34加筋橡膠砂和非加筋橡膠砂靜力特性對(duì)比試驗(yàn)_劉方成

1、第 28 卷 第 2 期2014 年 3 月 湖 南 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Journal of Hunan University of TechnologyVol.28 No.2 Mar. 2014doi:10.3969/j.issn.1673-9833.2014.02.006加筋橡膠砂和非加筋橡膠砂靜力特性對(duì)比試驗(yàn) 劉方成，楊 輝，甘 霖，張永富 （湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007） 摘 要：針對(duì)土工格室加筋后的橡膠砂研究的缺乏，對(duì)此加筋橡膠砂進(jìn)行了直剪和固結(jié)變形對(duì)比試驗(yàn)研究。分別針對(duì)橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20% 和 30% 的 2種配合比的橡膠砂進(jìn)行了研究，得到了剪應(yīng)

2、力-剪應(yīng)變曲線、豎向位移 - 剪切位移曲線以及固結(jié)壓力- 沉降曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：土工格室加筋使得橡膠砂的強(qiáng)度有較大提高，且對(duì)粘聚力的提高明顯，對(duì)摩擦角的影響較??；土工格室加筋能顯著降低橡膠砂的剪脹和剪縮變形，能顯著減少橡膠砂的豎向壓縮變形；橡膠砂的橡膠顆粒含量越大，加筋效應(yīng)越明顯。 關(guān)鍵詞：橡膠砂；土工格室加筋；抗剪強(qiáng)度；剪脹 文章編號(hào)：1673-9833(2014)02-0028-05中圖分類號(hào)：TU443文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AComparative Study on Static Characteristics of the Reinforced andNon-Reinforced Rubber

3、-Sand MixturesLiu Fangcheng，Yang Hui，Gan Lin，Zhang Yongfu（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）Abstract：As lack of research of geocell reinforced rubber-sand mixture (RSM), the direct shear and consolidation deformation experiments are conducted on th

4、e reinforced RSM. The reinforced RSMs with rubber mass content of 20% and 30% respectively are studied, and the shear stress-shear strain curve, the vertical displacement-shear displacement curve and the consolidation pressure-settlement curve are obtained. The result indicates that: the strength of

5、 RSM is greatly enhanced by the reinforcement of geocell, specifically the cohesive factor is significantly improved and the friction angle is slightly affected. After the reinforcement by geocell, the shear contraction and dilatancy of RSM decrease significantly, as well as the vertical deformation

6、 under consolidation reduces obviously. The effect of reinforcement by geocell increases with the mass content of rubber in RSM.Keywords：rubber sand mixture (RSM); geocell reinforced; shear strength; dilatation0引言變形，并且能減少地震作用下對(duì)擋土墻的作用力。 S. M. Marandi 等人3發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒與砂的混合物 （rubber-sand mixture，RSM）用于地震區(qū)擋土墻后

7、的輕質(zhì)填料，可以很好地減少擋土墻震后位移。歲小溪4進(jìn)行了橡膠砂墊層的隔振試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了橡 膠砂墊層能夠起到很好的隔震效果，并且根據(jù)隔震 近年來，隨著廢舊輪胎的增多，由廢舊輪胎破碎而成的橡膠顆粒在工程中的應(yīng)用逐漸廣泛。G. D. Trevor 等人1、S. Youwai 等人2對(duì)橡膠砂作為擋土墻的填充材料做了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)其能降低殘余 收稿日期 ：2013-11-29作者簡(jiǎn)介：劉方成（1978-），男，湖南衡陽(yáng)人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事新型巖土隔震系統(tǒng)方面研究， E- mail：45521110129第 2 期劉方成，等加筋橡膠砂和非加筋橡膠砂靜力特性對(duì)比試驗(yàn) 效果

8、和經(jīng)濟(jì)效益綜合分析，建議采用體積配合比為35% 的橡膠砂。已有研究表明，橡膠砂作為一種廉價(jià)、輕質(zhì)、具高阻尼特性的填料，具有優(yōu)良的工程應(yīng)用價(jià)值，因此對(duì)其靜動(dòng)力特性展開研究具有重要意義。 土工格室是一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性加筋材料， 在地基處理中應(yīng)用廣泛。本文提出，在展開的土工格室網(wǎng)格中填入橡膠砂，形成具有一定厚度的加筋復(fù)合墊層。這種由具有良好阻尼特性的橡膠砂組成的墊層有望用于結(jié)構(gòu)基底隔振或動(dòng)力基礎(chǔ)、高速鐵路路基的隔振減震，有關(guān)其靜動(dòng)力特性值得深入研究。本文針對(duì)土工格室加筋前后橡膠砂的強(qiáng)度及靜 力變形特性進(jìn)行研究，以期為相關(guān)應(yīng)用提供參考。 寸的土工格室來模擬其對(duì)土體的加筋效應(yīng)。具體操作如下：將原土工

9、格室片材裁剪成小條帶，用強(qiáng)力膠水連接成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，片材厚度為 1 mm，格室間距為20 mm20 mm，高度為20 mm，直徑為70 mm， 如圖 2 所示。 1 試驗(yàn)介紹1.1 試樣制備 試驗(yàn)所用橡膠顆粒從專業(yè)分解廢舊輪胎的廠商購(gòu)得，經(jīng)顆粒分析得其粒徑范圍主要為 1.53.0 mm， 圖2試驗(yàn)用小尺寸土工格室 Fig.2 The small size geocell used in tests試驗(yàn)方法 本文對(duì)加筋與無加筋橡膠砂靜力特性的研究主 1.2平均粒徑 D=2.6 mm，顆粒重度 G =1.289。試驗(yàn)50, rubberr要通過固結(jié)壓縮試驗(yàn)和常規(guī)直剪試驗(yàn)進(jìn)行。固結(jié)儀為用砂為普通建筑

10、用河砂，粒徑范圍為 04 mm，平均 南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG-1B 型三聯(lián)中壓固結(jié)儀，粒徑 D=0.85 mm，顆粒重度為 G =2.653。橡膠顆50, sands直剪儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的 ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀器。 在試驗(yàn)裝樣時(shí)，對(duì)不同配合比的橡膠砂按統(tǒng)一的相對(duì)密度 Dr 計(jì)算單個(gè)試樣的質(zhì)量，并用分層擊實(shí)法擊實(shí)，確保各試樣間試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。試驗(yàn)控制密度可由相對(duì)密度的公式確定。由 粒和砂的顆粒級(jí)配均如圖 1 所示。 ，（1）可得控制密度 。（2）圖1橡膠顆粒和砂的級(jí)配曲線 式（1）（2）中：D 為相對(duì)密度，試驗(yàn)中取0.65； ，rdmaxFig. 1 Grading curve

11、s of granulated rubber and sand將風(fēng)干后的橡膠顆粒和烘干后的砂按質(zhì)量比進(jìn)行混合，攪拌均勻制成橡膠砂。不同配合比下的物理特性參數(shù)如表 1 所示。 表1 不同配合比橡膠砂的最大與最小干密度 分別為不同配合比橡膠砂的最大、最小干密度， dmin如表 1 所示； 為裝樣控制密度。 d各個(gè)試樣的裝樣質(zhì)量為 m = V 。 （3）d式中 V 為試驗(yàn)土盒的凈體積。 Table1 Thedmax anddmin of rubber soil mixturewith固結(jié)壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)均按GB/T 501231999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)5中的規(guī)定進(jìn)行。固結(jié)壓縮試驗(yàn)中的壓力等級(jí)分8級(jí)荷

12、載（12.5, 25.0, 50.0, 100.0, 200.0,300.0, 400.0, 800.0 kPa），每級(jí)荷載間隔24 h 施加。直 剪試驗(yàn)中，按設(shè)定的豎向固結(jié)壓力固結(jié) 30 min 后再進(jìn)行剪切，剪切速率為0.8 mm/min。 1.3 試驗(yàn)工況 試驗(yàn)主要考察橡膠砂在有無加筋、不同配合比、 g/cm3different rubber contents配合比 /%干密度 01020304050100最大2.060最小1.4801.7531.2051.5101.0401.4200.9151.2060.8771.0760.7640.7160.487工程中用作加筋的土工格室網(wǎng)格尺寸較大

13、（通常高度為200300 mm，網(wǎng)格焊點(diǎn)間距300400 mm），在 室內(nèi)試驗(yàn)由于受試樣尺寸的限制，本文采用縮小尺 30湖 南 工 業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào)2014 年不同豎向固結(jié)壓力對(duì)橡膠砂強(qiáng)度及變形特性的影響。文獻(xiàn)4建議橡膠砂體積配合比為 35% 時(shí)隔震效果較好，考慮到經(jīng)濟(jì)原因，因此其常用的質(zhì)量配合比應(yīng)該在 20% 30% 左右，故試驗(yàn)選取其質(zhì)量配合比為20%, 30% 兩種工況。豎向固結(jié)壓力則考慮從50 kPa變化到 300 kPa。試驗(yàn)考查的影響因素變化如表 2 所示， 其中任意一個(gè)因素的變化均構(gòu)成一種工況，每個(gè)工況下均進(jìn)行一組（3 個(gè)）試樣的試驗(yàn)。 表2 試驗(yàn)中考慮的影響因素及其取值 Table

14、 2 The influence factors and values in the tests圖5200 kPa - 曲 線Fig.5The - curve under 200 kPa試驗(yàn)方法 配合比 /% 豎向固結(jié)壓力 /k Pa 土工格室有無加筋 直剪試驗(yàn)20, 30固結(jié)壓縮試驗(yàn) 20, 3050, 100, 200, 300 無加筋（wj ）、加 12.5800.0筋（jj）2結(jié)果與分析 2.1應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線對(duì)比 圖 36 為 20%, 30% 加筋與無加筋橡膠砂分別在不同豎向固結(jié)壓力下的剪應(yīng)力- 剪應(yīng)變曲線。 圖6300 kPa - 曲 線Fig.6The - curve und

15、er 300 kPa由圖 36 可知：在相同的固結(jié)壓力下，加筋橡膠砂的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線明顯高于非加筋橡膠砂的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，且隨固結(jié)壓力的不同，加筋和非加筋橡膠砂的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的差異也發(fā)生變化。在固結(jié)壓力較小時(shí)，加筋橡膠砂的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線遠(yuǎn)高于 無加筋橡膠砂的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，說明此時(shí)加筋效 應(yīng)很明顯。當(dāng)固結(jié)壓力較大時(shí)，加筋橡膠砂的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線與無加筋橡膠砂的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的差異減小，兩者在小應(yīng)變段基本重合，只在很大應(yīng)變區(qū)域兩者才有較明顯區(qū)別，說明在高固結(jié)壓力下，土工格室對(duì)橡膠砂的加筋效應(yīng)減小。除此之外，從應(yīng)力應(yīng)變曲線走向來看，無加筋橡膠砂應(yīng)力- 應(yīng)變曲線在應(yīng)變較小的時(shí)候應(yīng)力

16、隨著應(yīng)變的增大而迅速增大，但隨著應(yīng)變的增大，無加筋橡膠砂的應(yīng)力增長(zhǎng)放緩，甚至有降低的趨勢(shì)，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較明顯的轉(zhuǎn)折和應(yīng)變軟化趨勢(shì)；而對(duì)于加筋橡膠砂， 其應(yīng)力值隨著應(yīng)變的增加穩(wěn)步增大，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)也向大應(yīng)變方向移動(dòng)。 由試驗(yàn)曲線可知，加筋和無加筋橡膠砂的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線均符合雙曲線型，可用式（4）所代表的方程進(jìn)行擬合6，即 圖350 kPa - 曲線Fig.3The - curve under 50 kPa圖4100 kPa - 曲線Fig.4The - curve under 100 kPa31第 2 期劉方成，等加筋橡膠砂和非加筋橡膠砂靜力特性對(duì)比試驗(yàn) 。（4）式中：G

17、0 為最大剪切模量； r 為參考剪應(yīng)變。 擬合所得 20%, 30% 無筋和加筋橡膠砂的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線參數(shù)如表 3 所示。 表3 - 關(guān)系雙曲線擬合系數(shù) Table3The - hyperbola fitting coefficient固結(jié)壓力 / k Pa工況 50100200300G0/kPaG0/kPaG0/kPaG0/kParrrr20%, wj 1 891 0.022 2 677 0.032 3 381 0.057 4 657 0.05420%, jj 2 563 0.031 3 248 0.060 3 995 0.055 4 8160.070圖8 30%配合比橡膠砂的強(qiáng)度包線F

18、ig.8 The strength envelope for RSM with30% rubber content由圖 78 可知，橡膠砂的強(qiáng)度基本符合摩爾 - 庫(kù)倫定律，剪切強(qiáng)度隨固結(jié)壓力的增大而線性增大。由試驗(yàn)結(jié)果可見，雖然橡膠砂從物理組成上來說屬于無粘性土，但由于砂顆粒之間以及砂顆粒與橡膠顆粒之間的摩擦咬合力，其強(qiáng)度曲線的截距并不等于零，這種現(xiàn)象可稱為橡膠砂的假粘聚力現(xiàn)象。據(jù)圖78 可知， 配合比為 20% 加筋橡膠砂的假粘聚力比不加筋時(shí)增加了28.19 kPa ；30%加筋橡膠砂的假粘聚力比不加筋時(shí)增加了24.44 kPa。配合比為20% 加筋橡膠砂的內(nèi)摩擦角比不加筋時(shí)增加了 3；30

19、% 加筋橡膠砂的內(nèi)摩擦角比不加筋時(shí)增加了 3。據(jù)此可知，隨著土工格室的加入，橡膠砂的強(qiáng)度曲線有明顯提高， 并且主要是使得其假粘聚力值增大，而對(duì)內(nèi)摩擦角 的影響較小。 2.3剪切變形特性 圖 910 分別為 20%, 30% 配合比下加筋與非加筋橡膠砂在各個(gè)豎向固結(jié)壓力下的豎向位移- 剪切位移曲線。豎向位移以壓縮為正，膨脹為負(fù)。由于試驗(yàn)過程中試樣無徑向變形，因此豎向位移變化與試樣的體積變化在定性規(guī)律上是一致的。 由圖 910 可見，在豎向應(yīng)力較小時(shí)，加筋橡膠砂與非加筋橡膠砂試樣先會(huì)有較小程度的壓縮，然后迅速轉(zhuǎn)為膨脹，且以膨脹為主，但相同配合比下的加筋橡膠砂的剪脹遠(yuǎn)小于非加筋橡膠砂的剪脹。在豎向應(yīng)

20、力較大時(shí)，非加筋橡膠砂豎向位移隨剪切位移的增加而增大，到達(dá)某一個(gè)值以后，又會(huì)隨著剪切位移的增大而降低，說明豎向變形在剪切過程中不穩(wěn)定； 加筋橡膠砂豎向位移首先隨剪切位移的增加而增大， 到達(dá)某一個(gè)值以后穩(wěn)定不變，說明剪切過程中加筋橡膠砂首先被壓縮，然后基本穩(wěn)定在 該值不變。對(duì)比加筋與無加筋橡膠砂的豎向位移 - 剪 30%, wj878 0.046 1 191 0.073 2 360 0.067 2 983 0.08530%, jj 1 198 0.085 1 632 0.073 2 844 0.066 3 323 0.096從表 3 可以看出，加筋和無加筋橡膠土的 r 值均隨著固結(jié)壓力的增加而增

21、大；當(dāng)固結(jié)壓力較小時(shí)，同配合比加筋橡膠砂的 r 值明顯大于無加筋橡膠砂的r 值；當(dāng)固結(jié)壓力較大時(shí)，同配合比的加筋橡膠砂的 r 值與無加筋橡膠砂時(shí)較接近。G0 值隨著固結(jié)壓力的增加明顯增大，相同固結(jié)壓力、同種配合比時(shí)， 加筋橡膠砂G0 的值明顯大于無加筋橡膠砂。因此，當(dāng)豎向固結(jié)壓力較小時(shí)，加筋橡膠砂相對(duì)于非加筋橡膠砂的 G0 值提高較大，隨著固結(jié)壓力的增大，增加的數(shù)值變 小。綜上可得，隨著固結(jié)壓力的增大，土工格室加筋對(duì)橡膠砂的 G 0 值和 r 值影響均逐漸變?。浑S著橡膠顆粒含量的增加，土工格室加筋對(duì)橡膠砂 G0 值的提高更大。 2.2強(qiáng)度包線對(duì)比 取剪應(yīng)力- 剪應(yīng)變關(guān)系曲線上剪應(yīng)力峰值為抗剪強(qiáng)

22、度（無峰值時(shí)取剪應(yīng)變?yōu)?20% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度），可得不同配合比下加土工格室與不加土工格室的橡膠砂強(qiáng)度包線，如圖 78 所示。 圖7 20%配合比橡膠砂的強(qiáng)度包線Fig.7 The strength envelope for RSM with20% rubber content32湖 南 工 業(yè) 大學(xué) 學(xué) 報(bào) 2014 年切位移關(guān)系曲線可知，加筋橡膠砂的最終豎向變形 都小于非加筋橡膠土，說明土工格室能改善橡膠砂的剪脹或剪縮性質(zhì)，提高其豎向變形的穩(wěn)定性。 圖12 30% 橡膠砂的荷載- 沉降曲線 Fig. 12 The load - settlement curve of RSM w

23、ith 30% rubber content試驗(yàn)機(jī)理分析 試驗(yàn)表明，土工格室加筋對(duì)橡膠砂的強(qiáng)度特性和圖9 20% 配合比橡膠砂剪切位移- 豎向位移Fig. 9 The shear displacement - vertical displacement curve ofRSM with 20% rubber content2.5變形特性都有明顯的改善，且其加筋效應(yīng)隨著橡膠顆粒含量的增加而增大、隨著豎向固結(jié)壓力的增大而減小。分析其機(jī)理，土工格室加筋使得橡膠砂強(qiáng)度提 高，主要是由于土工格室網(wǎng)兜作用約束橡膠砂的側(cè)向變形為土體提供了附加的側(cè)向圍壓。當(dāng)豎向固結(jié)壓力較小時(shí)，這種附加側(cè)向圍壓的影響越明顯；隨

24、著豎向固結(jié)壓力的增大，附加側(cè)向圍壓的影響減小。因此， 在高豎向固結(jié)壓力下土工格室加筋對(duì)橡膠砂剪切強(qiáng)度的提高相對(duì)于低豎向固結(jié)壓力下小。土工格室對(duì)橡膠砂變形特性的改善主要得益于土工格室的分隔作用減小了顆粒的重新排列。橡膠砂混合物由不可變形的砂顆粒和可變形的橡膠顆粒組成，在外荷載作用下，橡膠粒首先發(fā)生變形，進(jìn)而引起砂粒的重新排列，從而產(chǎn)生較大的體積應(yīng)變， 格室的加入將土體分割成單獨(dú)的單元體，由于橡膠顆粒變形而引起的砂顆粒的重新排列受到限制，因此加筋后土體在豎向固結(jié)壓力和剪切應(yīng)力作用下的 體積變形（剪縮或剪脹）均減小。 圖1030% 配合比橡膠砂剪切位移- 豎向位移Fig. 10 The shear

25、displacement - vertical displacement curve of RSM with 30% rubber content2.4 壓縮變形特性對(duì)比 圖1112為配合比為20%, 30%下的加筋和非加筋橡膠砂豎向應(yīng)力 - 變形曲線。從圖中可以看出，20% 配合比的加筋橡膠砂的累積豎向變形比無加筋時(shí)減少了 0.43 mm；30% 配合比的加筋橡膠砂的累積豎向變形值比無加筋時(shí)減少了 1.71 mm。由此可知，土工格室加筋顯著降低了橡膠砂的豎向固結(jié)變形值，亦即土工格室加筋能顯著提高橡膠土的壓縮模量，且橡膠顆粒含量越大，由于加筋而引起的壓縮模量增大效應(yīng)越明顯。 3結(jié)論 1 ）土工

26、格室加筋能顯著提高橡膠砂的抗剪強(qiáng)度，且土工格室加筋主要是提高橡膠土的粘聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。 2） 土工格室加筋能顯著減小橡膠砂的豎向固結(jié)壓縮變形和在剪切過程中的體脹或體縮，改善橡膠砂的變形特性。 3） 土工格室加筋對(duì)橡膠砂強(qiáng)度和變形特性的影響隨著豎向固結(jié)壓力的增大而減小，隨著橡膠砂橡 圖11 20% 橡膠砂的荷載- 沉降曲線 Fig.11 Theload-settlementcurveofRSM with 20% rubbercontent膠顆粒含量的增大而增大。 （下轉(zhuǎn)第 51 頁(yè)）51第 2 期陳 明，等 UC3842 雙管正激式單級(jí)PFC 變換器研究 參考文獻(xiàn)：4暉，周萬傳. 基

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