大尺寸轮胎条-黄土混合物剪切特性试验研究

(西北民族大学 土木工程学院，兰州 730100)

1 研究背景

废旧轮胎派生骨料(Tire Derived Aggregates，TDA)具有质量轻、高弹性、高摩阻性、耐久性好、绝热性优良、高渗透性等优异的性能，而且对地下空间环境的影响微乎其微，被广泛应用于岩土工程回填领域。广泛分布于我国西北地区的黄土是其组成物质在沉积历史过程中形成的综合产物，是一种典型的特殊性问题土。

国内外学者为了利用废旧轮胎改良不同土的工程性质，针对废旧轮胎与土的混合物相继开展了一系列研究。Zornberg等[1]、Foose等[2]研究发现轮胎条掺量、TDA长宽比、砂基质相对密度对混合土抗剪强度具有显著的影响，混合土的应力-应变关系及体积变形特征受橡胶颗粒掺量和砂基质相对密度的影响较为明显。Xiao等[3]报道了大尺寸TDA的大规模直接剪切试验，采用自己设计和制造的大型直接剪切试验装置，比较了TDA与砂、混凝土和土工合成材料的剪切性能，得出了TDA与其他材料接触时的剪切强度主要由混合材料之间的摩擦性能决定。Mashiri等[4]研究发现轮胎碎屑对混合物的抗剪强度和膨胀性能影响较大，进一步研究了软约束和相对密度对混合物剪切强度、剪胀性、初始切线模量的影响，并试图解决与土壤低强度和高膨胀性相关的问题。孙树林等[5-6]、李丽华等[7-8]研究了轮胎颗粒含量及法向应力对混合土抗剪强度的影响，总结出混合土的抗剪强度变化特征。

针对西北地区的黄土，李朝晖等[9]利用不固结不排水三轴试验探讨橡胶颗粒掺量和围压对混合物应力-应变特性的影响，在低围压下掺量为30%可以提高混合土的抗剪强度，进行剪切机制分析找到孔隙填充状态、基质土物理状态、弹性骨架颗粒等与混合土剪切机制相关的影响因子。目前国内关于轮胎条改良不同土所做试验用到的多是橡胶颗粒，关于轮胎条尺寸特征对混合土剪切机制影响的研究相对较少。

El-Sherbiny等[10]使用了较小粒径的颗粒状橡胶和较大尺寸的橡胶块进行室内三轴试验来评定混合土的静态抗剪强度和变形特性，发现随着橡胶掺量的增加，混合土的抗剪强度和刚度降低、变形能力增强；橡胶掺量超过20%时，橡胶在混合土基体中占主导地位。李珊珊等[11]采用Shear Trac-Ⅱ型直剪仪研究了废旧轮胎橡胶颗粒-黏土混合土的力学特性，分析了橡胶颗粒掺量、橡胶颗粒粒径大小(分为大粒径、小粒径)对混合土抗剪强度的影响，发现最佳橡胶掺量为40%，且橡胶颗粒掺量低于20%时，增大橡胶颗粒粒径可使混合土的抗剪强度显著提高。目前国内外研究多是探讨 TDA掺量对混合土(尤其是砂土)力学性能的影响，其中改良粉土(黄土)的相关研究相对较少，特别是关于轮胎条形状特征(即长宽比)对轮胎条-黄土混合物(scrap tire strip-loess mixture，STR-LM)剪切过程中力学特性影响的研究数据较少。

本文旨在利用大尺寸轮胎条改良西北地区黄土力学特性，试验研究中进一步扩大了轮胎条掺量范围(0%～100%)，精确考虑轮胎条尺寸效应对土的抗剪强度特性的影响，将轮胎条尺寸精确化，为改良黄土工程特性和废旧轮胎的回收利用提供新的途径。

2 试验材料及仪器

2.1 试验材料

定义u表示轮胎条长宽比，即

(1)

式中：lts表示轮胎条的长度；wts表示轮胎条的宽度。

定义w表示轮胎条的掺量，即

(2)

式中：mts表示轮胎条质量；ms表示混合土中黄土的质量。

黄土取自西北地区甘肃省兰州市榆中县白虎墩地区，其基本物理性质如表1所示。

表1 黄土基本物理性质Table 1 Physical properties of loess

图1 废旧轮胎条Fig.1 Photo of scrap tire strip

在废品回收市场收集废旧汽车轮胎，利用切割机将废旧汽车轮胎按照既定尺寸加工，抽取轮胎条中的钢丝尼龙绳，获得纯橡胶的轮胎条，对尺寸进行人工修剪，保持轮胎条的宽度在1 cm左右，厚度在3 mm左右，轮胎条的长度为1～8 cm，制成长宽比u=1，u=2，u=4，u=8共4种轮胎条。相比于目前试验研究使用较多的橡胶颗粒、轮胎碎片尺寸明显增大，也更加精细化，在实际工程应用中简单易行、适用于大批量生产。本次试验测得轮胎条的平均含水率为1.22%。废旧轮胎条加工后长宽比及形状如图1所示。

2.2 试验仪器

本次试验采用从美国进口的Shear Trac-Ⅲ型大型直剪仪(图2)，可以全自动完成固结和剪切试验。大型直剪仪剪切盒尺寸为305 mm×305 mm，标准高度为200 mm，可以自动控制土和土工编织物的大型直剪试验。

图2 Shear Trac-Ⅲ大型直剪仪装置Fig.2 Shear Trac-Ⅲ large-scale direct shear apparatus

3 试验方法

3.1 制 样

试样为黄土与废旧轮胎条混合物，按照最优含水率进行配土，采用动力制样，将黄土与轮胎条拌匀，利用击实锤人工击打混合物，具体击实试验步骤按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[12]进行，击实锤质量为2.5 kg，控制击实锤落高在0.3 m，让击实锤做自由落体运动依次逐层击打混合物，计算得出一个样需要击打1 473锤，分成3层分别进行击实。先击打外围土层，然后逐渐向内圈推进，每一圈之间搭接击打。每次试验剪切盒质量控制在31 kg左右。

3.2 试验过程

利用Shear Trac-Ⅲ型大型直剪仪对底面尺寸为305 mm×305 mm的正方形试样进行试验，直剪试验方式为快剪，剪切速率设置为0.013 3 mm/s。

试验共计进行了8组一共32次大型直剪试验，每组试验包括4次试验，即每组试验分别在垂直压力为24，48，96，144 kPa下进行。每组的4次剪切试验采用相同的轮胎条掺量、相同的轮胎条长宽比和相同的黄土(基本参数相似度较高)制成的混合物剪切试样。

首先为了找出轮胎条的最佳掺量，分别进行轮胎条掺量为0%，10%，20%，30%，100%的5组试验(u=4),一共20次试验，根据试验数据分析得出20%为较优化的掺量；然后保持掺量为20%，分别进行长宽比u=1，u=2，u=8的3组试验。

4 试验结果与分析

4.1 轮胎条掺量对STR-LM剪切强度的影响

利用u=4的轮胎条和黄土混合，轮胎条掺量分别为0%，10%，20%，30%，100%，分别在正应力24，48，96，144 kPa共4种情况下进行大型剪切试验。选取轮胎条掺量为20%、正应力为96 kPa的一个试样剪切破坏后的剪切面，如图3。STR-LM水平应力-水平位移关系如图4所示。

图3 剪切破坏面Fig.3 Shear failure surface

图4 不同轮胎条掺量下的STR-LM水平应力- 水平位移关系Fig.4 Relation between horizontal stress versus horizontal displacement of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip

从图4可以看出：

(1)在正应力96 kPa和144 kPa作用下，水平应力-水平位移曲线存在较多的交错现象。而且在所有的试样中，仅素土和轮胎条掺量10%对应正应力24 kPa情况下，STR-LM的水平应力-水平位移曲线存在峰值，峰值之后逐渐降低并趋于平缓。

(2)除了在轮胎条掺量为0%和10%并施加24 kPa的正应力时，STR-LM试样存在着较弱的应变软化现象，其他试样均呈现出或强或弱的应变硬化现象，而且试样应变硬化程度随着正应力和轮胎条掺量的增大而增大。纯轮胎条在4种正应力作用下均呈现出近似线性的水平应力-水平位移曲线特点。这与李朝晖等[9]用橡胶颗粒与黄土混合的研究结果，即所有试样均呈现出应变硬化特点相吻合。Lee等[13]用砂粒和TDA进行三轴试验同样发现：在偏应力增大的情况下试样表现出近似线性的水平应力-水平位移行为，在轴向应变增加的情况下，材料很难达到峰值强度，这与本次试验的结果较为相似。

(3)不同STR-LM试样水平应力-水平位移曲线几乎都有交错现象，这是由于轮胎条的加入，STR-LM的剪切范围发生了变化，明显改变了黄土的力学特性。

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[12]取水平位移为15 mm处对应的水平应力为试样的峰值强度，如图5。

图5 不同轮胎条掺量下的STR-LM峰值强度Fig.5 Peak strength of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip under different normal stresses

根据图5可知，轮胎条掺量为20%时，除了施加144 kPa正应力外，其他试验条件下STR-LM的水平应力均达到峰值。在试验范围内可以认为在长宽比u=4时，20%为一个较为合适的掺量。同时，当施加较大的正应力144 kPa时，轮胎条掺量为10%，即轮胎条含量较少的情况下已经达到了强度峰值。可以认为在轮胎条尺寸远大于土体颗粒效应的情况下，是剪切面之间的轮胎条发挥了其本身的一些特性，增加了STR-LM的抗剪强度。

轮胎条掺量对STR-LM剪切强度影响线性拟合结果如图6，拟合结果具体参数见表2。

图6 轮胎条掺量对STR-LM剪切强度影响 线性拟合结果Fig.6 Fitted result of the influence of scrap tire strip dosage on the shear strength of mixture

长宽比u轮胎条掺量/%黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)R24044.7543.820.97841052.0045.110.97542070.0539.790.99743050.8030.490.85241007.9117.470.988

从表2可以看出，轮胎条掺量的增加对提高黏聚力有着显著影响，而对内摩擦角的影响较小。这可能是由于轮胎条尺寸明显远大于土体，剪切面之间的轮胎条发挥了其本身的一些特性，通过提高黏聚力增加了混合体的抗剪强度。

再根据拟合结果得出STR-LM的抗剪强度，如图7。

图7 不同轮胎条掺量下的STR-LM抗剪强度Fig.7 Shear strength of soil mixture with varying dosage of scrap tire strip under different normal stresses

根据图7可知：

(1)轮胎条掺量为10%～20%时，轮胎条对黄土的改良作用较好，轮胎条对STR-LM的剪切特性影响较大，STR-LM的抗剪强度相对于素土最多提高了22%，剪切强度参数中黏聚力的增加尤其凸显，掺量20%时的黏聚力相对于素土增加了56.5%。

(2)长宽比为4时，除了正应力144 kPa之外，所有的试样在轮胎条掺量为20%时均取得较大的抗剪强度。在正应力144 kPa情况下，掺量为10%时具有较大的抗剪强度(196.55 kPa)。这与Cetin等[14]在黏土中加入小尺寸橡胶碎片(粒径24.75 mm)得出最优掺量为20%相一致,与Fathali等[15]提出10%的最佳掺量应用于实际工程也有一定的契合度。由于试验材料尺寸有别，试样制作过程、试验方法以及试验数据处理方式等存在差异，本次试验结果与Zornberg等[1]得出的最优轮胎条含量为35%存在一定的差异性。

(3)增加轮胎条掺量到30%及其以上时，混合物的抗剪强度较素土明显降低，这是因为轮胎条具有较高的弹性，随着轮胎条掺量的增加，轮胎条在STR-LM中占据主导地位，显著影响试样的剪切性能，较高掺量的轮胎条会分离黄土颗粒，导致不同颗粒之间的联锁和摩擦作用减少。同时说明了轮胎条的加入破坏了土体颗粒之间原有的稳定空间，剪切过程中黄土颗粒必须运动翻过轮胎条或者穿过轮胎条之间的空隙，即轮胎条通过在潜在剪切面上抢占位置来提高黄土颗粒的抗剪强度。

4.2 轮胎条长宽比对STR-LM剪切强度的影响

分别利用长宽比u=1，u=2，u=4，u=8的轮胎条和黄土混合进行试验，试验所得STR-LM水平应力-水平位移关系如图8所示。轮胎条长宽比对STR-LM剪切强度影响线性拟合结果如图9，拟合结果具体参数见表3。根据拟合结果得出STR-LM的抗剪强度，如图10。

图8 不同轮胎条长宽比下的STR-LM 水平应力- 水平位移关系Fig.8 Relation between horizontal stress versus horizontal displacement of soil mixture with varying length-width ratio

图9 轮胎条长宽比对STR-LM剪切强度影响线性 拟合结果Fig.9 Fitted result of the influence of length-width ratio on the shear strength of mixture

长宽比u轮胎条掺量/%黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)R212039.4946.510.99022049.5046.870.99542070.0539.790.99782065.6035.240.726

图10 不同轮胎条长宽比下的STR-LM抗剪强度Fig.10 Shear strength of soil mixture with varying length-width ratio under different normal stresses

由图8、图9、表3以及图10可知：

掺量为20%情况下，正应力为24 kPa和48 kPa时，u=4时STR-LM取得较大的剪切强度；正应力为96 kPa和144 kPa时，u=2时STR-LM取得较大的抗剪强度；当u=8时，STR-LM的抗剪强度低于素土的抗剪强度，这说明轮胎条尺寸较大时，轮胎条本身占据了主导地位，决定着混合土的抗剪性质。

针对轮胎条尺寸的变化，有以下讨论：

(1)随着轮胎条长宽比的增大，STR-LM黏聚力和抗剪强度增加。这是由于长宽比增大，相应地增加了轮胎条表面积，加大了轮胎条与黄土颗粒之间的摩擦力度，导致土颗粒与土颗粒、土颗粒与轮胎条、轮胎条与轮胎条之间产生相对滑动更加困难，从而使得剪切面上黏聚力增大，这也说明混合物的抗剪强度和土颗粒簇与轮胎条之间的咬合作用具有较大的相关性。

(2)长宽比在1～4之间变化时，增加轮胎条尺寸能够明显提高STR-LM的抗剪强度。这是由于轮胎条具有较大的变形能力。当轮胎条长宽比较大时，剪切过程中轮胎条自身能够实现弯曲扭转变形，减少了剪切面上土颗粒在轮胎条周边区域移动的需要；而当轮胎条长宽比较小时，黄土颗粒与轮胎条具有更好的连续性，降低了黄土颗粒与轮胎条的分离程度。

(3)在剪切过程中剪切面上土颗粒移动时阻力最小的路径将决定试样最终剪切强度，可以认为剪切过程中土颗粒被迫绕着轮胎条移动，即可能存在一个临界长宽比，在剪切界面上使得混合物获得了较高的抗剪强度。

5 结 论

通过对黄土与不同掺量、不同长宽比轮胎条混合形成的混合物进行大型直剪试验，总结得出以下结论：

(1)STR-LM的抗剪强度指标与轮胎条掺量和长宽比有关，轮胎条掺量、长宽比的增加对提高黏聚力有着显著影响，而对内摩擦角的影响较小，其中内摩擦角随着掺量的增加先增大后减小，轮胎条掺量10%～20%是较为理想的掺量；黏聚力随着掺量的增加先增大后减小，在掺量为20%时达到最大值70.0 kPa。轮胎条长宽比在1～4之间变化时，STR-LM的黏聚力对轮胎条长宽比的变化较为敏感。随着长宽比的增加，STR-LM的黏聚力先增大后减小，在u=4时取得最大值70.0 kPa。内摩擦角受长宽比的影响相对较小，呈现出随着长宽比增大而减小的规律。

(2)通过优化轮胎条的尺寸可明显提高STR-LM的黏聚力以改善混合物的剪切特性，轮胎条与黄土的界面作用发挥了STR-LM的强度效应，改善了接触面上的摩擦特性，提高了黄土的抗剪强度，改良了黄土的工程性质。

(3)轮胎橡胶具有较高的回弹性和摩阻性，导致STR-LM在震动荷载与循环加载作用下体现出可恢复剪胀性，将其应用于湿陷性黄土的地基处理及回填领域具有很大的工程实践意义，值得进一步研究。