土工格栅加筋橡胶碎石混合料大型三轴试验研究.pdf
《土工格栅加筋橡胶碎石混合料大型三轴试验研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《土工格栅加筋橡胶碎石混合料大型三轴试验研究.pdf(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023土工格栅加筋橡胶碎石混合料大型三轴试验研究王志杰1,2,3,蔡永明1,3,齐逸飞1,3,杨广庆1,2,3,叶朝良1,2,3(1.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室,河北 石家庄 050043;2.石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,河北 石家庄 050043;3.石家庄铁道大学 土木工程学院,河北 石家庄 050043)摘要:为研究土工
2、格栅加筋橡胶碎石混合料的力学特性与变形控制作用机理,基于大尺寸三轴试验,分析3种橡胶掺量碎石混合料在不同加筋形式下的应力-应变关系曲线、体变-轴向应变关系曲线,研究土工格栅竖向间距、筋材层数对其力学响应与变形特性的影响规律,并对试验结果进行拟合分析。研究结果表明,合理的土工格栅布置形式能有效提升橡胶碎石混合料峰值应力并抑制其发生剪胀变形。试验中5种双层加筋的最优竖向间距为d=150 mm。土工格栅的加筋效果在达到一定轴向应变后才能得以体现,且随着试样中橡胶掺量的增加,此轴向应变值逐渐增大。3种橡胶掺量碎石混合料均随着土工格栅加筋层数的增多,加筋效果显著提升,同时加筋层数相同的试样,其剪切破坏形
3、态基本一致。随着橡胶掺量的增加,试样的剪切破坏模式由应变软化型逐渐过渡为应变硬化型,同时土工格栅的加入也增加了试样的延性。基于邓肯-张双曲线模型,增加拟合参数,修正了能够描述橡胶碎石混合料的应力-应变特征的预测公式,并验证了该公式的合理性。研究成果可为橡胶碎石混合料的实际应用提供一定的理论基础。关键词:土工格栅;橡胶碎石混合料;筋材竖向间距;加筋层数;应力-应变关系中图分类号:TU411.3 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)07-2509-12Large-scale triaxial tests of geogrid reinfor
4、ced rubber gravel mixturesWANG Zhijie1,2,3,CAI Yongming1,3,QI Yifei1,3,YANG Guangqing1,2,3,YE Chaoliang1,2,3(1.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;2.Key Laboratory of Roads and Railwa
5、y Engineering Safety Control,Ministry of Education,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;3.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)Abstract:In order to study the mechanical behavior and deformation control mechanism of geogrid reinforce
6、d 收稿日期:2022-08-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(51709175);河北省高等学校科学技术研究项目(BJ2020045);石家庄铁道大学硕士研究生创新项目(YC2022008)通信作者:杨广庆(1971),男,河北沧州人,教授,博士,从事土工合成材料加筋路基方面的研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221552铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月rubber gravel mixtures,the stress-strain relationship and volumetric strain-axial stra
7、in relationship curves of three kinds of rubber gravel mixtures under different reinforcement forms were analyzed based on large-scale triaxial tests.The influence of the vertical spacing of geogrids and the numbers of geogrid reinforcement layers on its mechanical response and deformation character
8、istics were investigated,and the test results were fitted.The research results showed that a reasonable geogrid arrangement can effectively increase the peak stress of the rubber gravel mixture and restrain its shear dilatancy deformation.The optimal vertical spacing of the five double-layer reinfor
9、cements in this study was d=150 mm.The reinforcement effect of the geogrid can be mobilized after reaching a certain axial strain.As the rubber contents increase in the specimens,the axial strain value gradually increases.As the geogrid reinforcement layers increase,the reinforcement effect of three
10、 kinds of rubber gravel mixture is significantly improved.Moreover,the shear failure modes of the specimens with the same reinforcement layers are basically the same.With increasing rubber contents,the shear failure mode of the specimens gradually transitioned from strain softening type to strain ha
11、rdening type.The geogrids also increase the ductility of the specimens.Based on the Duncan-Chang hyperbolic model,the fitting parameter is added to improve the prediction formula that could reasonably describe the stress-strain characteristics of the rubber gravel mixtures.The formula is verified by
12、 the experimental data obtained in this study.The research results can provide a certain theoretical basis for the practical application of rubber gravel mixtures.Key words:geogrid;rubber gravel mixture;vertical spacing of reinforcement;number of reinforcement layers;stress-strain relationship 重载铁路凭
13、借其出色的运输能力和显著的环保优势,成为世界铁路的重要发展方向12。在大轴重列车通过时,传统有砟轨道道床仅依靠道砟颗粒间刚性接触传递荷载,易发生颗粒磨耗,使道砟层在较短时间内产生劣化变形。现有延缓道砟劣化的措施(如胶垫类和胶结类物质3),成本高且适应性较差,难以满足有砟轨道铁路发展需求。将废旧轮胎颗粒以一定比例掺入到级配碎石中作为道砟填料,可以减少列车荷载造成的道床振动,并减缓颗粒磨耗的发生45。相较于传统碎石道砟,橡胶碎石混合料更为轻质,且其弹性变形能力强,能更有效地耗散能量6,橡胶颗粒的加入会对碎石填料的力学特性产生影响。MASHIRI等78研究发现橡胶颗粒混合料的抗剪强度会随橡胶掺量的增
14、加而降低。刘方成等9对比直剪试验和三轴试验发现,随着橡胶颗粒的增加,橡胶砂剪胀特性减弱、剪缩增大。FATHALI 等6,10进行大型直剪试验表明,橡胶颗粒可减少道砟颗粒破碎,并抑制其剪切膨胀。张涛等11通过分析直剪试验的应力应变关系曲线,发现其破坏模式随橡胶掺量增加呈现出由“脆性”向“韧性”转变的趋势。周恩全等12建立了双曲线模型预测橡胶砂受剪过程的剪应力与剪切位移关系。可见,由于橡胶颗粒自身高压缩性的特点,可能存在承载能力不足的隐患。将土工格栅应用于有砟道床能减缓其纵向和侧向沉降,在软土地基上加固效果更好1314。陈成等15通过土工格栅在道砟中的拉拔试验,验证了土工格栅之间的联锁加固效应。高
15、睿等16利用土工格栅加筋受污染道砟,获得了土工格栅可减小道砟的最大剪胀量并提高其峰值抗剪强度。MISHRA等17发现土工格栅加筋能提高道砟的抗剪强度,合适的加筋位置可获得最佳的加筋效果。LIU等18的试验研究表明土工格栅能建立道砟颗粒的联锁,以减少颗粒运动。SWETA等19发现土工格栅可以提高其剪切特性,并限制道砟的纵横向变形。目前,关于土工格栅加筋橡胶碎石混合料的研究成果报道较少,其加筋效果与变形机制尚不明确。鉴于此,本研究通过一系列大型三轴试验,分析土工格栅加筋橡胶碎石混合料的力学特性及其影响因素,提出可描述橡胶碎石混合料应力应变关系的预测公式,为土工格栅加筋橡胶碎石混合料的工程应用提供一
16、定的参考。2510第 7 期王志杰,等:土工格栅加筋橡胶碎石混合料大型三轴试验研究1 试验材料与方法1.1试验仪器采用GCTS公司生产的STX-600型双向振动大型静动三轴仪(图1)进行本次试验研究,整套的大型三轴仪主要包括加载架、三轴压力室、试样移动平台、压力/体积控制器、液压泵、通用数字信号调节控制器、计算机控制装置以及数据采集软件等。轴向载荷由电子液压闭环控制,最大可加载1 000 kN,压力室最大承受压力为2 MPa。三轴试样的直径300 mm,高600 mm。1.2试验材料1.2.1填料试验填料所需的各粒组级配碎石与不同尺寸的橡胶颗粒及其级配曲线如图2所示。级配碎石取自某重载铁路基床
17、填筑级配碎石料场,为硬度大、棱角分明的硅砂岩。将废旧工程轮胎切割成近似立方体状,作为橡胶颗粒,颗粒相对密度为1.37,级配碎石的粒径范围为0.131.5 mm,不均匀系数为27.4,曲率系数为2.8,属于级配不良的粗颗粒骨料GP,满足重载铁路设计规范(TB 106252017)20中关于基床表层级配碎石的粒径级配要求。考虑到 8 mm 以上的橡胶颗粒与碎石掺拌更为均匀21,结合本研究碎石颗粒粒径级配范围,选定橡胶颗粒粒径范围为816 mm。通过室内土工试验获得所用级配碎石的各项物理指标,见表 1。级配碎石在最优含水率 4.8%的情况下达到最大干密度为2 221.66 kg/m3。对橡胶颗粒的基
18、本性能参数进行测定,其密度为 1 160 kg/m3,表 2 为橡胶颗粒的主要性能参数。图1STX-600大型静动三轴仪Fig.1STX-600 large scale static and dynamic triaxial apparatus图2各粒组碎石与不同尺寸的橡胶颗粒及其级配曲线Fig.2Particle size distribution of gravel and rubber particles表1级配碎石的物理指标参数Table 1Physical parameters of graded crushed stone不均匀系数Cu27.4曲率系数Cc2.8平均粒径d50/mm
19、8.4最大干密度/(kgm3)2 221.66最优含水率/%4.8表2橡胶颗粒的主要性能参数Table 2Main parameters of rubber particles密度/(kgm3)1 160抗拉强度/MPa14.8拉伸弹性模量/MPa7.03断裂伸长率/%4312511铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月1.2.2筋材研究选用抗拉强度较高的双向拉伸塑料土工格栅,筋材试样及其尺寸如图3所示。将土工格栅裁剪成直径280 mm圆形,以保证与上下填料的充分接触,在外侧尖锐处用电工胶带包裹,避免扎破橡皮膜。通过土工格栅拉伸试验,获得其主要力学参数,见表3。1.3试验方法按最
20、优含水率4.8%掺水并闷料。由于橡胶颗粒密度较小,按照体积配比来计算橡胶掺量,参照文献22中橡胶掺量对填料的影响,选择3种代表性橡胶掺量制备混合料,分别为 0,10%和30%,混合料试样主要参数见表4。填料分4层进行压实,每层150 mm,压实度为0.95;将土工格栅水平放置于试样内。为模拟道床中部土压力,试验过程中对试样施加固定围压30 kPa,剪切速率为0.5 mm/min。采用不固结不排水条件进行试验研究。在加载过程中,通过压力传感器和位移传感器监测轴向偏应力(13)与试样轴向应变 1的变化情况。参照土工试验方法标准(GB/T 501232019)23,当试样轴向累积变形达到其初始高度的
21、15%时,停止试验。详细的试验方案见表 5,其中试样中筋材布置方式如图 4所示。2 试验结果与分析2.1筋材竖向间距对碎石力学特性的影响2.1.1筋材竖向间距对试样强度特性的影响图5为不同竖向间距下土工格栅加筋未掺橡胶纯碎石填料应力应变关系曲线。从图5中可以发现,当轴向应变1低于2%时,不同加筋竖向间距的应力应变关系曲线基本重合,土工格栅竖向间距对碎石加筋效果的影响尚未明显体现,之后加筋土复合体的应力应变关系曲线才开始随着轴向应变1的增加逐渐分散开来。在本研究中,加筋竖向间距d=150 mm时试样的峰值应力最大,达到641.2 kPa。从试验曲线的峰值强度来看,不同加筋竖向间距的土工格栅对碎石
22、都具有一定的加筋效果,为评价不同加筋竖向间距的加筋效果,引入强度加筋系数R24。图3双向拉伸塑料土工格栅Fig.3Biaxially stretched plastic geogrid表3 土工格栅基本性能参数Table 3 Basic parameters of geogrid规格TGSG45-45抗拉强度/(kNm1)纵向50横向50断裂伸长率/%纵向16横向13表4不同橡胶掺量碎石混合料试样主要参数Table 4Main parameters of rubber gravel mixture samples橡胶掺量RC/%01030最大干密度/(kgm3)2 221.662 110.73
23、1 894.86试样密度/(kgm3)2 110.582 005.191 800.12装样后孔隙比e0.390.450.67压实度0.95表5大型三轴试验方案Table 5Testing scheme of large scale triaxial tests填料类型碎石橡胶碎石混合料橡胶掺量RC/%00/10/30筋材竖向间距d/mm100/150/200/250/300加筋层数20/1/2/3围压3/kPa30加载速率v/(mmmin1)0.52512第 7 期王志杰,等:土工格栅加筋橡胶碎石混合料大型三轴试验研究R=()1-3Rf()1-3f(1)式中:R为强度加筋系数;(13)fR为加
24、筋碎石混合料的峰值强度;(13)f为未加筋碎石混合料的峰值强度。不同土工格栅竖向间距试样的强度加筋系数如图6所示。从强度加筋系数R来看,在各种加筋竖向间距状态下,加筋试样的R均大于1,这表明在碎石混合料中布置不同竖向间距的筋材,都能提高填料的强度。加筋竖向间距对加筋效果有较大影响,当加筋竖向间距d=150 mm时,R达到最大,土工格栅竖向间距d小于或大于该值时,强度加筋系数R均减小。因此,本研究中2层土工格栅加筋最优竖向间距为150 mm。引入评价土体破坏后强度下降程度的脆性指数IB25,用于描述填料的延性。IB=qfqult-1(2)式中:IB为脆性指数;qf为混合料的峰值强度;qult为残
25、余强度,将其定义为轴向应变1=15%时对应单位:mm(a)2层筋材不同竖向间距;(b)不同加筋层数图4试样中筋材布置方式示意图Fig.4Sketch of reinforcement arrangement in specimens图5不同土工格栅竖向间距下试样应力应变关系曲线Fig.5Stress-strain relationship curves of specimens with different geogrid vertical spacing图6不同格栅竖向间距试样强度加筋系数Fig.6Strength reinforcement coefficient of specimens
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 土工 格栅 橡胶 碎石 混合 大型 试验 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。