廢棄輪胎構造地基工程特性研究

《廢棄輪胎構造地基工程特性研究》主要介紹了一種面向多層建筑，具有構造簡單、承載可靠、施工方便、環保利廢、造價低廉等優點的新型人工地基體系—廢棄輪胎構造地基。以廢棄輪胎構造地基為研究對象，在室內試驗、數值模擬和理論分析的基礎上，主要介紹了：輪胎疊合體和構造地基的載荷試驗、輪胎-砂單元體的抗剪試驗、輪胎構造地基的抗震性能試驗、輪胎的力學性能和環箍性能分析、輪胎構造地基承載機理和動力性能分析、輪胎-砂土共同作用機理、輪胎構造地基恢復力模型和地震損傷模型、輪胎構造地基承載力計算公式理論推導及輪胎構造地基沉降規律數值模擬研究。本書可供從事地基加固工程及相關專業的科研及工程技術人員參考。

近年來，隨著汽車工業的發展，越來越多廢棄輪胎引起的“黑色污染”正在威脅著人類的生存環境。廢棄輪胎橡膠是一種彈性固體高分子聚合物，難溶于有機溶劑，且不易降解，其數量在廢舊高分子材料中巨大，因而廢棄橡膠的合理處置關系到全球的生態環境及資源利用的可持續發展。國內外對廢棄輪胎橡膠的處理方法大致有熱能利用、回收利用、原形及其改造利用、焚燒和掩埋堆放等幾種方式。簡單的處理，如堆積或燃燒掉，會產生二次污染。
將廢棄橡膠輪胎作為土木工程材料是回收利用這種固體廢物的一種有效方法。原形廢棄輪胎良好的力學性能使廢棄輪胎直接用于土木工程領域成為可能。廢棄橡膠輪胎構造地基（Tire-granular Material Composite Foundation）技術即是在原形廢棄輪胎內填充砂、石、土等散體材料作為地基處理的增強體而產生的廢棄輪胎再利用技術。廢棄橡膠輪胎可有效改善散體材料的側向變形，發揮輪胎的“環箍”效應，提高地基的強度，改善地基的工程性能，符合可持續發展理念，有利于“雙碳”目標達成。
城鎮化的大力推行，使村鎮建設規模不斷擴張。但是由于建筑結構知識有限，并受經濟及技術條件的限制，目前的村鎮建筑普遍存在由于地基基礎不均勻沉降而導致的建筑傾斜、墻體開裂等現象。在地震等災害來臨時，村鎮建筑倒塌和破壞嚴重，導致了巨大的人員傷亡和經濟損失。地基基礎問題已經成為影響村鎮建筑安全性能的關鍵因素之一，如不加以有效解決，將嚴重阻礙城鎮化進程。廢棄橡膠輪胎構造地基就是一種適合于村鎮建筑的新型構造地基或基礎形式。廢棄橡膠輪胎構造地基施工便捷、造價低廉，采用簡單的挖槽、切割、擺放、填料、壓實等工藝流程即可實現。也可填充壓實后加墊層找平作為建筑基礎，直接砌筑上部結構，減少砂、石使用，保護村鎮生態環境。
廢棄橡膠輪胎構造地基將村鎮建筑工程設計與上部結構隔震減震設計相結合，提升了村鎮建筑的整體抗震能力。同時，對提高廢棄輪胎利用率，減少“黑色污染”，保護人類賴以生存的生態環境具有重要意義。本書對輪胎-散體材料單元體和輪胎構造地基進行室內試驗和理論分析，從解決廢棄橡膠輪胎環箍效應、附加應力在廢棄橡膠輪胎構造地基中的擴散問題和廢棄橡膠輪胎構造地基對上部結構振動的影響規律入手，建立廢棄橡膠輪胎構造地基的基本理論體系。全書共分8章，第1章是緒論，介紹了廢棄輪胎的研究應用現狀及研究意義；第2章分析了廢棄輪胎的拉伸強度；第3章研究了廢棄輪胎構造地基的承載機理；第4章介紹了廢棄輪胎疊合體的破壞形態；第5章對廢棄輪胎-散體材料的抗剪性能進行了介紹；第6章研究了廢棄輪胎構造地基的抗震性能，分析了廢棄輪胎構造地基的抗震強度指標；第7章建立了廢棄輪胎構造地基的恢復力模型；第8章建立了廢棄輪胎構造地基的地震損傷模型。
本書由王鳳池（沈陽建筑大學）、聶曉梅（山西大同大學）、趙晗宇（沈陽建筑大學）等著。感謝曾經和正在從事廢棄橡膠輪胎相關研究的博、碩士研究生們：劉甜甜、徐云龍、仲昭盛、孫暢、馮旭寧、蘭海洋、劉鳳起、董明等。
感謝國家自然科學基金面上項目（51578348）： 面向村鎮建筑的廢棄輪胎構造地基研究等項目對本書研究工作的資助。
希望本書的出版能夠對從事廢棄輪胎回收利用領域的研究人員、工程技術人員及高校相關專業的師生有所幫助。由于水平有限，時間倉促，書中疏漏之處在所難免，懇請讀者不吝賜教、指正。

王鳳池
2024年于沈陽建筑大學

王鳳池，沈陽建筑大學交通與測繪工程學院，院長、教授。主要從事地基處理、新型建材、多源固體廢棄物綜合利用等研究。享受國務院特殊津貼專家，興遼英才計劃遼寧省“百千萬人才工程”領軍人才，遼寧省特聘教授，遼寧省“百千萬人才工程”百人層次，遼寧省高等學校優秀人才支持計劃（一層次），沈陽市領軍人才。中國交通運輸協會新技術促進分會理事，中國市政工程協會質量專家，中國工程建設標準化協會砌體結構委員會委員，中國老教授協會土木建筑專業委員會常務委員，遼寧省土木工程學科評議組成員，遼寧省公路學會常務理事，遼寧省建筑法學會副會長，遼寧省安全生產專家，沈陽市危大工程專家，沈陽市地震應急管理專家。
圍繞多源固體廢棄物，特別是廢棄橡膠輪胎開展科學研究，主持國家自然科學基金面上項目（2016,2007）、國家“十三五”重大研發任務（2019）、“十二五”國家科技支撐計劃子課題（2012）等科技攻關計劃40余項科研課題。主持項目獲遼寧省科技進步二等獎2項（2013，2019），三等獎2項（2009，2011），沈陽市科技進步三等獎2項。參與國家科技支撐計劃、國家自然科學基金等課題10余項，參與項目獲遼寧省科技進步獎二等獎1項，三等獎3項，沈陽市科技進步一等獎1項。

《廢棄輪胎構造地基工程特性研究》從廢棄輪胎構造地基的基本原理出發，對廢棄輪胎構造地基的工程性能應用進行了理論和試驗研究。具體內容包括：廢棄輪胎構造地基的研究應用現狀；廢棄輪胎力學性能；廢棄輪胎構造地基的承載機理分析；廢棄輪胎構造地基抗剪性能分析；廢棄輪胎構造地基抗震性能；廢棄輪胎構造地基的恢復力模型；廢棄輪胎構造地基的地震損傷模型等。
本書可供從事廢棄橡膠輪胎應用研究、地基處理等工作的科研人員和工程技術人員參考，也可以作為土木工程相關領域的教師、研究生和高年級本科生的參考書。

1　緒論1
1.1　橡膠輪胎的結構組成及性質 1
1.2　橡膠輪胎的老化機理 4
1.3　廢棄輪胎加筋技術對環境影響的研究 5
1.4　廢棄輪胎加筋土的承載力和抗剪強度研究 6
1.5　廢棄輪胎抗震技術的應用及發展 11
1.6　廢棄輪胎構造地基的提出 13
參考文獻 14

2　廢棄輪胎力學性能分析21
2.1　引言 21
2.2　試驗總方案 21
2.3　試驗概況 22
2.3.1　試驗材料及儀器 22
2.3.2　試件制作 23
2.3.3　試驗加載 24
2.3.4　試驗分組 25
2.4　廢棄輪胎拉伸性能影響因素分析 25
2.4.1　不同加載速率對拉伸性能影響 25
2.4.2　不同輪胎直徑對拉伸性能影響 31
2.4.3　不同有效長度對拉伸效果影響 32
2.5　橡膠輪胎力學參數 33
2.6　本章小結 36
參考文獻 36

3　廢棄輪胎構造地基承載機理研究38
3.1　引言 38
3.2　輪胎疊合體和輪胎構造地基的載荷試驗 39
3.2.1　試驗概況和試驗材料 39
3.2.2　試件制作 41
3.2.3　加載裝置和測點布置 42
3.3　不同胎周環境下輪胎疊合體的受力分析 45
3.3.1　卸載后疊合體的試驗現象 45
3.3.2　輪胎疊合體的沉降規律分析 45
3.3.3　輪胎疊合體的徑向應力分布規律 48
3.3.4　輪胎疊合體的環向應力分布規律 48
3.4　輪胎構造地基的沉降規律分析 51
3.5　輪胎的環箍理論分析 55
3.5.1　力學模型 55
3.5.2　待定常數的確定 57
3.5.3　輪胎疊合體的應力分析 58
3.6　輪胎疊合體環箍理論與試驗結果的驗證 61
3.7　輪胎構造地基的沉降變形分析 63
3.7.1　構造地基的沉降計算 63
3.7.2　構造地基的沉降變形分析 67
3.7.3　構造地基與單元體的沉降對比分析 69
3.8　本章小結 70
參考文獻 71

4　廢棄輪胎疊合體的破壞形態73
4.1　引言 73
4.2　試驗方案 73
4.2.1　試驗材料 73
4.2.2　試件制作 75
4.2.3　疊合體應變片、橫向位移測點的布置 76
4.2.4　試驗分組 77
4.2.5　試驗加載 77
4.3　試驗現象 78
4.4　廢棄輪胎疊合體的σ-ε 曲線和破壞形式 87
4.5　不同因素對σ-ε 曲線及破壞形式的影響 88
4.5.1　輪胎的新舊 88
4.5.2　輪胎的品牌 89
4.5.3　填充砂的含水率 90
4.5.4　不同顆粒的填充材料 91
4.5.5　輪胎的直徑 94
4.5.6　疊合體長度 95
4.6　疊合體橫向變形隨荷載變化曲線 97
4.7　疊合體橫向位移沿高度變化曲線 105
4.8　本章小結 108
參考文獻 109

5　廢棄輪胎-散體材料單元體抗剪性能試驗研究110
5.1　引言 110
5.2　輪胎-散體材料單元體抗剪試驗 110
5.2.1　試驗概況和試驗材料 110
5.2.2　試件制作 111
5.2.3　加載裝置和測點布置 112
5.2.4　加載制度 113
5.3　輪胎-散體材料單元體抗剪性能分析 114
5.3.1　破壞形態 114
5.3.2　單調加載條件下單元體的變形能力 116
5.3.3　加卸載循環加載條件下單元體的變形能力 118
5.3.4　往復循環加載條件下單元體的變形能力 119
5.3.5　往復循環加載條件下單元體的耗能能力 123
5.4　輪胎-散體材料單元體的力學特征參數 126
5.4.1　輪胎和砂土的應力分布曲線 126
5.4.2　荷載-位移曲線的歸一化處理 127
5.4.3　剪應力與剪應變的關系 128
5.4.4　黏結應力-滑移曲線模型 131
5.5　輪胎-散體材料單元體抗剪強度指標的確定 133
5.6　輪胎-散體材料單元體加筋理論與試驗結果的對比分析 137
5.6.1　抗剪承載力的計算方法 137
5.6.2　抗剪強度指標系數的驗證與應用 138
5.7　本章小結 140
參考文獻 140

6　廢棄輪胎構造地基抗震性能試驗研究142
6.1　引言 142
6.2　輪胎構造地基的擬靜力試驗 142
6.2.1　試驗概況和試驗材料 142
6.2.2　試件制作 143
6.2.3　加載裝置和測點布置 144
6.3　輪胎構造地基的抗震性能分析 145
6.3.1　構造地基的破壞形態 145
6.3.2　構造地基的滯回曲線 148
6.3.3　構造地基的骨架曲線 156
6.3.4　構造地基的剛度退化曲線 161
6.3.5　構造地基的耗能情況 165
6.4　輪胎構造地基的抗剪承載力 181
6.5　輪胎構造地基和單元體累積耗能的對比 181
6.6　本章小結 182
參考文獻 183

7　廢棄輪胎構造地基恢復力模型研究184
7.1　引言 184
7.2　恢復力模型 184
7.3　輪胎-散體材料單元體的恢復力模型 185
7.3.1　骨架曲線的確定 185
7.3.2　剛度退化規律 188
7.3.3　滯回曲線模型 191
7.3.4　恢復力模型的驗證 192
7.4　輪胎構造地基的恢復力模型 193
7.4.1　滯回曲線的演化規律 194
7.4.2　骨架曲線的確定 195
7.4.3　剛度退化規律 196
7.4.4　恢復力模型的驗證 198
7.5　改進恢復力模型 200
7.6　恢復力模型的應用 205
7.6.1　單元體恢復力模型的應用 205
7.6.2　構造地基恢復力模型的應用 205
7.7　本章小結 208
參考文獻 208

8　廢棄輪胎構造地基地震損傷模型研究210
8.1　引言 210
8.2　強度退化 210
8.2.1　剛度衰減 210
8.2.2　承載力退化 212
8.3　現有地震損傷模型分析 214
8.3.1　損傷指數 214
8.3.2　損傷模型 214
8.3.3　經典損傷模型計算分析 216
8.4　輪胎構造地基地震損傷模型的建立 217
8.4.1　輪胎構造地基損傷模型計算分析 217
8.4.2　損傷模型參數的確定 219
8.4.3　整體累積損傷計算分析 219
8.4.4　破壞等級與損傷指數限值的確定 220
8.5　輪胎構造地基地震損傷分析 221
8.5.1　損傷模型的有效性驗證 221
8.5.2　恢復力模型和地震損傷模型演化分析 224
8.5.3　模型損傷演化分析 226
8.6　本章小結 229
參考文獻 230