《Transportation Geotechnics》：Performance-based selection of rubber-sand mixtures for buried pipeline backfill under static and cyclic loading
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•基于性能的新型橡胶-砂混合物选用于管道回填。•橡胶含量和粒径对静态和循环性能有相反的影响。•幂律模型可以通过早期循环动态模量预测长期应变。•RSM表现出稳定的延性膨胀特性，而脆性回收材料则不具备这一特性。•有效放置方式：将RSM置于围压≥50 kPa的砂层下方。引言汽车行业的快
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基于性能的新型橡胶-砂混合物选用于管道回填。
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橡胶含量和粒径对静态和循环性能有相反的影响。
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幂律模型可以通过早期循环动态模量预测长期应变。
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RSM表现出稳定的延性膨胀特性，而脆性回收材料则不具备这一特性。
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有效放置方式：将RSM置于围压≥50 kPa的砂层下方。
引言
汽车行业的快速发展导致轮胎废料的急剧增加。中国每年产生约3.3亿个废弃轮胎，预计这一数字每年将增加6-8%[19]。到2030年，全球预计将丢弃超过12亿个轮胎[67]。不当处理会带来严重的环境和公共卫生风险，因为大量轮胎堆积会占用大量土地，露天焚烧会释放有毒污染物。
在过去三十年中，将废弃轮胎橡胶重新用于土工材料作为一种可持续的回收策略受到了广泛关注。当橡胶与天然砂混合时，可以形成一种轻质且具有高延性的橡胶-砂混合物（RSM），这种混合物具有足够的剪切强度、高渗透性和增强的能量耗散能力[11]、[26]、[28]、[72]。这些特性促进了RSM在地震隔离层、路堤、挡墙、公路基层以及埋设管道回填中的使用[29]、[60]、[61]、[66]、[68]。埋设的管道在反复的交通荷载和附近施工及挖掘引起的地面扰动下容易发生过度变形和结构损坏。RSM的低密度有助于减少回填自身重量引起的应力，而其高延性和能量耗散能力则有助于荷载重新分布和振动衰减。Tafreshi等人[56]以及Zhou和Zong[71]的模型测试表明，RSM回填可以减轻交通引起的振动、重新分配地表荷载，并降低管道及其周围土壤的应力集中和累积变形。这些保护效果凸显了RSM作为埋设管道可持续回填材料的潜力。然而，实际应用需要对其力学行为有清晰的理解，并选择合适的混合物，以确保在静态和交通引起的循环荷载下具有令人满意的性能。
RSM的静态性能已得到广泛研究，特别关注其剪切强度。橡胶含量、粒径和围压是关键的影响因素。在适当的含量下，添加橡胶可以提高剪切强度和延性；然而，过量的橡胶通常会降低混合物的强度[5]、[12]、[16]、[19]、[57]、[69]。这些结果表明，在评估RSM的静态性能时，应同时考虑混合物的组成和围压条件。
RSM的动态性能通常通过剪切模量、动态弹性模量、阻尼比和累积变形来评估。实验研究使用了共振柱试验、循环简单剪切试验和循环三轴试验来量化这些响应。共振柱试验[3]、[20]、[22]、[33]、[36]、[41]、[65]和循环简单剪切试验[39]、[40]、[44]、[64]主要关注应变依赖的剪切模量和阻尼比。循环三轴试验则涵盖了更广泛的响应，包括动态弹性模量、剪切模量、阻尼比、抗液化性能和累积轴向变形[27]、[43]、[45]、[47]。表1总结了代表性研究，包括它们的测试方法、主要变量、测量结果、关键发现和工程应用。
总体而言，这些研究表明RSM的动态响应取决于橡胶含量、粒径、围压、应变水平和宿主砂的性质。剪切模量和阻尼比的报告趋势会随着混合物组成和测试条件的不同而变化，反映了这些因素之间的相互作用[13]、[15]、[21]、[24]、[37]、[46]、[65]。尽管取得了这些进展，大多数现有研究仍集中在地震隔离方面，尽管Li等人[39]也研究了其在路面基层中的应用。特别是，很少有研究考察长时间交通引起的循环荷载下的累积变形，或使用循环三轴试验来评估RSM作为埋设管道回填材料的性能。
埋设管道的回填材料必须能够承受静态和交通引起的循环荷载。即使具有良好阻尼能力的RSM也可能表现出过度的累积变形或不足的剪切强度。因此，混合物的选择必须平衡剪切强度、循环变形控制和能量耗散。然而，现有研究通常分别考察这些响应，目前仍缺乏考虑项目特定性能要求和围压条件的综合选择标准。
为了解决这一差距，对不同橡胶含量和粒径的砂和RSM混合物在几种围压下进行了静态和循环固结不排水（CU）三轴试验。这些试验量化了橡胶含量、橡胶粒径和围压对静态剪切强度、初始刚度、孔隙水压力响应、循环应变积累、动态模量和能量耗散的影响，其中砂作为参考材料。建立了累积轴向应变与初始动态弹性模量之间的经验关系。然后将静态和循环试验结果整合起来，提出了基于性能的RSM混合物选择标准，用于埋设管道回填。
章节摘要
材料与混合物制备
RSM是通过将福建标准砂与来自报废汽车轮胎的橡胶颗粒混合制成的。砂粒径范围为0.075至2毫米，橡胶颗粒分为两组：RS（0.5-1毫米）和RC（2-4毫米）。材料的代表性图像及其粒径分布分别见图1和图2。
根据其粒径分布，福建标准砂被归类为级配良好的砂。
结果与讨论
第3.1节和第3.2节展示了静态CU三轴试验结果，第3.3节和第3.4节分析了循环CU三轴试验结果。第3.5节综合了这两组结果，以评估基于性能的混合物选择以及RSM作为埋设管道回填材料的适用性。
结论
本研究通过静态和循环固结不排水三轴试验，评估了橡胶-砂混合物作为埋设管道回填材料在静态和交通引起的循环荷载下的性能。研究了围压、橡胶含量和橡胶粒径对静态强度、刚度、累积轴向变形和动态性能的影响。结果为在测试条件下基于性能选择RSM提供了比较基础。
作者贡献声明
Cungang Lin：写作——审稿与编辑、监督、方法论制定、资金获取、概念构思。Zuyeng Sok：写作——初稿撰写、可视化、数据收集。Junjie Zheng：监督、项目管理。Zhongqiang Liu：方法论研究、正式分析。Yu Chen：验证、资源获取、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的财政支持：中国国家自然科学基金（项目编号：42477202和52474169）、中国广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515011200）、广东省国际科技合作计划（项目编号：2025A0505020042）以及广东省科学技术厅（项目编号：2021ZT09G087）。
Cungang Lin|Zuyeng Sok|Junjie Zheng|Zhongqiang Liu|Yu Chen
