废旧轮胎加筋路基的力学特性研究.pdf

Aug.2023年8 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.4第4 期（总第2 8 3 期）山西交通科技废旧轮胎加筋路基的力学特性研究郭锐（山西交控汾石高速公路有限公司，山西吕梁032300)摘要：我国是汽车工业大国，废旧轮胎产量巨大，常规的存放及处置方法占用土地且污染环境，极大地危害环境卫生安全；同时，废旧轮胎具有自重小、弹性好等优点，是一种良好的土木工程材料，但目前的研究仍不充分。通过应用FLAC3D有限差分软件，建立废旧轮胎加筋路基的数值模型，分析其在竖向均布荷载作用下，不同填土性质、加筋形式等对废旧轮胎加筋路基力学性能的影响。数值模拟结果表明，废旧轮胎加筋能够提高路基承载能力，减小沉降。关键词：废旧轮胎；加筋路基；力学性质；数值模拟；FLAC3D中图分类号：U463.341:U412.222文献标识码：A文章编号：10 0 6-3 52 8（2 0 2 3)0 4-0 0 3 7-0 3Analysis of Mechanical Characterade Reinforced with Waste TiresGUO Rui(Fenshi Branch of Shanxi Transportation Holdings Group Co.,Ltd.,Luliang,Shanxi 032300,China)Abstract:China is a big country in the automobile industry with enormous production of waste tires.The traditional storage and disposal method of the waste tire occupies a lot of land and pollutes theenvironment,greatly threatening the environment and health safety.Also,the waste tire has advantages suchas being lightweight and having good elasticity,which can be a good material for civil engineering but withstill insufficient research.In this paper,the FLAC 3D finite difference software was used to establish thenumerical model of the subgrade reinforced with the waste tire.The influence of the different fllingproperties,reinforcement forms,and other aspects on the mechanical characteristics of the subgrade underthe vertical uniform load.The numerical simulation results showed that the waste tire reinforcement canimprove the bearing capacity of the subgrade and reduce the settlement.Key words:waste tire;reinforced subgrade;mechanical characteristics;numerical simulation;FLAC 3D0引言废旧轮胎难以降解，直接填埋需要占用大量土地，同时还会带来巨大的环境污染。为了减小废旧轮胎对环境的压力，许多学者已经将废旧轮胎运用到边坡防护、地基填料和挡土墙等工程的修建中2-6 。废旧轮胎质量轻、弹性好，是良好的土木工程材料。在工程领域，直接将废旧的整个轮胎内部加填料用于地基加固、边坡防护及挡墙等工程中，具有较为广阔的发展应用前景7-8 。但目前对于废旧轮胎在工程中应用的研究仍不充分，相关基础理论研究欠缺，更没有合适的标准和规范可以参照，不足以支撑其在工程中的大规模运用，因此需要进行废旧加筋路基相关的试验研究，为其在工程中的应用提供参考。1数值模型1.1建立计算模型为了研究轮胎在土体内的力学响应，建立直径2 m、高1.5m的实体圆柱体模型模拟土体，划分单元网格如图1所示，土体采用邓肯-张本构模型，土体参数见表1。废旧轮胎规格：直径6 0 cm，宽（高）2 0 cm，模型中的废旧轮胎材料采用FLAC3D中内置的衬砌结构单元(liner）来进行模拟，如图2 所示。衬砌结构单元具有两个界面，可以反映轮胎外部土体和轮胎内部土体与收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 4；修回日期：2 0 2 3-0 3-14作者简介：郭锐（19 8 6 一），男，山西大同人，高级工程师，工程硕士，2 0 0 8 年毕业于长安大学道路桥梁与渡河工程专业。38山西交通科技2023年第4 期轮胎的相互作用。本文对于废旧轮胎的模拟就采用内外不同的摩擦角、筋土黏聚力等材料特性，反映轮胎内外与土的不同相互作用。废旧轮胎加筋材料参数采用表2 中的材料参数。图1FLAC3D土体模型图表1模型土体材料参数土体性质密度/摩擦角/剪胀角/KR,KKM.(kgm)（）松散砂土17073222000.81600800.27密实砂土182039114800.815801880.27图2轮胎模型示意图表2废旧轮胎加筋材料参数弹性模量/法向刚度/切向刚度/密度/厚度/筋-土黏聚力筋-土摩擦角 筋-土黏聚力筋-土摩擦角单元类型泊松比MPa(MPam-)(MPam)(kgm-3)mm(内侧)/kPa(内侧)/()(外侧)/kPa(外侧）/(）Liner1000.510041250502910251.2数值模拟工况数值模拟试验以废旧轮胎加筋土模型为研究对象，在模型上表面施加竖直均布荷载，分析土体性质（根据土体参数不同，定义两种土体分别为松散砂土、密实砂土，具体参数见表1）、轮胎加筋层位置和轮胎加筋层层数对土体荷载-沉降特性的影响，共分为18组基础试验，各基础试验组工况参数如表3 所示，加筋层位置示意见图3。表3数值模拟基础试验工况土体类型加筋层层数加筋层位置编号0ZL上层AL1中层AL2下层AL3松散砂土上层、中层BL12上层、下层BL2中层、下层BL33上层、中层、下层CL0ZD上层AD11中层AD2下层AD3密实砂土上层、中层BD12上层、下层BD2中层、下层BD33上层、中层、下层CD注：加筋层层数为0，代表未加筋素土。上层轮胎中层轮胎下层轮胎图3轮胎加筋层位置示意图2土体性质对加筋土性能的影响由图4 可见，对比松散砂（ZL）、松散砂-加筋（TL）或密实砂（ZD）、密实砂-加筋（TD）曲线，砂土经过轮胎加筋后能够极大地增强土体的承载能力；同时在相同荷载作用下，经过加筋后的土体，所产生的沉降量较未加筋土体产生的沉降量略大，是因为土体经轮胎加筋后，相同荷载作用下由于轮胎弹性模量小产生的弹性变形大，导致土体整体沉降量较加筋前变大，并且由于轮胎受径向荷载作用而变形对所包裹土体提供环向约束，增大了土体的承载能力对比松散砂（ZL、T L）和密实砂（ZD、T D）两组曲线可知，在相同的荷载作用下，松散砂土加筋前后沉降量的差值小于密实砂土加筋前后沉降量的差值，表明松散砂土在加筋后，轮胎的变形和轮胎与土体相互作用下的变形更小，轮胎对于松散砂土的约束能力更好，松散砂土的加筋效果更好。荷载/kPa50100150200250松散砂（ZL）松散砂-加筋（TL）密实砂（ZD）-5密实砂-加筋（TD）uu/d2-10F-15F-20F图4不同密实度砂荷载-沉降曲线3轮胎对加筋土性能的影响3.1轮胎加筋层位置对加筋土性能的影响由图5、图6 可见，对比松散砂土与密实砂土两种土体下的6 个工况，在相同荷载的作用下，加筋层的位置越靠近土体的下方，加筋土体的沉降量越小，由于在39郭锐：废旧轮胎加筋路力学特性研究2023年第4 期模型上表面施加竖向均布荷载，加筋层的位置越靠近上表面，在施加荷载后加筋层轮胎变形越大，所产生土体沉降越大。相比较之下，轮胎加筋层的位置对土体沉降以及土体承载力的影响较小，且在两种密实度土体中均表现出相同的性状，差异较小。荷载/kPa01020304050加筋层位置上(ALI)中(AL2)下(AL3)4-5-6-7图5松散砂土不同加筋层位置荷载-位移曲线荷载/kPa5075100125150-1加筋层位置上(AD1)-2虫(AD2)下(AD3)wu/2-3一4-5-6-7-8图6密实砂土不同加筋层位置荷载-位移曲线3.2轮胎加筋层层数对加筋土性能的影响由图7 可知，加筋层数不同的松散砂土的沉降量受最上层加筋层的位置影响。1层加筋，加筋层的位置越靠下，相同荷载作用下的沉降量越小。2 层加筋，加筋位置为中层和下层（BL3），在相同荷载作用下的沉降量小于加筋位置为上层中层（BL1）、上层下层（BL 2），工况BL1、BL 2,沉降量基本相同。2 层加筋松散砂土，在相同荷载作用下，最上层加筋层的位置越靠下，沉降量越小。3 层加筋松散砂土，在相同荷载作用下，沉降量大于1层加筋、2 层加筋砂土。荷载/kPa010203040500-2wu/2加筋层数工况4ALI上1层一AL2中-6一AL3下BL1上中2层BL2上下-8BL3中下一3层一CL上中下图7松散砂土不同加筋层数荷载-沉降曲线由图8 可知，加筋层数不同的密实砂土的沉降量受最上层加筋层的位置影响。1层加筋，加筋层的位置越靠下，相同荷载作用下的沉降量越小。2 层加筋，最上层加筋层的位置越靠下，沉降量越小，次一层加筋层的位置对沉降量的影响较小。3 层加筋，在相同荷载作用下，沉降量大于1层加筋、2 层加筋砂土。荷载/kPa0255075100 1251500-2-4加筋层数工况AD1上1层AD2中-6AD3下BD1上中-82层BD2上下BD3中下3层CD上中下-10L图8密实砂土不同加筋层数荷载-沉降曲线4结论a)经过废旧轮胎加筋后的土体，其承载能力较未加筋土体有显著改善，加筋土体承载力显著增大。加筋土体中的加筋材料承受竖向荷载后对土体产生了轴向约束力，在土体与轮胎的相互作用下，增大了土体的承载能力。松散砂土的加筋效果好于密实砂土。相同荷载作用下，松散砂土加筋前后的沉降量差值明显小于密实砂土加筋前后的沉降量差值，在轮胎与砂土的相互作用下，松散砂土的变形更小，轮胎加筋材料对于松散砂土的约束效果更好。b)轮胎加筋层的位置越靠近下方，相同荷载作用下，土体的沉降量越小；加筋层位置对土体总体沉降的影响较小。加筋后土体沉降量的一部分受加筋材料变形的影响，加筋层越靠近土体的下方，受荷载的直接影响越小，其变形对于土体的影响越小。加筋层的位置对土体沉降量总体变化影响不大。参考文献：1】李钊.我国废旧轮胎资源化现状、问题与对策J.中国轮胎资源综合利用，2 0 18（12）：4 1-4 3.2邢耀文.废旧轮胎作为土工材料在工程应用中的力学性能研究D.南京：南京水利科学研究院，2 0 10.3张正甫，刘松玉，蔡光华，等.废旧轮胎在道路工程中的研究进展J.土木工程学报，2 0 15,4 8（S2)：3 6 1-3 6 8.4李丽华，刘毅，肖衡林，等.轮胎碎片加筋砂土路基承载力试验J公路工程，2 0 16,4 1（3）：6 4-6 8.5李朝晖，张虎元，赵彦旭.轮胎条加筋土工程特性J.工程勘察,2 0 0 9,3 7(6):19-2 3.6何俊，李勇，阮晓晨，等.废旧轮胎胶粉-黏土混合土的击实性能.工程地质学报，2 0 15，2 3（5)：10 13-10 19.7王学成.废旧轮胎-土复合体力学性能的研究D.济南：山东大学，2 0 17.8马源.废旧轮胎-土复合体力学性能及工程应用研究D.济南：山东大学，2 0 18.