橡膠顆粒摻量對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響

董 超,李大勇，張 磊，李珊珊

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

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橡膠顆粒摻量對(duì)砂土抗剪強(qiáng)度的影響

董 超1,2,李大勇1,2，張 磊2，李珊珊2

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

將廢舊輪胎加工為橡膠顆粒，并與砂土混合成為混合土，使之更適合作為路堤、擋墻、橋臺(tái)等填筑工程的填料。通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了不同廢舊輪胎橡膠顆粒摻量(如10%、20%、30%、40% 及50%)對(duì)細(xì)海砂以及中粗砂抗剪強(qiáng)度的影響，探討了剪切位移與剪應(yīng)力的關(guān)系，分析并比較細(xì)砂、中粗砂改良后的抗剪強(qiáng)度變化特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)橡膠顆粒摻量小于20%時(shí)，細(xì)海砂-橡膠顆?；旌贤梁椭写稚?橡膠顆?；旌贤恋目辜魪?qiáng)度隨廢舊輪胎橡膠顆粒摻量增加而增大；反之，細(xì)海砂-橡膠顆?；旌贤梁椭写稚?橡膠顆?；旌贤恋目辜魪?qiáng)度隨著廢舊輪胎橡膠顆粒摻量的增加而減小。

直剪試驗(yàn)；廢舊輪胎橡膠顆粒；中粗砂；細(xì)砂；抗剪強(qiáng)度

橡膠顆粒(直徑小于12 mm)、條狀(尺寸介于12～50 mm)或碎片(尺寸大于50 mm)-砂混合土是一種新型土工材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、變形協(xié)調(diào)性好、減少地震液化等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此可廣泛用于路堤、碼頭、儲(chǔ)油庫(kù)等填筑工程[2]。也可以采用廢舊輪胎橡膠碎片(50～100 mm)與碎石土混合作為垃圾填埋場(chǎng)濾液的排水填料使用[3]。

國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了廢舊輪胎橡膠顆粒-砂土混合土的動(dòng)力特性試驗(yàn)以及數(shù)值模擬與計(jì)算、本構(gòu)關(guān)系分析等方面的研究[4-6]；Tatlisoz[7]、Lee等[8]對(duì)廢舊輪胎碎片-砂土混合材料的工程性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明輪胎碎片砂土的剪應(yīng)力峰值明顯提高；皺維列等[9]對(duì)廢舊橡膠顆粒膨脹土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究了改性膨脹土的物理特性、脹縮特性、強(qiáng)度特性；李朝暉等[10]對(duì)廢舊輪胎橡膠顆粒與黃土混合物的巖土工程特性進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了廢舊輪胎橡膠顆粒摻量對(duì)黃土力學(xué)性能的影響；辛凌等[11]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了不同摻量條件下廢舊輪胎顆粒對(duì)輕質(zhì)混合土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律；鄧安等[12]分別采用直剪與三軸壓縮試驗(yàn)分析了砂土類(lèi)填料中摻入廢舊輪胎顆粒后的力學(xué)性質(zhì)，探討了橡膠顆粒摻量及圍壓對(duì)混合土剪切特性的影響。

將廢舊輪胎加工成碎片狀、顆粒狀或粉狀摻入砂土、膨脹土及黃土中，可改良土工材料的工程性質(zhì)，但以往研究考察的廢舊輪胎橡膠團(tuán)粒或碎塊粒徑較粗，混合料中土料是砂土或卵石等粗顆粒，而由粒徑較小的橡膠顆粒組成的混合土的剪切特性也值得深入研究，特別是在海洋工程中，由粒徑較小的橡膠顆粒和細(xì)海砂、中粗砂組成的混合土的剪切特性具有深層的研究意義。因此，通過(guò)大量直剪試驗(yàn)，研究不同配合比及不同豎向壓力條件下細(xì)海砂、中粗砂與廢舊輪胎橡膠顆?；旌贤恋募羟刑匦浴?/p>

表1 試驗(yàn)用砂相關(guān)物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of sand

1 試驗(yàn)器材

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用ShearTrac-II型直剪儀固結(jié)剪切試驗(yàn)，該直剪儀能保證試樣剪切過(guò)程中預(yù)設(shè)的固結(jié)壓力在剪切過(guò)程中始終保持不變，與傳統(tǒng)直剪儀相比具有操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定、可靠等優(yōu)勢(shì)。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自青島地區(qū)的細(xì)海砂及中粗砂，其基本物理力學(xué)參量如表1所示。細(xì)海砂、中粗砂顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。所用橡膠顆粒為廢舊橡膠輪胎切割成形，顆粒粒徑介于0.5～1.0 mm。

圖1 砂土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curves of fine and medium-coarse sands

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試樣制備

將試驗(yàn)用砂放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干處理，并將干砂過(guò)2 mm孔徑篩，根據(jù)試驗(yàn)要求將不同摻量(10%、20%、30%、40%和50%)的廢舊輪胎橡膠顆粒與砂混合，充分?jǐn)嚢枋蛊鋼胶暇鶆?。其中，摻量為廢舊輪胎橡膠顆粒占混合土干土質(zhì)量的百分比，忽略輪胎顆粒自身的含水率，摻和比為

(1)

式中：mt—橡膠顆粒質(zhì)量；m—干砂及橡膠顆粒總質(zhì)量。

2.2 試驗(yàn)步驟

針對(duì)不同摻量條件下廢舊輪胎橡膠顆粒對(duì)細(xì)海砂及中粗砂抗剪強(qiáng)度影響的研究，進(jìn)行了108組試驗(yàn)。如圖2所示，試驗(yàn)步驟如下：

1) 剪切盒內(nèi)依次放入透水石和干濾紙，將摻合物倒入剪切盒內(nèi)，至裝樣預(yù)定高度(27.7 mm)，依次放入干濾紙、透水石和加壓上蓋，將剪切盒放置到直剪儀上。

2) 裝樣結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)需要施加豎向固結(jié)壓力(50、100、200 kPa)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，在固

圖2 試驗(yàn)加載過(guò)程Fig.2 Loading process

結(jié)過(guò)程中當(dāng)豎向位移低于0.005 mm/h時(shí)，拔去剪切盒上面的固定銷(xiāo)，通過(guò)電腦控制剪切儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)(設(shè)定剪切速度為0.8 mm/min)[13]。

3) 當(dāng)剪切位移達(dá)到10 mm處停止試驗(yàn)，每種摻量條件下的試樣至少進(jìn)行3組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果的誤差需小于3%，否則重新補(bǔ)做一組，并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 剪切位移與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

圖3為橡膠顆粒摻量分別為10%、20%、30%、40%和50%細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。由圖3可知，在研究的豎向壓力范圍內(nèi)，對(duì)于細(xì)海砂,當(dāng)摻量小于等于20%時(shí)，在較高豎向壓力條件下(200 kPa)，細(xì)海砂混合土的剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加而增大，且當(dāng)剪切位移達(dá)到6.5 mm后出現(xiàn)軟化現(xiàn)象;當(dāng)摻量大于20%時(shí)，在研究的豎向壓力范圍內(nèi)，細(xì)海砂混合土均呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象。對(duì)于中粗砂，隨著橡膠顆粒摻量的增加均呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象。

圖3 不同摻量細(xì)砂及中粗砂的剪切位移剪應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3 Shear stress versus horizontal displacement response for sand with various scrap tire crumb contents

3.2 剪切位移與豎向位移關(guān)系

圖4為橡膠顆粒摻量依次為10%、20%、30%、40%和50%，分別在50、100、200 kPa豎向壓力作用下，細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的剪切位移與豎向位移關(guān)系曲線。由圖可知，隨著豎向壓力的增大，細(xì)海砂混合土與中粗砂混合土的豎向位移均相應(yīng)增加；在相同豎向壓力和橡膠顆粒摻量條件下，中粗砂混合土的豎向位移大于細(xì)海砂混合土。對(duì)于細(xì)海砂，在50 kPa豎向壓力條件下，隨著橡膠顆粒摻量的增加，水平位移達(dá)到4 mm以后，均出現(xiàn)剪縮減弱的趨勢(shì)，當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時(shí)，甚至出現(xiàn)了先剪縮后剪脹現(xiàn)象。對(duì)于中粗砂，在50 kPa豎向壓力條件下，當(dāng)橡膠顆粒摻量小于等于30%時(shí)，隨著水平位移的增大，明顯出現(xiàn)了剪縮減弱的趨勢(shì)；反之，均沒(méi)有發(fā)生剪縮減弱的現(xiàn)象。

圖4 不同摻量下細(xì)砂及中粗砂的水平位移—豎向位移關(guān)系曲線Fig.4 Vertical displacement versus horizontal displacement under various scrap tire crumb contents

3.3 砂土抗剪強(qiáng)度與橡膠顆粒摻量的關(guān)系

繪制抗剪強(qiáng)度與剪切位移關(guān)系曲線，取剪切位移4 mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度[13]。由圖5可知，橡膠顆粒摻量和豎向壓力會(huì)顯著影響砂土的抗剪強(qiáng)度。由圖5(a)可知，在相同豎向壓力條件下，純細(xì)海砂的抗剪強(qiáng)度小于純中粗砂的抗剪強(qiáng)度；由圖5(b)～(f)可知，當(dāng)橡膠顆粒摻量小于等于30%時(shí)，中粗砂混合土的抗剪強(qiáng)度大于細(xì)海砂混合土抗剪強(qiáng)度；橡膠顆粒摻量大于30%時(shí)，中粗砂混合土的抗剪強(qiáng)度小于細(xì)海砂混合土抗剪強(qiáng)度。由圖5分析可知，細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)出隨橡膠顆粒摻量增加先增大后減小現(xiàn)象，當(dāng)摻入20%橡膠顆粒時(shí)，細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖5 砂土抗剪強(qiáng)度與橡膠顆粒摻量關(guān)系圖Fig.5 Relation between shear stress of sand and various scrap tire crumb contents

將0～50%橡膠顆粒摻量混合土的內(nèi)摩擦角與粘聚力值匯總于表2。可以看出，橡膠顆粒的摻量對(duì)砂土內(nèi)摩擦角和粘聚力的影響較小，橡膠顆粒摻量由0增加到50%時(shí)，細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的內(nèi)摩擦角與粘聚力均呈先增大后減小的趨勢(shì)。從表2還可以看出，加入廢舊輪胎橡膠顆粒后，細(xì)海砂和中粗砂都會(huì)表現(xiàn)出一定的“黏性”，并且隨橡膠顆粒摻量的增加，與純砂相比較，均表現(xiàn)出黏性增強(qiáng)的趨勢(shì)。

表2 砂土內(nèi)摩擦角和粘聚力與廢舊輪胎橡膠顆粒含量Tab.2 Angle and cohesion under scrap tire crumb contents

圖6為廢舊輪胎橡膠顆粒摻量與細(xì)海砂和中粗砂內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線，由圖可知：混合土的內(nèi)摩擦角均隨橡膠顆粒摻量增加呈先增大后逐漸減小的發(fā)展趨勢(shì)。廢舊輪胎橡膠顆粒摻量與細(xì)海砂及中粗砂粘聚力的影響如圖7所示。由圖可知，橡膠顆粒摻量的增加導(dǎo)致細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的粘聚力均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖6 內(nèi)摩擦角-摻量關(guān)系曲線Fig.6 Internal friction angle versus contents

圖7 粘聚力-摻量關(guān)系曲線Fig.7 Cohesion versus contents

4 結(jié)論

通過(guò)細(xì)砂、中粗砂與不同摻量廢舊輪胎橡膠顆?；旌衔锏闹奔粼囼?yàn)，得出以下結(jié)論：

1) 加入廢舊輪胎橡膠顆粒后，細(xì)海砂和中粗砂都會(huì)表現(xiàn)出一定的“黏性”，并且隨橡膠顆粒摻量的增加，與純砂相比較，均表現(xiàn)出黏性增強(qiáng)的趨勢(shì)。

2) 隨著橡膠顆粒摻量的增加，細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì)，細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的內(nèi)摩擦角與粘聚力均呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)橡膠顆粒摻量為20%時(shí)，細(xì)海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3) 細(xì)小粒徑的橡膠顆粒對(duì)提高砂土抗剪強(qiáng)度的效果并不顯著，特別是對(duì)于細(xì)海砂的抗剪強(qiáng)度改良效果更不明顯。由于廢舊橡膠顆粒破碎為細(xì)小粒徑的橡膠顆粒所需成本較高，因此細(xì)小粒徑橡膠顆粒在實(shí)際工程應(yīng)用中的意義不大。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Effects of Small-sized Scrap Tire Crumb Contents on Shear Strength of Sand

DONG Chao1,2,LI Dayong1,2,ZHANG Lei2,LI Shanshan2

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

Rubber crumbs made from scrap tires were mixed with sand evenly to form the scrap tire crumb-sand mixture,which was more suitable to be used as fill for embankments,retaining walls and bridge abutment.Direct shear tests were conducted to study the effects of different scrap tire crumb contents (10%，20%，30%，40% and 50%) on the shear strength of fine sand and medium-coarse sand.The relationship between shear displacement and the corresponding shear stress was explored and the shear strength changes of the improved fine sand and medium-coarse sand were analyzed.Test results show that the shear strength of both the fine sand-scrap tire crumb mixture and medium-coarse sand-scrap tire crumb mixture increases with the increase of scrap tire crumb content when the content is less than 20%,while the shear strength of both mixtures decreases with the increase of the scrap tire crumb content when the content is more than 20%.

direct shear test; scrap tire crumbs; medium-coarse sand; fine sand; shear strength

2015-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379118)；山東科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2012KYTD104)

董 超(1989—)，男，山東肥城人，碩士研究生，主要從事海洋土力學(xué)研究. 李大勇(1971—)，男，山東泰安人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋土力學(xué)研究，本文通信作者. E-mail:ldy@sdust.edu.cn

TU411

A

1672-3767(2016)06-0056-06