废旧轮胎颗粒改良砂土路基动力特性研究

1、 I 废旧轮胎颗粒改良砂土路基动力特性研究废旧轮胎颗粒改良砂土路基动力特性研究 Study on Dynamic Characteristics of Sand Subgrade Improved by Waste Tire Particles 摘 要 I 摘 要 随着近年来汽车数量的的快速增长，汽车使用过程中产生的废旧轮胎数量也越来 越多。废旧轮胎被称为“黑色污染” ，其会对自然环境造成严重破坏，所以如何环保有 效的回收处理废旧轮胎成为世界各国需要面对的难题。 目前，将废旧轮胎粉碎成颗粒后应用于路基加筋土领域已经得到了有效推广。废 旧轮胎颗粒混合砂因其质轻、渗透性强、弹性高、成本低廉等特点已

2、被广泛应用于土 木工程建设领域。尤其是将废旧轮胎颗粒应用于路基工程中不仅可以减少砂土的用量 还可以提高路基在循环荷载作用下的稳定性能。 本文以某工厂回收生产的废旧轮胎颗粒和标准砂为原材料，通过开展室内动三轴 试验研究循环荷载条件下橡胶颗粒混合砂的动孔隙水压力、动弹性模量、阻尼比和累 积塑性应变变化规律。通过室内土工试验研究和 Geo 软件模拟来为废旧橡胶应用于工 程实践提供理论参考。本文主要研究内容和成果如下： （1）研究发现循环荷载作用下各组橡胶砂试样的动孔压增长分为三个阶段，分别 为快速增长阶段、匀速增长阶段、稳定阶段。当掺入的橡胶颗粒粒径较大时混合砂试 样的抗液化性能得到显著增强。将大粒

3、径橡胶颗粒掺入砂土会使试样砂粒间孔隙变大 所以渗透系数增大孔隙水压力更容易消散因此试样抗液化能力增强；当将小粒径橡胶 颗粒掺入砂土后试样的渗透系数减小孔隙水压力不易消散所以试样抗液化性能较弱。 较大的围压和固结应力比会使试样的孔隙减小因此试样在动荷载作用下抗液化能力将 增强。 （2）分析试验数据发现当橡胶颗粒掺入量达到 30%时，此时橡胶颗粒在试样的受 力骨架中占主导作用，整个试样失去了砂土的应力状态结构且在循环荷载作用下液化 现象很难产生。因此即使高掺量橡胶颗粒可以提高纯砂试样的抗液化能力，但此种做 法在工程施工中并不符合实际条件。 （3）研究得出在循环荷载作用下橡胶砂试样的动弹性模量均小于

4、纯砂试样，橡胶 砂试样的阻尼比均大于纯砂试样。橡胶颗粒掺入砂土后可以减小土体剪切刚度，发挥 抗震减震优势。当试样掺入橡胶颗粒后，橡胶颗粒因其弹性会产生吸能效应，使得土 体在循环荷载作用下滞后性增强，所以使得橡胶砂试样的阻尼比大于纯砂试样。 （4）研究发现在相同振次和频率的交通荷载作用下，掺入 1.5mm 粒径橡胶颗粒 试样在三种固结围压作用下产生的累积塑性应变均小于纯砂试样，而掺入 2.5mm 粒径 橡胶颗粒试样在三种固结围压作用下产生的累积塑性应变均大于纯砂试样。所以根据 试验结果可知将橡胶颗粒掺入土体后可以在一定程度上减少土体在交通荷载下的沉降。 并通过 Geo 软件进行路基建模分析对动三

5、轴试验所得出的结论进行了验证。 关键词：废旧轮胎颗粒；抗液化性能；动力特性；滞回曲线。 Abstract II Abstract With the rapid growth of the number of cars,the number of waste tires generated during the use of cars is also increasing. Waste tires are calledblack pollution,which will cause serious damage to the natural environment.Waste tires hav

6、e become a problem that countries around the world need to face. At present,crushing waste tires into granules and applying them to the field of roadbed reinforced soil has been effectively promoted.Waste sand tire granules and mixed sands have been widely used in the field of civil engineering cons

7、truction due to their light weight, strong permeability, high elasticity,and low cost.Applying high-elastic waste tire particles to the roadbed filler can not only reduce the amount of sand and soil,but also improve the stability of the roadbed under earthquake or traffic load. This thesis selects f

8、actory-used tires and standard sand as raw materials The dynamic pore water pressure,dynamic elastic modulus, damping ratio and cumulative plastic strain changes of rubber particle mixed sand under cyclic loading conditions are studied by carrying out indoor dynamic triaxial tests. Through indoor ge

9、otechnical test research and Geo software simulation to provide a theoretical reference for the application of waste rubber in engineering practice.The main research conclusions are as follows: (1) The study shows that the dynamic pore pressure growth can be divided into three stages, namely rapid g

10、rowth stage, uniform growth stage, and stable stage. When the particle size of the incorporated rubber particles is larger, the anti-liquefaction performance of the mixed sand sample is significantly enhanced. Incorporating large-diameter rubber particles into the sand will make the pores larger, so

11、 the permeability coefficient increases and the pore water pressure is easier to dissipate. Therefore, the samples resistance to liquefaction is enhanced. Larger confining pressure and consolidation stress ratio will reduce the pores of the sample, so the resistance of the sample to liquefaction und

12、er dynamic load will increase. (2) The analysis shows that when the amount of the rubber particles reached 30%, the rubber particles dominated the stress skeleton of the sample, and the entire sample lost the stress state structure of the sand and was liquefied under cyclic loading. Therefore, even

13、if the high content of rubber particles can improve the liquefaction resistance of the pure sand sample, this method does not meet the actual conditions in the construction of the project. (3) The research shows that the dynamic elastic modulus of rubber sand samples under cyclic loading is less tha

14、n that sand samples,and the damping ratio of rubber sand samples is greater than that sand samples.The rubber particles mixed with sand can reduce the shear stiffness of the soil ,and exert the advantages of earthquake resistance.When the sample is mixed with rubber particles, the rubber particles w

15、ill have an energy absorption effect due to their elasticity,so that the soil body will increase hysteresis under cyclic loading,so the damping ratio of the rubber sand sample is greater than that of the pure sand sample. (4) The study shows that under the traffic load of the same vibration frequenc

16、y and same frequency, the strain of the sample with 1.5mm diameter rubber particles under the effect of Abstract III three kinds of consolidated confining pressures is less than that of the sand sample, while the strain of the sample with 2.5mm diameter rubber particles is larger than that of the sa

17、nd sample. Therefore, according to the test results, it can be seen that the rubber particles mixed into the soil can reduce the settlement of the soil under traffic load to a certain extent. The subgrade modeling analysis of Geo software was used to verify the conclusions obtained from the dynamic

18、triaxial test. Keywords: waste tire particles; dynamic characteristics;resistance of liquefaction; hysteresis curve. 目 录 IV 目 录 北京建筑大学硕士学位论文原创性声明 北京建筑大学硕士学位论文使用授权书 摘 要.I ABSTRACT .II 第 1 章 绪 论.1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 废旧轮胎的回收利用主要途径.3 1.2.1 废旧轮胎原形利用.3 1.2.2 废旧轮胎翻新.4 1.2.3 燃烧热能利用.4 1.2.4 轮胎热分解.4 1.2.5 机械粉碎

19、利用.5 1.3 国内外废旧轮胎改良土体研究现状.5 1.3.1 改良黏性土.5 1.3.2 改良水泥砂浆和混凝土.6 1.3.3 改良砂性土.6 1.4 橡胶改性土动力特性研究现状.7 1.5 本文的主要研究内容及技术.8 1.5.1 主要研究内容.8 1.5.2 研究技术路线.10 第 2 章 试验内容及试验方案.11 2.1 试验仪器设备及功能.11 2.1.1 动态三轴仪 DYNTTS 系统组成.11 2.1.2 GDS 动三轴仪实验原理 .12 2.2 试验方案和破坏标准.13 目 录 V 2.2.1 试验方案.13 2.2.2 破坏标准.13 2.3 试验步骤.14 2.3.1 试

20、验材料与试样制备.14 2.3.2 试样安装、饱和及固结.15 第 3 章 橡胶颗粒混合砂抗液化性能研究.18 3.1 引言.18 3.2 混合砂试样动孔隙水压力变化规律.18 3.2.1 橡胶颗粒粒径对试样抗液化性能影响.21 3.2.2 橡胶颗粒掺量对试样抗液化性能影响.21 3.3 围压对试样抗液化性能的影响.21 3.4 固结应力比对试样抗液化性能的影响.22 3.5 混合砂试样动孔压增长函数模型.23 3.6 橡胶砂颗粒构成微观机制分析及讨论.24 3.7 本章小结.27 第 4 章 橡胶颗粒混合砂动应力-应变变化规律研究.29 4.1 引言.29 4.2 动应力-应变滞回曲线变化规

21、律.29 4.3 分级次数滞回曲线变化规律.33 4.4 滞回曲线动弹性模量及阻尼比变化规律.37 4.4.1 动弹性模量变化规律.37 4.4.2 阻尼比变化规律.39 4.5 本章小结.41 第 5 章 交通荷载下橡胶混合砂累积应变规律研究.42 5.1 引言.42 5.2 交通荷载特性及设计参数.42 5.2.1 交通荷载的特点.42 目 录 VI 5.2.2 交通荷载波形确定.42 5.2.3 交通荷载参数设定.43 5.3 混合砂试样累积应变结果分析及模型验证.44 5.4 GEO软件模拟橡胶颗粒混合砂路基.49 5.4.1 路基模型建立.49 5.4.2 交通荷载条件施加.50 5

22、.4 橡胶砂试样的类“弹簧”理论.53 5.5 本章小结.54 结论与展望.55 结论.55 展望.55 参考文献.57 致 谢.61 攻读硕士期间发表论文.62 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景及意义 随着汽车工业发展日益蓬勃，全世界各国人均汽车保有数量急剧增多，因此各类 汽车在使用过程中产生的废旧轮胎也日益增多。废旧轮胎是一种不熔或难熔的高分子 耐烧材料，具有耐热性、抗生物性以及抗拉性。这种材料存在于自然环境中几乎不能 被自然环境所降解，经过数百年的时间都不会自然消除。根据相关机构统计，世界各 国废旧轮胎积存数量已达 50 亿条，且每年都有约 12 亿条废旧轮胎的

23、新增数量。在美 国，每年需要处理超过 2.5 亿条废旧轮胎，在加拿大，需要处理数量超过 0.8 亿条，在 印度，需要处理数量超过 1 亿条。目前，中国已成为全世界最大的轮胎生产国，每年 的轮胎产量超过 3 亿只，且每年轮胎报废的数量达到 2 亿只1。在全球各地城市中存在 许多堆积如山的废旧轮胎堆积点如图 1-1 所示，这种堆积点一般都是露天堆积在自然 环境中。这种处理方式所形成的堆积点极易滋生蚊虫和传播病菌，且占用了大量土地。 一些缺乏环保意识的人直接将废旧轮胎在堆积点焚烧，如图 1-2 所示，这种方式会不 仅对大气和环境造成严重污染而且严重威胁人类健康和安全，将废旧轮胎这种可回收 材料燃烧也

24、是对再生资源的一种浪费2。 图 1-1 大量堆积的废旧轮胎 图 1-2 燃烧的废旧轮胎 Fig.1-1 Massive pile of waste tires Fig.1-2 Burning waste tires 我国属于橡胶资源消耗大国，但是我国的橡胶产量却十分有限，每年都必须从国 外进口大量的橡胶资源。目前，如何有效环保的处理好废旧轮胎回收问题已成为全世 界面临的难题3。传统的焚烧和露天堆积的方法不仅浪费土地资源而且严重破坏生态环 境。如何有效回收利用废旧轮胎，将其带来的危害转化为对社会的益处，将废物转化 为财富，已成为国际社会非常关注的一个环境问题。如果我们能够有效回收利用这些 废旧轮

25、胎，不仅有利于自然环境保护，而且可以为社会带来变废为宝的财富，这对于 社会的可持续发展也都是有极大的益处的。 目前，世界各国正在研究如何开发新设备和新技术以翻新轮胎、生产橡胶粉、提 第 1 章 绪论 2 高其热值转化率和能源开发利用率等。传统的二次加工（例如翻新）通常会消耗更多 的能源，并且成本更高，如果废弃物处理不当还会给生态环境带来了二次污染。在工 程建设领域直接使用废旧轮胎与土木工程材料混合形成新型土工材料不仅可以处理大 量的废旧轮胎，减少废旧轮胎引起的环境问题，还提供了大量的高质量和低成本的加 固材料，节省了工程材料并降低了工程成本。 我国正在大力发展基础设施建设，将废旧轮胎应用于土木

26、工程建设来代替某些工 程材料成为了一种高效、方便的废旧轮胎回收利用途径。由于废旧轮胎颗粒具有抗拉 强度高、耐久性优良、廉价等性质，这使得废旧轮胎应用于土木工程建设领域得以推 广。将废旧轮胎应用于土木工程建设领域当中，成为了一种资源友好型的废旧轮胎回 收利用新方法 4。工程中所使用的废旧轮胎和填土材料均为可回收材料，所以这种改 良加筋材料发展应用前景非常广阔。废旧轮胎颗粒与填土材料混合后应用于边坡、路 堤、地基和挡土墙等工程是国际推广和应用的新趋势。废旧轮胎用作加强材料，尤其 是用于修整斜坡，非常适合可能发生滑坡的区域。关于废旧轮胎与工程材料加筋是一 个国际性研究的热点问题，且与环境保护、节约资

27、源、补充建筑材料和防止自然灾害 等国际问题有关，特别是它与经济社会发展密切相关，所以废旧轮胎的回收利用具有 重要的发展前景和应用价值。 路基是交通公路、铁路的重要组成部分，是路面的支撑，且承受路面上车辆等其 他交通工具传递的荷载，路基的质量好坏与否直接影响路面的使用性能。随着道路货 运数量的不断增长，道路运输中行驶的各种车辆对路基路面的的载荷也随之增加，为 了保证道路的安全运输，路基整体安全稳定性显得尤为重要。路基的整体稳定性能由 路基填料的性质、施工工序流程和路面荷载情况影响。而路基填料的性质为影响路基 整体稳定性的主要方面，路基填料通常取自于工地附近的砂料厂或原始土堆。在一些 道路附近没有

28、符合要求填料的工程项目，为了节约成本将资源最大化利用可以采用加 筋土的方法对不符合要求的填料进行改良，改良后的混合填料可以用作路基填料。我 国交通基建飞速发展，大量公路铁路路基路面在使用过程中在交通荷载作用下产生了 不均匀沉降破坏如图 1-2 所示，且经过地震区的交通路段极有可能在地震作用下路基 液化失稳如图 1-3 所示。这两种危害对公路铁路的安全运输造成了极大的影响。由于 橡胶颗粒具有良好的弹性、廉价性和耐腐蚀等属性，将橡胶颗粒与砂土混合应用于路 基是不仅可以提高路基的抗液化能力并能减少路基在交通荷载的不均匀沉降。研究循 环荷载作用下路基的抗液化性能、累积应变规律，得出交通循环荷载作用下橡

29、胶砂土 路基沉降变形曲线函数具有重要意义。 第 1 章 绪论 3 图 1-2 路面不均匀沉降 图 1-3 土体地震液化 Fig.1-2 Uneven subsidence of road Fig.1-3 Earthquake liquefaction 1.2 废旧轮胎的回收利用主要途径 伴随着 21 世纪汽车工业的飞速发展，各类汽车使用过程中产生的废旧轮胎数量也 急速增加，废旧轮胎材料的回收利用问题已引起了世界各国的关注。在一些发达国家， 国家制定了相关减税减免，政府补贴等法律措施来支持本国从事废旧轮胎回收利用的 单位和企业。展望未来，废旧轮胎的回收利用行业将是新时代的多学科融合的技术产 业。

30、 1.2.1 废旧轮胎原形利用 废旧轮胎的原形利用主要集中在工程建设、减震防护和装饰绿化等方面。这其中 废旧轮胎在工程建设方面应用的较为广泛。在道路市政工程管道施工中可以将整只废 旧轮胎连续并排的铺设于市政管道下方作为防护层，这样可以避免市政管道受到施工 的破坏和来自周围土体的压力作用。在水资源较丰富的桥梁基础和地下水水位较高的 地基中将整只废旧轮胎连续埋置于构筑物周围用于防水和防潮保护并以此保护建筑物。 在减震防护方面，主要应用在在河流，湖泊和海岸的堤坝，废旧轮胎可用于保护斜坡， 以防止水流侵蚀堤坝。在船的两侧，码头护岸和高速公路的拐角处，经常可以见到将 整只废旧轮胎作为防撞击缓冲隔离，以此

31、来避免船舶靠岸时对船只本身和港口构筑物 的撞击破坏，同时在高速公路拐弯处设置废旧轮胎可以减少车辆撞击带来的损坏并保 护人员免受生命威胁。目前废旧轮胎作为一种新型的人工造礁方式在渔业养殖方面取 得了一定的效果，渔业养殖户将废旧轮胎捆绑在一起后将其沉入养殖区域水底，废旧 轮胎便会成为人工岛礁吸引大量鱼群繁殖觅食。 目前，废旧轮胎的原形利用已经在很多方面得到推广，不过这部分回收利用的废 旧轮胎数量很少还不到每年产生的废旧轮胎总量的 1% 5，所以废旧轮胎的原形利用并 不能作为废旧轮胎的主流回收利用途径，科学家们还需研究更加有效、回收废旧轮胎 数量大的办法来处理废旧轮胎。 第 1 章 绪论 4 1.2

32、.2 废旧轮胎翻新 翻新旧轮胎的成本为生产新轮胎的成本的三分之一，翻新后轮胎的使用寿命是新 轮胎使用寿命的三分之二，所以旧胎翻新这种回收方法具有很高的经济价值。轮胎的 典型使用寿命通常为 50,000 至 70,000 公里。翻新旧轮胎是要去除已被磨损损坏的废旧 轮胎的外层，然后在将新橡胶层粘贴于已处理轮胎表面，随后再进行硫化处理，最后 再进行包装加工后流入市场。旧胎翻新要经过一系列工序过程处理，包括进厂检验， 轮胎磨削，硫化处理和成型加工等。当前，因为人们对轮胎翻新技术的不了解和对二 次加工产品的排斥，所以这种情况给翻新轮胎推广使用带来了较大的阻力。但是，二 次轮胎翻新技术已变得更加成熟有效

33、在中国轮胎翻新的推广和利用已经广泛开展，在 不久的将来，市面上将会出现许多种类二次翻新轮胎供消费者选择。 1.2.3 燃烧热能利用 轮胎的高分子橡胶材料是一种良好的燃料，在燃烧设备中进行燃烧可以提供出大 量能量。比如在钢铁厂和水泥厂等工厂可以利用经过特殊处理废旧轮胎橡胶材料来提 供能量6。热能的使用是用废旧轮胎代替燃料。首先是将废旧轮胎粉碎成碎片状，随后 将碎片状的轮胎与可燃材料混合以形成混合燃料。用混合燃料代替石油，焦炭和煤炭 用于高炉喷射，代替煤炭用于热力发电。同时，这套制作方法还可以产生副产物炭黑。 炭黑可用作生产各种橡胶制品的补强剂。 1.2.4 轮胎热分解 通过对废旧轮胎进行热分解可

34、以提取出相关的化学产品。热分解工艺是指在没有 氧气或氧气含量非常低的情况下废旧轮胎发生的焚化或气化反应。热分解过程通常产 生焦化油和合成气。废旧轮胎热分解过程包括热解反应，产生油气和焦炭，油气凝结 后产生油和合成气，合成气也是发电和加热的能源。热分解过程中的条件、时间、压 力和加热速率等因素会影响各种产物产生的比例。通过热解工艺生产的产物，例如焦 炭和石油，是市场上的高价值产品。废旧轮胎中的钢丝回收后，也可以再次循环使用。 而且，废旧轮胎经过这种处理方法带来很少的残留材料。在废旧轮胎热分解过程中还 会产生焦炭。实际上，焦炭被用作炭黑混合物之一，它不同于轮胎中含有的天然炭黑 和橡胶填充剂。另外，

35、由于通过热分解而得到的合成气中夹杂着各种颗粒废物，因此 制得的合成气纯度不高，所以在热分解产生的合成气在市场上也遇到了一些问题7。 热分解获得的产物中所含有的燃油可以与化学生产的燃油混合直接使用于工厂作 为能量供应源，也可以用于工业柔软剂的制作过程中8。热分解过程还会产生副产物 碳粉，这种副产物可以经化学处理后制成吸附剂。吸附剂对水中污水内的有毒金属 具有很强的过滤作用。研究人员对热分解的工艺流程进行了改进和提升后，有效提高 了热分解产物产出的效率，使得该项技术更具广阔的发展应用前景9。 第 1 章 绪论 5 1.2.5 机械粉碎利用 由于废旧轮胎橡胶具有重量轻，韧性强等特点，因此可以将废轮胎

36、粉碎成碎片， 并与沥青，水泥，沙子等混合后作为工程填料。这种方法不仅可以提高路基路面的稳 定性以及减少路基路面的沉降，还可以大量的回收处理废旧轮胎，是一种简单高效环 保的废旧轮胎回收有效办法10。当汽车在掺有橡胶颗粒的路面上行驶时，路面材料因 掺有橡胶颗粒具有回弹性，所以路基路面填料在掺入橡胶颗粒后可以减少因交通荷载 作用而产生沉降11。将废旧轮胎颗粒用于路基填料等工程建设中已得到越来越多的推 广12。 1.3 国内外废旧轮胎改良土体研究现状 1.3.1 改良黏性土 Tatlison13对掺入了橡胶颗粒的软土地基进行了试验研究，认为在软土地基中，由 于掺有轻质土的橡胶颗粒混合土代替了软土层，降

37、低了上部荷载和地基中的应力水平， 提高了地基的稳定性，并且减少了沉降量。因此，软土-橡胶颗粒混合土可以用来减少 软土路基的最终沉降量。因为橡胶颗粒混合土具有高弹和廉价等特性，研究人员将其 作为路基下部管道的回填材料。 何俊14通过将废旧轮胎胶粉与黏土混合开展强度实验，分析研究胶粉的掺量对混 合黏土强度影响的规律。研究表明，随着胶粉掺入量的增加，胶粉-黏土混合试样抗剪 强度有所增大，无侧限抗压强度可以满足试样规范要求。且当掺入的胶粉粒径较小时， 掺入的胶粉对黏土强度的提高没有显著影响，在黏土中掺入废旧轮胎胶粉对内部强度 和界面强度不会产生不利影响。Hasan15、Biond16、Patil17等

38、对橡胶颗粒-黏土的物理 力学性质进行了室内土工试验。通过分析试验数据发现，当橡胶颗粒掺量越大时，混 合土的最大干密度越低，最佳含水率也不会因为橡胶掺量的变化而产生波动。试验结 果说明黏土的液限大小与橡胶胶粉的含量没有明显的相关性。 辛凌18通过无侧限抗压强度试验研究了水泥混合黏土中掺入橡胶颗粒后的抗压强 度变化规律。混合土试样的无侧限抗压强度随着橡胶颗粒掺量的增加而降低，大橡胶 颗粒掺量下的复合土强度较未掺入橡胶颗粒的试样强度降低约。分析此现象原因50% 在于水泥与土的接触比表面积的提高会导致混合土试样的强度也提高，而橡胶颗粒的 掺入会减小水泥颗粒与土颗粒间接触的比表面积，颗粒与颗粒间的相互吸

39、力减弱因此 水泥土试样强度会降低。由于橡胶颗粒具有弹性，所以将橡胶颗粒掺入混合土中可以 提高其抗变形性能，还能减少混合土内部因外力作用而产生的原生裂纹。 颜椿钊20、Hasan 15、李丽华等21-24在室内三轴试验和直剪试验发现。黏土试样 在加入胶粉后，橡胶黏土混合试样的抗剪强度有明显提高的结论。但是试验过程中发 现当橡胶颗粒掺量逐步增大到某个值时，混合试样的抗剪强度和黏聚力开始下降，所 以胶粉掺入量存在某个临界值可以使混合试样的黏聚力和抗剪强度达到最大。 废旧轮胎颗粒、胶粉和胶条对特殊 第 1 章 绪论 6 土的改良效果也十分显著，如膨胀土，红黏土和黄土等。Sedan25、Stewant2

40、6和邹维 列27对橡胶胶粉改良膨润土进行了研究。试验结果表明，当轮胎胶粉的掺入量增加时， 改良膨胀土试样的最大干密度随之降低；抗剪强度和内摩擦角显著增大。在改良 d 膨润土的膨润率方面，橡胶胶粉掺入膨润土体后可以有效降低膨润土的膨润率，这是 因为橡胶颗粒的掺入使得试样中膨胀土颗粒占比减少，也减少了土颗粒与水颗粒之间 的接触面积，阻碍了其与水发生的物理反应，所以橡胶胶粉可以减轻膨润土的膨胀性。 李朝晖28通过三轴试验研究了轮胎颗粒-红黏混合土的强度特性，研究橡胶颗粒大小和 固结应力比对试样强度的影响。研究表明红黏土试样掺入橡胶颗粒后力学特性发生改 变，呈现出应变软化的特点，混合试样的抗剪强度机制

41、与初始红黏土物理性质状态相 关。 1.3.2 改良水泥砂浆和混凝土 21 世纪是钢筋混凝土构成的世纪，混凝土是城市建设中最重要的的材料之一。作 为土木工程建设领域应用最广泛的建筑材料，混凝土具有强度高，耐久性长等优良特 点。不过混凝土在使用过程中也仍然存在一些问题，其中危害性较大的便是混凝土的 脆性破坏问题。因此，改性混凝土的目的是在混凝土中添加橡胶胶粉来代替部分水泥 或沙子以改善其内部结构减少脆性破坏的产生29-30。国内外学者的研究表明：因为橡 胶颗粒的弹性模量较低，在水泥混凝土中无论添加哪种橡胶制品，如胶条、颗粒或者 胶粉，橡胶改性混凝土的强度和刚度都会有一定的降低。而且随着橡胶掺量的增

42、加， 改性混凝土的强度和刚度下降的更加明显。同时也因为橡胶的掺入提高了改性混凝土 的和易性。目前来说因为实际工程对混凝土的强度和刚度要求较高，所以橡胶改性混 凝土并未得到广泛的应用31-33。 当橡胶颗粒掺入量达到一定值可以显著提高改性混凝土的抗冻性34。研究人员认 为由于橡胶颗粒是弹性体，因此在将橡胶颗粒混入混凝土中之后，橡胶颗粒分散在混 凝土的水泥和砂颗粒中，所以在冻结期间橡胶颗粒可以作为应力中心吸收收缩产生应 力，冻结期结束后，内部橡胶颗粒吸收的应力又可以恢复到原始状态。这样可以防止 冻结过程中混凝土的裂纹产生并减少了由于应力导致混凝土的内部破坏。 橡胶颗粒在改良提高混凝土的抗裂性和抗渗

43、性方面也有一定的效果35。其抗裂机 理为：混凝土开始凝固变硬时，水泥浆开始吸水率混凝土因为受到内部钢筋的约束作 用会有塑性裂缝产生。橡胶颗粒因具有高弹性，所以当混凝土收缩时，橡胶颗粒可以 吸收收缩力从而避免内部了裂纹的产生。由于橡胶颗粒阻断混凝土内部的连通孔，所 以橡胶颗粒在改善混凝土的保水性方面也有一定效果36。橡胶颗粒与混凝土内部颗粒 之间的界面具有很强的附着力，橡胶是一种憎水材料因此将其掺入混凝土中会阻隔毛 孔减少渗流。所以，橡胶混凝土抗渗性可以得到有效提高。所以橡胶颗粒粒径与混凝 土抗渗性在一定程度上成正比关系37-40。 第 1 章 绪论 7 1.3.3 改良砂性土 目前，有关橡胶颗

44、粒和橡胶条的改性砂土研究很多，研究的成果应用于实际工程 中也取得了很好的经济效益。曼彻斯特大学学者在英国伦敦一个试验场地建造了一个 废旧轮胎颗粒-砂土混合路基来测试路基在实际交通荷载下的沉降情况，研究中试验人 员发现该混合路基在实际交通荷载作用一百天后，所分布的路基测试点中最大沉降只 有 8mm，通过对所有路基沉降测试点数据分析发现整个测试路基平均最终沉降量只有 3mm41。 国内外研究表明，在砂土中添加橡胶颗粒、胶条和碎片后，可以显著提高橡胶混 合砂土的抗剪强度42。科研学者通过对橡胶混合砂土试样开展剪切试验，发现影响砂 土剪切强度的主要因素包括掺入橡胶的数量、形状（颗粒、碎片或胶条）以及各

45、类橡 胶掺入的尺寸大小43。湖北工业大学的学者李丽华44通过开展橡胶砂剪切试验得出如 下结论：竖向压力为零的情况下，砂土颗粒只存在很小的弹性变形，砂土颗粒和轮胎 颗粒之前存在微小的摩擦阻力。当施加竖向压力后，橡胶颗粒和砂土颗粒间的摩擦阻 力将以黏聚力的形式表示。并且随着橡胶掺量的增加，咬合效果将变得更加明显，表 现出更大的黏聚力。Mashirei 45也对橡胶混合砂土进行三轴剪切试验。并且通过整理 分析三轴剪切试验数据和其他学者研究的纯砂本构模型，研究得到了该试验中橡胶混 合砂的改良“RX 本构模型” 。 Tiwarin 46通过对橡胶混合砂试样开展压实试验中发现，橡胶-砂试样的最优含水率 比

46、纯砂试样要低。当橡胶掺量为 15%时，橡胶砂土混合试样的最优含水率达到了最小 值。在工程建设中时可借鉴参考此结论，比如在进行橡胶加筋混合土路基的压实时， 通过前期试验确定最优橡胶掺入量可以指导工程实践中橡胶、砂土、水以及其他混合 料的配比。这种方法不仅回收利用了废旧橡胶颗粒并且有效提高了施工效率。河海大 学朱伟47将水泥掺入橡胶颗粒混合砂试样中制成水泥橡胶砂。通过无侧限抗压试验研 究水泥橡胶颗粒混合砂试样的强度特性。研究表明，水泥掺入橡胶颗粒混合砂试样后 可以极大增强试样的抗剪强度，当水泥掺量达到一定值时（约为 30%）抗剪强度达到 最大值，此时水泥掺入量在定值以下时，试样抗剪强度与水泥掺量呈

47、正比，当水泥掺 入量超过该定值时，试样抗剪强度与水泥掺量成反比。 1.4 橡胶改性土动力特性研究现状 目前国内外对于废旧轮胎颗粒混合土静力特性方面研究的居多，但是关于动力特 性相关的研究开展的较少，有学者通过试验得出了一些有价值的结论。 因为橡胶具有高弹性和良好的稳定性，所以废轮胎颗粒、胶条等产物也具有很好 的阻尼特性。与其他改性加筋材料相比，橡胶颗粒的弹性模量小，在去除外力时可以 从较大的变形中恢复并且具有较大的弹性变形能力，其应力-应变曲线没有明显的屈服 点。因此，废旧轮胎橡胶改性的混合土体具有非常好的减震功能，目前已经在研究建 筑地基基础隔离系统中橡胶混合土的应用。 第 1 章 绪论 8

48、 Feng 等48通过动三轴试验研究了砂土与橡胶颗粒混合物的动应力应变变化规律， 并将试验结果与 Hardinen 常规土动力特性公式进行了对比，研究得出了改进的橡胶砂 动力特性 Hardinen 公式。Pamukcue 等49通过共振柱试验对砂-橡胶颗粒混合物进行了 动力特性研究，与纯砂相比，橡胶颗粒混合砂的刚度降低是由于两种材料的动态模量 不同以及颗粒之间的接触面积增加所致。如果纯砂和橡胶颗粒的膨胀系数之间存在较 大差异，则混合试样的阻尼比将高于纯砂。Nakeh50在大型动三轴试验中研究了动应力 和估计围压对橡胶砂动弹性模量的影响。基指数函数模型，获得最大动弹性模量，归 一化动弹性模量，围

49、压和动应力的函数关系。Anasta 等51-53在动三轴试验中研究了橡 胶混合砂在不同试验条件下的动弹性模量和阻尼比变化规律。试验条件包括固结围压、 砂粒尺寸、橡胶颗粒掺量以及动应力幅值。在进行了大量试验基础上进行函数拟合得 出了橡胶砂动弹性模量和阻尼比的理论计算公式。 国内学者岁小溪54将石英颗粒掺入砂土中，并且通过动三轴实验对不同试验条件 下的混合砂试样动弹性模量和阻尼比进行了研究，研究得出混合砂试样的动弹性模量 和阻尼比与试验中施加的动应力成正比。李丽华55在动三轴试验中发现，废旧轮胎颗 粒混合砂的动弹性模量小于纯砂的动弹性模量。随着橡胶含量的增加，等效阻尼显着 增加，其中有一个临界值使

50、等效阻尼比达到最大值，有效降低剪切刚度并且可以起到 减震的作用。在对橡胶颗粒大小对减震隔震效果研究生中，发现粒径为 2-5mm 的橡胶 颗粒砂土的改良效果较好。尚寿平56通过动三轴试验研究玻璃砂在不同试验条件下的 动弹性模量变化规律。对试验数据分析表明，添加橡胶颗粒后，橡胶-玻璃混合砂的动 态剪切模量减小，并且随着橡胶含量的增加，动态剪切模量的减小量更加显著。 综合目前研究现状中对饱和砂土动力特性方面的研究为主，缺少关于废旧轮胎橡 胶颗粒掺入砂土中的动力特性的研究。在相关砂土动力特性研究中也只考虑了地震荷 载，并未考虑长期交通荷载对砂土路基造成的沉降影响。对于废旧轮胎颗粒橡胶砂作 为路基填料工

51、程应用方面，目前已经有学者开展了一些土工试验研究，但是还未没形 成系统的理论，相关软件模拟路基研究也比较欠缺，还不能达到指导工程应用的要求。 1.5 本文的主要研究内容及技术 1.5.1 主要研究内容 本文主要针对饱和橡胶颗粒混合砂进行了一系列的室内动三轴试验，研究不同动 荷载条件作用不同因素影响下橡胶颗粒混合砂试样的孔隙水压力和累积应变的发展变 化规律。并提出了适于橡胶砂在不同动荷载条件下的累积应变模型和孔隙水压力模型。 主要包含研究内容如下： （1）研究橡胶砂的基本物理性质，通过颗粒筛分、比重试验等一些常规的室内土 工试验测定砂土和橡胶颗粒的密度、比重等基本指标，为探求循环荷载作用下的砂土

52、 的变形和强度发展规律提供基础依据。 第 1 章 绪论 9 （2）研究橡胶颗粒混合砂在地震荷载作用下动孔隙水压力的变化规律。分析对比 纯砂在掺入橡胶颗粒后抗液化性能的提高规律。 （3）研究橡胶颗粒混合砂在地震荷载作用下动应力-应变滞回曲线的变化规律， 通过定量分析研究不同因素影响下的混合砂试样动弹性模量和阻尼比的变化规律。 （4）研究交通荷载的作用特性研究橡胶砂在交通荷载作用不同的频率、围压、动 应力比等条件下的应变发展规律，揭示累积轴向应变、超静孔压比与振次的关系，建 立交通荷载作用下橡胶砂的累积应变模型，以此预测饱和砂土路基的长期沉降。 第 1 章 绪论 10 1.5.2 研究技术路线 1

53、)了解废旧轮胎加筋土在不同动荷载条件下动三轴试验研究现状和 研究手段。 2)学习土动力学和动三轴试验基本理论。 3)研究地震和交通荷载振动特性并确定荷载振动频率和幅值 理 论 研 究 论 究 究究 1)研究不同围压、固结应 力比等对橡胶砂动强度 轴向应变和孔隙水压力 的变化规律。 2)分析橡胶粒径和掺入量 对试样抗液化性能的影 响。 3)研究橡胶砂试样的动应 力-应变曲线发展规律和 定量分析动弹性模量和 阻尼比变化规律 根据试验结果对橡胶砂的 动孔压变化规律进行拟合确 定拟合函数公式并确定模型 中的参数 a，b。 1)研究交通荷载的作用特 性，确定施加动荷载的 应力幅值、围压和加载 频率。 2

54、)研究长期交通荷载下橡 胶粒径和掺入量对橡胶 砂的累积应变影响规律 3)通过 Monitih 函数拟合 累积应变发展期曲线并 进行参数分析 通过 Geo 软件建立实际 路基模型模拟橡胶混合砂在 交通荷载下路基的沉降变化。 结论与展望 试 验 研 究 论 究 究究 模 型 研 究 论 究 究究 第 2 章 试验内容及试验方案 11 第 2 章 试验内容及试验方案 自然界的海浪荷载、地震荷载和交通荷载等复杂振动荷载形式作用会对工程构筑 物地基产生较大的破坏。所以开展模拟各种复杂荷载形式的土体的动态测试技术试验 是十分必要的。土的动力特性试验技术会影响动力学试验设备的发展，对揭示土体的 动力特性规律

55、和完善土动力学的理论分析起着重要的作用，同时也是土动力学发展的 基础。通过动三轴试验技术测试土体的动力特性指标是现如今土动力学研究的主流方 向，利用试验得到的数据可以得出土体的各项动力参数从而更好的实际工程项目服务。 开展土体的动力学试验首先要通过将土体按照设定的湿度、体积、密度、结构和应力 状态后按试验制样步骤和要求制备于仪器的容器中，随后对试样施加不同形式（正弦 波、半正弦波、方波）和不同强度的振动荷载，最后通过动三轴仪器的数据采集系统 量测土体在振动作用下应力、应变和动孔压等动力指标从而对土体动力特性指标变化 规律进行定性定量分析。 为了研究循环周期荷载下土体的动力特性，科研人员在静三轴

56、试验的基础上研究 开发了动三轴试验系统。动态三轴试验是在向试样施加轴向力的基础上，然后施加具 有不同幅度和形式的周期性动载荷来模拟实际自然界的循环主应力，以便在轴向振动 下获得试样的动态变化规律。根据振动过程中试样的应力-应变关系和孔隙水压力的变 化来确定土壤的动力响应，从而确定动力强度，动剪切模量，动弹性模量，阻尼比 d E ，粘弹性参数等。 2.1 试验仪器设备及功能 2.1.1 动态三轴仪 DYNTTS 系统组成 试验采用英国生产的动三轴仪系统 DYNTTS，该系统由数据采集系统和外部控制 系统两个系统组成，组成示例如图 2-1 所示。其中数据采集系统包括信号接收器、DCS 轴力传感器、

57、孔隙水压力传感器等，外部控制系统包括轴力控制器、压力室、围压控 制器、反压控制器等。 第 2 章 试验内容及试验方案 12 图 2-1 DYNTTS 系统的组成部分 Fig.2-1 The basic framework of the DYNTTS 2.1.2 GDS 动三轴仪实验原理 利用 GDS 动三轴仪可以开展饱和土样的各类三轴试验，通过设置试验条件（固结 条件、排水条件等）来进行各类条件下的动静三轴试验。仪器试验原理为通过围压控 制器和反压控制器将围压和反压调整为事先设定的围压值和反压值 P0，当各组围压 3 反压达到测试目标值时，再通过计算机控制的操作软件 GDSLAP 以控制力或者

58、控制位 移来施加动荷载或者静荷载。GDSLAP 软件负责协调控制围压控制器、反压控制器和 轴向位移力控制系统三者之间关系，GDSLAP 软件对各个传感器采集的数据会按照设 定的计算模式进行处理，软件通过识别试验过程中实际值和目标值之间的差值来输出 试验过程中产生的各组数据，具体如下。 设三轴试样初始直径，初始高度。则计算试样的初始面积和体积的公 0 D 0 H 0 A 0 V 式如下（2-1）和（2-2）所示。 （2-1） 2 00 0 4 D H V （2-2） 2 0 0 4 D A 开展动三轴试验中试样直径为，高度为，面积和体积分别为和。由此可DHAV 以得出试样的体积变化为，试验仪器的

59、反压控制器与试样相连，所以动孔 0 VVV 隙水压力的变化与反压控制器内水的体积变化息息相关，即反压控制器的体积变化数 第 2 章 试验内容及试验方案 13 据为孔隙水压力的数据变化，则还有下列推导公式。实际试样轴向力： 3 =/FA ；孔隙水压力推导出有效应力：；有效轴向应力：； 轴向应变： 33w u w u ；径向应变：；有效固结围压和固结 a0 =（H / H）100% r00 =/100%DDD 3 比得到偏应力：。 c K 13c3 =K 2.2 试验方案和破坏标准 2.2.1 试验方案 饱和橡胶混合砂试样动孔压测试采用应力控制的方式施加正弦荷载，正弦动荷载 的应力幅值为 30kP

60、a，频率为 1Hz，振次为 300 次，通过 GDSLAP 软件记录数据并从 中选取动应力、动应变和动孔压等相关参数。当动孔压达到破坏标准或振次达到 300s 时停止实验，实验方案如表 2-1 所示。 表 2-1 橡胶砂动孔压研究实验方案 Table.2-1 Experimental scheme for research on dynamic pore pressure of rubber mix sand 掺入量/%粒径/mm固结应力比围压/kPa动应力/ kPa 0.751 50，100，150 30 1.5 1，1.5，250，100，150 30 10% 2.51 50，100，15