橡胶颗粒掺量对砂土抗剪强度的影响_董超
第３５卷第６期０１６年１２月２
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２０１６
５６ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｄｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙｇｙ
ｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＮａ
橡胶颗粒掺量对砂土抗剪强度的影响
２２
，，董 超１，李大勇１，张 磊２，李珊珊２
（山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛２１．６６５９０；
）山东青岛２山东科技大学土木工程与建筑学院，６６５９０２．
摘 要：将废旧轮胎加工为橡胶颗粒，并与砂土混合成为混合土，使之更适合作为路堤、挡墙、桥台等填筑工程的填对细海砂以及中粗砂抗料。通过直剪试验研究了不同废旧轮胎橡胶颗粒掺量（如１０％、２０％、３０％、４０％及５０％）剪强度的影响，探讨了剪切位移与剪应力的关系，分析并比较细砂、中粗砂改良后的抗剪强度变化特征。试验结果表明：当橡胶颗粒掺量小于２细海砂－橡胶颗粒混合土和中粗砂－橡胶颗粒混合土的抗剪强度随废旧轮胎橡０％时，胶颗粒掺量增加而增大；反之，细海砂－橡胶颗粒混合土和中粗砂－橡胶颗粒混合土的抗剪强度随着废旧轮胎橡胶颗粒掺量的增加而减小。
关键词：直剪试验；废旧轮胎橡胶颗粒；中粗砂；细砂；抗剪强度
（）中图分类号：ＴＵ４１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：６７２７６７２０１６０６０５６６１３００－－－
DOI:10.16452/j.cnki.sdkjzk.2016.06.009
ＥｓｆｆｅｃｔｓｏｆＳｍａｌｌｉｚｅｄＳｃｒａＴｉｒｅＣｒｕｍｂＣｏｎｔｅｎｔｓｏｎＳｈｅａｒＳｔｒｅｎｔｈｏｆＳａｎｄ－ ｐｇ
１，２１，２２２，ＬＺＬＤＯＮＧＣｈａｏＩＤａｏｎＨＡＮＧＬｅｉＩＳｈａｎｓｈａｎ ， ｙｇ，
，（ｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＭｉｔｉａｔｉｏｎＳｈａｎｄｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒＫｅ１． ｙｇｇｇｇｙｙ
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），，，２６６５９０，ＣｈｉｎａＱｉｎｄａｏＳｈａｎｄｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＳｈａｎｄｏｎ ｇｇｇｙｙｇ
：ＡｔｏｆｏｒｍｔｈｅｓｃｒａｔｉｒｅｃｒｕｍｂｔｉｒｅｓｗｅｒｅｍｉｘｅｄｗｉｔｈｓａｎｄｅｖｅｎｌｂｓｔｒａｃｔＲｕｂｂｅｒｃｒｕｍｂｓｍａｄｅｆｒｏｍｓｃｒａａｎｄｍｉｘｓ －－ｐｐｙ ，，ｗａｌｌｓａｎｄｂｒｉｄｅａｂｕｔｍｅｎｔ．Ｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｕｒｅｗｈｉｃｈｗａｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｂｅｕｓｅｄａｓｆｉｌｌｆｏｒｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｒｅｔａｉｎｉｎｔ ｇｇ ｔｉｒｅｃｒｕｍｂｃｏｎｔｅｎｔｓ（１０％，２０％，３０％，４０％ａｎｄ５０％）ｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｓｔｕｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃｒａ ｐｙ ｂｅｔｗｅｅｎｓｈｅａｒｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｏａｒｓｅｓａｎｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｃｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｔｈｏｆｆｉｎｅｓａｎｄａｎｄｍｅｄｉｕｍ －－ ｐｐｇ ｎｄｉｎｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｗａｓｅｘｌｏｒｅｄａｎｄｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｔｈｃｈａｎｅｓｏｆｔｈｅｉｍｒｏｖｅｄｆｉｎｅｓａｎｄａｎｄｍｅｄｉｕｍｏａｒｓｅｓｏｃ －ｐｇｇｐｇｐ ｓｓａｎｄｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｔｈｏｆｂｏｔｈｔｈｅｆｉｎｅｓａｎｄｔｉｒｅｃｒｕｍｂｍｉｘｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｒａ－－ ｙｇｐ ｄｃｓｔｉｒｅｃｒｕｍｂｃｏｎｔｅｎｔｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｔｉｒｅｃｒｕｍｂｍｉｘｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｃｒａｉｕｍｏａｒｓｅｓａｎｄｃｒａ－－ ｐｐ ｔｉｒｅｃｒｕｍｂｃｏｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ２０％，ｗｈｉｌｅｔｈｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｔｈｏｆｂｏｔｈｍｉｘｔｕｒｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｃｒａ－ ｇｐ ｔｅｎｔｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ２０％．
；ｍ：；；；ｃｔｔｉｒｅｃｒｕｍｂｓｅｄｉｕｍＫｅｗｏｒｄｓｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔｓｃｒａｏａｒｓｅｓａｎｄｆｉｎｅｓａｎｄｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｈ－ ｐｇｙ
、或碎片（条状（直径小于１尺寸介于１尺寸大于５２ｍｍ）２～５０ｍｍ）０ｍｍ） 橡胶颗粒（－砂混合土是一种
１］
，新型土工材料，因此可广泛用于路堤、具有重量轻、强度高、变形协调性好、减少地震液化等优点［码头、储
２］
。也可以采用废旧轮胎橡胶碎片（与碎石土混合作为垃圾填埋场滤液的排油库等填筑工程［０～１００ｍｍ）５３］
。水填料使用［
收稿日期：１１２０１５０２－－
）；）基金项目：国家自然科学基金项目（山东科技大学创新团队资助项目（５１３７９１１８２０１２ＫＹＴＤ１０４，作者简介：董 超（男，山东肥城人，硕士研究生，主要从事海洋土力学研究．１９８９—）
，李大勇（男，山东泰安人，教授，博士生导师，主要从事海洋土力学研究，本文通信作者．１９７１—）：Ｅ－ｍａｉｌｌｄｄｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ＠ｓｙ
董 超等
橡胶颗粒掺量对砂土抗剪强度的影响
５７ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｄｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙｇｙ
ｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＮａ
国外学者进行了废旧轮胎橡胶颗粒－砂土混合土的动力特性试验以及数值模拟与计算、本构关系分析等
］［］［］６４－
；方面的研究［结果表明ＴＬａｔｌｉｓｏｚ７、ｅｅ等８对废旧轮胎碎片－砂土混合材料的工程性能进行了试验研究，９］
对废旧橡胶颗粒膨胀土进行室内试验，轮胎碎片砂土的剪应力峰值明显提高；皱维列等［研究了改性膨胀土１０］
对废旧轮胎橡胶颗粒与黄土混合物的岩土工程特性进行了研的物理特性、胀缩特性、强度特性；李朝晖等［１１］
通过三轴试验研究了不同掺量条究，重点分析了废旧轮胎橡胶颗粒掺量对黄土力学性能的影响；辛凌等［１２］
分别采用直剪与三轴压缩试验分析件下废旧轮胎颗粒对轻质混合土体抗剪强度指标的影响规律；邓安等［
了砂土类填料中掺入废旧轮胎颗粒后的力学性质，探讨了橡胶颗粒掺量及围压对混合土剪切特性的影响。
将废旧轮胎加工成碎片状、颗粒状或粉状掺入砂土、膨胀土及黄土中，可改良土工材料的工程性质，但以往研究考察的废旧轮胎橡胶团粒或碎块粒径较粗，混合料中土料是砂土或卵石等粗颗粒，而由粒径较小的橡胶颗粒组成的混合土的剪切特性也值得深入研究，特别是在海洋工程中，由粒径较小的橡胶颗粒和细海砂、中粗砂组成的混合土的剪切特性具有深层的研究意义。因此，通过大量直剪试验，研究不同配合比及不同竖向压力条件下细海砂、中粗砂与废旧轮胎橡胶颗粒混合土的剪切特性。
１ 试验器材
１．１ 试验仪器
试验采用ＳＩｈｅａｒＴｒａｃＩ型直剪仪－固结剪切试验，该直剪仪能保证试样剪切过程中预设的固结压力在剪切过程中始终保持不变，与传统直剪仪相比具有操作简便、稳定、可靠等优势。１．２ 试验材料
试验用砂细海砂 中粗砂
表１ 试验用砂相关物理参数Ｔａｂ．１ Ｐｈｓｉｃａｌａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓａｎｄ ｙｐ
不均匀系数Ｃｕ２．５７ １．７８
曲率系数Ｃｃ１．１４０ ０．９９７
有效粒／径Ｄ１ｍｍ０
０．０９ ０．１６
中位径／Ｄ５ｍｍ００．２５０．４０
试验所用土样取自青岛地区的细海砂及中粗砂，其基本物理力学参量如表１所示。细海砂、中粗砂颗粒级配曲线见图１。所用橡胶颗粒为废旧橡胶轮胎切割成形，颗粒粒径介于０．５～１．０ｍｍ
。
２ 试验过程
２．１ 试样制备
将试验用砂放入烘箱内进行烘干处理，并将干砂过２ｍｍ孔径筛，根据试验要求将不同掺量（的废旧轮胎橡胶０％、２０％、３０％、４０％和５０％）１
颗粒与砂混合，充分搅拌使其掺合均匀。其中，掺量为废旧轮胎橡胶颗粒占混合土干土质量的百分比，忽略轮胎颗粒自身的含水率，掺和比为
ｔ
χ＝ｍ。
总质量。２．２ 试验步骤
（）１
式中：ｍｍ—干砂及橡胶颗粒ｔ—橡胶颗粒质量；
图１ 砂土颗粒级配曲线
Ｆｉ．１ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｆｉｎｅａｎｄ ｇ
ｍｅｄｉｕｍｏａｒｓｅｓａｎｄｓｃ －
针对不同掺量条件下废旧轮胎橡胶颗粒对细海砂及中粗砂抗剪强度影响的研究，进行了１０８组试验。如图２所示，试验步骤如下：
，）剪切盒内依次放入透水石和干滤纸，依次放入将掺合物倒入剪切盒内，至装样预定高度（７．７ｍｍ）１２干滤纸、透水石和加压上盖，将剪切盒放置到直剪仪上。
），）装样结束后，通过数据采集系统读取数据，根据试验需要施加竖向固结压力（在固０、１００、２００ｋＰａ２５
５８／结过程中当竖向位移低于０拔去剪．００５ｍｍｈ时，切盒上面的固定销，通过电脑控制剪切仪进行剪切
［１３］
。／）试验（设定剪切速度为０．８ｍｍｍｉｎ
）当剪切位移达到１每种３０ｍｍ处停止试验，
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掺量条件下的试样至少进行３组试验进行对比分否则重新补做一析，试验结果的误差需小于３％，组，并取平均值作为试验结果。
图２ 试验加载过程ｉ．２ ＬｏａｄｉｎｒｏｃｅｓｓＦｇｇｐ
３ 试验结果分析与讨论
３．１ 剪切位移与抗剪强度的关系
图３为橡胶颗粒掺量分别为１０％、２０％、３０％、４０％和５０％细海砂混合土和中粗砂混合土的剪应力与剪在较高竖切位移关系曲线。由图３可知，在研究的竖向压力范围内，对于细海砂，当掺量小于等于２０％时，），细海砂混合土的剪应力随着剪切位移的增加而增大，向压力条件下（且当剪切位移达到６００ｋＰａ．５ｍｍ２后出现软化现象；在研究的竖向压力范围内，细海砂混合土均呈现硬化现象。对于中粗当掺量大于２０％时，砂，随着橡胶颗粒掺量的增加均呈现硬化现象
。
图３ 不同掺量细砂及中粗砂的剪切位移剪应力关系曲线
Ｆｉ．３ Ｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｖｅｒｓｕｓｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｒｅｓｏｎｓｅｆｏｒｓａｎｄｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｓｃｒａｔｉｒｅｃｒｕｍｂｃｏｎｔｅｎｔｓ ｇｐｐｐ
３．２ 剪切位移与竖向位移关系
分别在５图４为橡胶颗粒掺量依次为１０％、２０％、３０％、４０％和５０％，０、１００、２００ｋＰａ竖向压力作用下，细海砂混合土和中粗砂混合土的剪切位移与竖向位移关系曲线。由图可知，随着竖向压力的增大，细海砂混
董 超等
橡胶颗粒掺量对砂土抗剪强度的影响
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合土与中粗砂混合土的竖向位移均相应增加；在相同竖向压力和橡胶颗粒掺量条件下，中粗砂混合土的竖向位移大于细海砂混合土。对于细海砂，在５随着橡胶颗粒掺量的增加，水平位移达到０ｋＰａ竖向压力条件下，甚至出现了先剪缩后剪胀现象。对于中粗均出现剪缩减弱的趋势，当橡胶颗粒掺量为２０％时，４ｍｍ以后，
随着水平位移的增大，砂，在５当橡胶颗粒掺量小于等于３明显出现了剪缩减０ｋＰａ竖向压力条件下，０％时，弱的趋势；反之，均没有发生剪缩减弱的现象
。
图４ 不同掺量下细砂及中粗砂的水平位移—竖向位移关系曲线
Ｆｉ．４ Ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｖｅｒｓｕｓｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｌａｃｅｍｅｎｔｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｓｃｒａｔｉｒｅｃｒｕｍｂｃｏｎｔｅｎｔｓ ｇｐｐｐ
３．３ 砂土抗剪强度与橡胶颗粒掺量的关系
３］１
。由图５可绘制抗剪强度与剪切位移关系曲线，取剪切位移４ｍｍ所对应的剪应力为抗剪强度［
）知，橡胶颗粒掺量和竖向压力会显著影响砂土的抗剪强度。由图５（可知，在相同竖向压力条件下，纯细ａ））中粗海砂的抗剪强度小于纯中粗砂的抗剪强度；由图５（可知，当橡胶颗粒掺量小于等于３０％时，ｂｆ～（
中粗砂混合土的抗剪强度砂混合土的抗剪强度大于细海砂混合土抗剪强度；橡胶颗粒掺量大于３０％时，小于细海砂混合土抗剪强度。由图５分析可知，细海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪强度均呈现出随橡胶颗粒掺量增加先增大后减小现象，当掺入２细海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪强度０％橡胶颗粒时，达到最大值。
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图５ 砂土抗剪强度与橡胶颗粒掺量关系图
ｔｉｒｅｃｒｕｍｂｃｏｎｔｅｎｔｓｉ．５ ＲｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｏｆｓａｎｄａｎｄｖａｒｉｏｕｓｓｃｒａＦ ｇｐ
将０～５橡胶颗粒的掺量对砂土０％橡胶颗粒掺量混合土的内摩擦角与粘聚力值汇总于表２。可以看出，细海砂混合土和中粗砂混合土的内摩擦内摩擦角和粘聚力的影响较小，橡胶颗粒掺量由０增加到５０％时，角与粘聚力均呈先增大后减小的趋势。从表２还可以看出，加入废旧轮胎橡胶颗粒后，细海砂和中粗砂都会，并且随橡胶颗粒掺量的增加，表现出一定的“黏性”与纯砂相比较，均表现出黏性增强的趋势。
表２ 砂土内摩擦角和粘聚力与废旧轮胎橡胶颗粒含量ｔｉｒｅｃｒｕｍｂｃｏｎｔｅｎｔｓａｂ．２ ＡｎｌｅａｎｄｃｏｈｅｓｉｏｎｕｎｄｅｒｓｃｒａＴ ｇｐ
橡胶颗粒掺量
／ｃｋＰａ （）°φ／
细海砂
／Ｐａｃｋ （）°φ／
纯砂０ ７．９２ ０ ２５．７
０％１６．９ ３１．４ ５．２ ２９．９
２０％８．５ ３５．７ ８．１ ３２．８
３０％１０．７ ３４．６ ９．９ ２７．３
４０％９．２ ２７．２ ７．７ ２６．８
５０％７．３２４．７６．３２５．２
中粗砂
图６为废旧轮胎橡胶颗粒掺量与细海砂和中粗砂内摩擦角的关系曲线，由图可知：混合土的内摩擦角均随橡胶颗粒掺量增加呈先增大后逐渐减小的发展趋势。废旧轮胎橡胶颗粒掺量与细海砂及中粗砂粘聚力的影响如图７所示。由图可知，橡胶颗粒掺量的增加导致细海砂混合土和中粗砂混合土的粘聚力均呈现先增大后减小的趋势。
ｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃ
ｅＮａ
图６ 内摩擦角－掺量关系曲线
Ｆｉ．６ Ｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｌｅｖｅｒｓｕｓｃｏｎｔｅｎｔ
ｓ ｇｇ
图７ 粘聚力－掺量关系曲线Ｆｉ．７ Ｃｏｈｅｓｉｏｎｖｅｒｓｕｓｃｏｎｔｅｎｔｓ ｇ
４ 结论
通过细砂、中粗砂与不同掺量废旧轮胎橡胶颗粒混合物的直剪试验，得出以下结论：
，）加入废旧轮胎橡胶颗粒后，并且随橡胶颗粒掺量的增加，细海砂和中粗砂都会表现出一定的“黏性”１
与纯砂相比较，均表现出黏性增强的趋势。）随着橡胶颗粒掺量的增加，细海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪强度均呈先增大后减小的趋势，细２
细海砂混合土和中粗砂混合土的内摩擦角与粘聚力均呈先增大后减小的趋势，当橡胶颗粒掺量为２０％时，海砂混合土和中粗砂混合土的抗剪强度达到最大值。
）细小粒径的橡胶颗粒对提高砂土抗剪强度的效果并不显著，特别是对于细海砂的抗剪强度改良效果３
更不明显。由于废旧橡胶颗粒破碎为细小粒径的橡胶颗粒所需成本较高，因此细小粒径橡胶颗粒在实际工程应用中的意义不大。参考文献：
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（下转第６７页）
ｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＮａ
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（责任编辑：吕海亮）
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（责任编辑：吕海亮）