基于橡胶颗粒-砂混合物新型路基填料液化特性

丁瑜，张家生,2，陈晓斌,2，王晅,2，贾羽

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙，410083；2.中南大学教育部重载铁路工程结构重点实验室，湖南长沙，410083)

随着汽车工业的迅猛发展，废弃橡胶轮胎的数量逐渐上升。2017年我国废弃橡胶轮胎的数量已经突破1 300 万t，并且以每年6%～8%的速度增长。这些大量废弃的橡胶轮胎被填埋在垃圾填埋场、焚烧或者翻新，不仅产生环境问题，更造成资源浪费。因此，寻求新型环保的废弃橡胶轮胎的再利用方法成为当前研究的热点。

橡胶轮胎因其单位质量轻、透气性好、渗透能力强和耐久性好等优点，被广泛应用于交通工程和岩土工程中，如采用纯橡胶轮胎作为挡土墙的回填材料、路基回填材料和边坡加固材料等[1-4]。然而，使用纯橡胶轮胎作为回填材料可能会发生放热反应而自燃，存在巨大安全隐患[5-6]。近年来，不少学者利用废弃橡胶轮胎和土体的混合物作为一种新型轻质回填材料，不仅改善土体的力学性质，而且扩展废弃橡胶轮胎的再利用范围[7-9]。

废弃橡胶轮胎和砂土混合物作为一种新型路基填料，其液化特性也受到很多学者的关注。一些学者认为，废弃橡胶轮胎加入砂土中能够提高砂土的抗液化能力。BAHADORI 等[10-11]研究了橡胶轮胎粉末和橡胶轮胎碎片对饱和砂土液化特性的影响，发现加入橡胶能降低饱和砂土动孔隙水压力，增加其抗液化能力；KANEKO 等[12]研究橡胶轮胎碎片-砂土混合物的振动响应特性，发现橡胶轮胎碎片降低动孔隙水压力的累积，有效防止液化。然而，另有部分学者认为，废弃橡胶轮胎降低饱和砂土的抗液化能力。PROMPUTTHANGKOON 等[13]通过动三轴试验研究橡胶轮胎碎片对饱和砂土抗液化性能的影响，发现加入橡胶碎片增加了砂土的液化潜力；李丽华等[14]研究表明废弃橡胶颗粒与砂土混合物的动强度低于纯净砂土的动强度。目前，学者们针对废弃橡胶轮胎对饱和砂土液化特性影响的研究没有一致的结论，某些结论甚至是完全相反。上述研究主要集中在废弃橡胶轮胎碎片，而对废弃橡胶轮胎颗粒与砂土混合物的液化特性研究资料较少。KYSER 等[15]的研究表明，相较于橡胶轮胎碎片，橡胶轮胎颗粒具有更高阻燃性(闪点＞200 ℃)，并且应用范围更加广泛。因此，有必要深入研究废弃橡胶轮胎颗粒与砂土混合物这种新型路基填料的液化特性。

本文采用动三轴试验模拟循环列车荷载作用，研究废弃橡胶颗粒体积分数、围压、循环应力比以及加载频率等因素对橡胶颗粒-砂混合物液化特性的影响，分析动孔隙水压力的发展模式，构建橡胶颗粒-砂混合物的动孔隙水压力模型。研究成果有助于工程技术人员提高对橡胶颗粒-砂混合物这种新型路基填料液化特性的认识，进而提出新型路基结构，更加合理利用广泛分布的废弃橡胶轮胎资源。

1 试验材料和试验方案

1.1 试验材料

1.1.1 砂土

试验采用的砂土为中国ISO标准砂，颗粒形状为次圆-圆形，主要成分为二氧化硅。图1(a)所示为试验所用的ISO标准砂，其主要的物理力学参数如表1所示。试验时为了消除尺寸效应的影响，人工剔除了粒径大于2 mm 的颗粒，级配曲线见图2。

1.1.2 橡胶颗粒

参考文献[16]，将试验采用的橡胶归类为橡胶颗粒，该橡胶颗粒是由废弃橡胶轮胎制成，轮胎中的钢丝以及纤维已经被剔除。图1(b)所示为试验中使用的橡胶颗粒，单个橡胶颗粒具有棱角，呈不规则形状。其主要的物理力学参数如表1所示。试验时为了消除尺寸效应的影响，人工剔除了粒径大于2 mm的颗粒，级配曲线见图2。

1.1.3 橡胶颗粒-砂混合物

本研究采用橡胶颗粒体积分数χ，其定义为：

图1 试验所用材料图片Fig.1 Photos of tested materials

式中：VGR为橡胶颗粒的体积；VS为砂土的体积。

本文研究橡胶颗粒-砂混合物的液化特性，因此，试验中把不同体积分数(χ=10%，20%，30%，40%)的橡胶颗粒与砂土混合成试验用土。参考文献[17]，控制试样的压实系数为0.95。橡胶颗粒-砂混合物的主要物理力学性质见表1。由表1可见：橡胶颗粒体积分数为10%时，混合物的内摩擦角不低于纯净砂土的内摩擦角，随着橡胶体积分数增加，混合物的内摩擦角减小并且均小于纯净砂土的内摩擦角。

表1 试验材料的基本物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of tested materials

图2 试验材料级配曲线Fig.2 Gradation curves of tested materials

1.2 试验仪器

本试验采用的仪器为DDS-70微机控制电磁式振动三轴试验系统。该仪器可以进行饱和土体的动强度试验，提供试验所需的荷载波形以及加载频率等，能自动记录试验过程中的力、动孔隙水压力以及位移。

1.3 试验方法

1.3.1 试验方案

砂土材料常被用作铁路路基填料，基床层的厚度为2.5 m，因此，围压σ3选取50，100 以及150 kPa代表路基不同深度处土体的受力状态。

荷载选用正弦波模拟循环列车荷载的作用，为研究不同轴重以及不同运行速度列车荷载的作用，分别选取循环应力比(即动应力幅值的一半与围压的比值)为0.25，0.30，0.35以及0.40，加载频率f为1，3，5和7 Hz作为代表性荷载条件。

本文研究饱和状态橡胶颗粒-砂混合物的液化特性，因此，试验采用不排水条件。试验结束标准为应变达到5%或者孔围压比达到1.0。本试验方案见表2所示。每种工况进行3个试样的平行试验，结果取3组试验的平均值。

1.3.2 试样制备

试样的直径×高为39.1 mm×80.0 mm，试样采用湿击实法制备。

首先，根据不同试验工况计算每组试样所需要的砂土和橡胶颗粒的质量。

然后，将质量称好的砂土与橡胶颗粒混合均匀，并掺入一定质量蒸馏水，使砂土具有一定黏聚力，以方便制样。将含水的混合物放置在密闭的容器中静置24 h，确保试样中水分均匀。

最后，根据每种工况的土样参数计算制备每组试样所需要的混合料质量，平均分为5层放入金属模具中压实。在进行下一层压实之前，要将上一层已经压实的土样刮毛，保证各层之间良好接触。试样制备完之后，置于真空饱和器中进行饱和，饱和24 h后使用。

2 试验结果

2.1 典型试验曲线

纯净砂土以及橡胶颗粒-砂土试样(橡胶颗粒体积分数为20%)液化试验(围压为50 kPa，循环应力比为0.35，频率为1 Hz)的典型试验曲线分别如图3和图4所示，由于篇幅限制，本文仅列出部分试验结果。其中，动孔隙水压力比Ru是动孔隙水压力与围压的比值。

从图3～4可见：

1)动剪切应力随着加载时间延长而轻微减小。

2)随着加载时间延长，动剪切应变出现由较小增长到迅速增长的过程，呈现近似“喇叭状”的增大趋势。

3)动孔隙水压力比随着时间延长逐渐增大，直至增大到1.0，表明试样已经液化。

表2 试验方案Table 2 Testing programs

图3 纯净砂土液化试验的典型试验曲线Fig.3 Typical curves of liquefaction test performed on pure sand

图4 橡胶颗粒-砂混合物(χ=20%)液化试验的典型试验曲线Fig.4 Typical curves of liquefaction test performed on granulated rubber-sand mixtures with 20%rubber volume fraction

4)随着加载进程，滞回曲线逐渐向应变轴靠近，直至液化发生时，滞回圈变为扁平状，这说明试样随着加载进程，其弹性和刚度都在逐渐减小；而滞回曲线的面积也随着加载次数增加而逐渐增大，表明试样消耗的能量逐渐增多，试样阻尼比逐渐增大。

2.2 动孔隙水压力的发展过程

图5所示为动孔隙水压力比分段发展曲线。以纯净砂土的动孔隙水压力比发展曲线为例，根据动孔隙水压力比发展曲线的差别，可以将动孔隙水压力的发展过程分为3个阶段，如图5所示。

阶段1：快速增长阶段。该阶段初期(0～3 s)，动孔隙水压力呈现不规则增长趋势，如图5(a)所示。这一阶段内动孔隙水压力持续起伏波动，在图形上表现出多个不规则的“锯齿”形状，但是总体趋势是动孔隙水压力随着振动时间而上升。这是因为荷载施加初期，试样内部的砂颗粒在外荷载的作用下发生调整，导致动孔隙水压力的起伏波动。该阶段后期(3～13 s，如图5(b)所示)，动孔隙水压力呈现正弦波快速增长形式，并且波峰处出现多个凹槽。此时，外荷载作用下试样开始出现塑性变形，并且塑性变形随着加载时间不断增大，因此，动孔隙水压力随着外加荷载不断累积呈现正弦波快速增长的形式。

阶段2：缓慢增长阶段(如图5(c)所示)。振动时间在13～100 s，动孔隙水压力呈现正弦波形式，相较于第1 个阶段，第2 个阶段的增长速度明显减慢。

阶段3：稳定不变阶段(如图5(d)所示)。振动时间在100 s 之后，动孔隙水压力随着振动次数呈现正弦波形式，并且波峰基本不再发生变化。此时，试样的轴向应变达到5%，同时动孔隙水压力比值接近1.0，说明此时试样已经发生液化。

图5 动孔隙水压力比分段发展曲线Fig.5 Sectional development curves of dynamic pore water pressure ratio

相较于纯净砂土动孔隙水压力的发展趋势，橡胶颗粒-砂混合物的动孔隙水压力发展过程同样可以划分为3 个阶段，只是橡胶颗粒-砂混合物的动孔隙水压力比达到1.0所需要的时间比纯净砂土的要长。

3 动孔隙水压力比影响因素

3.1 橡胶颗粒体积分数

动孔隙水压力比是分析饱和砂土液化行为的基本参数之一。图6所示为围压50 kPa，循环应力比0.35，频率1 Hz 工况下不同橡胶颗粒体积分数混合物的动孔隙水压力比Ru随振动次数N的变化曲线。从图6可见：振动次数一定时，随着橡胶颗粒体积分数增加，动孔隙水压力比减小；随着橡胶体积分数增加，混合物达到液化的次数逐渐增大，并且均大于纯净砂液化的次数。这也说明加入橡胶颗粒可以显著提高饱和砂土的抗液化能力。这一结论与文献[10-11]以及[18]的研究结果相一致。

图6 不同橡胶颗粒体积分数混合物的动孔隙水压力比随振动次数的变化曲线Fig.6 Variation curves of dynamic pore water pressure ratio with cyclic number under different rubber volume fraction

3.2 围压

图7所示为循环应力比0.30、加载频率1 Hz工况下围压σ3对纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物(χ=20%)动孔隙水压力比Ru的影响曲线。从图7可见：对于纯净砂土和橡胶颗粒-砂混合物，振动次数一定时，围压越大，对应的动孔隙水压力比越小，并且围压越大试样到达液化时的振动次数越大。围压越高，纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物试样越密实，颗粒之间的孔隙越小，因此，在外荷载作用下试样抵抗变形的能力越强，动孔隙水压力越不容易累积，进而抵抗液化的能力也越强。

3.3 循环应力比

图8所示为围压50 kPa、加载频率1 Hz工况下循环应力比对纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物(χ=20%)动孔隙水压力比Ru的影响曲线。依据图8，可以发现对于纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物，循环应力比越大，试样达到液化所需要的振动次数越少。

3.4 加载频率

图7 不同围压下纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物的动孔隙水压力比随振动次数的变化曲线Fig.7 Variation curves of dynamic pore water pressure ratio with cyclic number under different confining pressures

图9所示为围压50 kPa、循环应力比0.35工况下加载频率f对纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物(χ=20%)动孔隙水压力比Ru的影响曲线。从图9可见：无论是纯净砂土还是橡胶颗粒-砂混合物，随着加载频率增大，试样达到液化所需要的振动次数逐渐减小。这与文献[19-20]的结论相似。

图8 不同循环应力比下纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物的动孔隙水压力比随振动次数的变化曲线Fig.8 Variation curves of dynamic pore water pressure ratio with cyclic number under different cyclic stress ratios

图9 不同加载频率下纯净砂土以及橡胶颗粒-砂混合物的动孔隙水压力比随振动次数的变化曲线Fig.9 Variation curves of dynamic pore water pressure ratio with cyclic number under different loading frequencies

4 动强度特性

4.1 动强度变化规律

图10所示为各试样的动强度曲线(围压50 kPa、加载频率1 Hz)，液化的判别标准是动孔隙水压力比达到1.0。由图10可知：随着循环应力比增大，施加在试样上的动荷载越大，试样发生液化所需要的振动次数就越小，且循环应力比越大，试样达到破坏需要的振动次数的增长速率越大，而当循环应力比一定时，橡胶颗粒体积分数越高的试样，其发生液化时需要的振动次数越多。结合前文中混合物内摩擦角的变化规律，可以得出：本文所用材料的最优橡胶颗粒体积分数在10%左右。此时，混合物的静力强度不低于纯净砂土的静力强度，并且加入橡胶颗粒可以显著提高混合物的抗液化能力。

4.2 橡胶颗粒体积分数对动强度的影响机理

图10 围压50 kPa、加载频率1 Hz工况下各试样的动强度曲线Fig.10 Dynamic strength curves of specimens under the condition of confining pressure with 50 kPa and loading frequency with 1 Hz

通过饱和橡胶颗粒-砂混合物的动强度试验，发现橡胶的掺入能够显著提高砂土的抗液化强度。图11所示为橡胶颗粒体积分数变化示意图，由图11可见：砂颗粒与橡胶颗粒的刚度相差较大，可以认为砂颗粒是刚性颗粒，而橡胶颗粒是柔性颗粒。对于饱和纯净砂土，在外荷载的作用下，刚性砂颗粒不能被压缩，只能产生孔隙的变形(如图11(a)所示)，因而会产生较大动孔隙水压力；而随着橡胶颗粒体积分数增加，砂颗粒之间的孔隙中填充橡胶颗粒(如图11(b)所示)或者砂颗粒通过橡胶颗粒接触(如图11(c)所示)，在相同外荷载作用下，由于橡胶颗粒被压缩而承担一部分外力，减轻孔隙变形，在一定程度上抑制动孔隙水压力的产生和累积，进而提高混合物的抗液化强度[9,11,21]；结合文献[22]，认为在外荷载作用下纯橡胶颗粒(如图11(d)所示)产生弹性变形承担大部分外力，孔隙变形非常小，因此产生的动孔隙水压力几乎可以忽略，在纯橡胶颗粒的动强度试验中几乎很难发现液化现象的产生[22]。

5 动孔隙水压力模型

图12所示为各种工况下动孔隙水压力比随振次比的变化曲线。为了消除不同工况下振动次数的影响，对振动次数与发生液化时振动次数进行归一化。由图12可见：归一化之后的动孔隙水压力比与振次比的关系曲线落在一个相对狭窄的范围，这个范围由上下2条边界线组成，并且这2条边界曲线的形式符合张建民等[23]提出的A型动孔隙水压力曲线模型，其公式为：

式中：ud为不排水条件下振动次数为N时的动孔隙水压力；Nf为液化时的振动次数；β为试验参数。

本文中将原A 型动孔隙水压力曲线模型中的振动时间替换为振动次数。采用式(2)拟合动孔隙水压力试验点的上下边界线以及平均动孔隙水压力比曲线，拟合公式见图12。从图12可见：利用张建民等[23]提出的A型动孔隙水压力曲线模型预测本试验中饱和橡胶颗粒-砂混合物的动孔隙水压力比随振次比发展趋势是可行的。

图11 橡胶颗粒体积分数变化示意图Fig.11 Schematic demonstration of particle arrangement of granulated rubber-sand mixtures with varying rubber volume fraction

图12 动孔隙水压力比随振次比变化曲线Fig.12 Curves of dynamic pore water pressure ratio with cyclic number ratio

6 结论

1)动孔隙水压力的发展过程分为3个阶段，即快速增长阶段(初期动孔隙水压力呈不规则增长趋势，后期呈正弦波形式快速增长趋势)、呈正弦波形式缓慢增长阶段以及稳定阶段。

2)饱和橡胶颗粒-砂混合物的抗液化强度随着橡胶颗粒体积分数增加以及围压增加而增大，随着循环应力比以及频率增加而减小。

3)相对于砂颗粒，橡胶颗粒的刚度小，在外荷载作用下可以被压缩，从而减小颗粒间孔隙的变形。因此，在一定程度上抑制动孔隙水压力的累积。

4)本文所用材料的最优橡胶颗粒体积分数在10%左右，此时混合物的静力学强度不低于纯净砂土的静力学强度，并且加入橡胶颗粒可以有效提高饱和砂土的抗液化能力，改善其动力特性。

5)采用A 型动孔隙水压力曲线模型对得到的动孔隙水压力试验数据进行拟合，可得到动孔隙水压力比随振次比变化曲线的上下边界范围。