废旧轮胎加筋路堤边坡模型试验研究

第32卷第11期Vol.32No.11工程力学2015年11月Nov.2015ENGINEERINGMECHANICS79文章编号：1000-4750(2015)11-0079-07废旧轮胎加筋路堤边坡模型试验研究1,2134511李丽华，肖衡林，郑俊杰，陈轮，孙淼军，孙龙，杨超(1.湖北工业大学土木工程与建筑学院，武汉430068；2.长江科学院，武汉430010；3.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉430074；4.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；5.中国地质大学工程学院，武汉430074)摘要：废旧轮胎用于岩土工程加筋，不但可以消纳、处理大量的废旧轮胎，减轻废旧轮胎造成的环境问题，而且可以为大量的加筋土工程提供质优价廉的加筋材料。该文通过加筋边坡模型试验，对废旧轮胎加筋路堤边坡的应力、变形特性以及影响因素等加筋机理进行了探讨。试验结果表明，轮胎加筋对于路堤边坡的应力演化有显著影响，加筋路堤破坏时相对素土边坡没有出现明显整体变形破坏，应力值没有出现陡降；轮胎加筋可显著降低靠近轮胎单元体正下方及其附近砂土承担的竖向附加应力，且顶层加筋轮胎与加载板距离越小，附加应力值减小越明显；轮胎加筋对减小路堤沉降量效果明显，且荷载越大效果越显著；加筋路堤中，顶部轮胎层距离加载板越近、轮胎加筋层间距越小，路堤模型沉降越小，初始密度较小时，路堤加筋效果较好；路堤边坡加筋前后破坏形态存在明显差异，对于路堤边坡剪出口位置的影响较大，顶部轮胎位置对于路堤边坡破坏形态作用较明显。关键词：废旧轮胎；加筋边坡；模型试验；加筋机理；应力-应变中图分类号：U416.14文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0244THEMODELTESTOFWASTETIREREINFORCEDSLOPE1,2134511LILi-hua,XIAOHeng-lin,ZHENGJun-jie,CHENLun,SUNMiao-jun,SUNLong,YANGChao(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China;2.ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China;3.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;4.StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;5.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)Abstract:Wastetirescanbeusedforsoilreinforcement,providinghighqualityreinforcementatlowpriceswiththeadvantageofreducingtheenvironmentalwastedisposalcosts.Thestress,deformationcharacteristicsandinfluencefactorsarediscussedthroughamodeltest.Tirereinforcementhasasignificanteffectontheevolutionofthestressfieldinaslope.Whentheembankmentmodelfails,thereinforcedslopehaslittleplasticflowandthestressesapplieddonotreducerapidly.Thistypeofreinforcementcansignificantlyreducetheverticaladditionalstressesonbackfillsoil.Reinforcedtireshaveasignificantimpactonreducingthesettlementofanembankment,whichismoreobviousunderlargerloads.Theverticaldistancebetweenthetopreinforcementlayerandtheloadingplatewasalsoinvestigated,anditiscorrelatedwiththeadditionalstressincreaseandplayinganimportant———————————————收稿日期：2014-03-27；修改日期：2015-07-06基金项目：湖北省教育厅重点项目(D20151402)；岩土力学与工程国家重点实验室开放基金项目(Z014011)；国家自然科学基金项目(51308197，51178166)通讯作者：肖衡林(1977―)，男，湖南衡阳人，教授，博士，硕导，主要从事生态护坡、环境岩土等方面的研究工作(E-mail:xiao-henglin@163.com).作者简介：李丽华(1980―)，女，湖北孝感人，副教授，博士，硕导，主要从事地基处理、边坡加固、土工材料、环境岩土等方面的研究工作(E-mail:lilihua466@163.com)；郑俊杰(1967―)，男，湖北黄陂人，教授，博士，副院长，主要从事软土地基处理及应用等方面的研究(E-mail:zhengjj@hust.edu.cn)；陈轮(1963―)，男，广西崇左人，副教授，博士，主要从事地基基础、模拟月壤方面的研究(E-mail:lunchen@tsinghua.edu.cn)；孙淼军(1987―)，男，浙江绍兴人，博士生，主要从事边坡工程方面的研究(E-mail:sunmj816@163.com)；孙龙(1988―)，男，湖北宜城人，硕士生，主要从事地基处理方面的研究(E-mail:sunlongxy@163.com)；杨超(1988―)，男，河南信阳人，硕士生，主要从事边坡工程方面的研究(E-mail:zziahuyc@163.com). 80工程力学roleinreducingthesettlement,especiallyinlessinitiallydensesoil.Thefailuremodesofreinforcedandunreinforcedslopesarequitedifferent,especiallyontheshearoutletpositionoftheslope,again,influencedbythelocationofthetopreinforcementlayer.Keywords:wastetires;reinforcedslope;modeltest;reinforcementmechanism;stress-strain堆积如山的废旧轮胎因其存量大、数量增长等因素对加筋机理的影响研究也不够全面。现场试快、难以处理，被称为“世界黑色污染”，如何处验受到试验条件、时间、费用等各方面的限制，笔理数量庞大的废旧轮胎已成为紧迫和严重的国际者开展了轮胎加筋土结构模型试验，探讨了不同工[1―2]性社会经济问题和环境问题。废旧整胎(或适当况下废旧轮胎加筋边坡的应力场特性、变形特性、切割)可在挡土墙、边坡、桥台、护岸、堤坝、建筑破坏模式以及相应的影响因素(密实度、筋材布置方物基础、路堤、码头、储仓及核设施、军用设施等式和利用形式)等工作机理。工程加筋，是一种理想的选择。废旧轮胎抗拉强度1试验方案高、韧性好、耐久性、抗磨损、抗老化、抗震防撞性能优良，轮胎加筋施工快速简单，成本低廉，具试验砂土有效粒径d10=0.14mm，限制粒径[3―4]d=0.57mm，比重2.65，渗透系数10−3mm/s。试有良好的变形适应性能和长期稳定性，环保(对60环境及地下水无负面影响[3―6])，不易腐蚀(通常地下验筋材为小号轮胎内径25.4cm，胎面宽度5.4cm，2水酸性条件pH值为4~5，而一般情况下，轮胎在抗拉强度1230kN/m。模型箱为长方体，长×宽×此pH值环境中，其老化、损耗可以忽略不计[6])。高200cm×80cm×76cm，如图1所示。试验箱一侧5·12汶川地震造成大量滑坡和崩塌发生，对此，采用钢化玻璃板密封，以便观察和监测模型变形。采取了废旧轮胎加筋抗滑挡墙、加筋碎石土滑坡体加载钢板尺寸(长×宽×厚)为80cm×40cm×4cm。竖和种植香根草等措施[3]。但是，目前对废旧轮胎加向压力由自行研制的加载系统施加，液压最大工作筋土结构加筋机理认识不够清楚，有关轮胎加筋土压力25MPa，配合有16MPa压力表，配备相应压的设计计算理论还比较缺乏，制约了废旧轮胎在加力传感器进行压力监测。分级加载，每级间隔筋土工程中的应用和发展。0.5MPa。模型试验前，进行载荷板试加载试验，证[10−11]对轮胎加筋土结构，其筋土界面剪切特性、抗实边界效应不明显，与Yoon等轮胎加筋地拉拔力学特性以及加筋土结构稳定性、变形特性和基模型试验边界分析较一致。模型加筋布置方式如破坏模式等是加筋工作机理研究的核心内容[7―8]。图2所示。[6][9]Keun等和张达德等研究表明，废旧轮胎加筋时的极限拉拔阻力为土工格室的1.25倍；经切割的轮胎与砂土能紧密夯实并增加承受法向应力的面积，但轮胎与轮胎间的拉伸变形将影响其拉拔阻抗，轮胎间不同连接材料及不同连接方式可能对拉拔结[10―11]果产生较大影响。Yoon等研究表明，对于轮胎加筋砂土地基，当砂土相对密度较低时，加筋效果非常明显，轮胎加筋砂土地基的极限承载力图1加载系统及模型箱Fig.1Loadingsystemandmodelbox是未加筋的2倍，并且轮胎去掉侧壁的加筋效果优[4]于传统土工格室。Sayão等研究表明，轮胎加筋挡土墙结构相对常规加筋挡土墙更具有柔性，因此水平位移可能比常规挡土墙稍大，但仍在合理的范围内。800mm目前，在轮胎加筋土结构的稳定性、变形特性和破坏模式等加筋边坡或挡土墙工作机理方面的图2轮胎布置示意图研究工作较少，对不同密实度、不同轮胎布置形式Fig.2Tirearrangementsketch 工程力学81试验过程中计算每层回填土需要的重量，分层胎位置和间距对附加应力场分布的影响。位于顶部铺设压实，压实度以击实功控制，落距相同，每层轮胎层上方的压力盒T2在各种工况和荷载作用下，填土厚度约100mm。具体方案见表1。试验过程监应力变化值并不是很大，在各级荷载作用下，T2测参数：1)坡顶竖向压力和坡体不同部位压力值最大值与最小值比值分别为2.1、1.9、1.7、1.2、1.3(由加载系统和小型土压力盒测定)；2)坡体不同深和1.3，T4则为4.0、4.4、6.4、9.6、7.3、10.0，T4度位移和坡面不同位置位移(由钢珠、相机和数据图应力减小幅度明显较T2大；且T4附加竖向应力值像处理软件获得)。监测点布置如图3所示。由工况A3、A4、A2、A1逐渐变小。在加筋路堤模表1试验方案型中位于轮胎上方的附加应力值变化较小，而轮胎Table1Testscheme下方的竖向附加值明显减小，且顶层轮胎加筋位置回填土相对密度轮胎间距/cm轮胎与顶层距离/cm编号与加载板距离越小，附加应力值减小越明显。25A11030A20.4525A31530A4未加筋未加筋A525B11030B20.3225B31530B4未加筋未加筋B5(a)工况A1图3监测布置立面图Fig.3Monitoringarrangement2试验结果及分析2.1废旧轮胎加筋对应力场的影响路堤在荷载作用下的附加应力场演化是路堤(b)工况A5边坡应力变化的体现，试验过程中对路堤边坡不同图4应力曲线时刻在不同荷载值作用下的应力值进行监测。图4Fig.4Stresscurves为加筋前后加载过程中路堤内的竖向附加应力演轮胎与填充在轮胎中的砂土组成的单元体，在化过程(鉴于篇幅有限，没有全部列举，下同)。由路堤中对砂土颗粒间应力传递产生较大的影响。轮试验结果可知，路堤在达到破坏应力时，有轮胎加胎作为三维加筋材料，其对路堤堤身应力应变的影筋时(A1~A4)压力盒数值基本保持不变，仅部分压响不仅局限在限制填土的侧向变形，由于轮胎对其力盒数值在破坏时出现小幅降低，而未加筋路堤内部填土的包裹，轮胎高度方向承担上部竖向荷载(A5)各点应力值均出现不同程度下降，其中应力值较其内部填土大，使得靠近轮胎单元体正下方及附下降明显的压力盒为T2、T4、T6、T8，应力值分近的砂土承担的竖向附加应力有所降低，也即轮胎别降低50%、47%、39%、41%。表明加筋路堤模加筋后改变了同一深度处模型内的附加应力场。型压力盒监测范围内没有出现明显的整体破坏迹2.2轮胎加筋对路堤沉降的影响象，所有应力值没有出现陡降，而未加筋的路堤边1)加筋的影响坡坡体内则出现较为明显的整体变形破坏。针对有无轮胎加筋情况进行了对比，加筋前后路堤中部分压力盒分别埋设在加筋轮胎的上路堤堤顶处竖向沉降关系如图5所示。试验结果表方和下方，对比相应压力盒的数据，可分析加筋轮明，当荷载较大时，远离中轴线一侧的沉降值趋于 82工程力学稳定。这是由于监测点靠近坡肩，当荷载较大时，距为15cm时，顶层轮胎与加压板距离25cm的加坡肩发生侧移并超出加载板的范围，加载板继续下筋路堤较30cm的路堤沉降小43.9%、26.5%、行，对坡肩沉降影响减弱。各种加筋工况下轮胎加29.0%、44.7%、29.8%。当轮胎路堤顶层轮胎与加筋对减小沉降量作用十分明显，且随着荷载的增压板间距相同时，轮胎加筋层间距为10cm的加筋加，轮胎加筋改善沉降效果更加明显。分析原因可路堤较间距为15cm的加筋路堤沉降略大，但影响知，轮胎加筋对路堤沉降的影响主要有两个方面因程度明显没有顶层轮胎至加载板距离的影响大。轮素：一方面，砂土路堤采用轮胎加筋后，附加应力胎与顶层距离25cm时，轮胎层间距为10cm的加场发生改变，轮胎加筋层下方和轮胎加筋层间的竖筋路堤较15cm的路堤沉降小35.5%、23.8%、向附加应力明显降低；另一方面，轮胎筋材自身易33.7%、24.6%、37.6%，轮胎与顶层距离30cm时，于变形，但是由于形状因素，轮胎单元体刚度明显轮胎层间距为10cm的加筋路堤较15cm的路堤沉较砂土大，即使在相同应力作用下轮胎单元体的变降小45.4%、26.3%、-1.1%、13.4%、13.0%。形也较砂土小。因此，轮胎加筋路堤沉降明显较未综上可知，加筋路堤中顶层轮胎层距离加载板加筋的砂土路堤小。越近、轮胎层间距越小，路堤沉降越小，且顶层轮胎与加压板距离影响更为明显。由路堤中附加应力场分布可知，越靠近加载板，竖向附加应力越大，由此可知，加载板附近回填土产生的沉降较远离加载板回填土的大。当路堤用轮胎加筋后，由于加筋轮胎单元体刚度较回填土大，故能有效减小路堤沉降量，且顶层轮胎加筋层与坡顶距离较小时，轮胎单元体承担的应力较大，减小沉降效果更明显。与上述原理相似，当轮胎层间的间距较小时，中部和下部轮胎层更靠坡顶，承担的竖向附加应力较大，(a)中轴线一侧沉降能更显著地减小路堤沉降，但没有整体上移轮胎(顶层轮胎与加压板间距较小)效果明显。(b)坡面一侧沉降图5初始相对密度0.32的砂土路堤沉降曲线Fig.5Settlementcurveswithrelativedensityof0.32(a)加筋间距10cm2)加筋形式的影响为分析轮胎加筋位置和间距对砂土路堤沉降的影响，分别绘制顶层监测点沉降值随轮胎位置与间距的曲线，如图6所示。由图6可知，轮胎加筋层间距相同时，当轮胎路堤顶部轮胎到加压板间距越大，路堤沉降越大，且在密实路堤中这种趋势更加明显。轮胎层间距为10cm时，顶层轮胎与加压板距离25cm的加筋路堤较30cm的路堤沉降小33.7%、24.0%、53.4%、51.9%、49.6%，轮胎层间(b)加筋间距15cm 工程力学83(b)工况A2(c)顶层轮胎与加压板间距为25cm(d)顶层轮胎与加压板间距为30cm(c)工况A5图6密实路堤沉降曲线图7不同初始密实度沉降曲线Fig.6SettlementofthedenseembankmentFig.7Settlementcurvesatdifferentdensity3)回填土初始密实度的影响2.3轮胎加筋对路堤破坏模式的影响分别对两种初始密实度的回填土进行试验，并试验过程中可明显观察路堤边坡的破坏形态，在顶层轮胎与加压板距离、轮胎层间距相同的情况由于路堤边坡坡面处侧向位移最为明显，为研究轮下绘制不同初始密实度回填土的沉降曲线。如图7胎加筋对于路堤破坏模式的影响，对不同位置的坡所示。在所有工况中，初始密实度较大的路堤沉降面位移进行监测，并绘制不同深度的位移曲线。图均明显小于初始密实度小的路堤的沉降量，且随着8为轮胎加筋位置不同时路堤边坡的破坏形态，图荷载的增加，沉降减小量越大。当荷载与未加筋的中划线处为破裂面的下限位置。图9为不同荷载作情况相比，A1~A4减小沉降幅度大部分都有所提用下坡面位移随深度的变化。可明显看出，由于轮升。材料状态变化直接导致模型的应变规律发生变胎加筋以及加筋形式的不同，路堤边坡破坏模式发[12]化，不同初始密度路堤沉降差异主要有砂土的孔生变化。未加筋时，边坡破坏主要体现为整体剪切[13]隙性质决定，初始密度较小时回填土由于孔隙比破坏，随着加筋形式的改变，剪切破坏面范围变小。较大，在相同荷载作用下产生的沉降变大。当采用当轮胎加筋层与坡顶距离较大时，坡面的最大位移轮胎加筋后，轮胎单元体的刚度较密实砂土的刚度深度与顶层加筋层深度基本一致，表现为破坏时坡大，故加筋后沉降量减小程度较未加筋的大。面剪出口位置与轮胎上部基本一致，譬如A2、A4顶层轮胎距离坡顶为30cm，路堤破坏时剪出口和最大位移深度在30cm~40cm范围内；当轮胎加筋层与坡顶距离较小时，坡面的最大位移深度与破坏时剪出口位置反而降低，譬如A1、A3顶层轮胎距离坡顶为30cm，路堤破坏时剪出口和最大位移深度在40cm~55cm范围内。通过比较破坏形态图和位移曲线可知，轮胎间距对于边坡的剪出口位置影响不太明显，但顶层轮胎位置较其他加筋轮胎层对于路堤边坡破坏形态作用更为明显。砂土与轮胎之(a)工况A1 84工程力学间的嵌固和摩擦作用，使得砂土颗粒的侧向位移受到较大的限制，且由于加筋轮胎抗拉强度较大，使得轮胎能够承受由于嵌固和摩擦作用而引起的拉应力，这极大地减小了砂土边坡的侧向位移。当顶层轮胎离坡顶的距离较小时，路堤内的附加应力值很大，且应力分布不均匀，轮胎对于砂土侧向位移的限制作用有限，轮胎自身产生较大的变形，(b)工况A1(a)未加筋A5深度/cm(c)工况A2图9路堤坡面位移曲线Fig.9Displacementofslopesurface(b)工况A1顶层轮胎离坡顶的距离变大时，路堤内的附加应力值较小，轮胎对于砂土侧向位移的限制作用变得更为有效，当顶层加筋材料埋深降低到适宜的深度，其对砂土侧向位移的限制作用可以达到最大值，这[14―15]与国内外有关研究结论一致。3结论(1)轮胎加筋对于路堤边坡的应力演化有显著(c)工况A2影响。路堤破坏时，由于加筋路堤内没有出现明显图8路堤边坡破坏形态的整体变形破坏，仅有局部变形发生，所以除个别Fig.8Failuremodelofembankmentslope压力数据外，其他各测点应力值没有出现陡降，而未加筋的路堤边坡则出现明显的变形破坏迹象，表现为压力盒数值出现陡降现象。(2)轮胎加筋可较为显著地降低靠近轮胎单元体正下方及附近的砂土承担的竖向附加应力，且顶层加筋轮胎与加载板距离越小，附加应力值减小越明显。(3)轮胎加筋对减小路堤沉降量作用十分明显，且荷载越大，加筋效果越显著。加筋路堤中顶部轮胎层距离加载板越近、轮胎加筋层间距越小，路堤(a)未加筋A5的沉降越小，且顶层轮胎与加压板距离对路堤沉降 工程力学85的影响更为明显。初始密实度对轮胎加筋效果有一LiuXu,TangXiaowu,ShenHao,GaoBaisong.Studyonstressdistributionofreinforcementunderdrawingforce定影响，初始密度较小时，路堤加筋效果较好，且[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2010,随着荷载的增加，加筋效果差异越大。32(5):657―661.(inChinese)(4)加筋前后路堤破坏形态存在明显差异，主要[8]林伟岸,詹良通,陈云敏,王香治.含土工复合排水网是对于路堤边坡剪出口位置的影响较大。轮胎加筋衬里的界面剪切特性研究[J].岩土工程学报,2010,层间距对于边坡的剪出口位置影响并不明显，顶部32(5):693―697.LinWeian,ZhanLiangtong,ChenYunmin,Wang轮胎位置较中部和下部加筋轮胎对于路堤边坡破Xiangzhi.Interfaceshearstrengthoflinerswith坏形态作用更为明显。geocomposite[J].ChineseJournalofGeotechnical从理论上分析，当顶层轮胎加筋材料埋深降低Engineering,2010,32(5):693―697.(inChinese)到适宜的深度，其对砂土侧向位移的限制作用可以[9]张达德,张家豪.砂土围压下的废轮胎拉拔试验评估[J].岩土力学,2011,32(3):733―737.达到最大值，但具体深度将在以后的试验中进一步ZhangDade,ZhangJiahao.Experimentalresearchon探索。pullouttestofwastetirewithsandconfinement[J].RockandSoilMechanics,2011,32(3):733―737.(inChinese)参考文献：[10]YoonYeoWon,SeungBeomHeob,KeunSooKim.[1]HuatBujangBK,AzizAzlanA,ChuanLohWooi.GeotechnicalperformanceofwastetiresforsoilApplicationofscraptiresasearthreinforcementforreinforcementfromchambertests[J].Geotextilesandrepairoftropicalresidualsoilslope[J].JournalofGeomembranes,2008(26):100―107.GeotechnicalEngineering,2008(13):1―9.[11]YoonYeoWon,SungHanCheonb,DaeSeongKang.[2]LiLihua,TangHuiming,XiaoBenlin.DiscardedtireBearingcapacityandsettlementoftire-reinforcedsandsimplicationsinreinforcedslope[C].Switzerland:4th[J].GeotextilesandGeomembranes,2004(22):439―InternationalConferenceonTechnologyofArchitecture453.andStructure,2011,9:1430―1433.[12]李学丰,黄茂松,钱建固.基于非共轴理论的各向异性[3]何宁,娄炎,薛慧涛.震后山体滑坡处理技术[J].武汉砂土应变局部化分析[J].工程力学,2014,31(3):205―大学学报(工学版),2008,41(增刊):14―18.207.HeNing,LouYan,XueHuitao.ReinforcementofLiXuefeng,HuangMaosong,QianJian’gu.Strainlandslidescausedbyearthquake[J].EngineeringJournallocalizationanalysisofanisotropicsandbasedonnon-ofWuhanUniversity,2008,41(Suppl):14―18.(incoaxialtheory[J].EngineeringMechanics,2014,31(3):Chinese)205―207.(inChinese)[4]SayãoASFJ,GerscovichDMS,MedeirosLV,SieiraA[13]马宗源,徐清清,党发宁.碎石土地基动力夯实的颗CCF.Scraptire-anattractivematerialforgravity粒流离散元数值分析[J].工程力学,2013,30(增刊):retainingwallsandsoilreinforcement[J].Journalof184―190.SolidWasteTechnologyandManagement.2009,35(3):MaZongyuan,XuQingqing,DangFaning.Numerical135―155.studyofdynamiccompactedforgravelfoundationusing[5]肖衡林,王钊,张训祥.处理废弃轮胎的一种有效方particleflowmethod[J].EngineeringMechanics,2013,法—轮胎加筋土结构[J].环境工程,2002,20(3):51―30(Suppl):184―190.(inChinese)54.[14]DasB,KhingK,ShinE,PuriV,YenS.ComparisonofXiaoHenglin,WangZhao,ZhangXunxiang.Aneffectivebearingcapacityofstripfoundationongeogrid-disposalmethodofscrapetire—tirereinforcedsoilreinforcedsandandclay[C].Morgantown,WA,USA:structure[J].EnvironmentalEngineering.2002,20(3):ProceedingsoftheEighthInternationalConferenceon51―54.(inChinese)ComputerMethodsandAdvancesinGeomechanics,1994,[6]KeunSooKim,YeoWonYoon,GilLimYoon.Pullout1331―1336.behaviorofcell-typetiresinreinforcedsoilstructures[J].[15]YooC.LaboratoryinvestigationofbearingcapacityJournalofCivilEngineering,2011,15(7):1209―1217.behaviorofstripfootingongeogrid-reinforcedsandslope[7]刘续,唐晓武,申昊,高柏松.加筋土结构中筋材拉拔[J].GeotextilesandGeomembranes,2001(19):279―力的分布规律研究[J].岩土工程学报,2010,32(5):298.657―661.