橡膠顆粒混合砂抗液化性能研究

2022-09-23 08:08:20吳世興

城市道橋與防洪 2022年9期

吳世興

（甘肅省白銀公路事業發展中心，甘肅白銀 730900）

0 引言

隨著工業經濟的發展，汽車等交通工具越來越多，因此產生的廢舊輪胎也隨之不斷增多，輪胎為橡膠材料制成，其不能為自然所降解，焚燒處理又會嚴重污染空氣環境[1，2]，因此，如果可以將廢棄輪胎再利用將具有重要的工程意義。

近些年，眾多學者將廢舊輪胎粉碎制成橡膠顆粒或橡膠粉，然后摻入路基填料中進行改良研究，取得了較多成果。顏椿釗[3]、李麗華等[4]均通過將橡膠粉摻入黏土中制成混合試樣，探究了其抗剪強度變化，結果表明：混合試樣的抗剪強度得到了顯著的增強，且強度大小與橡膠粉的摻量有關，當摻量在較小范圍變化時，混合試樣抗剪強度隨摻量的增大而增大，而當摻量增加到一定值后，隨摻量的增大，混合試樣抗剪強度反而下降。有研究表明[5]，橡膠顆粒摻入砂土制成混合試樣后，影響其抗剪強度的主要因素是橡膠顆粒摻量、形狀及尺寸大小。朱偉[6]通過將水泥、橡膠顆粒及砂土按照不同配比混合制成水泥橡膠砂試樣，分別研究了其抗壓及抗剪強度等力學特性，結果表明：橡膠顆粒的摻加使得混合試樣抗壓及抗剪強度提升明顯。

綜上所述，國內外學者針對橡膠顆粒摻入路基填料制成混合料的改良問題進行大量的探究試驗，但關于橡膠顆粒摻入砂土中制成混合砂材料的抗液化性能研究較少，因此，本文主要通過改變橡膠顆粒的摻量、粒徑及混合砂的圍壓、固結比等，探究其動孔隙水壓力隨動荷載振次的變化規律，從而評價其抗液化性能。

1 試驗概況

1.1 試驗儀器

如圖1所示，試驗儀器采用DYNTTS型號動三軸儀，其由控制系統及數據采集系統組成，包括軸力及圍壓控制器、壓力室、反壓控制器、軸力及孔壓傳感器、信號接收器等。

圖1 動三軸儀對混合砂試樣施壓過程

1.2 試驗方案

本文試驗采用機械粉碎設備，并通過篩分試驗將橡膠顆粒平均粒徑取為0.75 mm、1.5 mm及2.5 mm三種，分別摻入砂土中制成混合砂試樣，采用動三軸儀施加正弦荷載，荷載幅值為30 kPa，頻率為1 Hz，荷載振次為300次，具體試驗變量見表1。

表1 試驗相關變量

2 試驗結果分析

2.1 摻量、粒徑對混合砂試樣抗液化性能影響

為了探究當砂土中摻入橡膠顆粒制成混合砂時，顆粒摻量、粒徑變化對混合砂的動孔隙水壓力的影響規律，采用動三軸儀進行研究，動荷載施加為30 kPa，得出不同橡膠顆粒摻量及粒徑對應的動孔壓隨動荷載振次變化規律曲線圖，見圖2。

圖2 不同摻量及粒徑對應的動孔壓隨振次變化規律曲線圖

由圖2可知，不同橡膠顆粒摻量、粒徑的混合砂動孔壓均隨著動荷載振次的增大而增大，且發現增長規律分為三個階段，分別為增長迅速階段、穩定增長階段及平穩階段。

增長迅速階段：由圖2發現，當動荷載振次在0~25振次變化時，動孔壓隨振次變化增長迅速，變化曲線接近于直線，增長速率較快，這是由于未施加動荷載時，混合砂試樣孔隙較大，因此當施加動荷載時，孔隙急劇減小，孔隙比也隨之急劇減小，此時，動孔壓增長迅速。

穩定增長階段：混合砂試樣經歷增長迅速階段后，孔隙大部分被壓縮，此時隨動荷載振次的增大，混合試樣孔隙減小速率減慢，動孔壓隨振次變化曲線呈緩慢增長趨勢。

平穩階段：混合砂試樣在動荷載振次較大時，孔隙基本處于完全壓密狀態，此時，動荷載振次增加，動孔壓變化很小。

如式（1），表示混合砂試樣的抗液化性能，以提高率R進行評價：

式中：R為提高率；Ud為動孔壓；σ3為有效圍壓。

通過式（1）計算出不同橡膠顆粒摻量、粒徑對應混合砂試樣的抗液化性能提高率，見表2。

表2 橡膠顆粒摻量、粒徑對混合砂抗液化性能影響

由圖2試驗結果可知：不同粒徑橡膠顆粒的摻入可明顯提高混合砂的抗液化能力，且橡膠顆粒粒徑越大，混合砂試樣的抗液化性能越好，同時，由表2，隨橡膠顆粒摻入量的增加，相同粒徑的混合砂試樣的抗液化提高率也隨之不斷增大，且當顆粒粒徑Dr為2.5 mm，摻入量Rf為30%時，提高率增大顯著，可達52.6%。這是由于，當摻入橡膠顆粒粒徑較大時，會使得混合砂的孔隙增大，在動荷載施加過程中，動孔壓很容易被消散，從而在很大程度提高混合砂的抗液化能力。

由圖2可知，當摻入橡膠顆粒粒徑一定時，隨摻量的增加，動孔壓不斷減小，當摻入量達到30%時，動孔壓隨振次的變化幅度很小，保持在30~50 kPa之間平穩增長，趨于穩定，由此可知，橡膠顆粒的摻入量對混合砂的抗液化能力影響較大，且摻入量越大，混合砂抗液化性能越好，當摻入量增長到一定程度后，混合砂試樣橡膠顆粒成為主要受力骨架，此時，混合砂抗液化能力較強。

2.2 圍壓對混合砂試樣抗液化性能的影響

為了探究圍壓大小對混合砂試樣抗液化性能的影響，施加三種圍壓，分別為100 kPa、150 kPa和200 kPa，得出不同圍壓下混合砂試樣動孔壓隨振次變化規律曲線，結果見圖3。

圖3 不同圍壓下混合砂試樣動孔壓隨振次變化規律曲線圖

由圖3可知，隨動荷載振次的不斷增大，不同圍壓下的混合砂動孔壓也隨之不斷增大，且增長速率不斷減小，最后趨于平穩，同時發現，施加圍壓大小對混合砂動孔壓影響較大，且圍壓越大，混合砂動孔壓越小，抗液化性能越好。這是由于，當施加圍壓較大時，會使得混合砂試樣的孔隙被最大程度壓密，孔隙減小，因此抗液化能力明顯提高。

2.3 固結應力比對混合砂試樣抗液化性能的影響

為了探究固結應力比對混合砂試樣抗液化性能的影響，采用動三軸試驗進行試驗分析，試驗中固結比分別控制為K=1.0，K=1.5，K=2.0。當反壓傳感器變化值不大于5 mm3時視為固結完全，此時對不同固結比的混合砂試樣施加動荷載，直至試樣破壞，記錄相關值，得出不同固結比下混合砂試樣動孔壓隨振次變化規律曲線，結果見圖4。

圖4 不同固結比下混合砂試樣動孔壓隨振次變化規律曲線圖

由圖4可知，隨混合砂試樣固結比的增大，相應的動孔壓不斷減小，且當固結比大于1.0時，動孔壓減小明顯，當動荷載振次達到300時，固結比為1.0時對應的混合砂試樣達到了液化狀態，而固結比為1.5、2.0時對應混合砂試樣的動孔壓僅為46 kPa、25 kPa，抗液化性能較強。由此可知，混合砂試樣的固結比越大，其抗液化性能越好，且當固結比大于1.0時，抗液化性能提高顯著。這是由于，當固結比大于1.0時，混合砂試樣在固結過程中承受的圍壓值較大，使得試樣更加緊密，且存在偏應力使得混合砂試樣被施加剪應力，在動荷載作用下，擾動試樣排列結構，使得其更加緊密，從而抗液化性能在很大程度得到提高。