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橡胶掺量对格栅–橡胶砂界面宏细观剪切特性影响

刘飞禹, 符军, 王军, 李婧婷, 应梦杰

刘飞禹, 符军, 王军, 李婧婷, 应梦杰. 橡胶掺量对格栅–橡胶砂界面宏细观剪切特性影响[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(6): 1006-1015. DOI: 10.11779/CJGE202206004
引用本文: 刘飞禹, 符军, 王军, 李婧婷, 应梦杰. 橡胶掺量对格栅–橡胶砂界面宏细观剪切特性影响[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(6): 1006-1015. DOI: 10.11779/CJGE202206004
LIU Fei-yu, FU Jun, WANG Jun, LI Jing-ting, YING Meng-jie. Effects of rubber content on macro- and meso-scopic shear characteristics of geogrid-rubber sand interface[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(6): 1006-1015. DOI: 10.11779/CJGE202206004
Citation: LIU Fei-yu, FU Jun, WANG Jun, LI Jing-ting, YING Meng-jie. Effects of rubber content on macro- and meso-scopic shear characteristics of geogrid-rubber sand interface[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(6): 1006-1015. DOI: 10.11779/CJGE202206004

橡胶掺量对格栅–橡胶砂界面宏细观剪切特性影响  English Version

基金项目: 

国家自然科学基金项目 52078285

国家自然科学基金项目 51878402

国家自然科学基金项目 51978534

详细信息
    作者简介:

    刘飞禹(1976—),男,教授,博士,主要从事加筋土和土动力学方面的研究。E-mail: lfyzju@shu.edu.cn

    通讯作者:

    王军, E-mail: sunnystar1980@163.com

  • 中图分类号: TU43

Effects of rubber content on macro- and meso-scopic shear characteristics of geogrid-rubber sand interface

  • 摘要: 为了研究土工格栅–橡胶砂界面的剪切特性,通过室内大型直剪仪,分析了不同橡胶掺量、相对密实度和竖向应力下界面的剪应力–剪切位移关系及体变特性;并基于室内试验,建立关于PFC3D的纯砂和橡胶砂直剪模型,揭示土工格栅加筋橡胶砂在直剪过程中的细观力学机理。研究表明:在相同密实下橡胶砂剪切强度随着橡胶掺量增加先增大后减小,其最优橡胶掺量为10%,且越松散由橡胶掺量引起的剪切强度差(|τ0-τ50|)越大;在纯砂中掺入一定量橡胶颗粒能增大其似黏聚力和内摩擦角,但影响其剪切强度以内摩擦角为主;橡胶颗粒掺入致使剪切带相对厚度变小,橡胶颗粒对砂颗粒的转动起抑制作用,使得橡胶砂的孔隙率的变化量小于纯砂;橡胶砂组构分布能够反映接触力的分布,整体上颗粒间接触点数量比纯砂的略多,法向接触力和切向接触力比纯砂小;橡胶颗粒掺入增大了体系的阻尼耗能,提高了混合物的弹性。
    Abstract: A large-scale direct shear apparatus is used to study the interface shear properties of the geogrid-reinforced rubber-sand mixture. The variations of shear stress with shear displacement and volume deformation characteristics are analyzed under different rubber contents, relative densities and normal stresses. Based on the indoor experiments, direct shear models for sand and rubber-sand mixture on PFC3D are established to reveal the meso-mechanical mechanism of geogrid-reinforced rubber-sand mixture in the direct shear process. The results show that the shear strength of rubber-sand mixture rises first and then drops with the increase of rubber content under the same compaction. The optimal rubber content is 10%. The looser the mixture is, the greater the difference is in shear strength (|τ050|) caused by the rubber content. Adding some rubber particles in sand can increase its apparent cohesion and interface friction angle, but the shear strength is mainly affected by the latter. The relative thickness of the shear band becomes smaller in view of the entry of rubber particles. The rubber particles inhibit the rotation of the sand particles, making the porosity change of the rubber-sand mixture smaller than that of the sand. The fabric distribution of the rubber-sand mixture can reflect the distribution of contact force, and the number of touch points among particles is a little more than that of the sand. The normal contact force and tangential contact force of the mixture are smaller than those of sand. The addition of rubber particles increases the damping energy consumption of the system and improves the elasticity of the mixture.
  • 碱渣是氨碱法生产纯碱过程中排出的碱性废弃物,又称白泥。随制碱工业的迅速发展,中国每年排出碱渣近300×104 t,大量的碱渣通过地表堆积或排入海洋的方法进行处理。由于碱渣的理化性质特殊,不合理的处理方法不仅侵占土地资源,而且会对周边生态环境造成污染[1-2]

    为减少废弃碱渣对生态环境的污染,提高经济效益及利用率,碱渣的治理与再利用成为近年来的研究热点,各领域的学者进行了许多积极的探索。在建筑工程领域,将碱渣用于生产无熟料水泥、砌块、胶凝材料[3];在农业方面,碱渣富含微量元素可生产植物复合肥,也可作为酸性土壤的改良剂;碱渣经处理后还可用作烟气的脱硫剂和染料污水的吸附剂等[4]。但上述治理方法对碱渣的消耗量少且加工成本较高,不能从根本上解决碱渣大量堆积造成的污染问题。

    将碱渣与粉煤灰等材料按一定比例拌和可制成碱渣土,作为工程土用于填垫工程,能够消耗大量的废弃碱渣,还能增加土地资源提高经济效益,是处理碱渣的一种有效途径。国内外众多学者对碱渣土的性质及填筑方法进行了深入研究,王芳等[5]通过室内试验对碱渣的土工试验方法进行了探索,可为碱渣的室内试验方法提供参考,并对不同配比碱渣土的力学特性进行了研究。孙树林等[6]将碱渣作为添加剂用于膨润土的改良,由室内试验结果可知碱渣改良膨润土具有可行性。赵献辉等[7]将碱渣和粉煤灰拌和制得碱渣土,通过室内试验对不同龄期的碱渣土进行颗粒分析,证明碱渣和粉煤灰之间存在化学作用。冀国栋等[8]通过X射线衍射和SEM电镜扫描等一系列室内试验,对碱渣和粉煤灰拌和后的强度增强机理进行了系统的研究,发现粉煤灰的掺入能够显著改善碱渣的力学性能,碱渣土的回填具有可行性。

    众多学者以室内试验结果为参考和依据,通过现场试验对碱渣土填筑的可行性进行了探索。日本将碱渣制成碱渣土用于填海造地;张明义等[9-10]通过现场填筑试验对不同配比碱渣土的力学性能进行了试验研究,并对碱渣土的不同填筑方法进行了探究;闫澍旺等[11]将固体碱渣与固体粉煤灰拌和制得碱渣土,采用分层压实法回填,经试验检测所填筑碱渣土的工程性能较好;田学伟等[12]以固体碱渣废料为主要原料制取碱渣土,进行了大面积的现场填垫试验,通过现场试验测得碱渣土具有一定的承载能力,可用做部分工程的地基土。但是,目前所采用的碱渣土填筑方法,在填垫前需对碱渣废液进行压滤或脱水处理,再将固体碱渣与粉煤灰等材料拌和后进行压实回填,此填筑方法耗时较长,不适用实际工程的大面积填筑。如果将碱厂排出的碱渣废液或碱渣固体配置的碱渣液,与粉煤灰按一定比例混合均匀后,直接用于碱渣土的填筑,能够省去液体碱渣压滤脱水所耗时间,显著提高碱渣土的填垫效率。

    因此,以山东海化集团的碱渣废液和粉煤灰为研究对象,在室内试验的基础上,将碱渣废液与粉煤灰液直接混合进行室外液相填筑试验,对碱渣土的填筑质量进行了检测。为进一步提高填筑质量,基于室外试验的结果进行了室内碱渣土均匀性和强度改良试验,以期为碱渣土的液相填筑提供一定的参考和依据。

    试验所用碱渣和粉煤灰取自山东海化碱厂和山东海化电厂,将碱渣和粉煤灰烘干、碾碎后进行化学成分分析,碱渣的化学成分:CaCO3为51.22%,Mg(OH)2为12.78%,NaCl为10.87%,CaSO4为9.24%,Fe2O3为5.23%,CaCl2为4.45%,CaO为2.10%;粉煤灰的化学成分:SiO2为51.64%,Al2O3为25.17%,Fe2O3为13.24%,CaO为3.23%,MgO为2.51%,S为1.07%。

    由于现场取回的碱渣含水率较大,先用烘箱进行低温烘干,烘干温度为38℃,再碾碎过筛,过筛细度为2 mm。将碱渣和粉煤灰按固体质量比为5∶5,6∶4,7∶3,8∶2制备试样,试样制备完成后密封静置一昼夜,再采用标准电动击实仪对5种试样进行轻型击实试验。为探究不同配比碱渣土的无侧限抗压强度,上述每种配比制备3个试样,并且制备3个纯碱渣试样作对比,进行无侧限抗压强度试验,室内试验操作均按规范[13]进行。

    以碱渣土室内试验为基础,选用碱渣与粉煤灰固体质量比7∶3,8∶2的配比,进行现场填筑试验。试验池T1为固体质量比7∶3的碱渣废液和粉煤灰液混合吹填(液相–液相),T2为固体质量比8∶2的碱渣废液和粉煤灰液混合吹填(液相–液相),T3为固体质量比7∶3的碱渣废液和固体粉煤灰混合吹填(液相–固相)。填筑完成后,通过现场试验对碱渣土的填筑质量进行检测。其试验流程主要为:试验池的准备、吹填材料的制备、碱渣土吹填、填筑质量检测。现场试验流程图如图1所示。

    图  1  现场试验流程图
    Figure  1.  Flow chart of field tests

    (1)试验池的准备。开挖3个尺寸均为10 m×10 m×2 m(长×宽×深)的试验池用于碱渣土的吹填,分别为T1,T2,T3。为模拟碱渣土的一维竖向固结,池底不铺防渗薄膜,仅在试验池侧壁加铺防渗薄膜,再用砖铺砌于试验池的侧壁和池底。在试验池旁分别建1个尺寸为1.5 m×2.0 m×2.5 m(长×宽×深)的粉煤灰池用于制备粉煤灰液,1个尺寸为1.5 m×1.5 m×2.5 m(长×宽×深)的混合池用于制备碱渣和粉煤灰的混合液。

    (2)吹填材料的制备。由于试验场地临近碱厂,故将碱厂排出的碱渣废液通过管道直接输送至试验场地,作为试验所用的液体碱渣,经试验测得碱渣废液的密度为0.08 g/mL,如图2(a)所示。粉煤灰液在粉煤灰池中制备,先在粉煤灰池中注入1.5 m深的清水,再将一定质量的固体粉煤灰加入粉煤灰池中,采用搅拌器及泵回流对粉煤灰水进行搅拌,得到一定浓度的粉煤灰液。

    图  2  现场试验照片
    Figure  2.  Photos of field tests

    (3)液相碱渣土吹填。将制备的粉煤灰液和碱渣废液通过料浆泵注入混合池中并搅拌均匀,混合液的含固量及碱渣与粉煤灰的配比通过流量计进行控制,如图2(b)所示。先制备固体质量比为7∶3的混合液,将混合液注满T1试验池,沉淀4 h后抽去上部清液,再重新将混合液注满沉淀池,直至碱渣土厚度达1.0 m时完成填筑,如图2(c)所示。T2试验池的吹填方法与T1试验池相同。试验池T3的混合液由碱渣废液与粉煤灰固体混合而成,将碱渣废液直接注入粉煤灰池中,同时加入一定质量的粉煤灰固体,搅拌均匀后注入试验池T3中。

    (4)填筑质量检测。填筑结束5个月后,试验池中的碱渣土经过风干晾晒表面硬化,已具有一定的承载能力,如图2(d)所示。为检测3个试验池中碱渣土的强度及均匀性,在每个试验池表面选取试验点,按规范[13]进行轻型动力触探试验和可变能量动力触探试验,试验点分布如图3所示。

    图  3  现场试验点分布平面图
    Figure  3.  Distribution plan of field test site

    试验所用自制沉淀器由三轴试验的大尺寸饱和器、滤纸、透水石等构件组成,用以模拟碱渣土混合液的一维竖向固结,自制沉淀器结构如图4所示。配制2份碱渣与粉煤灰固体质量比为7∶3、含固比为20%的混合液,1份中加入0.019%(5滴)的电离子土壤固化剂(ISS),进行平行试验。根据规范[14],由于所用电离子土壤固化剂(ISS)为液体土壤固化剂,其掺量采用固化剂与待稀释于拌和用水量之体积比表示,固化剂的掺入体积通过滴管控制。将配制的试样注入到自制沉淀器内,混合液的渗透速度通过透水石上的滤纸层数控制,14 d后混合液沉淀已基本完成,打开沉淀器半模,使用钢丝锯竖直切开沉淀物,观察碱渣土剖面的均匀性状况。

    图  4  自制沉淀器结构图
    Figure  4.  Structural diagram of self-made precipitator

    根据规范[14]和文献[15,16],土壤固化剂掺量宜根据固化剂的使用说明确定,掺量过低或过高都会影响土壤固化剂的作用。因此,为确定电离子土壤固化剂对碱渣土均匀性改良的最优掺量,以及固化剂高掺量对碱渣土均匀性的影响,同时考虑混合液配置的便捷性及经济性,取4组试样,在控制其它条件不变的情况下,分别掺入0.0075%(2滴)、0.019%(5滴)、0.030%(8滴)、0.041%(11滴)的电离子固化剂再次进行沉淀试验。

    试验所用石灰为生石灰,首先通过滴定试验测得石灰的CaO和MgO的含量均值是67.3%。由于石灰在凝结硬化过程中体积会收缩,影响混合料的稳定性和力学性质,且实际吹填工程面积较大,较大的石灰掺量会大幅度提高成本,因此综合考虑石灰的掺量不宜过多[17]。根据参考文献[17,18],向纯碱渣中加入1%,3%,5%,7%,9%的石灰,每个配比做两组平行试验,按规范[13]进行无侧限抗压强度试验。

    为进一步探究石灰掺量,对碱渣与粉煤灰固体质量比为7∶3碱渣土强度的影响,配制4份碱渣与粉煤灰固体质量比为7∶3的混合液,分别加入3%,5%,7%,9%的石灰粉搅拌均匀。为加快试验进度,待沉淀物上层清液渗漏完毕后,采用烘箱对沉淀物进行低温烘干处理,烘干温度为38℃。再采用WY-4型贯入仪,对烘干后的试样进行微型触探试验,在每个试样取3个试点,记录贯入10 cm时的锤击数。

    由轻型击实试验可得,不同配比碱渣土含水率与干密度的变化曲线,如图5所示。由图5可知,随碱渣掺量的增加,碱渣土的最优含水率逐渐降低,与张明义等[9]通过击实试验所得结论一致。粉煤灰掺量对碱渣土最优含水率的影响较大,这是因为粉煤灰中的CaO能够与碱渣中的水反应,降低碱渣土的含水率,粉煤灰的掺量增多,对碱渣中水的消耗越高,碱渣土的最优含水率越低。粉煤灰掺量对碱渣土最大干密度的影响较小,赵献辉等[19]、刘春原等[20]同样通过击实试验证实了此现象。配比5∶5,7∶3碱渣土的最大干密度略高于其余两种配比的碱渣土,且7∶3碱渣土的最优含水率较大,由于在实际工程中碱渣土脱水困难,耗时较长,故最优含水率较大的碱渣土更适用于填垫工程。

    图  5  不同配比碱渣土含水率与干密度的变化曲线
    Figure  5.  Curves of water content and dry density

    不同配比间碱渣土的无侧限抗压强度如图6所示。与碱渣土相比纯碱渣的无侧限抗压强度较低,配比为8∶2碱渣土的无侧限抗压强度为纯碱渣的6倍,粉煤灰的掺入能够明显提高碱渣的土体强度。这是因为粉煤灰的掺入能够降低碱渣的含水率,提高土体中Ca2+和OH-的含量,为碱渣土的重结晶作用提供了条件,重结晶的结晶物填充在颗粒之间,提高了土体强度,反应如下[20]。另一方面,一定量的CaSO4和OH-可激发粉煤灰的活性,提高其胶凝性。但是这种激化作用有一定限度,故随粉煤灰掺量的增加,无侧限抗压强度的增幅变小。

    图  6  不同配比碱渣土的无侧限抗压强度
    Figure  6.  Unconfined compressive strengths of soda residue soil with different ratios

    CaO+H2O→Ca(OH)2,

    Ca2++CO32-=CaCO3↓,

    Mg2++2OH-=Mg(OH)2↓,

    Ca2++SO42-= CaSO4↓。

    通过击实试验和无侧限抗压强度试验可知,配比7∶3碱渣土的最优含水率、最大干密度和无侧限抗压强度虽然不是最优的,但在实际填筑工程中应综合考虑施工难度、成本和工期的影响。从本文试验结果可见,配比7∶3的碱渣土已具有较好的击实性和土体强度。且冀国栋等[8]通过压缩试验发现,当粉煤灰掺量为碱渣掺量的40%时,碱渣土的固结压缩特性改善明显,这一掺量也接近7∶3的配合比。因此,选定碱渣∶粉煤灰为7∶3为最优配合比[21]

    由于碱渣土的固结不充分,通过轻型触探试验结果可知[13],3个沉淀池的触探击数均小于5击,T1试验池的锤击数高于T2和T3试验池的锤击数。说明液相吹填碱渣土的强度高于液-固吹填碱渣土的强度,且配比7∶3的碱渣土强度较高,这是因为粉煤灰中的CaO与碱渣中的H2O相互作用生成Ca(OH)2,Ca(OH)2与SiO2、Al2O3发生水化反应,如下[7]

    mCa(OH)2+(n-1)H2O+SiO2mCaO·SiO2·nH2O,

    mCa(OH)2+(n-1)H2O+Al2O3mCaO·Al2O3·nH2O。

    碱渣中的CaSO4可以与水化物发生反应如下:

    mCaO·Al2O3·nH2O+CaSO4·2H2O,

    mCaO·Al2O3·CaSO4·(n+2)H2O。

    液相吹填的碱渣土,碱渣和粉煤灰之间的混合更为均匀,上述反应更为充分,生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙较为均匀地填充在碱渣和粉煤灰颗粒之间,胶结形成碱渣土体,故液相吹填碱渣土的土体强度较高,液相吹填具有可行性。

    通过轻型动力触探试验检验其填筑质量存在一定的局限性,故采用便携式可变能量动力触探仪对碱渣土进行可变能量动力触探,通过锥形探头的动力阻力检验碱渣土的密实度及均匀性。T1,T2,T3试验池的触探阻力随深度变化曲线如图79所示。

    图  7  T1试验池触探阻力随深度变化曲线
    Figure  7.  Resistance curves of T1 test pool with depth
    图  8  T2试验池触探阻力随深度变化曲线
    Figure  8.  The resistance curve of T2 test pool with depth
    图  9  T3试验池触探阻力随深度变化曲线
    Figure  9.  Resistance curves of T3 test pool with depth

    可见,与T3试验池相比,T1,T2试验池的触探阻力曲线随贯入深度的波动幅度较小,说明T1,T2试验池的碱渣土硬度较为均匀,采用液相填筑的碱渣土均匀性要明显优于直接掺入粉煤灰固体的碱渣土。与T1试验池相比,T2试验池下部的触探阻力波动较大,这是因为在T2试验池在吹填前期,使用的为半湿粉煤灰。在制备液体粉煤灰时产生了块状的凝结物,使大量的块状物沉淀在试验池下部。在吹填后期换用干燥粉煤灰,此现象明显改善,所以造成T2试验池下部的触探阻力曲线波动较大,在制备粉煤灰液时应控制粉煤灰的含水率。从整体上看T1,T2试验池的触探阻力在深度小于30 cm时的波动较小,但随深度的增加其触探阻力整体上呈增大趋势且波动幅度逐渐变大,这可能是由于碱渣废液和粉煤灰液的密度存在差异,在沉淀过程中导致碱渣与粉煤灰颗粒间混合不充分,易出现团聚现象,从而导致一定程度的分层,使土体强度及均匀性存在差异。冀国栋等[8]通过室内试验对碱渣在液体中的沉降特性进行了研究,同样证实碱渣在沉降过程中受颗粒的大小的影响,导致不同深度碱渣的特性存在一定的差异,下面将通过室内试验对此问题做进一步的验证与改良。

    采用环刀取样法测得T1试验池碱渣土的含水率、干密度分别为178.5%,0.49 g/cm3,与其最优含水率、最大干密度为64%,0.88 g/cm3存在一定的差距,可见碱渣土的含水率较高,承载力低,且采用自然晾晒排水耗时较长,导致吹填的场地无法立即投入使用产生经济价值。为了加快碱渣土的固结,可用先采用浅层真空预压等浅表层地基预处理方法对表层碱渣土进行处理,使大型机械能够进入吹填场地,再采用深层真空预压、堆载预压或动力排水固结等方法进行二次处理,以提高碱渣土的固结速度。

    图10为ISS对碱渣土均匀性改良的剖面图。可见,两试样均存在一定的分层现象,但加入固化剂的碱渣土分层现象明显改善,均匀性较好。

    图  10  ISS对碱渣土均匀性改良的剖面图
    Figure  10.  Sectional view of soda residue soil with ISS

    徐玉龙等[22]通过自制沉降柱对碱渣的沉降机理进行了研究,证实碱渣沉降类型受絮团尺寸的影响,絮团尺寸较小的碱渣浆为均匀沉降。电离子土壤固化剂能够改变碱渣和粉煤灰颗粒表面的亲水性及负电性,阻止其与阳离子构成双电层结构,避免形成溶胶体,从而使粉煤灰颗粒与碱渣颗粒的沉降更为均匀性[15-16]。为确定土壤固化剂的最优掺量,分别掺入0.0075%,0.019%,0.030%,0.041%电离子固化剂的碱渣土剖面图如图11所示,可见掺入0.019%固化剂试样的均匀性优于其余3个试样,从经济性和均匀性改良多方面考虑,在实际的碱渣土液相填筑工程中,宜采用电离子土壤固化剂的掺量为0.019%,电离子土壤固化剂对碱渣土力学性质的影响,有待进一步探究。

    图  11  不同ISS掺量对碱渣土均匀性改良的剖面图
    Figure  11.  Sectional view of uniformity of soda residue soil with different ISS contents

    通过无侧限抗压强度试验,可得不同石灰掺量碱渣的破坏形态如图12所示。可见,当石灰掺量为1%和3%时,碱渣土体呈现出竖向的贯通裂缝,且在贯通裂缝周围存在小裂缝,且土体存在一定的侧向鼓胀变形,掉角和表皮剥落现象,表明其抗压强度较低。当石灰掺量为5%时,土体呈现出剪切破坏的特征,土体侧向变形不明显,且侧边出现劈裂和土样掉落的现象。随石灰掺量的继续增加,土体的破坏裂缝变短,侧边掉落土样较少,表明土体的抗压强度提高。结合图13不同石灰掺量碱渣无侧限抗压强度,对石灰的改良作用做进一步分析。

    图  12  不同石灰掺量碱渣的破坏形态
    Figure  12.  Destruction patterns of soda residue with different lime contents
    图  13  不同石灰掺量碱渣的无侧限抗压强度
    Figure  13.  Unconfined compressive strengths of soda residue with different lime contents

    随石灰掺量的增加,碱渣的无侧限抗压强度提高,当石灰掺量为0~3%时,碱渣抗压强度的增幅较小,当石灰掺量为5%和7%时,碱渣的抗压强度迅速提高至110.37,241.70 kPa。当石灰掺量提高至9%时,碱渣的抗压强度为242.55 kPa,较掺量7%的抗压强度仅提高0.85 kPa。这是因为,在一定的石灰掺量范围内,随石灰掺量的增加,产生的胶凝物质越多,土体强度越高。但当石灰掺量过多时,产生大量的Ca(OH)2晶体会降低土颗粒之间的联结作用,导致土体强度不仅不会持续增长,甚至还会有所降低,于爱民[17]通过SEM电镜扫描试验证实了此观点。

    石灰掺量与碱渣土贯入击数的关系如图14所示。可见,随石灰掺量的增加,碱渣土的贯入击数增加,土体的承载能力提高。当石灰掺量在3%~7%时,贯入击数增长迅速,当石灰掺量达7%后,贯入击数随石灰掺量的增加变化不大,增幅仅为1.8%,与图11不同石灰掺量的碱渣无侧限抗压强度变化规律相似。石灰与碱渣中的水发生水化反应,生成大量的Ca2+和OH-,随石灰掺量的增加,土体PH值提高,碱渣中溶解的硅酸盐和硅离子与OH-反应生成Si(OH)3,Si(OH)3与Ca2+反应生成水化硅酸钙(C-S-H)[18]。且粉煤灰的主要成分为SiO2,在石灰改良碱渣土强度中起到火山灰的作用,能够作为催化剂促进石灰发生反应,提高碱渣土的土体强度[7]

    图  14  不同石灰掺量与碱渣土贯入击数的关系
    Figure  14.  Penetration number of soda residue soil with lime content

    由现场填筑试验可知,在碱渣土液相填筑后,碱渣土的含水率较高,掺入一定量的石灰粉,还能够消耗碱渣土中的水,降低碱渣土的含水率,提高碱渣土的土体的密实度。综上可知,石灰对碱渣土强度的改良作用并不会随石灰掺量的增加而无限增长,因此从经济、承载力等方面综合考虑,石灰在碱渣土液相填筑时的最优掺量为7%。

    (1)室内试验表明,碱渣与粉煤灰固体质量的最优配比为7∶3,此配比碱渣土的密实度及承载力较高,且对碱渣的消耗量大,有利于消耗大量的碱渣。

    (2)采用碱渣废液与粉煤灰液混合吹填制取的碱渣土,其均匀性及承载能力明显优于直接掺入粉煤灰固体的碱渣土。此方法填筑工艺简单、填筑质量较好,且能大批量利用碱渣,对于改进现有碱渣土的填筑方法,指导碱渣土的填筑施工具有参考价值。

    (3)采用液相填筑碱渣土的整体均匀性较好,但仍存在一定的分层现象,掺入一定量的电离子土壤固化剂能提高液相填筑碱渣土的均匀性,综合考虑成本及改良情况其最优掺量为0.019%。固化剂对于碱渣土土体强度及排水固结的影响有待进一步研究。

    (4)石灰能激发粉煤灰活性,在碱渣土液相填筑时掺入一定量的生石灰粉,能有效提高碱渣土的土体强度及承载力,综合考虑成本及改良情况其最优掺量为7%。液相填筑的碱渣土结合固结排水措施,能使碱渣土的强度及承载力进一步提高。

  • 图  1   大型直剪仪示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of large-scale direct shear apparatus

    图  2   试验试样

    Figure  2.   Test specimens

    图  3   砂土与橡胶颗粒级配曲线

    Figure  3.   Grain-size distribution curves of sand and rubber particles

    图  4   土工格栅

    Figure  4.   Photo of geogrid

    图  5   剪应力–剪切位移关系曲线

    Figure  5.   Relation curve of shear stress and shear displacement

    图  6   竖向位移–剪切位移关系曲线

    Figure  6.   Relation curve of vertical displacement and shear displacement

    图  7   剪切强度–橡胶含量关系曲线

    Figure  7.   Relation curve of shear strength and rubber content

    图  8   似黏聚力和内摩擦角与橡胶颗粒含量关系曲线

    Figure  8.   Relation curve of cohesion and internal friction angle with rubber content

    图  9   不同橡胶砂密实度下单调直剪试验结果

    Figure  9.   Results of monotonic direct shear tests under different relative densities of rubber sand mixture

    图  10   不同相对密实度下剪切强度与橡胶颗粒含量关系曲线

    Figure  10.   Relationship between shear strength and rubber particle content under different relative densities

    图  11   模拟试样及土工格栅局部图

    Figure  11.   Partial drawing of simulated specimens and geogrid

    图  12   土工格栅拉力–应变关系

    Figure  12.   Relationship between pull and strain of geogrid

    图  13   纯砂和橡胶砂数值模拟与室内试验的拟合曲线

    Figure  13.   Fitting curves of pure sand and rubber sand by numerical simulation and laboratory tests

    图  14   试样变形演变

    Figure  14.   Deformation evolution of specimens

    图  15   剪切过程中位移场变化

    Figure  15.   Change of displacement field during shearing

    图  16   接触法向分布

    Figure  16.   Distribution of normal contact direction

    图  17   法向接触力分布

    Figure  17.   Distribution of normal contact force

    图  18   切向接触力分布

    Figure  18.   Distribution of tangential contact force

    图  19   接触力链

    Figure  19.   Contact force chain

    图  20   孔隙率分布

    Figure  20.   Distribution of porosity

    图  21   孔隙率–剪切位移关系曲线

    Figure  21.   Relationship between porosity and shear displacement

    图  22   阻尼耗能和动能与剪切位移关系曲线

    Figure  22.   Relation curve of damping energy dissipation and kinetic energy with shear displacement

    表  1   砂土和橡胶的物理性质指标

    Table  1   Physical property indexes of sand and rubber

    材料 最大干密度/(g·cm-3) 最小干密度/(g·cm-3) 相对质量密度 不均匀系数Cu 曲率系数Cc 有效粒径d10/mm 连续粒径d30/mm 平均粒径d50/mm 限制粒径d60/mm
    砂土 1.85 1.59 2.71 5.75 1.09 0.129 0.323 0.590 0.742
    橡胶 0.69 0.52 1.21 1.32 1.06 3.533 4.182 4.500 4.659
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    表  2   土工格栅技术指标

    Table  2   Technical indexes of geogrid

    土工合成材料 单位面积质量/(g·m-2) 网孔尺寸(长×宽/mm) 纵横肋尺寸/mm 极限延伸率/% 极限抗拉强度/(kN·m-1)
    横向 纵向 横向 纵向
    聚丙烯土工格栅 340 30×30 4, 4 13 13 20 20
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    表  3   试验方案

    Table  3   Test plans

    橡胶含量x/% 相对密实度Dr/% 竖向应力σ/kPa 剪切速率v/(mm·min-1)
    0 30.0, 53.7, 68.7 30, 60, 90 1.0
    10 30.0, 53.7, 68.7 30, 60, 90 1.0
    20 68.7 30, 60, 90 1.0
    30 30.0, 53.7, 68.7 30, 60, 90 1.0
    40 68.7 30, 60, 90 1.0
    50 30.0, 53.7, 68.7 30, 60, 90 1.0
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    表  4   土工格栅细观参数

    Table  4   Mesoscopic parameters of geogrid

    颗粒密度/(kg·m-3) 黏结半径/mm 平行黏结模型杨氏模量/GPa 刚度比 法向黏结强度/GPa 切向黏结强度/GPa
    640 1.0 63 1.0 7.5 7.5
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    表  5   橡胶砂细观参数标定值

    Table  5   Calibrated values of mesoscopic parameters of rubber sand mixture

    参数名称 单位 标定值
    砂土颗粒法向接触刚度 N/m 2.0×106
    砂土颗粒切向接触刚度 N/m 1.0×106
    橡胶颗粒法向接触刚度 N/m 2.0×103
    橡胶颗粒切向接触刚度 N/m 1.0×103
    墙体法向接触刚度 N/m 2.0×108
    墙体切向接触刚度 N/m 1.0×108
    刚度比 2.0
    颗粒摩擦系数 0.54
    墙体摩擦系数 0
    砂土颗粒密度 kg/m3 2340
    橡胶颗粒密度 kg/m3 1100
    孔隙率 0.34
    下载: 导出CSV
  • [1]

    BALUNAINI U, YOON S, PREZZI M, et al. Pullout response of uniaxial geogrid in tire shred–sand mixtures[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2014, 32(2): 505–523. doi: 10.1007/s10706-014-9731-1

    [2]

    MANOHAR D R, ANBAZHAGAN P. Shear strength characteristics of geosynthetic reinforced rubber-sand mixtures[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2021, 49(4): 910–920.

    [3]

    MADHUSUDHAN B R, BOOMINATHAN A, BANERJEE S. Static and large-strain dynamic properties of sand–rubber tire shred mixtures[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2017, 29(10): 04017165. doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002016

    [4]

    WANG J, YING M J, LIU F Y, et al. Experimental investigation on the stress-dilatancy response of aggregate-geogrid interface using parameterized shapes[J]. Construction and Building Materials, 2021, 289: 123170. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123170

    [5] 朱顺然, 徐超, 丁金华. 土工织物–砂土界面的叠环式剪切试验[J]. 岩土力学, 2018, 39(5): 1775–1780, 1788. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201805029.htm

    ZHU Shun-ran, XU Chao, DING Jin-hua. Laminated shear test of geotextile-sand interface[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(5): 1775–1780, 1788. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201805029.htm

    [6]

    LIU F Y, WANG P, GENG X, et al. Cyclic and post-cyclic behaviour from sand–geogrid interface large-scale direct shear tests[J]. Geosynthetics International, 2016, 23(2): 129–139. doi: 10.1680/jgein.15.00037

    [7]

    LIU F Y, YING M J, YUAN G H, et al. Particle shape effects on the cyclic shear behaviour of the soil-geogrid interface[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2021, 49(4): 991–1003.

    [8]

    WANG J, LIU F Y, ZHENG Q T, et al. Effect of aperture ratio on the cyclic shear behaviour of aggregate-geogrid interfaces[J]. Geosynthetics International, 2021, 28(2): 158–173.

    [9]

    VIEIRA C S, LOPES M L, CALDEIRA L M. Sand-geotextile interface characterisation through monotonic and cyclic direct shear tests[J]. Geosynthetics International, 2013, 20(1): 26–38. doi: 10.1680/gein.12.00037

    [10] 李丽华, 肖衡林, 唐辉明, 等. 轮胎碎片-砂混合土抗剪性能优化试验研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(4): 1063–1067. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201304025.htm

    LI Li-hua, XIAO Heng-lin, TANG Hui-ming, et al. Shear performance optimizing of tire shred-sand mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(4): 1063–1067. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201304025.htm

    [11] 刘方成, 吴孟桃, 杨峻. 土工格栅加筋橡胶砂强度特性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 580–591. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201902019.htm

    LIU Fang-cheng, WU Meng-tao, YANG Jun. Experimental study of strength characteristics of geogrid reinforced rubber sand mixtures[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(2): 580–591. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201902019.htm

    [12]

    ZHOU E Q, WANG Q. Experimental investigation on shear strength and liquefaction potential of rubber-sand mixtures[J]. Advances in Civil Engineering, 2019, 2019: 5934961.

    [13] 刘启菲, 庄海洋, 陈佳, 等. 废旧轮胎橡胶颗粒–砂混合料抗剪强度与破坏模式试验研究[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(10): 1887-1895. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202110017.htm

    LIU Qi-fei, ZHUANG Hai-yang, CHEN Jia, et al. Tests on shear strength and failure mode of rubber particle-sand mixtures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2021, 43(10): 1887–1895. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC202110017.htm

    [14]

    DING Y, ZHANG J S, CHEN X B, et al. Experimental investigation on static and dynamic characteristics of granulated rubber-sand mixtures as a new railway subgrade filler[J]. Construction and Building Materials, 2021, 273: 121955.

    [15] 张涛, 蔡国军, 刘松玉, 等. 橡胶–砂颗粒混合物强度特性及微观机制试验研究[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(6): 1082–1088. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201706017.htm

    ZHANG Tao, CAI Guo-jun, LIU Song-yu, et al. Experimental study on strength characteristics and micromechanism of rubber-sand mixtures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(6): 1082–1088. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201706017.htm

    [16] 孔亮, 陈凡秀, 李杰. 基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟[J]. 岩土力学, 2013, 34(10): 2971–2978. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201310032.htm

    KONG Liang, CHEN Fan-xiu, LI Jie. Meso-direct-shear test of sand based on digital image correlation method and its PFC numerical simulation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(10): 2971–2978. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201310032.htm

    [17] 苗晨曦, 郑俊杰, 崔岚, 等. 格栅–砂土界面宏细观关联性与加筋性能评价方法研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(增刊1): 3249–3258. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2016S1074.htm

    MIAO Chen-xi, ZHENG Jun-jie, CUI Lan, et al. Study of the macro-meso correlation of geogrid-soil interface and assessment method of reinforced performance[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(S1): 3249–3258. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX2016S1074.htm

    [18]

    LOPERA PEREZ J C, KWOK C Y, SENETAKIS K. Micromechanical analyses of the effect of rubber size and content on sand-rubber mixtures at the critical state[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2017, 45(2): 81–97.

    [19]

    GONG L X, NIE L, XU Y, et al. Discrete element modelling of the mechanical behaviour of a sand-rubber mixture containing large rubber particles[J]. Construction and Building Materials, 2019, 205: 574–585.

    [20]

    LEE C, SHIN H, LEE J S. Behavior of sand-rubber particle mixtures: experimental observations and numerical simulations[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2014, 38(16): 1651–1663.

    [21] 公路工程土工合成材料试验规程: JTG E 50—2006[S]. 2006.

    Test Methods of Geosynthetics for Highway Engineering: JTG E 50—2006[S]. 2006. (in Chinese)

    [22] 王军, 王攀, 刘飞禹, 等. 密实度不同时格栅–砂土界面循环剪切及其后直剪特性[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(2): 342–349. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201602023.htm

    WANG Jun, WANG Pan, LIU Fei-yu, et al. Cyclic and post-cyclic direct shear behaviors of geogrid-sand interface with different soil densities[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(2): 342–349. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201602023.htm

    [23] 周健, 王家全, 孔祥利, 等. 砂土颗粒与土工合成材料接触界面细观研究[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(1): 61–67. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201001012.htm

    ZHOU Jian, WANG Jia-quan, KONG Xiang-li, et al. Mesoscopic study of the interface between sandy soil and geosynthetics[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(1): 61–67. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201001012.htm

    [24] 史旦达, 周健, 刘文白, 等. 砂土直剪力学性状的非圆颗粒模拟与宏细观机理研究[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(10): 1557–1565. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201010015.htm

    SHI Dan-da, ZHOU Jian, LIU Wen-bai, et al. Exploring macro- and micro-scale responses of sand in direct shear tests by numerical simulations using non-circular particles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(10): 1557–1565. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201010015.htm

    [25]

    WANG C, DENG A, TAHERI A. Three-dimensional discrete element modeling of direct shear test for granular rubber-sand[J]. Computers and Geotechnics, 2018, 97: 204–216.

  • 期刊类型引用(7)

    1. 陈忠清,高彦斌,吕越,吴早生,魏威. 碱渣-粉煤灰基地聚合物固化软黏土的强度及渗透性研究. 地基处理. 2024(02): 134-145 . 百度学术
    2. 李清,唐伊婷,赵婧如,李嘉瀚. 粉煤灰改良路用碱渣土强度试验研究. 四川建筑. 2024(03): 210-212 . 百度学术
    3. 徐泉,王国栋,曹军,郭云云,赵婧如. 路用碱渣复合土水稳定性试验研究. 福建建筑. 2024(07): 76-79 . 百度学术
    4. 王元战,龚晓龙,王轩,张春生,谢涛. 碱渣土的触变性与扰动后强度演化规律研究. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2023(06): 633-640 . 百度学术
    5. 何俊,吕晓龙,王文鹏. 碱渣-矿渣固化疏浚淤泥含水率控制方法研究. 人民长江. 2023(07): 196-202 . 百度学术
    6. 余海燕,胡林童. 轻质碱渣-氯氧镁水泥基材料性能研究及孔结构特征分析. 混凝土与水泥制品. 2022(04): 78-83 . 百度学术
    7. 尹平保,王书勤,贺炜,杨文斌,杨铠波,陈彦虎. 镍铁渣–黏土–水泥改性土力学特性试验及修正的邓肯–张模型. 工程科学与技术. 2022(05): 93-102 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-20
  • 网络出版日期:  2022-09-22
  • 刊出日期:  2022-05-31

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