轮胎碎片加筋砂土路基承载力试验

李丽华， 刘　毅， 肖衡林， 崔飞龙， 任增乐， 高　萌

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉　430068)



轮胎碎片加筋砂土路基承载力试验

李丽华， 刘毅， 肖衡林， 崔飞龙， 任增乐， 高萌

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉430068)

[摘要]废旧轮胎碎片与砂土混合使用，可以有效提高路基承载力，减小路基不均匀沉降。为了深入研究废旧轮胎碎片加筋路基工作机理，通过室内模型试验，利用数字照相无标点变形测量系统，结合地基土压力分布和P-S曲线，研究了废旧轮胎碎片加筋路基的加筋机理和破坏模式，研究结果表明，轮胎碎片加筋使土体位移场产生了显著的变化，有效的限制了路基浅部土体的水平位移，轮胎碎片含量为5%时，加筋效果较优。

[关键词]废旧轮胎碎片； 加筋路基； 沉降； 地基承载力

1概述

废旧轮胎橡胶回收已成为全球面临的重大挑战之一。由郝立新[1]研究岩质边坡构造可知，边坡可以加入土工格栅。对于路基排水黄治湘[2]做了相关研究。对于普通土工合成材料加筋路基的受力变形特性，当前已有许多学者开展模型试验进行相关研究[3]，废旧轮胎橡胶土壤混合物的相关研究很少。废旧轮胎在工程中应用十分广泛，主要包括围护结构、土堤坝，沥青路面摊铺系统，地基基础和其他应用。使用橡胶碎片随机分配到土壤中，可以提高地基承载力[4]。加筋地基是在基础下一定范围内的软弱土层中铺设轮胎橡胶碎片，这种处理方法可以改善地基土抗拉、抗剪性能，提高地基承载力，减小沉降。对于轮胎碎片-砂混合土的研究，主要集中在物理、力学、化学等几方面，S.Kumar[5]对废旧轮胎碎片用作常规加筋材料或填料进行了研究，结果显示会对混合土特性尤其是强度造成影响，砂土中加入橡胶显著降低了路基沉降，橡胶碎片具有很好的耐磨性，不易开裂，具有很高的弹性。本文开展了室内路基沉降模型试验，通过改变不同轮胎碎片含量来观测土压力值的变化情况以及路基沉降的变化。

2试验介绍

为了深入了解废旧轮胎碎片加筋路基的加筋机理，通过室内模型试验，利用数字照相无标点变形测量系统结合地基土压力分布和P-S曲线来研究橡胶碎片加筋地基的加筋机理和破坏模式。采用长为2 m，宽为0.8 m的室内物理模型试验对轮胎碎片加筋路基进行了试验研究，见图1。该模型试验采用两种初始压实度回填土(DR=0.58，0.40)，选择4种加筋轮胎碎片含量(2.5%，5%，7.5%，10%)[6]。

图1　加载系统及模型箱Figure 1　Loading system and model box

试验采用的轮胎碎片长宽厚分别为10 cm×2 cm×2 cm，轮胎碎片大小如图2所示。通过Ayse Edincliler[7]实验可知，最大碎片含量控制在加筋层砂土质量的10%，且碎片含量增加量在2.5%左右时试验效果最佳。所以选取橡胶碎片含量为：2%、5%、7.5%、10%。加筋层厚度和上层素土层厚度控制在20 cm。模型箱为长方体，尺寸(长×宽×高)为200 cm×80 cm×80 cm，试验箱一侧采用12 mm钢化玻璃板密封，以便观察和监测模型变形。加载钢板面积覆盖路基，使得加载时荷载分布较为均匀，加载板尺寸(长×宽×厚)80 cm×30 cm×3 cm。

图2　轮胎碎片Figure 2　Tyre pieces

2.1试验材料、仪器及方法

试验过程中回填土的压实度以实际击实情况进行控制，以小型夯实锤进行击实，控制落距并保持相同，每铺设100 mm进行击实，保证单位面积的击实功相同。模型的密实度由模型试验开始前进行测量，测量密实度方法为在模型不同位置随机抽取3个样本，取其平均值分别计算得到2种初始相对密度分别为0.58和0.40。

表1 砂土基本物理参数Table1 Sandysoilbasicphysicalparameters干密度/(g·cm-3)孔隙比最大最小最大最小不均匀系数曲率系数1.891.660.610.417.101.33

液压系统竖向压力由自行研制的加载系统施加，加载系统公称压力100 kN，液压最大工作压力是25 MPa，配有16 MPa压力表，配备相应的压力传感器进行压力监测。本次试验的传感器元件为江苏海岩工程材料仪器有限公司所生产的TXR-2030型微型土压力盒。

2.2监测参数及方法

标准砂采用落雨法(落距10 cm)分层装入模型箱，装砂到指定的深度后再分层装入模型箱并采用分层压实的方法压实砂土。

试验过程总监测的参数有： ①路基顶部竖向压力值由加载系统设定的加载值得到；通过在路基内布置小型的土压力盒测定路基不同部位压力值； ②通过在模型箱钢化玻璃一侧埋设位移监测点并定时量测点的位移，测得路基不同深度位移值。监测系统布置见图3。

图3　监测布置立面图Figure 3　Monitoring arrangement elevation

2.3试验终止条件

根据路基的破坏模式，若加载过程中加载装置无法继续加载，可认为路基模型已经破坏，即终止试验。同时，也可以根据破坏时路基变形迹象，破坏路基可能出现以下变形迹象： ①在荷载作用下，路基在基础边缘以下开始发生剪切破坏，随着荷载的继续增大，路基变形增大，剪切破坏区域继续扩大，基础两侧土体有部分隆起，但剪切破坏区滑动面发展到地面，基础没有明显的倾斜和倒塌。基础由于产生过大的沉降而丧失继续承载能力； ②本级荷载作用下产生的沉降量突然增大，荷载-沉降曲线出现明显陡降[8]。

3试验结果

3.1加筋含量对应力场演化的影响

（2）内部污染和外部污染会导致淬火液的冷却性能发生较大的改变，因此应及时对淬火液进行检测、污染物清除，防止工件变形甚至开裂。

为研究不同碎片含量对路基应力演化场和沉降的影响，所有工况如表2所示。

表2 试验工况Table2 Testconditions工况碎片含量/%加筋层厚度/cm素土层厚度/cmA12A25A37.5A410A502020

路基模型在荷载作用下的附加应力场演化是路基应力变化的体现，试验过程中对路基不同时刻在不同荷载值作用下的应力值进行监测，土压力盒在路基模型中的分布如图3所示。由于每种工况下有部分土压力盒的数据无法测得，选取部分数据完整的土压力盒进行分析。图4为加筋前后加载过程中各种工况下路基内的竖向附加应力演化过程。

路基模型在荷载作用下的附加应力场演化是路基应力变化的体现，试验过程中对路基不同时刻在不同荷载值作用下的应力值进行监测，土压力盒在路基模型中的分布如图3所示。由于每种工况下有部分土压力盒的数据无法测得，选取部分数据完整的土压力盒进行分析。图4为加筋前后加载过程中各种工况下路基内的竖向附加应力演化过程。

由图4中可知：路基模型在达到破坏应力时，其中应力值下降明显的压力盒为T1，T2，T3，应力值分别降低43%，32%，20%。此曲线反映了土压力盒在整个试验过程中的变化。路基模型破坏时，加筋前后监测点中应力值的变化，表明加筋路基模型压力盒检测范围内没有出现明显的塑性区，所以压力值没有出现陡降而未加筋的路基出现较为明显的的塑形流动。

轮胎碎片与填充在轮胎碎片中的砂土组成的单元体，在路基模型中对砂土颗粒间应力传递产生较大的影响，使得砂土承担的竖向附加应力明显降低。

3.2轮胎碎片加筋对路基沉降的影响

分析路基沉降变形规律中，以路基顶部沉降监测值为分析数据，为减少误差取左右对称位置沉降数值的平均值。

针对有无轮胎碎片的情况进行了对比计算，得出加筋前后路基模型顶处的竖向沉降关系如图5、图6所示，图5(a)、图6(a)为远离路基对称轴一侧的竖向沉降，图5(b)、图6(b)为中轴线一侧的沉降值。图5(a)沉降曲线显示，当荷载值较大时，远离中轴线一侧的沉降值趋于稳定，由图5、图6可知：各种加筋工况下加筋碎片对减小沉降量作用十分明显，且随着荷载的增加，加筋碎片改善沉降效果更加明显。

图4　应力曲线Figure 4　The stress curve

通过对靠近路基对称轴一侧各工况较未加筋时沉降减少统计值。对比加筋前后各工况的竖向沉降发现，碎片对减小沉降量作用十分明显，且荷载越大加筋效果越显著，在荷载值达到4 MPa时，路基中线轴附近出现明显的剪切裂缝，此时路基发生破坏，从图5、图6中可以看到：未加筋路基沉降明显大于加筋路基且最大沉降值已达60 mm。加筋效果最佳时最大沉降仅有25 mm。这与S.N.Moghaddas Tafreshi[9]的研究成果一致。加筋轮胎碎片对路基沉降的影响主要由两个方面的因素。一方面，由3.1节分析结果可知，砂土路基采用轮胎碎片加筋后，附加应力场发生改变，加筋砂土竖向附加应力明显降低；另一方面，由实验可知，路基中分布着橡胶碎片，由于碎片对路基加筋作用，改善填土路基的支承刚度，降低路基内的垂直应力，有效缓解路基沉降的非均匀性。

图5　初始相对密度0.58砂土路基沉降曲线Figure 5　The initial relative density 0.58 sand subgrade settlement curve

图6　初始相对密度0.40砂土路基沉降曲线Figure 6　The initial relative density 0.40 sand subgrade settlement curve

同时，路基顶面和路基结构层表面的水平拉应力和剪应力有较大幅度减少，从而降低了路基顶面和路面结构拉裂或剪切的可能性。

由图5、图6可以得出：在工况2情况下沉降量最小，即在橡胶含量为5%的情况下，路基基础性能得到了改进。碎片含量比例在5%时加筋效果是最好的，随着碎片含量的增加，路基沉降反而增大。这与Bosscher PJ[10]的实验结论相似。由图5、图6可以得出，当继续增加橡胶含量时到达7.5%时，路基沉降量反而增大。在所有工况下，随着深度的增加，竖向附加应力逐渐变小，如土压力盒T3、 T2、T1均位于路基中轴线上。

橡胶是通过填充物的相互作用来构成具有强大侧向和大刚度的柔性结构层，其相互作用主要表现在以下方面[11]：由路基模型中的附加应力场分布可知，越靠近加载板竖向附加应力越大，由此可知，加载板附近的回填土产生的沉降较远离加载板的回填土的大。当路基用轮胎碎片加筋后，由于加筋碎片单元体刚度较回填土大，故能有效减小路基沉降量。在路基中填充橡胶碎片，能构成较大刚度的柔性结构层，有效的减少地基附加应力而引起的固结，达到消除路基不均匀沉降的目的。

3.3轮胎碎片加筋对路基破坏模式的影响

试验过程中可明显的观察到路基顶面的破坏形态，由于路基中轴处侧向位移最为明显，为研究轮胎碎片加筋对于路基破坏模式的影响，对不同位置的路基位移进行监测，并观察不同深度的位移曲线。

图7为不同轮胎碎片含量下路基的破坏形态，在上部重复荷载作用下加载板两侧出现纵向裂缝，裂缝随着加载强度增大越来越宽，未加筋工况A5裂缝比其它工况宽。其结果是基础向比较薄弱一侧倾倒，地基整体失去稳定性。

工况A1工况A2

工况A3工况A4

工况A5

图7中红线为各种工况下破坏时裂缝的宽度，可以看出不同碎片含量时破坏路基的裂缝明显不同，当路基处于未加筋情况下，破坏裂缝明显比加筋工况下宽，表现为整体剪切破坏，且随着加筋含量的增加，裂缝整体表现为先变窄后变宽，当碎片含量在一个适宜含量时，对限制砂土位移达到最佳效果。表明路基承载力随着橡胶碎片含量的增加先增强后减小，这与国内外研究结论保持一致[12-14]。

4结论

① 在加筋路基内部，加筋区域没有出现明显的塑形流动，所以路基内各测点的路基没有出现大幅度沉降，而未加筋的路基中，路基出现明显的塑形流动。出现土压力盒数值出现陡降的情况。

② 轮胎碎片加筋使土体位移场产生了显著的变化。软土地基通过轮胎碎片加筋有效的限制了地基浅部土体的水平位移。

③ 碎片最佳加筋含量为5%。橡胶碎片加筋增加了滑动体的抗滑力，使路基的稳定性得到提高。

[参考文献]

[1]郝立新.岩质边坡坡体结构分类及其工程意义[J].公路工程，2014，39(2)：19-24.

[2]黄治湘.高速公路大修工程路面排水结构优化设计与施工[J].公路工程，2014，39(4)：149-152.

[3]Lee K M，Manjunath V R.Experimental and numerical studies of geosynthetic-reinforced sand slops loaded with a footing[J].Canadian Geotechnical Journal，2000，37(4)：828-842.

[4]N.Hataf， M. M. Rahimi. Experimental investigationof bearing capacity of sand reinforced with randomly distributed tire shreds[J].Construction and Building Meterials 20(2006)910-916.

[5]S. Kummar. Centrifuge modeling reinforced soil slopes using tire chips.Indian Institute of technology bombay，Powai.Mumbai-400076，India.

[6]A.H，Norouzi.Bearing Capacity of a square model footing on sand reinforced with shredded tire-An experimental investigation[J].Construction and Building Meterials35(2012)547-556.

[7]Ayse Edincliler.Influence of different processing techniques on the mechanical properties of used tires in embankment construction[J].Waste Management30(2010)1073-1080.

[8]汪益敏，李庆臻，高水琴.差异沉降对土工格栅加筋路堤工作性能影响的试验研究[J].华南理工大学学报：自然科学版，2011，39(9)：68-73.

[9]S.N.MoghaddAS Tafreshi.Bearing Capacity of asquare model footing on sand reinforced with shredded tire-An experimental Investigation[J].Construction and Building Meterials35(2012)547-556.

[10]Bosscher PJ， Edil TB， Kuraoka S. Design of highway embankments using tire chips[J].Geotech Geoenviron ENG.ASCE. 1997；123(4)：295.

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[12]DennesT. Bergado. Numerical analysis of reinforced wall using rubber tire chips-sand mixtures as backfill material[J].Computers and Geotechnics31(2004)103-114.

[13]O.Khalaj.Pilot-scale load tests of a combined multilayered geocall and rubber-reinforced foundation[J].Geosynthetics International，2013，20，No.3.

[14]Ki Sang Son.Strength and deformability of waste tyre rubber-filled reinforced concrete columns[J].Construction and Building Materials 25(2011)218-226.

Tyre Pieces of Reinforced Sand Subgrade Bearing Capacity Test

LI Lihua， LIU Yi， XIAO Henglin， CUI Feilong， REN Zengle， GAO Meng

(School of Civil Engineering and Architecture， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068， China)

[Abstract]Scrap tire chips mixed with sand，can effectively improve the subgrade bearing capacity，reduce differential settlement of subgrade.In order to study fragments of scrap tires working mechanism of reinforced embankment.Through model tests，the use of digital photography without punctuation deformation measurement system.Combined with soil pressure distribution and P-S curve.Study the reinforcement mechanism of scrap tires and debris reinforced embankment failure mode.The results show，tyre pieces of reinforcement to displacement field of soil produced a significant change and effective limits the roadbed shallow soil horizontal displacement.When the tire debris content is 5%，subgrade has the best effect of reinforcement.

[Key words]scrap tire chips； reinforced embankment； settlement； the foundation bearing capacity

[收稿日期]2015-03-06

[基金项目]岩土力学与工程国家重点实验室开放基金(Z014011)；国家自然科学基金项目(51308197，51178166)；湖北省桥梁安全监控技术及装备工程技术研究中心基金(QLZX2014016)，校优秀博士基金(BSQD12055)

[作者简介]李丽华(1980-)，女，湖北孝感人，副教授，硕士生导师，主要从事地基处理、边坡加固、土工材料、模拟月壤、环境岩土等方面的研究工作。

[中图分类号]TU 411； U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0064-05