废旧轮胎加筋路基的力学特性研究

郭 锐

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西吕梁 032300）

0 引言

废旧轮胎难以降解，直接填埋需要占用大量土地，同时还会带来巨大的环境污染[1]。为了减小废旧轮胎对环境的压力，许多学者已经将废旧轮胎运用到边坡防护、地基填料和挡土墙等工程的修建中[2-6]。废旧轮胎质量轻、弹性好，是良好的土木工程材料。在工程领域，直接将废旧的整个轮胎内部加填料用于地基加固、边坡防护及挡墙等工程中，具有较为广阔的发展应用前景[7-8]。但目前对于废旧轮胎在工程中应用的研究仍不充分，相关基础理论研究欠缺，更没有合适的标准和规范可以参照，不足以支撑其在工程中的大规模运用，因此需要进行废旧加筋路基相关的试验研究，为其在工程中的应用提供参考。

1 数值模型

1.1 建立计算模型

为了研究轮胎在土体内的力学响应，建立直径2 m、高1.5 m 的实体圆柱体模型模拟土体，划分单元网格如图1所示，土体采用邓肯-张本构模型，土体参数见表1。废旧轮胎规格：直径60 cm，宽（高）20 cm，模型中的废旧轮胎材料采用FLAC 3D 中内置的衬砌结构单元（liner）来进行模拟，如图2所示。衬砌结构单元具有两个界面，可以反映轮胎外部土体和轮胎内部土体与轮胎的相互作用。本文对于废旧轮胎的模拟就采用内外不同的摩擦角、筋土黏聚力等材料特性，反映轮胎内外与土的不同相互作用。废旧轮胎加筋材料参数采用表2 中的材料参数。

表2 废旧轮胎加筋材料参数

图1 FLAC 3D土体模型图

图2 轮胎模型示意图

1.2 数值模拟工况

数值模拟试验以废旧轮胎加筋土模型为研究对象，在模型上表面施加竖直均布荷载，分析土体性质（根据土体参数不同，定义两种土体分别为松散砂土、密实砂土，具体参数见表1）、轮胎加筋层位置和轮胎加筋层层数对土体荷载-沉降特性的影响，共分为18组基础试验，各基础试验组工况参数如表3所示，加筋层位置示意见图3。

表3 数值模拟基础试验工况

图3 轮胎加筋层位置示意图

2 土体性质对加筋土性能的影响

由图4 可见，对比松散砂（ZL）、松散砂-加筋（TL）或密实砂（ZD）、密实砂-加筋（TD）曲线，砂土经过轮胎加筋后能够极大地增强土体的承载能力；同时在相同荷载作用下，经过加筋后的土体，所产生的沉降量较未加筋土体产生的沉降量略大，是因为土体经轮胎加筋后，相同荷载作用下由于轮胎弹性模量小产生的弹性变形大，导致土体整体沉降量较加筋前变大，并且由于轮胎受径向荷载作用而变形对所包裹土体提供环向约束，增大了土体的承载能力。

图4 不同密实度砂荷载-沉降曲线

对比松散砂（ZL、TL）和密实砂（ZD、TD）两组曲线可知，在相同的荷载作用下，松散砂土加筋前后沉降量的差值小于密实砂土加筋前后沉降量的差值，表明松散砂土在加筋后，轮胎的变形和轮胎与土体相互作用下的变形更小，轮胎对于松散砂土的约束能力更好，松散砂土的加筋效果更好。

3 轮胎对加筋土性能的影响

3.1 轮胎加筋层位置对加筋土性能的影响

由图5、图6 可见，对比松散砂土与密实砂土两种土体下的6 个工况，在相同荷载的作用下，加筋层的位置越靠近土体的下方，加筋土体的沉降量越小，由于在模型上表面施加竖向均布荷载，加筋层的位置越靠近上表面，在施加荷载后加筋层轮胎变形越大，所产生土体沉降越大。相比较之下，轮胎加筋层的位置对土体沉降以及土体承载力的影响较小，且在两种密实度土体中均表现出相同的性状，差异较小。

图5 松散砂土不同加筋层位置荷载-位移曲线

图6 密实砂土不同加筋层位置荷载-位移曲线

3.2 轮胎加筋层层数对加筋土性能的影响

由图7 可知，加筋层数不同的松散砂土的沉降量受最上层加筋层的位置影响。1 层加筋，加筋层的位置越靠下，相同荷载作用下的沉降量越小。2 层加筋，加筋位置为中层和下层（BL3），在相同荷载作用下的沉降量小于加筋位置为上层中层（BL1）、上层下层（BL2），工况BL1、BL2，沉降量基本相同。2 层加筋松散砂土，在相同荷载作用下，最上层加筋层的位置越靠下，沉降量越小。3 层加筋松散砂土，在相同荷载作用下，沉降量大于1 层加筋、2 层加筋砂土。

图7 松散砂土不同加筋层数荷载-沉降曲线

由图8 可知，加筋层数不同的密实砂土的沉降量受最上层加筋层的位置影响。1 层加筋，加筋层的位置越靠下，相同荷载作用下的沉降量越小。2 层加筋，最上层加筋层的位置越靠下，沉降量越小，次一层加筋层的位置对沉降量的影响较小。3 层加筋，在相同荷载作用下，沉降量大于1 层加筋、2 层加筋砂土。

图8 密实砂土不同加筋层数荷载-沉降曲线

4 结论

a）经过废旧轮胎加筋后的土体，其承载能力较未加筋土体有显著改善，加筋土体承载力显著增大。加筋土体中的加筋材料承受竖向荷载后对土体产生了轴向约束力，在土体与轮胎的相互作用下，增大了土体的承载能力。松散砂土的加筋效果好于密实砂土。相同荷载作用下，松散砂土加筋前后的沉降量差值明显小于密实砂土加筋前后的沉降量差值，在轮胎与砂土的相互作用下，松散砂土的变形更小，轮胎加筋材料对于松散砂土的约束效果更好。

b）轮胎加筋层的位置越靠近下方，相同荷载作用下，土体的沉降量越小；加筋层位置对土体总体沉降的影响较小。加筋后土体沉降量的一部分受加筋材料变形的影响，加筋层越靠近土体的下方，受荷载的直接影响越小，其变形对于土体的影响越小。加筋层的位置对土体沉降量总体变化影响不大。