廢舊輪胎加筋路基的力學特性研究

郭 銳

（山西交控汾石高速公路有限公司，山西呂梁 032300）

0 引言

廢舊輪胎難以降解，直接填埋需要占用大量土地，同時還會帶來巨大的環境污染[1]。為了減小廢舊輪胎對環境的壓力，許多學者已經將廢舊輪胎運用到邊坡防護、地基填料和擋土墻等工程的修建中[2-6]。廢舊輪胎質量輕、彈性好，是良好的土木工程材料。在工程領域，直接將廢舊的整個輪胎內部加填料用于地基加固、邊坡防護及擋墻等工程中，具有較為廣闊的發展應用前景[7-8]。但目前對于廢舊輪胎在工程中應用的研究仍不充分，相關基礎理論研究欠缺，更沒有合適的標準和規范可以參照，不足以支撐其在工程中的大規模運用，因此需要進行廢舊加筋路基相關的試驗研究，為其在工程中的應用提供參考。

1 數值模型

1.1 建立計算模型

為了研究輪胎在土體內的力學響應，建立直徑2 m、高1.5 m 的實體圓柱體模型模擬土體，劃分單元網格如圖1所示，土體采用鄧肯-張本構模型，土體參數見表1。廢舊輪胎規格：直徑60 cm，寬（高）20 cm，模型中的廢舊輪胎材料采用FLAC 3D 中內置的襯砌結構單元（liner）來進行模擬，如圖2所示。襯砌結構單元具有兩個界面，可以反映輪胎外部土體和輪胎內部土體與輪胎的相互作用。本文對于廢舊輪胎的模擬就采用內外不同的摩擦角、筋土黏聚力等材料特性，反映輪胎內外與土的不同相互作用。廢舊輪胎加筋材料參數采用表2 中的材料參數。

表2 廢舊輪胎加筋材料參數

圖1 FLAC 3D土體模型圖

圖2 輪胎模型示意圖

1.2 數值模擬工況

數值模擬試驗以廢舊輪胎加筋土模型為研究對象，在模型上表面施加豎直均布荷載，分析土體性質（根據土體參數不同，定義兩種土體分別為松散砂土、密實砂土，具體參數見表1）、輪胎加筋層位置和輪胎加筋層層數對土體荷載-沉降特性的影響，共分為18組基礎試驗，各基礎試驗組工況參數如表3所示，加筋層位置示意見圖3。

表3 數值模擬基礎試驗工況

圖3 輪胎加筋層位置示意圖

2 土體性質對加筋土性能的影響

由圖4 可見，對比松散砂（ZL）、松散砂-加筋（TL）或密實砂（ZD）、密實砂-加筋（TD）曲線，砂土經過輪胎加筋后能夠極大地增強土體的承載能力；同時在相同荷載作用下，經過加筋后的土體，所產生的沉降量較未加筋土體產生的沉降量略大，是因為土體經輪胎加筋后，相同荷載作用下由于輪胎彈性模量小產生的彈性變形大，導致土體整體沉降量較加筋前變大，并且由于輪胎受徑向荷載作用而變形對所包裹土體提供環向約束，增大了土體的承載能力。

圖4 不同密實度砂荷載-沉降曲線

對比松散砂（ZL、TL）和密實砂（ZD、TD）兩組曲線可知，在相同的荷載作用下，松散砂土加筋前后沉降量的差值小于密實砂土加筋前后沉降量的差值，表明松散砂土在加筋后，輪胎的變形和輪胎與土體相互作用下的變形更小，輪胎對于松散砂土的約束能力更好，松散砂土的加筋效果更好。

3 輪胎對加筋土性能的影響

3.1 輪胎加筋層位置對加筋土性能的影響

由圖5、圖6 可見，對比松散砂土與密實砂土兩種土體下的6 個工況，在相同荷載的作用下，加筋層的位置越靠近土體的下方，加筋土體的沉降量越小，由于在模型上表面施加豎向均布荷載，加筋層的位置越靠近上表面，在施加荷載后加筋層輪胎變形越大，所產生土體沉降越大。相比較之下，輪胎加筋層的位置對土體沉降以及土體承載力的影響較小，且在兩種密實度土體中均表現出相同的性狀，差異較小。

圖5 松散砂土不同加筋層位置荷載-位移曲線

圖6 密實砂土不同加筋層位置荷載-位移曲線

3.2 輪胎加筋層層數對加筋土性能的影響

由圖7 可知，加筋層數不同的松散砂土的沉降量受最上層加筋層的位置影響。1 層加筋，加筋層的位置越靠下，相同荷載作用下的沉降量越小。2 層加筋，加筋位置為中層和下層（BL3），在相同荷載作用下的沉降量小于加筋位置為上層中層（BL1）、上層下層（BL2），工況BL1、BL2，沉降量基本相同。2 層加筋松散砂土，在相同荷載作用下，最上層加筋層的位置越靠下，沉降量越小。3 層加筋松散砂土，在相同荷載作用下，沉降量大于1 層加筋、2 層加筋砂土。

圖7 松散砂土不同加筋層數荷載-沉降曲線

由圖8 可知，加筋層數不同的密實砂土的沉降量受最上層加筋層的位置影響。1 層加筋，加筋層的位置越靠下，相同荷載作用下的沉降量越小。2 層加筋，最上層加筋層的位置越靠下，沉降量越小，次一層加筋層的位置對沉降量的影響較小。3 層加筋，在相同荷載作用下，沉降量大于1 層加筋、2 層加筋砂土。

圖8 密實砂土不同加筋層數荷載-沉降曲線

4 結論

a）經過廢舊輪胎加筋后的土體，其承載能力較未加筋土體有顯著改善，加筋土體承載力顯著增大。加筋土體中的加筋材料承受豎向荷載后對土體產生了軸向約束力，在土體與輪胎的相互作用下，增大了土體的承載能力。松散砂土的加筋效果好于密實砂土。相同荷載作用下，松散砂土加筋前后的沉降量差值明顯小于密實砂土加筋前后的沉降量差值，在輪胎與砂土的相互作用下，松散砂土的變形更小，輪胎加筋材料對于松散砂土的約束效果更好。

b）輪胎加筋層的位置越靠近下方，相同荷載作用下，土體的沉降量越小；加筋層位置對土體總體沉降的影響較小。加筋后土體沉降量的一部分受加筋材料變形的影響，加筋層越靠近土體的下方，受荷載的直接影響越小，其變形對于土體的影響越小。加筋層的位置對土體沉降量總體變化影響不大。