橡胶-砂混合土动力学研究进展

尹志勇,许鸣珠,景立平,高 攀,韩 雪,杨 光

(1. 湖南文理学院 土木建筑工程学院,湖南 常德 415000; 2. 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

随着全球汽车数量的增加,废旧轮胎的数量逐年增长,产生了大量的废旧轮胎。废旧轮胎具有很强的抗热、抗生物、抗机械性,难以降解,处理不当将造成橡胶资源的浪费及环境污染问题,如长期露天堆放会造成废旧轮胎侵占土地,这很可能会引发严重的危险,比如发生火灾产生有毒的气体会造成空气污染[1]。废旧轮胎的处理已经成为许多城市的一个重大环境问题。目前,全球废旧轮胎的回收水平非常低,特别是在发展中国家。据资料显示[2],发达国家已开始将废旧橡胶应用于在公路桥梁的工程建设中;而我国的废旧轮胎回收再利用形势不容乐观,大部分废旧轮胎被用于生产再生胶或直接焚烧,造成极大的浪费和环境问题,且对废旧橡胶及其破碎后产品的工程应用还非常落后。找到有效的方法来回收和再利用存量巨大的废旧轮胎,对提高我国废旧轮胎综合利用水平、缓解废旧轮胎带来的环境污染问题具有非常重要的意义。

最近的研究表明,废旧轮胎碎块或颗粒与砂土按一定比例混合而成的混合土(以下简称橡胶-砂混合土)具有密度小、弹性变形能力强、模量低、阻尼大等特点,是一种优良、环保的新土工材料,在桥台、道路和边坡等的轻质填料[3-7]、地基处理[8-9]、管道回填[10-12]、隔震(振)垫层[13-17]等土木工程中应用具有巨大的潜力,并且室内试验和现场试验的相关研究表明[18],废旧轮胎不是一种危险的回收材料,在土木工程中的应用不会产生长期的环境问题。

近年来,我国多次发生大地震,如2008年的汶川地震、2010年玉树地震。震害调查显示,在汶川地震和玉树地震中,村镇建筑都遭到了严重破坏甚至倒塌。随着我国经济的快速发展,以叠层橡胶支座和摩擦摆支座为代表的隔震技术在我国建筑结构中被广泛应用,但由于其造价高昂,在经济不发达的村镇建筑中不易推广[19-23]。近年来,学者TSANG[24]首次提出了基于橡胶-砂混合土的岩土隔震系统,研究结果表明该隔震方法隔震性能良好且造价廉价,适用于低层的村镇建筑,工程应用前景十分广阔。为加快推进橡胶-砂混合土这一新土工材料在减隔震方面的工程应用,迫切需要对橡胶-砂混合土动力学相关理论与实践问题的研究给出解答。因此,本文通过归纳和总结,阐述了橡胶-砂混合土动力学的研究进展及成果,指出了当前存在的问题,并就未来的研究方向进行了展望。

1 橡胶-砂混合土的动力学参数

橡胶-砂混合土的动力学参数主要有动剪切模量、阻尼比。橡胶-砂混合土的动力学参数是橡胶-砂混合土动力学的重要组成部分,既是工程设计的依据之一,也是数值模拟时不可缺少的参数[25]。目前,研究成果中橡胶-砂混合土动力学参数的测试方法主要有动三轴试验法、循环剪切试验法、共振柱法和波速法等。

1.1 动剪切模量

橡胶-砂混合土动剪切模量是橡胶-砂混合土动力学参数中的重要指标,是在动荷载作用下橡胶-砂混合土剪切应力与剪应变的比值。国内外学者开展了大量的试验研究橡胶-砂混合土动剪切模量的变化规律,结果表明,动剪切模量主要受橡胶含量、围压、应变幅值、橡胶和砂土粒度特性、加载情况等因素影响。

1)橡胶含量

随着橡胶含量的增加,橡胶-砂混合土的动剪切模量逐渐减小[26-31]。总的来讲,相比较对纯砂土,橡胶-砂混合土具有较低的剪切刚度[32],在砂土中加入橡胶颗粒会使动剪切模量降低[33]。BERNAL-SANCHEZ等[34]的研究结果表明,橡胶-砂混合土的动剪切模量随橡胶含量的增加而减小,但橡胶颗粒的弹性赋予橡胶-砂混合土更大的能力来承受大变形,从而降低剪切模量的衰减。此外,FAKHARIAN等[35]的研究结果表明,在0.002和0.004的剪切应变幅度下,无论初始固结状态如何,增加橡胶含量都有助于降低剪切模量的衰减率。

2)围压

尚守平等[27]、NAKHAEE[28]、NAKHAEI等[29]均发现当橡胶含量不变,橡胶-砂混合土的动剪切模量随围压的增大而增大。BANZIBAGANYE等[36]通过制备直径为100 mm、高200 mm的橡胶-砂混合土试样开展了共振柱试验,结果表明:在小应变时,增大围压会导致剪切模量增大;在较高应变时,增大围压使剪切模量衰减曲线变平。

3)粒度特征

随着橡胶含量的增加,橡胶-砂混合土的干密度逐渐降低[32],橡胶-砂混合土的剪切模量受砂土的粒度特性影响(如:平均颗粒尺寸和均匀系数),动剪切模量随橡胶颗粒尺寸的增大而增大[37],SARAJPOOR等[38]认为动剪切模量的增大可以归因于含有较大尺寸橡胶颗粒的混合土中产生了更多的砂-砂接触。EHSANI等[39]在扭转共振柱和动三轴试验中发现,橡胶与砂的相对平均粒径比D50r/D50s的增加导致橡胶-砂混合土的剪切模量更高,而降低D50r/D50s或使用更细橡胶材料会导致更严重的模量降低,特别是在较小的剪切应变幅度下。

4)剪应变幅值

橡胶-砂混合土的剪切模量高度依赖于剪切应变[38,40],橡胶-砂混合土的剪切模量随剪切应变的增达而减小[34]。此外,MADHUSUDHAN等[40]的研究还表明,在含砂量较低时,动剪切模量随剪切应变的减小幅度小于橡胶含量较低时的减小幅度。

5)加载情况

徐小东等[41]对橡胶-砂混合土开展了循环剪切试验研究,结果表明,随着竖向荷载的增大,动剪切模量变大。MADHUSUDHAN等[40]发现随着加载循环次数的增加,动剪切模量的降低不显著;并且将动力单剪试验结果与循环三轴试验结果进行比较,还发现循环三轴试验得到的动剪切模量约为动力单剪试验的5～7倍,这可能是由于2种试验类型的循环荷载方向不同所致。MADHUSUDHAN等[42]的研究结果表明加载频率对橡胶-砂混合土的动剪切模量影响不显著,而DING等[43]研究结果表明,橡胶-砂混合土的动剪切模量的变化与加载频率的变化成反比。此外,吴孟桃等[44]、陈璐[45]通过开展橡胶-砂混合土的大型循环单剪试验,对橡胶-砂混合土的动剪切模量有了新的认识:在大应变情况下,橡胶-砂混合土的动剪模量随循环次数变化的存在临界值;竖向加载次数对动剪切模量影响显著且存在临界值,该范围内随竖向加载次数增加橡胶-砂混合土的动剪切模量也增大。

6)其他

吴孟桃等[44]、陈璐[45]均发现在大应变情况下,含水率对动剪切模量的影响显著。MADHUSUDHAN等[46]的研究结果表明:除纯砂外,饱和条件下的动剪切模量均高于干燥条件下的动剪切模量;在大应变水平下,饱和对剪切模量的影响不显著。FAKHARIAN等[35]研究结果表明:与纯砂相比,初始各向异性固结对橡胶-砂混合土的动剪切模量影响较小,这是由于橡胶颗粒的高度弹性和各向同性所致,而与橡胶含量大小无关。

目前,针对橡胶-砂混合土动剪切模量的研究大都是基于纯净砂与橡胶颗粒的混合物,而自然界中广泛分布着含细粒土的非洁净砂土,已有研究表明,细粒土的存在对砂土的物理特性、渗透特性、动力特性等方面均有不同程度的影响,即含细粒的非纯净砂土与纯净砂在静动力学特性存在不同程度差异[47-53]。此外,实际工程中采用纯净砂,将导致工程造价的增加不符合经济性原则。橡胶-砂混合土作为隔震材料的应用必须考虑其工程性能,参数的变化会产生积极或消极的影响。另外,加载频率对橡胶-砂混合土动剪切模量的影响尚未形成统一认识。因此,试样的制备方法、试样的材料选取、试验方法等对橡胶-砂混合土动剪切模量影响的研究还需进一步的完善。

1.2 阻尼比

橡胶-砂混合土的阻尼比是衡量橡胶-砂混合土吸收动荷载能量能力的尺度,通常用阻尼系数与临界阻尼系数之比表示。对橡胶-砂混合土阻尼比的大量研究表明,橡胶含量、围压、应变幅值、橡胶和砂土粒度特性、加载情况等是影响阻尼比的主要因素。

1)橡胶含量

橡胶-砂混合土的阻尼比与橡胶含量密切相关,阻尼比随着混合土中的橡胶-含量的增加而增大[54-56]。此外,LI等[57]的研究结果表明,对于较低的橡胶含量(质量占比<20%),橡胶含量的变化对阻尼的影响较小。有学者还发现橡胶含量对橡胶-砂混合土阻尼比的影响与剪切应变和围压相关。PISTOLAS等[58]指出橡胶含量对阻尼比的影响取决于剪切应变水平:对于低剪切应变(γ<10-4)时,橡胶-砂混合土的阻尼比高于砂土的阻尼比;对于中等剪切应变水平(10-4<γ<5×10-3)时,橡胶-砂混合土的阻尼比低于砂土的阻尼比,高剪切应变水平(γ>5×10-3)时出现反转,橡胶-砂混合土的阻尼比大于砂土的阻尼比。SARAJPOOR等[38]、LI等[37]均发现当剪切应变幅度小于临界应变值时,橡胶-砂混合土的阻尼比随着橡胶体积含量的增加而增加,并表现出比纯砂更高的阻尼比;当剪切应变高于临界应变值时,观察到相反的趋势。NAKHAEI等[29]发现在50 kPa和100 kPa的围压下,随着橡胶含量增加,橡胶-砂混合土的阻尼比随之越小,而对于200 kPa和300 kPa的围压下结果却相反。

与纯砂相比,橡胶颗粒的加入使得橡胶-砂混合土表现出更多的阻尼特性,但对于阻尼比最大值所需的橡胶含量存在分歧,如:李丽华等[33]的研究结果表明,橡胶含量介于30%～40%时阻尼比可达最大值,而MADHUSUDHAN等[42,46]发现橡胶含量为10%时的橡胶-砂混合土的阻尼比表现最高。

2)围压

橡胶-砂混合土的阻尼比增加随着围压的增加而增加[29,55]。但不少学者持不同的观点,如LI等[37]发现阻尼比随围压的增加而略有下降,DING等[43]认为阻尼比与围压呈负相关的关系。此外,LI等[57]通过共振柱试验和动三轴试验发现大应变水平下的较低围压下具有略高的阻尼比。PISTOLAS等[56]发现低应变水平下,围压变化对阻尼比的影响随着橡胶含量的增加而定界。BANZIBAGANYE等[36]发现在小应变时,增大围压会导致阻尼比减小;在较高应变时,增大围压使阻尼比增长曲线变平缓。

3)粒度特征

由于橡胶颗粒和橡胶与橡胶以及砂与橡胶接触的可变形性,橡胶-砂混合土会表现出更多的阻尼特性。EHSANI等[39]发现胶砂平均粒径比D50r/D50s的增加不会显著影响阻尼性能。LI等[57]的研究结果表明,对于较低的橡胶含量(质量占比<20%),阻尼比不受橡胶尺寸的显著影响。但后续学者们却发现了一些不同的规律,如:PISTOLAS等[56]发现减小平均粒径尺寸比D50r/D50s,阻尼比会增加,并且认为这是由于形成了土-橡胶骨架的滞回行为;SARAJPOOR等[38]发现当橡胶-砂混合土的相对密度和橡胶含量一定时,随着橡胶尺寸的增大,阻尼比减小,橡胶含量越大,这种行为越明显;另一方面,当橡胶颗粒的尺寸减小时,砂-橡胶和橡胶-橡胶的接触点数量增加,促进了剪切加载过程中砂粒的运动,从而导致橡胶-砂混合土具有更高的阻尼比。

4)加载情况

吴孟桃等[44]、陈璐[45]利用大型循环单剪试验,系统地研究了不同循环次数对橡胶-砂混合土阻尼比的影响,研究结果表明:在大应变情况下,橡胶-砂混合土的阻尼比随循环次数变化的存在临界值。MADHUSUDHAN等[40]的研究结果表明,随着加载循环次数的增加,阻尼比的降低不显著,在大约7个加载循环时达到稳定。此外,还有学者的研究结果表明阻尼比随轴向应变增大而增大[46],阻尼比对加载频率改变不敏感[43]。

5)其他

MADHUSUDHAN等[40]发现采用动力单剪试验结果和循环三轴试验中得到的阻尼比值实际上是相同的。MADHUSUDHAN等[46]的研究表明,干燥状态下橡胶-砂混合土的阻尼比均高于饱和状态下的橡胶-砂混合土。吴孟桃等[44]、陈璐[45]发现阻尼比受含水率影响显著。FAKHARIAN等[35]发现初始各向异性固结对橡胶-砂混合土的阻尼比没有显著影响。

目前,橡胶含量、围压、颗粒特性等评估参数对橡胶-砂混合土阻尼比的影响仍存在不同观点,这显示出橡胶-砂混合土与评估参数关系复杂,变化规律存在很大的不确定性,需进一步深入研究不同评估参数对其阻尼比的影响,不同评估参数之间对橡胶-砂混合土阻尼比存在着耦合影响,而这一问题尚无研究报道。

2 橡胶-砂混合土的动强度

橡胶-砂混合土的动强度特性的获取必然离不开土动力试验。国内外学者们研究在橡胶-砂混合土的动强度问题时开展了大量的动三轴试验,主要考察了橡胶-砂混合土的抗液化特性。

目前,在饱和砂土掺入废旧橡胶是否会提高其抗液化性能方面存在2种观点。一是在饱和砂土掺入废旧橡胶会显著提高其抗液化性能,橡胶-砂混合土相比较砂土具有更高的抗液化能力[59-62]。HYODO等[63]的研究结果表明,当橡胶体积含量大于50%时,橡胶-砂混合土将不会发生液化。橡胶的掺入使橡胶-砂混合土在本质上具有延性[40],橡胶颗粒的加入可以抑制橡胶-砂混合土的动孔隙水压力的产生和积累[42-43],提高了抗液化性能。LIU等[64]研究了橡胶-尾矿砂混合土的动态特性,发现橡胶-尾矿砂的液化循环次数比尾矿砂提高了50%。此外,基于动三轴试验,学者们还发现:①橡胶-砂混合土的抗液化性能随着橡胶含量的增加而提高[65-66];②胶砂粒径比大的橡胶-砂混合土与胶砂粒径比小的比,具有更高的抗液化性[62];③在相同的橡胶含量情况下,增大围压可提升橡胶-砂混合土的抗液化效果,而围压增大不会显著影响胶砂粒径比大的橡胶-砂混合土的抗液化性能[62];④饱和的橡胶-砂混合土的抗液化性能受pH值的影响[64],在不同pH下浸泡28 d后其抗液化性能显著降低,抗液化性能随pH值的增加先减小后增大。二是在饱和砂土掺入废旧橡胶会减弱其抗液化性能。李丽华等[33]、PROMPUTTHANGKOON和HYDE[67]的研究结果均表明同等条件下,橡胶-砂混合土的抗液化能力小于纯砂。此外,SHARIATMADARI等[68-69]发现当橡胶-砂混合土中的橡胶颗粒体积含量从0%增加至25%,橡胶-砂混合土的抗液化能力先降低后提高。MASHIRI等[61]发现随着橡胶质量配比逐渐增大,橡胶-砂混合土的抗液化能力呈现先增大后稍微减小的趋势。LIU等[64]以橡胶-尾矿砂混合土为对象开展了动三轴试验,结果表明在橡胶粒径不变的前提下随着橡胶含量和围压的增大,橡胶-尾矿砂混合土的抗液化能力均呈先增大后减小的趋势。

现有动强度研究多涉及橡胶-砂混合土的抗液化特性,对其他问题的研究还需要进一步的完善。橡胶颗粒的加入是否会提高饱和砂土的抗液化能力仍存在分歧,需进一步深入开展饱和橡胶-砂混合土抗液化效果研究。

3 动力特性经验模型

在场地地震反应分析和结构抗震设计中,以归一化动剪切模量和阻尼比曲线的形式表现出来的土动力特性是数值分析方法的主要组成部分之一[70]。动力特性经验模型可预测动荷载作用下土体的动力特性,也是准确计算橡胶-砂混合土的非线性响应的前提条件。

土的动模量函数通常采用HARDIN等[71]提出的以骨干曲线为基础而建立的动模量函数来表示:

(1)

式中:G为动剪切模量;G0为初始动剪切模量;γd为动剪应变;γr为参考应变。FENG等[26]将参考应变的概念应用到橡胶-砂混合土,当把混合土中橡胶的体积被视为空隙时,G0可以根据HARDIN和DRNEVICH[72]的经验公式来估计。学者们对于橡胶-砂混合土动力特性经验模型的研究总结如表1所示。由表1可知,现有的经验模型都是基于共振柱或动三轴试验数据的统计分析,在HARDIN等[72]提出的双曲线模型基础上,综合考虑多种评估因素(如:橡胶含量、围压、粒度特征)进行改进而形成的橡胶-砂混合土动力特性经验模型。试验中考虑的评估参数较少,还没有一个数据支撑考虑工程实际下的经验模型,橡胶-砂混合土动力特性经验模型还需要做进一步的研究。

表1 动力特性经验模型

4 当前存在问题与展望

橡胶-砂混合土可作为新型的减隔震材料,在土木工程中的应用前景非常广阔。搞清楚橡胶-砂混合土的动力学特性是加快这一土工材料在工程应用中推广的重要前提。为此,国内外学者从不同的方面进行探索,取得了长足的进展和丰硕的成果,使得学者对橡胶-砂混合土的动力学特性有了一定的认识,但是要更加深入地了解橡胶-砂混合土的动力学特性,还面临许多亟待解决的问题。对于橡胶-砂混合土动力学领域的研究,今后建议着眼于以下几个方面的工作:

1)试验材料方面,以非洁净砂为材料开展试验研究。含细粒的非纯净砂土与纯净砂在静动力学特性存在不同程度差异,以洁净砂为材料开展橡胶-砂混合土相关试验的研究成果可能无法真实反映实际情况。此外,在实际工程中,多使用非洁净砂为建造材料,使用洁净砂为建造材料将导致工程造价偏高。

2)试验尺寸方面,大型共振柱或动三轴试验以及大直径试样的相关研究成果还比较欠缺。常规试验尺寸的研究成果已经积累了大量的数据和规律,但是对于实际工程建设中能否很好地进行应用,还需要更宽范围粒径尺寸和大型试验的研究,以便能够更好地反映实际情况,对工程设计应用进行指导。

3)对橡胶-砂混合土的物理性质开展深入研究。橡胶-砂混合土作为减隔震材料应用必须考虑其工程性能,橡胶-混合土的力学性质,物理性质以及在实际工程应用中如何平衡动力特性与其他性质的关系亟需探讨。

4)评估参数对橡胶-砂混合土动力特性的耦合影响。研究表明,橡胶含量、围压、应变幅值等评估参数对橡胶-砂混合土动力特性具有重要影响。然而,橡胶和砂土粒度特性、加载情况、试样的制备方法、试验方法等因素对橡胶-砂混合土动力特性的影响尚不充分。特别是阻尼比方面,橡胶含量、围压等评估参数对橡胶-砂混合土阻尼比的影响已经有了模棱两可甚至相互矛盾的结果,这表明橡胶-砂混合土动力特性与评估参数关系复杂,需进一步深入研究各评估参数对动力特性的影响,探讨不同评估参数对橡胶-砂混合土动力特性的耦合影响。

5)饱和橡胶-砂混合土抗液化性能系统性研究。目前,橡胶颗粒的加入是否会提高饱和砂土的抗液化能力仍存在分歧,这可能和学者之间采用的试验材料、试验方法不同有关,尚需对饱和橡胶-砂混合土抗液化能力开展深入系统的研究。

6)建立考虑实际工程影响的橡胶-砂混合土动力特性经验模型。土动力特性经验模型是实际工程中开展场地地震反应分析的重要设计参考,不同评估参数对橡胶-砂混合土动力响应的影响规律研究十分必要。现有研究中所建立的经验模型涉及评估参数较少,面对工程应用尚缺乏数据支撑,考虑实际工程影响的经验模型值得探讨和深入研究。

5 结论

本文从橡胶-砂混合土动力学参数、动强度、动力特性经验模型三方面介绍了橡胶-砂混合土动力学特性研究现状,指出了当前存在的问题,并就未来研究方向给出了建议。主要研究成果如下:

1)研究结果表明,橡胶颗粒的加入会使砂土的动剪切模量降低,橡胶-砂混合土的动剪切模量随橡胶含量增加而减小,随围压增大而增大,随橡胶颗粒尺寸增大而增大,随剪切应变增大而减小,随竖向荷载增大而增大。另外,含水量、加载次数、加载频率等因素对橡胶-砂混合土的动剪切模量也存在影响。

2)加载频率对橡胶-砂混合土阻尼比的影响较小,而橡胶含量、围压、应变幅值、粒度特性、加载情况等评估参数对橡胶-砂混合土的阻尼比影响显著,但这些评估参数对橡胶-砂混合土阻尼比的影响尚未形成共识需进一步完善,不同评估参数对橡胶-砂混合土的阻尼比的耦合影响亟需探讨。

3)橡胶-砂混合土动强度问题的研究较为局限,成果主要在抗液化特性方面,然而对在饱和砂土中掺入橡胶颗粒是否会提高其抗液化性能仍存在分歧,橡胶-砂混合土的抗液化效果研究需要进一步的完善。

4)橡胶-砂混合土动力特性可在双曲线模型基础上拟合形成经验模型,并考虑多种评估因素的影响,但现有的经验模型试验中考虑的评估参数较少,针对工程应用还需要进一步完善相应的数据支撑,考虑实际工程影响的经验模型值得探讨和深入研究。