相對密度.

表1 粉土和橡膠顆粒的基本物理性能Table 1 Basic physical pr oper ties of slit and r ubber par ticles

1.2 試驗方法

1.2.1 擊實試驗

擊實試驗主要研究橡膠顆粒摻量φRP（本文橡膠顆粒摻量均為體積分數）對混合土擊實特性的影響，取φRP＝0%、10%、20%、30%，制備的混合土分別記為RSMS0、RSMS10、RSMS20、RSMS30，其 中RSMS0即為純粉土.試驗儀器采用ZLJ-I型全自動兩用擊實儀，擊實筒直徑100 mm，高127 mm.試驗過程為：制備干燥土樣，并配置目標含水率，每組混合土制備5種含水率試樣，且相鄰2種試樣的含水率差值為2%；反復攪拌使橡膠顆粒與粉土混合均勻，覆上保鮮膜，靜置24 h；將擊實筒內壁均勻涂抹凡士林，稱量擊實筒的質量；將試樣均勻分3層進行擊實，每層錘擊25下，每層擊實完畢需對試樣表面刮毛，在第3次裝樣前需安裝套環；擊實完畢后，取下護筒，刮除超出筒壁部分的土，將擊實筒外壁清理干凈，稱取質量；在試樣的中心處取2點，收集土樣，質量為20 g，用于測量試樣的實際含水率w，計算試樣干密度ρd，并將最大干密度對應的含水率定義為最優含水率.

1.2.2 動變形特性試驗

動變形特性試驗主要研究橡膠顆粒摻量、圍壓pc（pc＝50、100、200 kPa）對混合土動變形特性的影響，采用DSZ-2型動三軸儀，輸入1 Hz正弦波加載，試樣直徑39.1 mm，高80 mm.試驗過程為：分4層均勻制備試樣，每層混合土按預設質量充分攪拌以保證橡膠顆粒分布均勻，每層混合土壓實到預定高度后，將土樣表面刮毛，再進行下1層制樣；接著將試樣裝入壓力倉中進行排水等壓固結，當試樣變形量不大于0.01 mm/h時完成等壓固結；然后對固結完成試樣進行應力控制式不排水加載，應力幅值逐級增大，增大幅值為10 k Pa，每級應力循環8次，加載完畢后進行5 min排水固結；最后根據應力-應變滯回曲線計算混合土的動彈性模量和阻尼比.考慮試樣每級8次應力循環所表現出的動力特性具有一定的差異，采用每級荷載2～7次循環的動彈性模量和阻尼比平均值.

2 擊實特性

圖1為混合土的擊實曲線.由圖1可見：含水率較低時，試樣（除RSMS20以外）的干密度隨含水率升高而逐漸增大，表明試樣的擊實效果逐步提升；含水率達到最優含水率之后，隨著含水率的進一步升高，由于“橡皮土”效應，試樣干密度逐漸降低，即試樣的擊實效果逐步減弱.

圖1 混合土的擊實曲線Fig.1 Compaction curves of mixed soil

由圖1還可見，不同摻量橡膠顆粒的摻入，可以明顯改變粉土的擊實特性.與純粉土相比，混合土的最大干密度和最優含水率均顯著降低，且隨著橡膠顆粒摻量的增大，其最大干密度不斷減小，RSMS30的最大干密度和最優含水率分別比純粉土RSMS0降低約5.85%、23.5%.橡膠顆粒的摻入有一定的輕質效果，這是由于本文采用“等體積替換”的原則制備混合土試樣，而橡膠顆粒的密度明顯低于粉土，因此橡膠顆粒摻量越大的混合土試樣干密度就越低.最優含水率的變化是因為：（1）橡膠顆粒的摻入使混合土的粒徑更加不均勻，級配變得更加良好（見圖2），且橡膠顆粒摻量越大，混合土級配越良好，混合土越容易壓密；（2）橡膠顆粒粒徑較大，顆粒比表面積較小，隨著橡膠顆粒摻量的增大，混合土中顆粒與顆粒之間的總接觸面積逐漸減小，那么增加顆粒間的潤滑作用所需的水就越來越少，顆粒易移動，混合土更易壓密.

圖2 混合土的級配曲線Fig.2 Grain size distributions of mixed soil

3 動變形特性

3.1 動彈性模量

3.1.1 動彈性模量Ed與應變εd的關系

混合土的Ed-εd曲線見圖3.由圖3可見：混合土的動彈性模量隨其應變增大呈現逐漸衰減的趨勢；同一應變水平下，圍壓越高，混合土動彈性模量越大，這是因為隨著圍壓的增大，試樣受到的約束應力越大，顆粒之間的接觸應力越大，試樣的變形能力就越弱，即表現出其動彈性模量越高；加入橡膠顆粒后，同一應變水平下，混合物的動彈性模量明顯降低，且隨著橡膠顆粒摻量的增大，其動彈性模量亦逐漸降低，顯然是因為橡膠顆粒本身相比粉土具有相對較大的彈性變形性能，加入橡膠顆粒后，混合土的變形性能勢必也會相應增大.即在同樣的應力水平下，橡膠顆粒摻量越大的混合土發生的應變越大，這與周恩全等［17］對橡膠混合土壓縮特性的研究結果是一致的.因此，在橡膠混合土工程應用時，必須要對其較大的變形能力給予充分的考慮.

圖3 混合土的E d-εd和E d-1-εd曲線Fig.3 E d-εd and E d-1-εd curves of mixed soil

3.1.2 最大動彈性模量Ed，max

pc＝50 k Pa時，混合土的Ed-1-εd曲線見圖3.由圖3可見：Ed-1與εd呈現出典型的線性關系，表明純粉土及混合土的動應力與動應變關系均符合雙曲線模型［18-19］，即Ed-1與εd之間的關系可表示為：

式中：a、b分別為Ed-1-εd直線的截距、斜率.

令εd＝0，由式（1）可得到Ed，max＝a-1，其計算結果見表2.由表2可見，Ed，max受圍壓、橡膠顆粒摻量的影響顯著：純粉土及混合土的Ed，max與圍壓成正相關，隨著圍壓的增大，Ed，max不斷增大；混合土的Ed，max與橡膠顆粒摻量成負相關，隨著橡膠顆粒摻量的增大，Ed，max不斷減小.

表2 不同圍壓下混合土的E d，max計算結果Table 2 Calculated E d，max of mixed soil under different confining pressures MPa

3.1.3 動彈性模量比Ed/Ed，max與應變εd關系

為了更直觀描述混合土動彈性模量的衰退特征，基于Davidenkov模型［21］，建 立 了 歸 一 化 后 的Ed/Ed，max-εd關系模型：

式中：A、B和ε0為均為無量綱擬合參數.

不同圍壓下混合土的Ed/Ed，max-εd曲線見圖4.由圖4可見：圍壓對純粉土及混合土的影響展示出一致的規律性，Ed/Ed，max隨著εd增大而逐漸衰減；隨著圍壓的增大，Ed/Ed，max的衰減速率越緩慢，即在相同的εd水平下，圍壓越大，Ed/Ed，max的值也越大.

圖4 不同圍壓下混合土的E d/E d，max-εdFig.4 E d/E d，max-εd curves of mixed soil under different confining pressures

不同橡膠顆粒摻量混合土的Ed/Ed，max-εd曲線見圖5.由圖5可見：橡膠顆粒的摻入明顯加快了Ed/Ed，max的衰減速率；隨著橡膠顆粒摻量的增大，Ed/Ed，max衰減的速率增大.

圖5 不同橡膠顆粒摻量混合土的E d/E d，max-εd的曲線Fig.5 E d/E d，max-εd curves of mixed soil with differentφRP

3.2 阻尼比

借鑒阻尼比λ與歸一化剪切模量G/Gmax的經驗關系［20］，提出描述混合土λ與Ed/Ed，max關系式：

式中：λmin為混合土的基本阻尼比，與試樣的性質有關；λ0、C為擬合參數，與試樣的性質有關，決定阻尼比曲線的形狀特性.

不同圍壓下混合土的λ-εd曲線見圖6.由圖6可見，圍壓對純粉土及混合土λ的影響展示出一致的規律性，隨著圍壓的增大，λ隨著εd上升的速率減緩，即在相同的εd水平下，圍壓越大，λ越小.

圖6 不同圍壓下混合土的λ-εd曲線Fig.6 λ-εd curves of mixed soil under different confining pressures

不同橡膠顆粒摻量混合土的λ-εd曲線見圖7.由圖7可見，摻入橡膠顆粒對粉土的λ有明顯的影響：隨著橡膠顆粒摻量的增大，λ隨著εd增大而上升的速率加快，即在相同的εd水平下，橡膠顆粒摻量越大，λ也越大.這是因為橡膠顆粒能夠通過其本身的變形耗散所承受的荷載，具備良好的阻尼特性，因此摻入橡膠顆粒后，混合土的阻尼比增大，并且隨著橡膠顆粒摻量的增加，混合土的阻尼比不斷增大；加入橡膠顆粒后，減小了混合土的比表面積，會減小由于顆粒相互作用而引發的耗能阻尼，提高其耗能特性，這也證明了利用橡膠混合土作為減振耗能的巖土填料是可行的.

圖7 不同橡膠顆粒摻量混合土的λ-εd的曲線Fig.7 λ-εd curves of mixed soil with differentφRP

4 結論

（1）橡膠-粉土輕質混合土的最大干密度和最優含水率隨著橡膠顆粒摻量的增大而減小.當橡膠顆粒的體積分數從0%增大到30%時，混合土的干密度降低了5.85%，表現出一定的輕質效果；最優含水率降低了23.5%.

（2）混合土的最大動彈性模量隨著圍壓的增大而增大，隨著橡膠顆粒摻量的增大而降低；基于Davidenkov模型建立的混合土動彈性模量比-應變本構方程表明，圍壓越大、橡膠顆粒摻量越低，混合土的動彈性模量比隨應變衰減越緩慢.

（3）建立的混合土阻尼比-應變本構方程表明，當圍壓相同時，橡膠顆粒摻量越高，混合土的阻尼比越大.這說明在粉土中加入橡膠顆粒，能顯著增大其阻尼比，提高耗能特性，利用橡膠改良粉土作為減振耗能的巖土填料是可行的.

（4）由于動三軸試驗本身測試精度的局限性，本文試驗數據主要集中在10-4＜εd＜10-2這一區間，需要進一步研究εd＜10-4時混合土的動變形特性.本文的研究初步得到了將橡膠顆粒部分代替粉土的混合土擊實及動變形特性，為今后橡膠-粉土混合土的研究及工程應用提供了有益的數據和參考.但是實際工程比室內試驗要復雜多樣，需要對混合土的利用開展持續深入研究，進一步驗證混合土在工程實踐中應用的合理性和有效性.