聚丙烯纤维增强橡胶砂固结不排水剪切试验

张季，汪顺敏，庄海洋，陈佳，蓝锦明; ZHANG Ji; WANG Shunmin; ZHUANG Haiyang; CHEN Jia; LAN Jinming

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聚丙烯纤维增强橡胶砂固结不排水剪切试验 PDF

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蓝锦明 ¹

1. 华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013； 2. 南京工业大学岩土工程研究所，江苏南京 210037

中图分类号： TU411.7

最近更新：2024-06-03

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2024.05.012

摘要

鉴于橡胶砂作为回填材料时承载力低和变形量大的问题，采用加入聚丙烯纤维（PPF）的方法提高橡胶砂的力学性能，提出了聚丙烯纤维增强橡胶砂的半干拌式制备方法，通过48组聚丙烯纤维增强橡胶砂、普通橡胶砂和纯砂试样的固结不排水剪切试验，探究了聚丙烯纤维掺量和橡胶掺量等参数对聚丙烯纤维增强橡胶砂主要力学变形特征参数的影响.结果表明：聚丙烯纤维对橡胶砂弹性模量的影响较小；聚丙烯纤维增强橡胶砂具有先剪缩后剪胀破坏的特征，其偏应力与轴向应变关系为应变硬化型；聚丙烯纤维可有效提高橡胶砂的内摩擦角和黏聚力；聚丙烯纤维增强橡胶砂破坏偏应力的提升效果十分显著，最高可提高3倍.

关键词

橡胶砂; 聚丙烯纤维; 固结不排水剪切试验; 破坏模式; 抗剪强度

为促进废旧轮胎的回收再利用，将其粉碎成橡胶颗粒，并与砂土混合制成橡胶砂，可应用于土木工程领域中.Edil等^［

1］通过大型直剪试验论证了橡胶砂应用于公路路堤等回填工程的可行性.随后，一些学者对橡胶砂作为轻质回填材料和减隔震材料等进行了可行性论述^{［参考文献 2‑3}2‑3］.庄海洋等^{［参考文献 4

百度学术}4］和周恩全等^{［参考文献 5

百度学术}5］对橡胶砂的动力学特性进行了研究，为橡胶砂的工程应用提供了参考.由于橡胶砂竖向压缩模量较小，在上部结构静力荷载作用下，会产生较大的压缩变形，若仅仅将橡胶颗粒和砂土简单混合往往难以满足工程需要.为解决该问题，一些学者探究了加筋技术在橡胶砂中的应用方法和效果.加筋方法主要有土工格室加筋^{［参考文献 6‑7}6‑7］、土工格栅加筋^{［参考文献 8‑9}8‑9］、土工袋加筋^{［参考文献 10‑11}10‑11］、土工网及土工织物加筋^{［参考文献 12

百度学术}12］等.值得注意的是，上述方法虽然在一定程度上提高了橡胶砂的力学性能，但仍然存在某些潜在缺点，如筋体材料多按照一定方向和间隔进行布设，其与土之间可能存在软弱面，当土体被迫沿着筋土界面发生位移时，加筋土将可能产生较大变形甚至破坏.

为提高橡胶砂的力学性能，本文采用聚丙烯纤维（PPF）随机分布的加筋技术对散粒橡胶砂进行加固.采用半干拌式法制备了聚丙烯纤维增强橡胶砂，并基于固结不排水剪切试验，分析了橡胶掺量w_R（质量分数，文中涉及的掺量等除特殊说明外均为质量分数）、聚丙烯纤维掺量w_F及有效围压σ₃对聚丙烯纤维增强橡胶砂主要力学变形特征参数的影响，揭示了聚丙烯纤维对橡胶砂力学特征的影响规律.

1 试验

1.1 原材料

采用福建ISO标准砂，根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，采用筛析法对其进行颗粒分析，得到标准砂的粒径范围为75 μm~2 mm，不均匀系数为5.86，曲率系数为0.55；采用比重瓶法对标准砂进行比重试验，得到砂颗粒比重为2.65.橡胶颗粒由废旧橡胶轮胎分解所得，其粒径范围为2~3 mm，比重为1.73.标准砂与橡胶颗粒的级配见表1.聚丙烯纤维的物理力学参数见表2.

表1 标准砂与橡胶颗粒的级配

Table 1 Gradations of standard sand and rubber particle

Sand		Rubber
Sieve size/mm	Passing ratio (by mass)/%	Sieve size/mm	Passing ratio(by mass)/%
2	100	3	100
1	64	2.5	62
0.5	30	2	0
0.25	26
0.1	9
0.075	0

表2 聚丙烯纤维的物理力学参数

Table 2 Physical and mechanical parameters of PPF

Shape	Density/(g·cm^-3)	Monofilament diameter/μm	Average length/mm	Tensile strength/MPa	Elasticity modulus/GPa	Rupture elongation/%	Acid and alkali resistance
Bunch monofilament	0.91	33	12	469	4.24	28.4	High

1.2 半干拌式法制备试样

聚丙烯纤维增强橡胶砂试样由标准砂、橡胶颗粒以及聚丙烯纤维混合拌制而成.3种材料之间较大的比重差异使其很难在干燥状态下进行混合，为解决不同组分之间混合不均匀的问题，本文提出了一种纤维增强橡胶砂半干拌式法制备方法.

尺寸为ϕ50×100 mm的实心圆柱形试样，其制备过程如下：（1）将标准砂在105 ℃的恒温烘箱内烘24 h，聚丙烯纤维在60 ℃的恒温烘箱内烘12 h；（2）称量所需标准砂、橡胶颗粒、聚丙烯纤维；（3）将称量好的标准砂和橡胶颗粒按制样初始含水率5%加水拌和均匀；（4）整平基材表面并均匀撒入聚丙烯纤维，用调匙将其戳入混合料中直至混合均匀；（5）在饱和器底部放置浸湿的滤纸和透水石，在内壁涂抹1层凡士林，将保鲜膜均匀贴于三瓣模具内壁；（6）将贴好保鲜膜的三瓣模具置于饱和器底座，称取1/4拌和均匀的聚丙烯纤维增强橡胶砂，用小勺装入三瓣模具内；（7）用击实锤振捣压实至指定高度，分4层装满三瓣模具，整平试样顶部，盖上顶盖并旋紧螺母，放入养护箱备用；（8）养护完成后取出试样，静力缓慢推出，脱模.试样制备完成后根据GB/T 50123—2019标准进行饱和.

1.3 试验工况

采用英国GDS公司DYNTTS型循环三轴仪开展固结不排水剪切试验，试样的相对密实度为70%.相关研究表明^［

13‑15］，随着橡胶掺量的增加，橡胶砂的可压缩性增大，抗剪强度明显降低.考虑到实际应用中对沉降及承载力的要求，以橡胶颗粒和标准砂的总质量计，设置橡胶掺量w_R为0%、10%、20%、30%.考虑制样难度及试样均匀性，设置聚丙烯纤维掺量w_F为0%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%.w_R、w_F均为0%的试样为纯砂；w_R≠0%，w_F=0%的试样为普通橡胶砂.考虑纤维增强橡胶砂的应用场景（挡墙回填、地基处理和地下结构隔震等），设置有效围压σ₃为50、100、200 kPa，探究其对聚丙烯纤维增强橡胶砂力学特性的影响.

2 结果与讨论

2.1 弹性模量

聚丙烯纤维增强橡胶砂的弹性模量E₀见图1.由图1可见：聚丙烯纤维掺量在小应变条件下对橡胶砂力学性能的影响不大；橡胶掺量是影响弹性模量的主要因素，弹性模量随着橡胶掺量的增大而减小.究其原因为：弹性模量的测定处于小应变状态，在小应变条件下，低掺量聚丙烯纤维对于橡胶砂力学性能的影响很小；随着橡胶掺量的增加，聚丙烯纤维增强橡胶砂颗粒接触形式由以砂-砂颗粒之间的刚性接触为主过渡到以橡胶-橡胶颗粒之间的柔性接触为主，由此导致聚丙烯纤维增强橡胶砂弹性模量减小.

图1 聚丙烯纤维增强橡胶砂的弹性模量

Fig.1 E₀ of PPF reinforced rubber sand

1963年，Janbu^［

16］提出土的弹性模量E₀与围压σ₃有关，并给出经验公式：

E_{0} = K P_{a} {(\frac{σ_{3}}{P_{a}})}^{n}

（1）

式中：K、n为经验常数；P_a为标准大气压强，取101 kPa.

采用式（1）对不同工况下的聚丙烯纤维增强橡胶砂弹性模量试验结果进行并置拟合，拟合度R²≥0.98，因此可认为以该经验公式计算纤维增强橡胶砂弹性模量合理可靠.聚丙烯纤维增强橡胶砂不同工况拟合参数建议值见表3.

表3 聚丙烯纤维增强橡胶砂不同工况拟合参数建议值

Table 3 Suggested values of fitted parameters for PPF reinforced rubber sand under different conditions

w_R/%	w_F/%	E₀/MPa			K	n
w_R/%	w_F/%	σ₃=50 kPa	σ₃=100 kPa	σ₃=200 kPa	K	n
0	0	50.94	83.46	119.77	802.74	0.59
10	0	26.71	39.46	62.06	391.47	0.64
	0.6	25.85	38.06	62.11
	0.9	26.01	38.41	61.00
	1.2	25.40	37.81	60.06
	1.5	24.98	37.86	61.07
20	0	20.51	30.72	51.78	298.05	0.73
	0.6	18.20	29.42	49.68
	0.9	19.30	28.94	50.26
	1.2	18.26	27.96	48.98
	1.5	16.85	28.00	47.69
30	0	15.27	25.23	43.21	245.06	0.77
	0.6	14.68	24.73	41.25
	0.9	14.11	22.65	42.11
	1.2	14.57	23.57	40.93
	1.5	14.55	24.04	42.35

2.2 剪胀（缩）特性

试样的剪胀（缩）特性与孔压系数A密切相关.纯砂和聚丙烯纤维增强橡胶砂孔压系数A见图2（图中ε_a为轴向应变）.由图2可知：（1）纯砂试样A<1/3，呈完全剪胀趋势；而剪胀初期聚丙烯纤维增强橡胶砂试样A>1/3，随着轴向应变的增大，孔压系数逐渐降低，直至A<1/3，剪切过程中表现出先剪缩后剪胀的特征.（2）随着橡胶掺量的增加，孔压系数曲线下降段下降速率降低，试样剪缩特征更加明显，尤其对于w_R<30%的聚丙烯纤维增强橡胶砂试样，其已具有完全剪缩的趋势.（3）对于聚丙烯纤维增强橡胶砂的剪胀区段，当橡胶掺量较低（w_R=10%）时，聚丙烯纤维会减弱试样的剪胀特性；当橡胶掺量较高（w_R≥20%）时，聚丙烯纤维会增强试样的剪胀特性.

图2 纯砂和纤维增强橡胶砂的孔压系数

Fig.2 A of pure sand and PPF reinforced rubber sand

这主要是因为：（1）与标准砂颗粒相比，橡胶颗粒有明显的可压缩性，使聚丙烯纤维增强橡胶砂试样在剪切初期因橡胶颗粒的体积压缩而表现出剪缩特性，且当橡胶掺量增大时，试样的剪缩趋势也将更加显著.（2）在大应变剪胀区域，当橡胶掺量较低时，试样仍以聚丙烯纤维与标准砂颗粒之间的接触为主，聚丙烯纤维形成的空间网状结构可有效减小颗粒的移动，聚丙烯纤维掺量越高，对剪胀趋势的削弱作用越显著；而当橡胶掺量较高时，聚丙烯纤维与橡胶的接触面积增多，橡胶颗粒的压缩受到聚丙烯纤维的限制，低聚丙烯纤维掺量试样的可压缩性更大，进入剪胀状态也就更晚，反之，聚丙烯纤维掺量越高则越早进入剪胀状态.

2.3 偏应力-轴向应变曲线

纯砂和聚丙烯纤维增强橡胶砂的偏压力-轴向应变（q‑ε_a）曲线见图3.由图3可知：对于纯砂试样，q‑ε_a曲线呈现应变软化^［

17］现象，且围压越大，这种应变软化现象越明显；对于聚丙烯纤维增强橡胶砂，q‑ε_a曲线呈现应变硬化^{［参考文献 17

百度学术}17］现象，同时相同橡胶掺量下，聚丙烯纤维掺量越大，聚丙烯纤维增强橡胶砂的偏应力幅值越高，应变硬化现象越明显.造成上述两类试样q‑ε_a曲线显著差异的原因为：（1）橡胶颗粒的表面相较于标准砂颗粒更粗糙，它的加入增大了颗粒之间的咬合摩擦，提高了试样的承载能力，且试样在剪切过程中，橡胶颗粒体积不断压缩，使得试样内部孔隙减小，密实程度增大，内部结构更加稳定，抑制了剪切面的形成；（2）聚丙烯纤维在试样中随机分布，使试样内部形成空间网状结构，纤维之间的搭接使颗粒间的滑移错动需同时克服纤维-砂土界面的摩擦阻力和纤维拉力，有利于提高试样的整体性和抗剪强度.

图3 纯砂和聚丙烯纤维增强橡胶砂的q‑ε_a曲线

Fig.3 q‑ε_a curves of pure sand and PPF reinforced rubber sand

2.4 破坏偏应力分析

聚丙烯纤维增强橡胶砂的偏应力-轴向应变关系表现为应变硬化，考虑到聚丙烯纤维的掺入使聚丙烯纤维增强橡胶砂在大应变下仍表现出极强的抗剪切能力，设定聚丙烯纤维增强橡胶砂的破坏应变ε_a，f=20%，破坏偏应力q_f取ε_a，f所对应的偏应力值.聚丙烯纤维增强橡胶砂的破坏偏应力见图4.由图4可见：聚丙烯纤维掺量对聚丙烯纤维增强橡胶砂破坏偏应力的提升效果十分显著，聚丙烯纤维增强橡胶砂的破坏偏应力从围压50 kPa到200 kPa提高幅度最高分别为183%、214%和171%，从橡胶掺量10%到30%提高幅度最高分别为300%、270%和195%，且w_F在0%~1.5%范围内，聚丙烯纤维增强橡胶砂的破坏偏应力最高提高幅度可达3倍；相同围压及橡胶掺量下的q_f‑w_F拟合曲线均为直线，二者为线性递增关系，在本试验聚丙烯纤维掺量范围内，试样的破坏偏应力随着聚丙烯纤维掺量的增大而线性增长.

图4 聚丙烯纤维增强橡胶砂的破坏偏应力

Fig.4 q_f of PPF reinforced rubber sand

q_f‑w_F拟合直线的斜率反映了聚丙烯纤维对试样破坏偏应力的增加效果.聚丙烯纤维增强橡胶砂q_f‑w_F拟合直线的斜率见图5.由图5可见，在相同橡胶含量下，围压对聚丙烯纤维增强橡胶砂q_f‑w_F拟合直线的斜率具有增大作用，即高围压下聚丙烯纤维的加筋效果更强.

图5 q_f‑w_F拟合直线的斜率

Fig.5 Slope of linearly fitted line of q_f‑w_F

纤维之所以能提高破坏偏应力，主要是因为纤维的加筋效果取决于纤维-砂土界面间的相互作用，该相互作用主要为黏结力与摩擦力.对于本文无黏性砂土而言，主要表现为摩擦力，其主要由界面法向应力和粗糙程度控制，围压越大，法向力越大，纤维加筋效果越强.

2.5 内摩擦角

聚丙烯纤维增强橡胶砂的总内摩擦角和有效内摩擦角见图6.由图6可见：在相同橡胶掺量下，聚丙烯纤维的掺入能有效提高橡胶砂的总内摩擦角和有效内摩擦角，这是因为聚丙烯纤维约束了颗粒间的相对滑动，有利于提高颗粒间的滑动摩擦，且硬质砂颗粒与纤维间的互锁在一定程度上也提高了咬合摩擦；在相同聚丙烯纤维掺量下，橡胶掺量越高，总内摩擦角和有效内摩擦角越小，且橡胶掺量对于总内摩擦角的影响高于有效内摩擦角，这主要是因为橡胶颗粒的高变形能力利于橡胶与砂颗粒间的错动翻滚，显著降低了颗粒间的咬合摩擦.

图6 聚丙烯纤维增强橡胶砂的总内摩擦角和有效内摩擦角

Fig.6 Total internal friction angle and effective internal friction angle of PPF reinforced rubber sand

2.6 黏聚力

聚丙烯纤维增强橡胶砂的总黏聚力和有效黏聚力见图7.由图7可见，聚丙烯纤维增强橡胶砂的总黏聚力和有效黏聚力总体上随着聚丙烯纤维掺量的增大呈指数型增长.这是因为当试样中加入聚丙烯纤维后，聚丙烯纤维与颗粒间的摩擦阻力将限制土体的侧向变形，这相当于在试样两侧增加了侧向压力.此时试样处于弹性平衡状态，但却未达到极限平衡状态.要使得试样达到极限平衡状态，需要继续增大轴向压力，由此便产生了黏聚力.普通橡胶砂也存在一定的总黏聚力，且随着橡胶含量的增大而有所减小.然而普通橡胶砂中的有效黏聚力比总黏聚力小得多，且几乎不受橡胶含量的影响.这是因为橡胶颗粒的高变形能力可能会使较高密实度下的砂土出现一定的“假黏聚力”，且随着橡胶掺量的增大，“假黏聚力”将减小.

图7 聚丙烯纤维增强橡胶砂的总黏聚力和有效黏聚力

Fig.7 Total cohesive force and effective cohesion force of of PPF reinforced rubber sand

3 结论

（1）聚丙烯纤维掺量对橡胶砂弹性模量的影响较小；聚丙烯纤维增强橡胶砂的弹性模量随橡胶掺量的增大而减小.根据Janbu经验公式对弹性模量进行拟合，并给出了不同工况下经验常数K和n的建议值.

（2）当橡胶掺量较少时，聚丙烯纤维增强橡胶砂具有先剪缩后剪胀的变形特征；而高橡胶掺量的聚丙烯纤维增强橡胶砂具有完全剪缩的趋势.

（3）聚丙烯纤维增强橡胶砂的偏应力-轴向应变关系为应变硬化型，在橡胶掺量相同的条件下，聚丙烯纤维掺量越多，应变硬化现象越明显.聚丙烯纤维掺量对橡胶砂破坏偏应力的提升效果十分显著，二者为线性递增关系，聚丙烯纤维在0%~1.5%范围内，聚丙烯纤维增强橡胶砂的破坏偏应力最高提高幅度可达3倍.

（4）聚丙烯纤维可有效提高橡胶砂的内摩擦角，聚丙烯纤维掺量与橡胶砂黏聚力的关系呈指数型增长趋势.

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