关于橡胶-砂混合物静态和动态力学行为的实验室研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Laboratory investigation on the static and dynamic mechanical behaviors of rubber-sand mixture

　　林国|姜品正|李慧|余毅|刘立国|刘军
温州大学土木工程学院，中国温州325035

**摘要**
橡胶-砂混合物因其轻质特性和增强的变形能力而成为土木工程应用中的一种可持续土工材料。为了促进其安全可靠的应用，本研究通过一系列排水单轴和循环三轴试验，研究了橡胶-砂混合物的静态和动态力学性能。实验考察了橡胶含量（RC）和有效围压对应力-应变响应、体积变化行为、弹性模量和累积应变的影响。单轴剪切结果表明，虽然橡胶-砂混合物通常表现出应变软化和高应变特性，但增加橡胶含量和围压可以有效抑制这些特性。在循环加载下，橡胶含量≤10%的混合物具有较高的弹性模量和较低的累积应变。此外，观察到累积应变与循环次数的对数之间存在强烈的线性关系。本文建立了一个经验模型，用于预测橡胶含量、动态应力幅值和循环次数下的长期累积应变。研究结果为含橡胶-砂混合物的土工结构设计提供了有价值的见解和预测工具。

**引言**
废旧橡胶轮胎作为一种常见的城市固体废物，传统上通过填埋、堆积或燃烧等方式处理。然而，这些方法导致资源利用效率低下、环境污染以及可能对公共健康造成风险[[1], [2], [3]]。因此，对废旧橡胶轮胎的适当处理和回收越来越受到重视。过去几十年中，橡胶-砂混合物作为一种创新的土工材料被广泛应用于多个土木工程领域，如建筑物的隔振层、挡土结构和路基[[4], [5], [6]]。例如，Garga和O’Shaughnessy[7]成功利用这种材料加固了挡土墙和斜坡；Huat等人[8]用整个轮胎修复了热带残余土坡；此外，含有轮胎加固的堤坝显示出比传统未加固填土更高的强度和更小的沉降[9,10]。这些材料在工程应用中的选择主要归因于其优越的性能，包括低单位重量、高阻尼能力和良好的排水特性。因此，研究橡胶-砂混合物的力学性能对于促进其在土工和结构工程中的应用具有重要意义。

关于橡胶-砂混合物的静态力学性能，Zornberg[11]报告了剪切强度与橡胶碎屑含量之间的非线性关系，并确定了一个约为35%的最佳阈值。Bergado[12]研究了平形轮胎碎屑混合物中橡胶碎屑含量对剪切特性的影响，发现随着橡胶含量的增加，剪切强度下降。Noorzad和Masoud[13]也表明，随着轮胎碎屑比例的提高，剪切强度降低。Attom[14]通过直剪试验探讨了橡胶含量的作用，得出结论认为在砂土中加入破碎轮胎可以增强内摩擦角和剪切阻力。相反，一些研究记录了由于加入橡胶而导致剪切强度降低的情况。例如，Martin和Park[15]指出橡胶颗粒的存在降低了砂土的剪切强度，且橡胶含量越高，这种降低越明显。其他研究（包括Ding等人[16]、Liu等人[17]和Dai等人[18]的研究）表明，通过严格控制轮胎含量可以显著改善废旧橡胶-砂混合物的剪切性能。

在实际使用条件下，外部环境对土壤施加的应力状态比实验室静态试验中复制的要复杂得多[[19], [20], [21]]。因此，评估橡胶-砂混合物的动态特性对于更准确地评估其工程性能至关重要。Li等人[22]发现，橡胶含量和橡胶与砂的颗粒大小比显著影响复合材料的剪切模量。然而，在橡胶含量较低（低于20%）时，对阻尼比的影响可以忽略不计。许多研究集中在液化行为上。Mashiri等人[23]指出，当轮胎碎屑含量在20%到40%之间时，砂-轮胎碎屑混合物的液化潜力显著降低。Bahadori和Farzalizadeh[24]验证了加入废旧轮胎橡胶可以减少动态孔隙水压力的发展并增强饱和砂的液化抗力。相比之下，Promputthangkoon和Hyde[25]认为加入轮胎碎屑会增加饱和砂的液化潜力。Li等人[26]发现，添加橡胶可以减少多向主应力旋转下的永久垂直应变；较高的橡胶含量会增加塑性剪切应变，但改善了破坏性能。Wang等人[27]的离散元方法分析表明，随着橡胶含量的增加，橡胶纤维在剪切过程中会发生显著弯曲，载荷传递从砂-砂接触转移到砂-橡胶和橡胶-橡胶接触。Gao等人[28]发现，颗粒状橡胶在增强钙质砂的液化抗力方面优于条状橡胶，橡胶含量超过20%时能显著抑制孔隙压力的积累。Srivastava等人[29]报告说，虽然较高的橡胶含量（20-30%）减少了过量孔隙压力的产生，但同时增加了轴向应变，且循环后的强度随橡胶含量的增加而降低。除了液化特性外，许多研究还记录了剪切模量和阻尼比的趋势，发现随着橡胶含量的增加，剪切模量下降而阻尼比上升[[30], [31], [32]]。

上述研究为橡胶-砂混合物的静态剪切行为、液化特性和动态参数提供了宝贵的见解。然而，对橡胶-砂混合物力学行为的理解还远未全面。在公路和铁路工程中，研究橡胶-砂混合物的弹性模量和累积塑性应变对于正确评估交通荷载下的长期变形具有实际意义[[33], [34], [35]]。目前用于预测循环荷载下累积塑性变形的预测框架主要分为两类：本构模型和经验模型。经验模型在预测长期变形方面具有更大的实用性，因为它们直接将变形与循环次数联系起来，消除了高循环次数时复杂数值模拟中的误差累积。例如，Guo等人[36]对未扰动的软粘土进行了一系列单轴三轴试验和长期循环三轴试验，基于实验结果建立了两个方程来预测长期弹性模量和永久应变。Chen等人[37]还基于Monismith模型开发了一个经验模型，用于计算长期循环荷载下粘土的累积变形。最近，Wang等人[38]使用循环空心圆柱和三轴试验研究了交通荷载下花岗岩残余土的累积塑性应变，并提出了一个简单模型来预测随加载循环的累积塑性应变演变。遗憾的是，关于橡胶-砂混合物的弹性模量和累积塑性应变特性的现有研究仍然有限。

本研究旨在通过一系列传统的三轴和循环三轴实验室试验，研究橡胶-砂混合物的静态和动态力学行为，重点关注循环荷载下的长期变形。第2节详细描述了实验装置、材料制备和测试协议。第3节展示了静态和动态测试结果。第4节开发了一个累积塑性应变的预测模型，为实际工程应用提供了有价值的工具。这项研究增强了人们对橡胶-砂混合物力学性能的理解，并支持其土工工程实践。

**材料**
图1展示了测试材料的粒径分布。砂主要由碳酸钙组成，橡胶颗粒来自去除钢丝和其他杂质后的废弃轮胎。这两种颗粒均为角状或亚角状。砂的中值粒径（D50）、均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）分别为0.76 mm、2.58和1.7；橡胶颗粒分别为1.27 mm、1.95和0.92。

**三轴压缩试验**
图4显示了不同橡胶含量下的橡胶-砂混合物在排水剪切过程中偏应力与轴向应变的变化。对于应力-应变曲线（图4(a)–(c)和(e)），可以看出砂样品表现出明显的应变膨胀现象，而当有效围压（p0′）增加时，膨胀现象得到抑制。这是因为较高的围压使混合物更加密实，抗变形能力更强。

**结论**
本文对不同橡胶含量的混合物进行了一系列三轴排水静态剪切试验和排水循环三轴试验，研究了不同橡胶含量和有效围压下混合物的应力与应变发展。还通过循环加载研究了混合物的回弹应变、弹性模量和累积应变的发展。

**作者贡献声明**
林国：撰写初稿、监督、方法论、资金获取、概念化。
姜品正：撰写初稿、可视化、研究、正式分析。
李慧：可视化、监督、研究。
余毅：验证、研究、数据管理。
刘立国：撰写初稿、可视化、资源管理、数据管理。
刘军：撰写初稿、验证、数据管理、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了浙江省自然科学杰出青年学者基金（项目编号LR26E080005）、国家自然科学基金青年科学基金（项目编号52308371）、浙江省自然科学基金（项目编号LQ24E080013）、温州市基本公共福利研究计划（项目编号S2023001）、国家自然科学杰出青年学者基金（项目编号52325806）以及国家自然科学基金一般项目的支持。