Shear modulus and damping ratio of sand-granulated rubber mixtures

Recycled waste tires when mixed with soil can play an important role as lightweight materials in retaining walls and embankments, machine foundations and railroad track beds in seismic zones. Having high damping characteristic, rubbers can be used as either soil alternative or mixed with soil to reduce vibration when seismic loads are of great concern. Therefore, the objective of this work was to evaluate the dynamic properties of such mixtures prior to practical applications. To this reason, torsional resonant column and dynamic triaxial experiments were carried out and the effect of the important parameters like rubber content and ratio of mean grain size of rubber solids versus soil solids(D50,r/D50,s) on dynamic response of mixtures in a range of low to high shearing strain amplitude from about 4×10-4% to 2.7% were investigated. Considering engineering applications, specimens were prepared almost at the maximum dry density and optimum moisture content to model a mixture layer above the ground water table and in low precipitation region. The results show that tire inclusion significantly reduces the shear modulus and increases the damping ratio of the mixtures. Also decrease in D50,r/D50,s causes the mixture to exhibit more rubber-like behavior. Finally, normalized shear modulus versus shearing strain amplitude curve was proposed for engineering practice.

基于相似性原则的橡胶颗粒-砂混合物热导率理论模型

为准确定量评价人工隔热材料橡胶颗粒-砂混合物的导热性能,突破现有经验关系模型适用性较差的局限性,以Wiener土体热导率模型为框架,基于相似性原则,通过对混合物中各介质的导热性能进行分析,建立用于计算混合物热导率的理论模型,分析模型中计算参数的意义和确定方法,根据文献报道热导率测试数据,对比验证模型的有效性,并探讨模型进一步完善和拓展的研究方向。研究结果表明:橡胶颗粒和孔隙液的导热能力相似,可将两者归属为相似类传热介质应用于Wiener串、并联模型中;模型综合考虑了橡胶掺量、粒径比、饱和度和孔隙率等对橡胶颗粒-砂混合物结构和导热性能的影响,准确描述了混合物热导率和橡胶掺量、粒径比的相关关系,与实测数据的对比结果显示了较高的精确度。探明复杂应力状态和极端气候条件对刚-柔性颗粒混合物导热性能的作用规律,是进一步完善和拓展本文模型的重要研究内容。

橡胶砂级配对混合土体剪切特性影响研究

为了研究橡胶砂的剪切特性,采用室内大型直剪仪,研究了4种橡胶砂级配(1种间断级配、2种连续级配、1种开级配)、3种橡胶掺入量(10%、30%、60%)、3种竖向应力(30、60、90 kPa)对橡胶砂强度特性和体变特性的影响;并在室内直剪试验的基础上,按照相同级配和橡胶掺量建立纯砂和橡胶砂的离散元数值模型,从颗粒接触状态和颗粒位移角度探讨橡胶砂内在力学机制。研究结果表明:在低橡胶含量下,橡胶砂的剪应力曲线趋势和纯砂一致,但其抗剪强度均低于纯砂;橡胶砂剪切应力随竖向应力的增大而增大,4种级配的橡胶砂中连续级配SR2抗剪强度最高;橡胶颗粒的掺入能有效抑制砂土的剪胀,其中间断级配SR1橡胶砂抑制土体剪胀效果最好,剪胀量相较于纯砂减少了37.6%;橡胶砂的内摩擦角随着橡胶掺入量的增大而减小,同一橡胶掺量下连续级配SR2橡胶砂的内摩擦角最大;橡胶颗粒在橡胶砂力链网络中主要参与弱力链的形成,橡胶砂剪切带宽度小于纯砂的剪切带宽度。

基于不同地基隔震体系的两层三跨地铁地下车站结构抗震性能分析

针对两层三跨地铁地下车站结构的地震破坏特征,采用水泥橡胶砂混合土作为地铁地下车站结构周围回填地基隔震层,建立三种不同地基隔震体系的土-隔震层-地下结构静、动力耦合非线性动力相互作用的二维有限元计算模型,分析了不同地基隔震层设置方案对地铁地下车站结构的相对层间位移角、加速度反应、震后残余变形和混凝土地震损伤破坏等地震反应的影响规律。结果表明:在地下车站结构周围地基设置水泥橡胶砂隔震层可以有效地减轻地下车站结构的地震侧向变形,尤其是在四周都采用隔震材料回填时效果最好;总体来看,在车站结构周围采用不同地基隔震的方法均可以有效地减轻地下车站结构的惯性力和混凝土地震损伤程度,提高了结构的整体抗震性能,从经济角度和施工方便出发,建议优先选用在地下车站结构两侧设置地基隔震层。

橡胶砂液化特性的动扭剪试验研究

为研究橡胶砂的液化特性,在不同的橡胶质量掺量、循环应力比、相对密实度、频率和有效围压工况条件下对橡胶砂进行动扭剪试验,分析橡胶砂的动力剪切应力-应变关系、动弹性模量和阻尼比的发展趋势.结果表明:橡胶颗粒质量掺量越高,橡胶砂越不易液化,广义剪切应变越小,橡胶砂越不易破坏;在橡胶颗粒掺量一定的情况下,试样破坏周次随循环应力比增大而减少;相对密实度和有效围压增大时,试样的剪切应变降低、抗液化能力增强,而剪切频率增大时,抗液化能力减弱;随着剪切应变和橡胶颗粒掺量的增加,试样弹性模量逐渐降低,阻尼比逐渐增大.

橡胶砂动剪模量和阻尼比循环单剪试验研究

对7种不同配比的橡胶颗粒-砂混合物(简称橡胶砂)进行了循环单剪试验,得出了4种不同竖向固结压力p下不同配比橡胶砂的动剪模量和阻尼比的变化规律。研究表明:同一固结压力下,橡胶颗粒的增多使得应力-应变曲线明显降低,动剪模量衰减,阻尼比和隔震消能能力提高;同一配比下,橡胶砂的应力-应变曲线和动剪模量随固结压力的增大而增大,而阻尼比则随着固结压力的增大略有降低;橡胶颗粒含量的增加,会使得动剪模量归一化G_d /G_(d max)-y_d曲线衰减更早,更有利于橡胶砂的隔震应用;与已有研究的对比分析表明,该试验结果与已有文献的试验结果吻合良好,橡胶砂混合物的动剪模量和阻尼比受试验方法的影响不大。

土工格栅加筋橡胶砂强度特性试验研究

橡胶砂作为轻质、耗能填料在土木工程中有广泛的应用前景,但其强度往往会随橡胶含量的增大而降低。土工格栅常用于对散体材料的加筋补强,研究土工格栅对橡胶砂强度特性的加筋效应具有重要意义。基于三轴压缩试验,对3种不同格栅布置方式(1、2、3层)下的干燥橡胶砂强度特性展开研究,重点考察加筋层数对不同围压(50、100、200k Pa)下、不同配比(0%、10%、20%、30%、40%)橡胶砂的强度参数,如峰值强度、似黏聚力、内摩擦角的影响规律。结果表明:土工格栅加筋橡胶砂的强度参数,包括峰值强度、似黏聚力、内摩擦角,相对于未加筋橡胶砂均有明显提高,提高幅度随土工格栅加筋层数的增加而增大,随着围压的降低而增大;土工格栅对配比为20%橡胶砂的强度加筋效应最为明显;土工格栅加筋橡胶砂的强度参数恢复系数与加筋密度之间呈良好的线性关系;土工格栅加筋橡胶砂的强度特性可由试验所得的经验恢复函数较好地估计。

一种大型循环单剪试验装置研究

循环单剪试验被认为是研究地震场地中土体动力特性最合适的方法。为减小尺寸效应影响及解决工程中广泛存在的加筋土及粗颗粒土动力特性测试问题,研究大尺寸循环单剪试验方法具有重要意义。基于此,介绍了一种大型循环单剪试验装置,采用竖向线性滑动轨道约束上加载板和采用水平滑动轨道约束下加载板,确保前者仅发生竖向平动,后者仅发生水平平动,采用层叠的、带层间橡胶膜、分离式4点支撑的钢筋环构成的柔性剪切箱为试验提供侧向边界约束,确保了对单剪土样加载边界条件的真实模拟。针对土工格室加筋橡胶砂的测试结果表明:大型循环单剪试验装置得到的土动应力-动应变关系较好地反映了土在循环荷载作用下的滞回性、非线性和棘轮特性,大型循环单剪试验装置得到的G_d-g_a和D-g_a曲线变化规律与常规尺寸试验基本一致,证明其具有可行性;大尺寸试验得到的动剪模量特性与常规尺寸试验之间的差异,与单剪试验尺寸效应结论相符;试验中阻尼比特性受尺寸效应影响的规律性不明显。

沥青及橡胶沥青沙漠砂混合料路用性能研究

为了验证沙漠砂作为细集料应用于道路工程的可行性,对具有不同沙漠砂替代率的沥青及橡胶沥青混合料的路用性能进行试验研究,并得出2种混合料的沙漠砂最大替代率。试验结果表明:沙漠砂可以应用于沥青混凝土路面中。

加筋橡胶砂和非加筋橡胶砂静力特性对比试验

针对土工格室加筋后的橡胶砂研究的缺乏,对此加筋橡胶砂进行了直剪和固结变形对比试验研究。分别针对橡胶颗粒质量分数为20%和30%的2种配合比的橡胶砂进行了研究,得到了剪应力-剪应变曲线、竖向位移-剪切位移曲线以及固结压力-沉降曲线。试验结果表明:土工格室加筋使得橡胶砂的强度有较大提高,且对粘聚力的提高明显,对摩擦角的影响较小;土工格室加筋能显著降低橡胶砂的剪胀和剪缩变形,能显著减少橡胶砂的竖向压缩变形;橡胶砂的橡胶颗粒含量越大,加筋效应越明显。

应力吸收层沥青混合料的试验研究

为研究沥青性能对应力吸收层沥青混合料路用性能的影响,通过室内试验测定了齐鲁70#道路石油沥青、复合改性沥青、橡胶沥青这3种沥青的技术指标,对设计的应力吸收层沥青混合料进行了高低温性能、水稳定性和疲劳性能评价,并得到了相应的动态模量主曲线和相位角主曲线.结果表明,复合改性沥青和橡胶沥青用于应力吸收层具有良好的路用性能和力学性能,建议在实际应用中结合经济因素选用.

橡胶砂垫层在不同类别场地上的减震效应研究

橡胶砂(RSM)垫层减震是一种适用于低层房屋的低成本减震方法,关于场地类别对其减震效应影响的研究尚未开展。采用简化的层间剪切模型模拟减震垫层-上部结构动力相互作用体系,建立了RSM垫层"减震地基"分析模型。针对30%配比的橡胶砂,考虑3种垫层厚度200 mm/300 mm/500 mm、4种基底压力50 kPa～300 kPa,基于对取自于不同场地类别的195条地震波的刚性地基反应谱和RSM垫层"减震地基"反应谱的分析对比,得到以下结论:(1)RSM垫层的减震效应受场地类别的影响,场地卓越周期越短,减震效应越好;(2)RSM垫层厚度越大,减震效应越好,但当垫层厚度达到500 mm时,减震性能鲁棒性变差,且这种鲁棒性的劣化与场地类别无关;(3)各种场地类别地震波作用下,RSM垫层减震效应均随输入地震加速度和基底应力的增大而增加,但随着前者的增加,后者的影响减小。

土工格室加筋橡胶砂垫层隔震效果数值分析

隔震是降低结构地震灾害的重要方法,但现有的建筑结构隔震方法或者造价较高、或者构造复杂,不适用于发展中国农村地区的低层房屋。本文提出一种可用于低层房屋隔震的土工格室加筋橡胶砂垫层。根据试验得到的土工格室加筋及非加筋橡胶砂动力特性,应用有限元模拟分析了此种垫层对上部结构的隔震效应及影响因素。结果表明:随着橡胶颗粒含量增加,上部结构加速度逐渐减小,橡胶砂垫层隔震效应增大;增加橡胶砂垫层厚度能够使得上部结构加速度反应减小,但垫层稳定性降低,结构摇摆运动分量增大;土工格室加筋橡胶砂垫层相比于非加筋橡胶砂垫层隔震效应增大,且由于竖向模量和强度增大,垫层稳定性提高。同时应用土工格室和橡胶砂进行基础隔震有益于隔震效应的提高。

胶–砂粒径比对橡胶砂小应变动力特性的影响

利用GDS-RCA共振柱系统,开展不同橡胶含量、粒径比和围压条件下橡胶砂(RSM)的动力特性试验,深入探究3种影响因素对橡胶砂动力特性的耦合影响规律和机理。首先,通过试验得到了4种橡胶含量和4种粒径比的橡胶砂在3种围压下的动剪模量和阻尼比曲线,然后探讨了粒径比对橡胶砂动剪模量曲线、最大动剪模量、参考剪应变和阻尼比曲线的影响规律,并分析了其与橡胶含量、围压等因素对橡胶砂动力特性的耦合影响规律及机理,最后通过与已有文献的对比,进一步验证了现象和结论。分析结果表明:粒径比对橡胶砂动力特性的影响较为显著,其改变时最大动剪模量的变化甚至达到3~4倍,并且粒径比与橡胶含量对橡胶砂的动力特性存在耦合影响效应,在低橡胶含量下粒径比的影响与高橡胶含量下明显不同,但围压与粒径比对橡胶砂的动力特性的影响无明显耦合效应。当将橡胶颗粒体积视为孔隙的一部分时,常规土最大动剪模量的Hardin经验公式可适用于橡胶砂。

橡胶砂应力-应变特性三轴-单剪联合试验研究

橡胶砂作为一种环保的岩土材料有广泛的应用前景。应用三轴和单剪两种试验方法对2种固结压力下、7种配比橡胶砂的应力-应变特性、体变特性和模量衰减特性进行了对比研究,结果表明:随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂模量降低,应力-应变曲线向应变硬化型转变,线性关系增强;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂剪胀特性减弱,剪缩增大;橡胶砂应力-应变关系可用扩展邓肯-张模型进行模拟,模型参数受橡胶颗粒含量影响的规律明显;随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂的静剪切模量Gs与剪应变γ曲线降低,而橡胶砂模量衰减曲线Gs/G0-γ(G0为初始剪切模量)向大应变方向偏移;三轴和单剪两种试验方法得到的橡胶砂应力-应变特性、体应变-剪应变规律类似,但试验参数明显受应力状态和应力路径的影响,两者的差异主要表现为三轴试验得到的应力-应变曲线和模量曲线高于单剪试验,产生这种差异的主要原因是由于前者的平均应力相对较大。试验还得到了橡胶砂初始模量随橡胶颗粒含量降低的经验关系。

加筋橡胶砂复合垫层隔震性能试验研究

针对地震中破坏严重的村镇低层房屋结构,提出土工加筋橡胶砂复合垫层隔震方法。用橡胶砂、土工格室和土工格栅构造厚度为200 mm、填料配比为30%的加筋橡胶砂复合垫层,考虑粗砂和细砂两种砂粒径的橡胶砂,在三种基底压力(50 kPa,100 kPa,150 kPa)、三种地震波输入加速度(El Centro 0.1 g,0.2g,0.3g)下进行振动台试验。结果表明:加筋橡胶砂复合垫层具有良好的隔震效果,减震系数随着基底压力和输入加速度的增大而减小;砂粒径大的复合垫层隔震效果更好,减震系数受基底压力和输入加速度的影响更大;与已有文献对比发现,加筋橡胶砂复合垫层的隔震效果整体优于纯橡胶砂垫层,可作为农村低层房屋隔震的一种可行方法。

饱和橡胶颗粒-砂混合料的动力学特性

将废旧轮胎加工粉碎后与砂混合制成橡胶颗粒砂混合料,并对其进行了循环三轴试验研究.结果表明:随着橡胶掺量(wR)的增大,橡胶颗粒砂混合料破坏振次(N^(f))呈先减小后增大的趋势,在循环应力比不同的条件下,N^(f)达到最小值所需的橡胶掺量有所差异;随着橡胶掺量的增大,橡胶颗粒砂混合料双幅剪应变幅值与循环振次比的关系曲线由突变增长型慢慢过渡到线性增长型;当w R=0%~20%时,橡胶颗粒砂混合料的动力学特性与纯砂相似;当w R=30%~50%时,随着橡胶掺量的增大,橡胶颗粒砂混合料的动力学特性由砂土向橡胶颗粒逐步转变;当橡胶掺量超过70%时,橡胶颗粒砂混合料的动力学特性与纯橡胶颗粒一致.

橡胶颗粒-砂混合物三轴CD剪切试验研究

对6种围压7种不同质量配比的干燥橡胶颗粒-砂混合物（橡胶砂）进行三轴CD试验，研究不同配比不同围压对橡胶砂的强度特性、偏应力-轴向应变曲线和体应变-轴向应变曲线特性的影响。试验结果表明：橡胶颗粒质量分数为0%~30%时，有利于改善砂颗粒的剪切强度特性；在10%附近时，内摩擦角出现最大值；在20%附近时，其粘聚力出现最大值。橡胶砂的偏应力-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数低于50%时，与纯砂类似，表现出双曲线特性；不低于50%时，与纯橡胶类似，表现出近似线弹性，且由双曲线模型拟合得到的橡胶砂模型参数（如峰值偏应力、初始切线模量以及破坏比）随围压的增加而增加，随橡胶颗粒含量的增加而减少。橡胶砂的体应变-轴向应变曲线特性在橡胶颗粒质量分数不高于20%时，与纯砂类似，有先剪缩后剪胀的特点；高于20%时，表现出单调剪缩的特性，橡胶颗粒含量越大，剪缩越明显。

粒径比和配比对橡胶砂力学性能的影响研究

橡胶砂作为一种新型的廉价隔震材料具有广泛的应用前景,其力学变形特性受两种母材的配合比、粒径比等影响较大。为促进橡胶砂的工程应用,对3种粒径比、6种配比橡胶砂进行了一系列双轴压缩离散元模拟试验,从宏细观角度研究了胶-砂粒径比对橡胶砂力学行为的影响。结果表明:(1)橡胶砂应力-应变曲线在小应变下表现为近似线性增长关系,随着橡胶含量的增加,偏应力逐渐减小,减小程度随粒径比的增大而减弱;(2)随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂模量降低、应力-应变曲线向硬化型转变、线性关系增强,粒径比越大,硬化特性越明显;(3)随着橡胶颗粒含量的增加,橡胶砂剪胀特性减弱、剪缩增大,粒径比越大,剪缩程度越明显;(4)橡胶砂应力-应变关系可用扩展邓肯-张模型进行模拟,模型参数受粒径比和橡胶颗粒含量影响的规律明显;(5)橡胶砂力学特性受粒径比影响的细观机制可由颗粒接触特性、颗粒配位数、力链分布、能耗发展等变化情况来描述。

土工格室加筋对橡胶砂动力特性影响的试验研究

橡胶砂作为轻质耗能填料在土木工程中应用越来越广泛,土工格室加筋可提高橡胶砂的抗剪强度和整体稳定性。针对关于橡胶砂或加筋橡胶砂动力特性的认知缺乏的现状,通过大尺寸循环单剪试验研究了橡胶砂分别在有无土工格室加筋情况下在水平循环荷载作用下的滞回特性。获得了加筋和非加筋橡胶砂的滞回曲线、动剪模量曲线和阻尼比曲线,并应用Stokeo–Darendeli模型对橡胶砂动力特性进行拟合,得到了加筋和非加筋橡胶砂的动力特性参数。基于对比分析,揭示了土工格室对橡胶砂动力特性影响的规律与机理。试验结果表明:(1)土工格室加筋能限制橡胶砂中剪切带的发展,使得橡胶砂在大应变下的滞回曲线反S形特征减弱、阻尼比增大;(2)由于网兜效应引起颗粒接触法向应力增大,土工格室加筋使橡胶砂动剪模量增大,且随着橡胶含量的增高而增大愈明显;(3)土工格室的加入降低了循环加载次数对橡胶砂动力特性的影响,并使得橡胶砂最大动剪模量随橡胶含量和竖向压力变化的速率减小。给出的土工格室加筋对橡胶砂动力特性影响的定量分析结果,可为后续研究和工程应用提供参考。