RST轻质砂强度特性试验研究

史 萍，李大勇

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049； 2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590； 3.山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

RST轻质砂强度特性试验研究

史 萍1，2，3，李大勇2，3

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049； 2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590； 3.山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

为了研究RST轻质砂抗剪强度特性，对不同配合比的RST轻质砂进行常规三轴固结不排水试验，得到在不同条件下的应力应变关系曲线.研究发现，初始相对密实度越大，软化现象越明显；橡胶颗粒掺量的影响随应力水平的不同而变化，而且抗剪强度指标随橡胶颗粒掺量的增加呈现明显减小的趋势；粒径不同时，RST轻质砂的峰值应力存在差异性，掺加的橡胶颗粒最佳粒径为不大于0.5mm；固结围压对峰值应力比和残余应力比的影响较大. 研究成果可作为进一步研究这种新材料本构关系的依据.

RST轻质砂；废旧轮胎；细砂；橡胶颗粒；固结不排水剪切试验

随着我国经济的快速发展，橡胶产量整体保持稳步增长的态势.近几年橡胶轮胎外胎产量和产量增长率一直走高，随之废旧橡胶的数量迅速增多.目前以每年两位数的速度增长，如果不对其进行适当处理，势必会对环境造成严重污染.因此废弃橡胶的处理日益得到重视，研究用废弃橡胶研磨的橡胶颗粒在岩土工程中的应用具有重要的实际意义.由于橡胶颗粒具有质量小、弹性变形能力强、渗透能力强、成本低廉等特点，在岩土工程领域关于橡胶碎片力学性质的相关研究开展的比较早，多集中在对橡胶碎片的强度和变形特性[1-2]、橡胶碎片与土混合物的相关性能研究[3-5]等方面，积累了大量研究成果和工程经验，为橡胶碎片和颗粒在岩土工程中的应用起到了一定的借鉴作用.针对橡胶碎片和颗粒在岩土工程中的应用和研究多集中在橡胶碎片和土的混合物研究方面，而对橡胶颗粒和砂的混合物研究比较少，Lee[6]和Zornberg[7]、Gotteland[8]、邓安[9]、李丽华[10]等对橡胶-砂混合物进行了固结排水剪切试验，发现混合物的剪切特性介于纯橡胶颗粒和纯砂颗粒之间，橡胶含量和围压对其剪切特性都有显著影响，而未考虑初始相对密实度、橡胶颗粒掺量、橡胶颗粒粒径等因素的影响.

综上所述，橡胶颗粒含量和所选定的围压对橡胶颗粒砂混合物的剪切特性有影响，揭示初始相对密实度和橡胶颗粒粒径对混合砂的力学特性影响是亟待解决的问题.为此，笔者尝试将废弃橡胶粉碎物与砂、水按一定比例混合，制成废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合物(lightweight sand mixed with rubber chips of scrap tires，以下简称RST轻质砂)[11]，采用应变控制式普通三轴仪，研究不同围压条件下，多种配比方案的RST 轻质砂强度特性的影响规律，研究其固结不排水剪切特性.

1 试验材料及方案设计

试验用砂选取青岛黄海金沙滩细海砂，试样的物理参数见表1.

表1 试验用砂的物理参数

天然含水率w/%最大孔隙比emax最小孔隙比emin比重级配情况粒组分类28．830．9030．5952．684不良细砂

试验采用的橡胶颗粒由粉碎加工设备将废旧轮胎切割呈均匀粒径，粒径范围分别控制在(0，0.5]、(0.5，1]、(1，2]、[3，5]，将细海砂和橡胶颗粒置于烘箱内烘干，然后按照计算称量，将两者与水进行均匀混合.

为研究所选定的围压和初始相对密实度、橡胶颗粒含量、橡胶颗粒粒径对RST 轻质砂力学性质的影响，首先在不同的固结围压条件下，对不同初始相对密实度的纯砂试样做固结不排水三轴剪切试验，然后在不同围压条件下，对掺加不同橡胶颗粒掺量、不同橡胶颗粒粒径的混合物做固结不排水三轴剪切试验.

试验方案分为三组：

第一组：在固结围压分别为100kPa、200kPa、300kPa条件下，测定不同初始相对密实度的纯砂试样的固结不排水三轴剪切试验；

第二组：在固结围压分别为100kPa、200kPa、300kPa条件下，测定掺加不同质量的橡胶颗粒的RST 轻质砂的固结不排水三轴剪切试验；

第三组：在向同固结围压条件下，测定掺加不同粒径的橡胶颗粒的RST 轻质砂的固结不排水三轴剪切试验.

三轴试验直径为39.1mm，高度为80mm.试样采用砂雨法制样[12]，进行固结不排水三轴试验，首先将饱和试样在围压下固结，围压分别取100kPa、200kPa、300kPa，然后关闭排水阀门，施加轴向应力差.三轴剪切试验采用应变控制式，加载速率为0.005mm/min，试验过程中实时记录荷载、位移等参数的变化.

2 试验结果及分析

2.1 应力应变特性

2.1.1 初始相对密实度的影响

图1为不同初始相对密实度条件下纯砂试样的应力应变关系曲线.从图1中可以看出，不同初始相对密实度条件下纯砂的应力应变关系曲线大致呈双曲线型，相同的应力水平下，试样的峰值应力随着初始相对密实度的增大而增大，且出现峰值时的轴向应变也在逐渐增大，但均未达到总轴向应变的10%.

在初始变形阶段，有一段切线斜率较小的曲线，依据制样方法推断，出现此现象的原因为施加轴向应力前试样顶端会有少量水，而导致试验初始没有能及时施加竖向应力，但是此部分水对试样的高度有一定挤压作用，所以轴向应变显现出相对于应力差增长更快的趋势.而随着试验的进行，竖向应力很快直接作用到土样顶部，此时显现近似双曲线型的变形特点.较高的围压在固结过程中更有效地促进颗粒密实及变形，所以在高围压固结条件下，初始切线模量随试样密实度的增大而增大.

(a)σ3=100kPa (b)σ3=200kPa (c)σ3=300kPa图1 相同围压、不同初始相对密实度条件下的应力应变关系

对于应力水平较低的试样，出现峰值应力前试样的初始变形模量没有明显规律，这与对于同一类型的应力路径，随着粉质黏土固结压力的增大，初始切线模量增大的理论[13]相悖.究其原因主要有两个方面：一是此试验中砂粒级配不良，单位体积中颗粒接触点少，接触应力多，且砂粒之间黏聚力非常小，近似为0，在剪切试验中砂粒呈现一定的滑动特性；二是较低的围压没有很好的约束试样，不能使得土体颗粒充分黏结在一起.

初始相对密实度是影响砂土强度的重要因素，相对密实度越大，孔隙比越小，承受的轴向应力越大，故主应力差越大.初始相对密实度较小的海砂(Dr=0.3)，在剪切过程中会出现应变硬化现象，大约在轴向应变为3%时即达到了峰值强度；随着初始相对密实度的逐渐增大，软化现象逐渐显现，当达到0.7以上时，海砂在剪切过程中均出现较明显的应变软化现象，大约在轴向应变为6 %时达到峰值强度，然后随着应变增加，其应力差减小，随后尽管应变增加，应力差不再变化，此时试验中的超静孔压急剧上升，有效应力减小，实际砂土呈流动状态，也称为“流滑”，此时的强度为残余强度.虽然饱和砂土试样流动了，但应力状态并未达到其强度，峰值应力差对应的有效应力路径远未达到有效应力破坏线，并未达到砂土真正意义上的“破坏”，所以有学者提出用最大应力比分析更合理[14].

2.1.2 橡胶颗粒掺量的影响

图2为初始相对密实度为0.7时，不同橡胶颗粒掺量条件下RST 轻质砂的应力应变关系曲线.

(a)σ3=100kPa (b)σ3=200kPa (c)σ3=300kPa图2 相同围压、不同橡胶颗粒掺量条件下的应力应变关系

从图2中可以看出，掺加橡胶颗粒后的RST轻质砂的应力应变曲线依然为双曲线.在较低应力水平(σ3≤200kPa)作用下，随着橡胶颗粒掺量的增加，试样的峰值应力并没有发生显著的改变，轴向应变也维持在同一范围，也就是说较低应力水平下，峰值应力和轴向应变基本不随橡胶颗粒含量而变化.

在较高应力水平(σ3>200kPa)条件下，随橡胶颗粒含量的增加，试样的峰值应力逐渐降低.在围压为300kPa时，峰值应力差由掺量为5%时的1 431kPa，逐渐降低到掺量为45%时的1 050kPa，且随着橡胶颗粒含量的增加，降低的幅度越来越大.当橡胶颗粒掺量为45%时，峰值应力差明显低于纯砂试样在相同围压下的峰值应力差， 围压为300kPa时，由纯砂时的1587kPa降低到1 050kPa.

综上分析，随着橡胶颗粒掺量的增加，RST轻质砂中砂的含量减小，抗剪切能力随之逐渐减弱，而且一部分砂粒填充在橡胶颗粒内部，削弱了砂粒之间的咬合，故高压作用下，峰值应力会随着掺量的增加而逐渐降低；而在较低围压作用下，橡胶颗粒的摩擦强度分量可以弥补被替代砂粒的剪胀和摩擦分量,导致低围压下抗剪强度受橡胶颗粒掺入量的影响较小，因此在低围压作用下，峰值应力基本不随橡胶颗粒掺量的变化而变化.

2.1.3 橡胶颗粒粒径的影响

为了分析橡胶颗粒粒径对RST 轻质砂剪切峰值的影响，本次实验利用振动筛筛出用四种不同粒径的橡胶颗粒掺入砂中，为了较好成型，按照初始相对密实度为0.7制样，固结围压为200kPa，进行固结不排水剪切试验，试验结果如图3所示.

图3 掺加不同粒径橡胶颗粒的试样应力应变关系曲线

对于在相同围压条件下固结，当砂中橡胶颗粒掺量相同，而粒径不同时，RST轻质砂的峰值应力存在差异性：掺入橡胶颗粒粒径不大于0.5mm时，试样的峰值应力最大，且达到峰值应力时的轴向应变也最大；随着掺加橡胶颗粒粒径的增大，峰值应力逐渐减小，而且应变软化特点愈加显著.这是因为，小粒径的橡胶颗粒可以改善细海砂的级配，增大土样密实度，从而提高了试样的抗剪强度；而粒径较大的橡胶颗粒，容易使一部分砂粒填充在内，使砂样的剪胀效应减弱，从而降低了抗剪强度.

综上分析，掺加粒径不大于0.5mm的橡胶颗粒可以提高土样的抗剪强度.

2.2 抗剪强度指标和最佳橡胶颗粒掺量的讨论

图4为围压为200 kPa时不同橡胶颗粒掺量条件下RST轻质砂试样的黏聚力和内摩擦角变化规律.试样的内摩擦角大小随橡胶颗粒掺量的增加呈现明显减小的趋势；而在橡胶颗粒掺量不大于15%时，黏聚力随橡胶颗粒掺量的增大而增大，反之则存在一定程度的衰减.

图4 抗剪强度指标和橡胶颗粒掺量关系

随着橡胶颗粒掺量(质量分数)的增加，试样的黏聚力c从纯砂时的0kPa(橡胶颗粒掺量为0时)逐渐增大到37 kPa(橡胶颗粒掺量为15%时)，继而逐渐减小，内摩擦角从36。(橡胶颗粒掺量为15%时)逐渐降低到28。(橡胶颗粒掺量为45%时). 这是因为掺入的橡胶颗粒使颗粒之间具有一定的“黏聚力”，同时当橡胶颗粒掺量过高时，砂含量较小，高压固结作用下，一部分砂粒填充在橡胶颗粒内部，削弱了砂粒之间的咬合，摩擦力减小，因此内摩擦角较小.

综上所述，对于常压条件(不大于200kPa)，RST砂样中橡胶颗粒最佳掺量为15%，而对于围压较高的工况橡胶颗粒的最佳掺量大小还有待进一步研究.

2.3 峰值应力比和残余应力比

峰值应力比和残余应力比是分析地基承载力问题的重要指标，对于一般地基承载力问题用峰值应力比分析，而对于古旧滑坡、断层夹泥和大变形问题等塑性变形较大的情况，应采用残余应力比进行分析.为了得到橡胶颗粒掺量对RST轻质砂的峰值应力比和残余应力比的影响，在此文中分析峰值应力比和残余应力比与围压的关系曲线，分别如图5和图6所示.

图5 峰值应力比和围压关系

图6 残余应力比和围压关系

如图5所示，峰值应力比受各种因素影响，围压较小时，橡胶颗粒掺量对峰值应力比的影响不大，而当围压较大时，橡胶颗粒掺量和试验围压越大，峰值应力比越小.如图6所示，较低围压下残余应力比基本不受围压影响，但围压高于200kPa时，随着橡胶颗粒掺量的增大，残余应力比急剧降低.

综上所述，在低围压和高围压条件下，峰值应力比和残余应力比均有显著差异，因此在临界状态分析及RST力学模型研究中需要综合考虑不同围压条件下所得到的强度参数，以期获得能够综合考虑常压至高压下强度、变形特性的理想模型.

3 结论与展望

(1)初始相对密实度是影响砂土强度的重要因素，初始相对密实度较小的海砂，在剪切过程中会出现应变硬化现象；随着初始相对密实度的逐渐增大，软化现象逐渐显现.

(2)在较低应力水平作用下，峰值应力和轴向应变基本不随橡胶颗粒含量而变化，而在较高应力水平条件下，随着橡胶颗粒掺量的增加，试样的峰值应力逐渐降低.

(3)当固结围压相同、砂中橡胶颗粒掺量相同、粒径不同时，RST轻质砂的峰值应力存在差异性，掺加的橡胶颗粒最佳粒径为不大于0.5mm.

(4)砂土试样的内摩擦角随橡胶颗粒掺量的增加呈现明显减小的趋势；而常压条件下当橡胶颗粒掺量不大于15%时，黏聚力随橡胶颗粒掺量的增大而增大，反之则存在一定程度的衰减.

(5)在较低围压固结条件下峰值应力比和残余应力比基本不受围压影响，但围压较大时，随着橡胶颗粒掺量的增大， 峰值应力比和残余应力比都急剧

降低.

(6)为了得到更理想的RST轻质砂临界状态和力学模型，必须综合考虑不同围压条件下所得到的强度参数，有待于进一步研究.

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(编辑：姚佳良)

Experimental research on steady strength of RST lightweight sand

SHI Ping1，2，3，LI Da-yong2，3

(1.School of Architecture Engineering， Shandong University of Technology, Zibo 255049, China； 2. Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation， Qingdao 266590， China； 3.College of Architecture and Civil Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China)

Based on the consolidated undrained triaxial compression tests, the lightweight sand mixed with rubber chips of scrap tires of different ingredient proportions is studied to analyze its shear strength properties. The results show that with the increase of initial relative density, the stress-strain curves of the sand changes from the hardening type to the softening one. The influence of rubber particle content varies with the stress level, and the shear strength index decreases obviously with the increase of the rubber particle content. When the grain size is different, the peak stress of RST light sand is different.The best particle size of rubber particles is not more than 0.5mm. The effect of consolidation pressure on peak stress ratio and residual stress ratio is bigger. Thus the present findings may lay a foundation for further researches on the constitutive relation properties of the soil.

RST lightweight sand；scrap tire；fine sand；rubber chip；consolidated undrained triaxial compression test

2016-12-08

国家自然科学基金项目(51379118) ；山东省土木工程防灾减灾重点实验室开放基金项目(CDPM2013KF02)

史萍, 女, shiping0813@163.com； 通信作者：李大勇，男，ldydy@163.com

1672-6197(2017)06-0001-05

TU443

A