摘要：为了研究橡胶粒对膨胀土的动力特性及膨胀性的影响，将经过机械粉碎的橡胶粒掺入膨胀土中，在3种围压下对4种不同配比橡胶黏土混合土进行室内动三轴试验以研究橡胶含量及围压对混合土动剪切模量的影响。结果表明，围压不变的条件下，混合土动剪切模量较素土有降低，且随着橡胶含量的增多而逐渐降低，并在经过某个特定的比例后增加速度变慢，动剪切模量与动应变关系曲线拟合系数较高。经试验分析结果证明，橡胶粒改性膨胀土具备较好的隔震减震性能。
关键词：橡胶粒；膨胀土；动剪切模量
Experimental study on dynamic characteristics of expansive soil modified by rubber particles
Abstract：In order to study the influence of the rubber particle on the dynamic property and the expansibility of the expansive soil，the mechanically crushed rubber particles are incorporated into the expansive soil.In order to study the effect of rubber content and confining pressure on the dynamic shear modulus of mixed soil，three kinds of rubber-clay mixed soil with different proportions were tested in three kinds of confining pressure.The results show that the shear modulus of the mixed soil decreases with the increase of the content of the rubber，and the curve fitting coefficient of the dynamic shear modulus and the dynamic strain is higher with the increase of the content of the rubber.The results of the test show that the rubber particle modified expansive soil has better shock-isolating and shock-absorbing performance.
引言
膨胀土是一种高塑性粘土，具有吸水膨胀软化、失水显著开裂、反复涨缩变形的特性，有“问题土”之称。膨胀土掺有橡胶粒的作用机理在物理上是自身所具有的弹性会抑制膨胀土吸水或者失水导致的变形，因此也会在一定程度增加土体的抗震能力。左春阳[1]等从室内试验出发，分别对膨胀土和橡胶颗粒改良膨胀土进行了相关试验，包括物理性质实验、强度试验和涨缩特性试验。得出橡胶粒的加入使土体的抗剪强度有所降低，在实际应用中应注意。邹维列[2]等将不同配比的废弃轮胎橡胶粒掺入膨胀土制成改性土样进行试验，研究得出最佳配比。孙树林[3]等用废弃轮胎橡胶粒改良膨胀土的强度特性得出橡胶粒的掺入对土体的抗剪强度和内摩擦角有很大影响。惠会清[4]等对膨胀土体膨胀机理及其改良方法做了综述，为膨胀土的改良提供了新的途径。Leema Peter[5]等用废弃纤维和煤矸石联合处理也能达到改善土体作用。Janardhan Tahasildar[6]等研究9种膨胀土得出蒙脱石含量是影响土体膨胀最关键的因素。
1 试验材料
试验所用橡胶粒粒径为20目，膨胀土采用膨润土和高岭土按照比例配置而成，初步所定比例为1：1，根据《公路土工试验规程》进行测试，土样基本物理性质见表1.
表1.土样基本物理性质
经试验得出1：1比例的混合土自由膨胀率为45%，定为弱膨胀土。而在加入1%的橡胶粒之后自由膨胀率变为38%，已不属于膨胀土的范围，可定为普通粘土。所以试验决定采用1：1比例的混合土。
2 试验方法
2.1试验原理
本次试验模拟地震对土的作用，地震波包括体积波和面波，其中体积波危害较大体积波又包括纵波和横波，横波传播速度较慢，但是其振动方向与波的传播方向垂直，使物发生左右摇动，对土体的破坏较大。由于横波破坏大，具有代表性，Seed采用一种循环加载应力的方法来模拟真实地震下的横波（S 波），如下图所示，采用正弦波来模拟实际横波下杂乱无章的波形，循环正弦波振动幅度采用，振动的频率采用 1~2Hz。该方法是动三轴研究土的动力变形和强度的通用方法。
图2.1 地震波模拟图示
2.1试验仪器
试验采用英国VJ Tech公司生产的 VJT-DDYTM 双向动力三轴测试系统。主要包括 轴向加载装置、围压控制装置、反压控制器、压力室等几部分，如图 4.1 所示。本试验 反压饱和、固结和轴力加载过程全部由测控软件控制，操作流程简单，仪器性能稳定可靠。试验波形可选择正弦波、三角波、方波、梯形波、斜波等波形，可提供轴向、侧向激振频率范围为0~20Hz，试样尺寸为Φ39.1×80mm。试样动剪切模量由动态三轴测试系统计算给出。
2.2试样制备
首先将膨润土和高岭土按照1：1的比例进行混合，试验中加入8%的普通硅酸盐水泥用来使土样更坚固。再加入不同配比的橡胶粒，含水率为最优含水率，因为土样的粒径较小，混合之后过2mm的筛，焖料24h后制备试样，压实度取96%。在试样制备过程中发现，橡胶粒含量过高的话会导致试样发生开裂现象，所以橡胶含量不宜过大，本次试验含量取0、1%、2%、3%、4%。将经过焖料的混合土在三轴击实器中分层击实，共分四层击实，各层土样重量相同，接触面直接用刮土刀进行刨毛处理，而后将配置好的试样放入养护缸养护1d备用，以进行试验。
2.3试验方案
试验采用逐级递增循环荷载的试验方式，每一级递增10kpa，荷载形式选择正弦波荷载形式，固结比取1.0，震动频率为1Hz，每级荷载下加载10s，固结压力分别取5kpa、100kpa、150kpa，试样采用抽样饱和，为防止试样软化，故在不排水下加载动应力，当试样应变大于5%时试验停止，基本参数见表2。
表2.1 动三轴试验基本参数
3.试验步骤
试验具体步骤如下：
（1）抽气饱和。将试样放入标准三瓣模具中，在内壁均匀涂抹凡士林防止试样粘在内壁破坏。根据《土工试验方法标准》，混合土视为黏土，用真空饱和缸抽气2h，后向缸内注水至没过试样并浸泡12h。
（2）反压饱和。根据《土工试验方法标准》，在进行反压饱和之前需测量孔隙水压力系数即B值，当其小于0.95时需进行反压饱和。
（3）试验进行。按照已定参数进行试验，过程中注意试样破坏时应及时停止，防止继续加载导致机器损坏。
4试验结果——动剪切模量
4.1 橡胶含量影响
图一为围压50kpa时，不同橡胶含量混合土动剪切模量与动应变关系，根据分析可知素土和混合土的动剪切模量均随动应变的增大而减小。在50kpa围压下，试验所得最小动应变对应剪切模量为例，1%橡胶粒含量混合土相对于素土动剪切模量有减小13.52mpa，大约33.8%；2%橡胶粒含量混合土相对于素土动剪切模量减小20.47mpa，大约51.18%，3%橡胶粒含量混合土相对于素土动剪切模量减小30.78mpa，大约76.95%；4%橡胶粒含量混合土相对于素土动剪切模量减小35.48mpa，大约88.70%。由此说明加入橡胶粒可以显著降低剪切模量，减小幅度随橡胶粒含量先变大后变小，在4%时增长速度下降，所以3%含量为最佳配比。
图4.1 不同橡胶粒含量混合土动应变与动剪切模量关系
图4.2 不同围压下混合土动应变与动剪切模量关系
4.2 围压影响
图2为相同橡胶粒含量混合土在不同围压下，动剪切模量与动应变的关系。在掺入2%橡胶粒的条件下，试验所得最小动应变对应剪切模量为例，100kPa围压下混合土相对于50kPa下动剪切模量有增加4MPa，大约32.15%；150kPa围压下混合土相对于100kpa围压下动剪切模量增加8.67MPa，大约62.31%。由此说明动剪切模量随着围压的增加而不断增大。
5.橡胶粒改性膨胀土动力特性分析
在橡胶粒的加入后，土体的变形能力增加，根据等研究成果，研究成果，随着橡胶颗粒的加入，土体内摩擦角随橡胶含量先降低后升高，即颗粒之间的摩擦咬合力先减小后增大，即低含量橡胶有利于橡胶颗粒与土颗粒，橡胶颗粒与橡胶颗粒，土颗粒与土颗粒之间的相对移动。从而有效降低土的剪切模量，提升减震能力。
6.结论
橡胶粒的加入，有效抑制了膨胀土因为吸水而产生体积膨胀的现象，大大降低了其自由膨胀率。很大程度的降低了混合土的动剪切模量，对土体的抗震能力有提升。当橡胶粒含量为3%时抗震能力较好，在4%时虽有提升，不过幅度变小，综合考虑，应采用3%含量的橡胶粒来提升土体的抗震能力。
参考文献：
[1]邹维列，谢鹏，马其天，杨迤，左春阳.废弃轮胎橡胶颗粒改性膨胀土的试验研究[J].四川大学学报（工程科学版），2011，43（03）：44-48.
[2]孙树林，魏永耀，张鑫.废弃轮胎胶粉改良膨胀土的抗剪强度研究[J].岩力学与工程学报，2009，28（S1）：3070-3075.
[3]左春阳，周俊，邓文.膨胀土掺和橡胶颗粒改良效果评价综述[J].山西建筑，2010，36（25）：83-84.
[4]惠会清，雷胜友.膨胀土膨胀机理及其改良（抑制）方法的研究综述[J].公路交通科技，2005（S2）：94-96+106.
[5]Leema Peter，P.K.Jayasree，K.Balan，S.Alaka Raj.Laboratory Investigation in the Improvement of Subgrade Characteristics of Expansive Soil Stabilised with Coir Waste[J].Transportation Research Procedia，2016，17.
[6]Janardhan Tahasildar，B.Hanumantha Rao，Sanjay Kumar Shukla.Mineralogical Compositions of Some Indian Expansive Soils and Their Influence on Swelling Properties[J].International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering，2017，Vol.3（1），pp.1-10
论文作者:赵俭斌,丁英杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/5
标签：橡胶论文; 试样论文; 含量论文; 颗粒论文; 应变论文; 压下论文; 相对于论文; 《基层建设》2019年第23期论文;