橡膠顆?；旌仙翱挂夯阅苎芯?/h1>
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(yè)發(fā)展中心，甘肅 白銀 730900）
0 引 言
隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車等交通工具越來越多，因此產(chǎn)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(huì)嚴(yán)重污染空氣環(huán)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(xué)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(jìn)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(qiáng)度變化，結(jié)果表明：混合試樣的抗剪強(qiáng)度得到了顯著的增強(qiáng)，且強(qiáng)度大小與橡膠粉的摻量有關(guān)，當(dāng)摻量在較小范圍變化時(shí)，混合試樣抗剪強(qiáng)度隨摻量的增大而增大，而當(dāng)摻量增加到一定值后，隨摻量的增大，混合試樣抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度等力學(xué)特性，結(jié)果表明：橡膠顆粒的摻加使得混合試樣抗壓及抗剪強(qiáng)度提升明顯。
綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對橡膠顆粒摻入路基填料制成混合料的改良問題進(jìn)行大量的探究試驗(yàn)，但關(guān)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(jié)比等，探究其動(dòng)孔隙水壓力隨動(dòng)荷載振次的變化規(guī)律，從而評(píng)價(jià)其抗液化性能。
1 試驗(yàn)概況
1.1 試驗(yàn)儀器
如圖1所示，試驗(yàn)儀器采用DYNTTS型號(hào)動(dòng)三軸儀，其由控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(hào)接收器等。
圖1 動(dòng)三軸儀對混合砂試樣施壓過程
1.2 試驗(yàn)方案
本文試驗(yàn)采用機(jī)械粉碎設(shè)備，并通過篩分試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)變量見表1。
表1 試驗(yàn)相關(guān)變量
2 試驗(yàn)結(jié)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(dāng)砂土中摻入橡膠顆粒制成混合砂時(shí)，顆粒摻量、粒徑變化對混合砂的動(dòng)孔隙水壓力的影響規(guī)律，采用動(dòng)三軸儀進(jìn)行研究，動(dòng)荷載施加為30 kPa，得出不同橡膠顆粒摻量及粒徑對應(yīng)的動(dòng)孔壓隨動(dòng)荷載振次變化規(guī)律曲線圖，見圖2。
圖2 不同摻量及粒徑對應(yīng)的動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖2可知，不同橡膠顆粒摻量、粒徑的混合砂動(dòng)孔壓均隨著動(dòng)荷載振次的增大而增大，且發(fā)現(xiàn)增長規(guī)律分為三個(gè)階段，分別為增長迅速階段、穩(wěn)定增長階段及平穩(wěn)階段。
增長迅速階段：由圖2發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)荷載振次在0~25振次變化時(shí)，動(dòng)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(dòng)荷載時(shí)，混合砂試樣孔隙較大，因此當(dāng)施加動(dòng)荷載時(shí)，孔隙急劇減小，孔隙比也隨之急劇減小，此時(shí)，動(dòng)孔壓增長迅速。
穩(wěn)定增長階段：混合砂試樣經(jīng)歷增長迅速階段后，孔隙大部分被壓縮，此時(shí)隨動(dòng)荷載振次的增大，混合試樣孔隙減小速率減慢，動(dòng)孔壓隨振次變化曲線呈緩慢增長趨勢。
平穩(wěn)階段：混合砂試樣在動(dòng)荷載振次較大時(shí)，孔隙基本處于完全壓密狀態(tài)，此時(shí)，動(dòng)荷載振次增加，動(dòng)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(jìn)行評(píng)價(jià)：
式中：R為提高率；Ud為動(dòng)孔壓；σ3為有效圍壓。
通過式（1）計(jì)算出不同橡膠顆粒摻量、粒徑對應(yīng)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(yàn)結(jié)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(shí)，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(dāng)顆粒粒徑Dr為2.5 mm，摻入量Rf為30%時(shí)，提高率增大顯著，可達(dá)52.6%。這是由于，當(dāng)摻入橡膠顆粒粒徑較大時(shí)，會(huì)使得混合砂的孔隙增大，在動(dòng)荷載施加過程中，動(dòng)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(dāng)摻入橡膠顆粒粒徑一定時(shí)，隨摻量的增加，動(dòng)孔壓不斷減小，當(dāng)摻入量達(dá)到30%時(shí)，動(dòng)孔壓隨振次的變化幅度很小，保持在30~50 kPa之間平穩(wěn)增長，趨于穩(wěn)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(dāng)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(shí)，混合砂抗液化能力較強(qiáng)。
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(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線，結(jié)果見圖3。
圖3 不同圍壓下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖3可知，隨動(dòng)荷載振次的不斷增大，不同圍壓下的混合砂動(dòng)孔壓也隨之不斷增大，且增長速率不斷減小，最后趨于平穩(wěn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，施加圍壓大小對混合砂動(dòng)孔壓影響較大，且圍壓越大，混合砂動(dòng)孔壓越小，抗液化性能越好。這是由于，當(dāng)施加圍壓較大時(shí)，會(huì)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(jié)應(yīng)力比對混合砂試樣抗液化性能的影響
為了探究固結(jié)應(yīng)力比對混合砂試樣抗液化性能的影響，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)中固結(jié)比分別控制為K=1.0，K=1.5，K=2.0。當(dāng)反壓傳感器變化值不大于5 mm3時(shí)視為固結(jié)完全，此時(shí)對不同固結(jié)比的混合砂試樣施加動(dòng)荷載，直至試樣破壞，記錄相關(guān)值，得出不同固結(jié)比下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線，結(jié)果見圖4。
圖4 不同固結(jié)比下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖4可知，隨混合砂試樣固結(jié)比的增大，相應(yīng)的動(dòng)孔壓不斷減小，且當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，動(dòng)孔壓減小明顯，當(dāng)動(dòng)荷載振次達(dá)到300時(shí)，固結(jié)比為1.0時(shí)對應(yīng)的混合砂試樣達(dá)到了液化狀態(tài)，而固結(jié)比為1.5、2.0時(shí)對應(yīng)混合砂試樣的動(dòng)孔壓僅為46 kPa、25 kPa，抗液化性能較強(qiáng)。由此可知，混合砂試樣的固結(jié)比越大，其抗液化性能越好，且當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，抗液化性能提高顯著。這是由于，當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，混合砂試樣在固結(jié)過程中承受的圍壓值較大，使得試樣更加緊密，且存在偏應(yīng)力使得混合砂試樣被施加剪應(yīng)力，在動(dòng)荷載作用下，擾動(dòng)試樣排列結(jié)構(gòu)，使得其更加緊密，從而抗液化性能在很大程度得到提高。
3 結(jié)語
本文通過動(dòng)三軸試驗(yàn)分別探究了不同橡膠顆粒摻量、粒徑變化及混合砂試樣圍壓、固結(jié)比變化對混合砂試樣的抗液化性能影響，得出以下結(jié)論：
（1）不同橡膠顆粒摻量、粒徑的混合砂動(dòng)孔壓均隨著動(dòng)荷載振次的增大而增大，且發(fā)現(xiàn)增長規(guī)律分為三個(gè)階段，分別為增長迅速階段、穩(wěn)定增長階段及平穩(wěn)階段。
（2）橡膠顆粒摻量及粒徑對混合砂的抗液化能力影響較大，且橡膠顆粒摻量及粒徑越大，混合砂試樣的抗液化性能越好，且當(dāng)顆粒粒徑Dr為2.5 mm，摻入量Rf為30%時(shí)，混合砂抗液化性能最優(yōu)，此時(shí)提高率增大顯著，可達(dá)52.6%。
（3）施加較大圍壓會(huì)使得混合砂試樣排列緊密，動(dòng)孔壓水壓力減小，從而使得混合試樣抗液化性能顯著增強(qiáng)。
（4）混合砂試樣的固結(jié)比越大，其抗液化性能越好，當(dāng)固結(jié)比為1.5、2.0時(shí)對應(yīng)混合砂試樣的動(dòng)孔壓僅為46 kPa、25 kPa，由此可知當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，抗液化性能提高顯著。
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吳世興
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綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對橡膠顆粒摻入路基填料制成混合料的改良問題進(jìn)行大量的探究試驗(yàn)，但關(guān)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(jié)比等，探究其動(dòng)孔隙水壓力隨動(dòng)荷載振次的變化規(guī)律，從而評(píng)價(jià)其抗液化性能。
1 試驗(yàn)概況
1.1 試驗(yàn)儀器
如圖1所示，試驗(yàn)儀器采用DYNTTS型號(hào)動(dòng)三軸儀，其由控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(hào)接收器等。
圖1 動(dòng)三軸儀對混合砂試樣施壓過程
1.2 試驗(yàn)方案
本文試驗(yàn)采用機(jī)械粉碎設(shè)備，并通過篩分試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)變量見表1。
表1 試驗(yàn)相關(guān)變量
2 試驗(yàn)結(jié)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(dāng)砂土中摻入橡膠顆粒制成混合砂時(shí)，顆粒摻量、粒徑變化對混合砂的動(dòng)孔隙水壓力的影響規(guī)律，采用動(dòng)三軸儀進(jìn)行研究，動(dòng)荷載施加為30 kPa，得出不同橡膠顆粒摻量及粒徑對應(yīng)的動(dòng)孔壓隨動(dòng)荷載振次變化規(guī)律曲線圖，見圖2。
圖2 不同摻量及粒徑對應(yīng)的動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖2可知，不同橡膠顆粒摻量、粒徑的混合砂動(dòng)孔壓均隨著動(dòng)荷載振次的增大而增大，且發(fā)現(xiàn)增長規(guī)律分為三個(gè)階段，分別為增長迅速階段、穩(wěn)定增長階段及平穩(wěn)階段。
增長迅速階段：由圖2發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)荷載振次在0~25振次變化時(shí)，動(dòng)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(dòng)荷載時(shí)，混合砂試樣孔隙較大，因此當(dāng)施加動(dòng)荷載時(shí)，孔隙急劇減小，孔隙比也隨之急劇減小，此時(shí)，動(dòng)孔壓增長迅速。
穩(wěn)定增長階段：混合砂試樣經(jīng)歷增長迅速階段后，孔隙大部分被壓縮，此時(shí)隨動(dòng)荷載振次的增大，混合試樣孔隙減小速率減慢，動(dòng)孔壓隨振次變化曲線呈緩慢增長趨勢。
平穩(wěn)階段：混合砂試樣在動(dòng)荷載振次較大時(shí)，孔隙基本處于完全壓密狀態(tài)，此時(shí)，動(dòng)荷載振次增加，動(dòng)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(jìn)行評(píng)價(jià)：
式中：R為提高率；Ud為動(dòng)孔壓；σ3為有效圍壓。
通過式（1）計(jì)算出不同橡膠顆粒摻量、粒徑對應(yīng)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(yàn)結(jié)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(shí)，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(dāng)顆粒粒徑Dr為2.5 mm，摻入量Rf為30%時(shí)，提高率增大顯著，可達(dá)52.6%。這是由于，當(dāng)摻入橡膠顆粒粒徑較大時(shí)，會(huì)使得混合砂的孔隙增大，在動(dòng)荷載施加過程中，動(dòng)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(dāng)摻入橡膠顆粒粒徑一定時(shí)，隨摻量的增加，動(dòng)孔壓不斷減小，當(dāng)摻入量達(dá)到30%時(shí)，動(dòng)孔壓隨振次的變化幅度很小，保持在30~50 kPa之間平穩(wěn)增長，趨于穩(wěn)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(dāng)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(shí)，混合砂抗液化能力較強(qiáng)。
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(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線，結(jié)果見圖3。
圖3 不同圍壓下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖3可知，隨動(dòng)荷載振次的不斷增大，不同圍壓下的混合砂動(dòng)孔壓也隨之不斷增大，且增長速率不斷減小，最后趨于平穩(wěn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，施加圍壓大小對混合砂動(dòng)孔壓影響較大，且圍壓越大，混合砂動(dòng)孔壓越小，抗液化性能越好。這是由于，當(dāng)施加圍壓較大時(shí)，會(huì)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(jié)應(yīng)力比對混合砂試樣抗液化性能的影響
為了探究固結(jié)應(yīng)力比對混合砂試樣抗液化性能的影響，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)中固結(jié)比分別控制為K=1.0，K=1.5，K=2.0。當(dāng)反壓傳感器變化值不大于5 mm3時(shí)視為固結(jié)完全，此時(shí)對不同固結(jié)比的混合砂試樣施加動(dòng)荷載，直至試樣破壞，記錄相關(guān)值，得出不同固結(jié)比下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線，結(jié)果見圖4。
圖4 不同固結(jié)比下混合砂試樣動(dòng)孔壓隨振次變化規(guī)律曲線圖
由圖4可知，隨混合砂試樣固結(jié)比的增大，相應(yīng)的動(dòng)孔壓不斷減小，且當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，動(dòng)孔壓減小明顯，當(dāng)動(dòng)荷載振次達(dá)到300時(shí)，固結(jié)比為1.0時(shí)對應(yīng)的混合砂試樣達(dá)到了液化狀態(tài)，而固結(jié)比為1.5、2.0時(shí)對應(yīng)混合砂試樣的動(dòng)孔壓僅為46 kPa、25 kPa，抗液化性能較強(qiáng)。由此可知，混合砂試樣的固結(jié)比越大，其抗液化性能越好，且當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，抗液化性能提高顯著。這是由于，當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，混合砂試樣在固結(jié)過程中承受的圍壓值較大，使得試樣更加緊密，且存在偏應(yīng)力使得混合砂試樣被施加剪應(yīng)力，在動(dòng)荷載作用下，擾動(dòng)試樣排列結(jié)構(gòu)，使得其更加緊密，從而抗液化性能在很大程度得到提高。
3 結(jié)語
本文通過動(dòng)三軸試驗(yàn)分別探究了不同橡膠顆粒摻量、粒徑變化及混合砂試樣圍壓、固結(jié)比變化對混合砂試樣的抗液化性能影響，得出以下結(jié)論：
（1）不同橡膠顆粒摻量、粒徑的混合砂動(dòng)孔壓均隨著動(dòng)荷載振次的增大而增大，且發(fā)現(xiàn)增長規(guī)律分為三個(gè)階段，分別為增長迅速階段、穩(wěn)定增長階段及平穩(wěn)階段。
（2）橡膠顆粒摻量及粒徑對混合砂的抗液化能力影響較大，且橡膠顆粒摻量及粒徑越大，混合砂試樣的抗液化性能越好，且當(dāng)顆粒粒徑Dr為2.5 mm，摻入量Rf為30%時(shí)，混合砂抗液化性能最優(yōu)，此時(shí)提高率增大顯著，可達(dá)52.6%。
（3）施加較大圍壓會(huì)使得混合砂試樣排列緊密，動(dòng)孔壓水壓力減小，從而使得混合試樣抗液化性能顯著增強(qiáng)。
（4）混合砂試樣的固結(jié)比越大，其抗液化性能越好，當(dāng)固結(jié)比為1.5、2.0時(shí)對應(yīng)混合砂試樣的動(dòng)孔壓僅為46 kPa、25 kPa，由此可知當(dāng)固結(jié)比大于1.0時(shí)，抗液化性能提高顯著。
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