废弃轮胎构造地基工程特性研究

《废弃轮胎构造地基工程特性研究》主要介绍了一种面向多层建筑，具有构造简单、承载可靠、施工方便、环保利废、造价低廉等优点的新型人工地基体系—废弃轮胎构造地基。以废弃轮胎构造地基为研究对象，在室内试验、数值模拟和理论分析的基础上，主要介绍了：轮胎叠合体和构造地基的载荷试验、轮胎-砂单元体的抗剪试验、轮胎构造地基的抗震性能试验、轮胎的力学性能和环箍性能分析、轮胎构造地基承载机理和动力性能分析、轮胎-砂土共同作用机理、轮胎构造地基恢复力模型和地震损伤模型、轮胎构造地基承载力计算公式理论推导及轮胎构造地基沉降规律数值模拟研究。本书可供从事地基加固工程及相关专业的科研及工程技术人员参考。

近年来，随着汽车工业的发展，越来越多废弃轮胎引起的“黑色污染”正在威胁着人类的生存环境。废弃轮胎橡胶是一种弹性固体高分子聚合物，难溶于有机溶剂，且不易降解，其数量在废旧高分子材料中巨大，因而废弃橡胶的合理处置关系到全球的生态环境及资源利用的可持续发展。国内外对废弃轮胎橡胶的处理方法大致有热能利用、回收利用、原形及其改造利用、焚烧和掩埋堆放等几种方式。简单的处理，如堆积或燃烧掉，会产生二次污染。
将废弃橡胶轮胎作为土木工程材料是回收利用这种固体废物的一种有效方法。原形废弃轮胎良好的力学性能使废弃轮胎直接用于土木工程领域成为可能。废弃橡胶轮胎构造地基（Tire-granular Material Composite Foundation）技术即是在原形废弃轮胎内填充砂、石、土等散体材料作为地基处理的增强体而产生的废弃轮胎再利用技术。废弃橡胶轮胎可有效改善散体材料的侧向变形，发挥轮胎的“环箍”效应，提高地基的强度，改善地基的工程性能，符合可持续发展理念，有利于“双碳”目标达成。
城镇化的大力推行，使村镇建设规模不断扩张。但是由于建筑结构知识有限，并受经济及技术条件的限制，目前的村镇建筑普遍存在由于地基基础不均匀沉降而导致的建筑倾斜、墙体开裂等现象。在地震等灾害来临时，村镇建筑倒塌和破坏严重，导致了巨大的人员伤亡和经济损失。地基基础问题已经成为影响村镇建筑安全性能的关键因素之一，如不加以有效解决，将严重阻碍城镇化进程。废弃橡胶轮胎构造地基就是一种适合于村镇建筑的新型构造地基或基础形式。废弃橡胶轮胎构造地基施工便捷、造价低廉，采用简单的挖槽、切割、摆放、填料、压实等工艺流程即可实现。也可填充压实后加垫层找平作为建筑基础，直接砌筑上部结构，减少砂、石使用，保护村镇生态环境。
废弃橡胶轮胎构造地基将村镇建筑工程设计与上部结构隔震减震设计相结合，提升了村镇建筑的整体抗震能力。同时，对提高废弃轮胎利用率，减少“黑色污染”，保护人类赖以生存的生态环境具有重要意义。本书对轮胎-散体材料单元体和轮胎构造地基进行室内试验和理论分析，从解决废弃橡胶轮胎环箍效应、附加应力在废弃橡胶轮胎构造地基中的扩散问题和废弃橡胶轮胎构造地基对上部结构振动的影响规律入手，建立废弃橡胶轮胎构造地基的基本理论体系。全书共分8章，第1章是绪论，介绍了废弃轮胎的研究应用现状及研究意义；第2章分析了废弃轮胎的拉伸强度；第3章研究了废弃轮胎构造地基的承载机理；第4章介绍了废弃轮胎叠合体的破坏形态；第5章对废弃轮胎-散体材料的抗剪性能进行了介绍；第6章研究了废弃轮胎构造地基的抗震性能，分析了废弃轮胎构造地基的抗震强度指标；第7章建立了废弃轮胎构造地基的恢复力模型；第8章建立了废弃轮胎构造地基的地震损伤模型。
本书由王凤池（沈阳建筑大学）、聂晓梅（山西大同大学）、赵晗宇（沈阳建筑大学）等著。感谢曾经和正在从事废弃橡胶轮胎相关研究的博、硕士研究生们：刘甜甜、徐云龙、仲昭盛、孙畅、冯旭宁、兰海洋、刘凤起、董明等。
感谢国家自然科学基金面上项目（51578348）： 面向村镇建筑的废弃轮胎构造地基研究等项目对本书研究工作的资助。
希望本书的出版能够对从事废弃轮胎回收利用领域的研究人员、工程技术人员及高校相关专业的师生有所帮助。由于水平有限，时间仓促，书中疏漏之处在所难免，恳请读者不吝赐教、指正。

王凤池
2024年于沈阳建筑大学

王凤池，沈阳建筑大学交通与测绘工程学院，院长、教授。主要从事地基处理、新型建材、多源固体废弃物综合利用等研究。享受国务院特殊津贴专家，兴辽英才计划辽宁省“百千万人才工程”领军人才，辽宁省特聘教授，辽宁省“百千万人才工程”百人层次，辽宁省高等学校优秀人才支持计划（一层次），沈阳市领军人才。中国交通运输协会新技术促进分会理事，中国市政工程协会质量专家，中国工程建设标准化协会砌体结构委员会委员，中国老教授协会土木建筑专业委员会常务委员，辽宁省土木工程学科评议组成员，辽宁省公路学会常务理事，辽宁省建筑法学会副会长，辽宁省安全生产专家，沈阳市危大工程专家，沈阳市地震应急管理专家。
围绕多源固体废弃物，特别是废弃橡胶轮胎开展科学研究，主持国家自然科学基金面上项目（2016,2007）、国家“十三五”重大研发任务（2019）、“十二五”国家科技支撑计划子课题（2012）等科技攻关计划40余项科研课题。主持项目获辽宁省科技进步二等奖2项（2013，2019），三等奖2项（2009，2011），沈阳市科技进步三等奖2项。参与国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题10余项，参与项目获辽宁省科技进步奖二等奖1项，三等奖3项，沈阳市科技进步一等奖1项。

《废弃轮胎构造地基工程特性研究》从废弃轮胎构造地基的基本原理出发，对废弃轮胎构造地基的工程性能应用进行了理论和试验研究。具体内容包括：废弃轮胎构造地基的研究应用现状；废弃轮胎力学性能；废弃轮胎构造地基的承载机理分析；废弃轮胎构造地基抗剪性能分析；废弃轮胎构造地基抗震性能；废弃轮胎构造地基的恢复力模型；废弃轮胎构造地基的地震损伤模型等。
本书可供从事废弃橡胶轮胎应用研究、地基处理等工作的科研人员和工程技术人员参考，也可以作为土木工程相关领域的教师、研究生和高年级本科生的参考书。

1　绪论1
1.1　橡胶轮胎的结构组成及性质 1
1.2　橡胶轮胎的老化机理 4
1.3　废弃轮胎加筋技术对环境影响的研究 5
1.4　废弃轮胎加筋土的承载力和抗剪强度研究 6
1.5　废弃轮胎抗震技术的应用及发展 11
1.6　废弃轮胎构造地基的提出 13
参考文献 14

2　废弃轮胎力学性能分析21
2.1　引言 21
2.2　试验总方案 21
2.3　试验概况 22
2.3.1　试验材料及仪器 22
2.3.2　试件制作 23
2.3.3　试验加载 24
2.3.4　试验分组 25
2.4　废弃轮胎拉伸性能影响因素分析 25
2.4.1　不同加载速率对拉伸性能影响 25
2.4.2　不同轮胎直径对拉伸性能影响 31
2.4.3　不同有效长度对拉伸效果影响 32
2.5　橡胶轮胎力学参数 33
2.6　本章小结 36
参考文献 36

3　废弃轮胎构造地基承载机理研究38
3.1　引言 38
3.2　轮胎叠合体和轮胎构造地基的载荷试验 39
3.2.1　试验概况和试验材料 39
3.2.2　试件制作 41
3.2.3　加载装置和测点布置 42
3.3　不同胎周环境下轮胎叠合体的受力分析 45
3.3.1　卸载后叠合体的试验现象 45
3.3.2　轮胎叠合体的沉降规律分析 45
3.3.3　轮胎叠合体的径向应力分布规律 48
3.3.4　轮胎叠合体的环向应力分布规律 48
3.4　轮胎构造地基的沉降规律分析 51
3.5　轮胎的环箍理论分析 55
3.5.1　力学模型 55
3.5.2　待定常数的确定 57
3.5.3　轮胎叠合体的应力分析 58
3.6　轮胎叠合体环箍理论与试验结果的验证 61
3.7　轮胎构造地基的沉降变形分析 63
3.7.1　构造地基的沉降计算 63
3.7.2　构造地基的沉降变形分析 67
3.7.3　构造地基与单元体的沉降对比分析 69
3.8　本章小结 70
参考文献 71

4　废弃轮胎叠合体的破坏形态73
4.1　引言 73
4.2　试验方案 73
4.2.1　试验材料 73
4.2.2　试件制作 75
4.2.3　叠合体应变片、横向位移测点的布置 76
4.2.4　试验分组 77
4.2.5　试验加载 77
4.3　试验现象 78
4.4　废弃轮胎叠合体的σ-ε 曲线和破坏形式 87
4.5　不同因素对σ-ε 曲线及破坏形式的影响 88
4.5.1　轮胎的新旧 88
4.5.2　轮胎的品牌 89
4.5.3　填充砂的含水率 90
4.5.4　不同颗粒的填充材料 91
4.5.5　轮胎的直径 94
4.5.6　叠合体长度 95
4.6　叠合体横向变形随荷载变化曲线 97
4.7　叠合体横向位移沿高度变化曲线 105
4.8　本章小结 108
参考文献 109

5　废弃轮胎-散体材料单元体抗剪性能试验研究110
5.1　引言 110
5.2　轮胎-散体材料单元体抗剪试验 110
5.2.1　试验概况和试验材料 110
5.2.2　试件制作 111
5.2.3　加载装置和测点布置 112
5.2.4　加载制度 113
5.3　轮胎-散体材料单元体抗剪性能分析 114
5.3.1　破坏形态 114
5.3.2　单调加载条件下单元体的变形能力 116
5.3.3　加卸载循环加载条件下单元体的变形能力 118
5.3.4　往复循环加载条件下单元体的变形能力 119
5.3.5　往复循环加载条件下单元体的耗能能力 123
5.4　轮胎-散体材料单元体的力学特征参数 126
5.4.1　轮胎和砂土的应力分布曲线 126
5.4.2　荷载-位移曲线的归一化处理 127
5.4.3　剪应力与剪应变的关系 128
5.4.4　黏结应力-滑移曲线模型 131
5.5　轮胎-散体材料单元体抗剪强度指标的确定 133
5.6　轮胎-散体材料单元体加筋理论与试验结果的对比分析 137
5.6.1　抗剪承载力的计算方法 137
5.6.2　抗剪强度指标系数的验证与应用 138
5.7　本章小结 140
参考文献 140

6　废弃轮胎构造地基抗震性能试验研究142
6.1　引言 142
6.2　轮胎构造地基的拟静力试验 142
6.2.1　试验概况和试验材料 142
6.2.2　试件制作 143
6.2.3　加载装置和测点布置 144
6.3　轮胎构造地基的抗震性能分析 145
6.3.1　构造地基的破坏形态 145
6.3.2　构造地基的滞回曲线 148
6.3.3　构造地基的骨架曲线 156
6.3.4　构造地基的刚度退化曲线 161
6.3.5　构造地基的耗能情况 165
6.4　轮胎构造地基的抗剪承载力 181
6.5　轮胎构造地基和单元体累积耗能的对比 181
6.6　本章小结 182
参考文献 183

7　废弃轮胎构造地基恢复力模型研究184
7.1　引言 184
7.2　恢复力模型 184
7.3　轮胎-散体材料单元体的恢复力模型 185
7.3.1　骨架曲线的确定 185
7.3.2　刚度退化规律 188
7.3.3　滞回曲线模型 191
7.3.4　恢复力模型的验证 192
7.4　轮胎构造地基的恢复力模型 193
7.4.1　滞回曲线的演化规律 194
7.4.2　骨架曲线的确定 195
7.4.3　刚度退化规律 196
7.4.4　恢复力模型的验证 198
7.5　改进恢复力模型 200
7.6　恢复力模型的应用 205
7.6.1　单元体恢复力模型的应用 205
7.6.2　构造地基恢复力模型的应用 205
7.7　本章小结 208
参考文献 208

8　废弃轮胎构造地基地震损伤模型研究210
8.1　引言 210
8.2　强度退化 210
8.2.1　刚度衰减 210
8.2.2　承载力退化 212
8.3　现有地震损伤模型分析 214
8.3.1　损伤指数 214
8.3.2　损伤模型 214
8.3.3　经典损伤模型计算分析 216
8.4　轮胎构造地基地震损伤模型的建立 217
8.4.1　轮胎构造地基损伤模型计算分析 217
8.4.2　损伤模型参数的确定 219
8.4.3　整体累积损伤计算分析 219
8.4.4　破坏等级与损伤指数限值的确定 220
8.5　轮胎构造地基地震损伤分析 221
8.5.1　损伤模型的有效性验证 221
8.5.2　恢复力模型和地震损伤模型演化分析 224
8.5.3　模型损伤演化分析 226
8.6　本章小结 229
参考文献 230