试验黏土取样自为广州沿海地区花岗岩风化残积土。试样土样参数指标如表1所示。

表1 土样物理指标Table 1 Physical index of soil sample

试验中橡胶材料为废旧轮胎经过不同程度的粉碎切削后得粉末状颗粒，颗粒粒径为0.5～2 mm，相对密度为1.0，橡胶颗粒级配曲线如下图1所示。其中橡胶掺量为橡胶颗粒占混合土总体积的百分比。

将试验土样烘干挑出大石块、树根后，摊铺在铁盆中放入烘干机24 h取出。经碾碎压实后过孔径为2 mm的筛，除去杂质；试样制备前计算不同掺量占比的土样和橡胶质量，称取过筛土，按照土样的最佳含水率配比黏土-橡胶颗粒混合土土样，用喷壶分层洒水，搅拌过程中避免出现大颗粒结团，搅拌完成后用保鲜膜包裹静置24 h。将调配完成的混合土样按照计算得到的重量放入压样器中，分层压实后压制成试样。

试验设备采用气动直剪仪，如图2所示。试样尺寸直径×高=200×50 mm。试样在施加的竖向压力下固结至稳定，保持竖向压力不变进行直剪试验。竖向压力分别为30、60、90 kPa，剪切速率分别为0.5 mm/min、1.0 mm/min、2.0 mm/min，橡胶颗粒掺量为0、5 %、10 %、20 %。表2为具体试验方案。

图1 橡胶颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of rubber particles

表2 试验方案Table 2 Test plan

图3为不同竖向应力（30、60、90 kPa）下混合土的剪应力-剪切位移关系曲线。可以看到不同橡胶掺量下的混合土均呈剪切硬化趋势，未出现应力峰值。根据国家标准^[21]选取图中剪切位移为4 mm时的剪应力作为抗剪强度。与不掺入橡胶颗粒的原土体相比较，加入少量橡胶颗粒有利于提高混合土的抗剪强度，橡胶颗粒掺量为5%时，在30、60、90 kPa的竖向压力下，混合土抗剪强度分别提高了10.2%、6.4%、5.9%。之后随着橡胶颗粒掺量的增加，混合土的剪应力不断下降。对于橡胶颗粒掺量对黏土抗剪强度的影响，Soltani^[15]认为主要表现在两个方面，一是土与橡胶接触产生的摩擦阻力，二是橡胶与土颗粒之间的机械联锁。橡胶颗粒的压缩性大，相对密度小于土颗粒，小粒径的橡胶粉能够填充土体之间的空隙，增大橡胶与土之间的接触面，从而提高了摩擦阻力。

图4反应了混合土在不同竖向应力下竖向位移-剪切位移的关系。规定剪胀为正。在30 kPa作用下，所有混合土均呈现出先剪缩后剪胀的特性，其中20%的橡胶掺量的混合土转折前后变化幅度最大。当应力增加到60、90 kPa时，土样均表现为剪缩特性，混合土剪缩效应明显，剪缩幅度随橡胶掺量增加而增大。土样在高竖向应力下，混合土竖向位移变化曲线接近（图4（c））。该变化主要是由于橡胶压缩性大，土体在剪切过程中，颗粒之间发生相对滑动，橡胶颗粒填充土体之间的空隙，导致土体体积减小，竖向应力越大，其剪缩效应约明显。

图2 气动直剪仪Fig.2 Pneumatic direct shear apparatus

图3 σ=60 kPa下，混合土与橡胶掺入比的关系Fig.3 The relationship between the soil mixture and rubber incorporation ratio under σ=60 kPa

图4 竖向应力对于混合土竖向位移影响曲线Fig.4 Influence curve of vertical stress on vertical displacement of soil mixture

通过2.1中土体抗剪强度的取值，将不同剪切速率、竖向应力、橡胶掺量下的土体抗剪强度进行线性拟合后得到图5。为分析不同橡胶掺量下黏聚力和界面摩擦角的变化规律，将图5中的斜率和截距进行转化得到混合土的抗剪强度指标，汇总于下表3。

表3 抗剪强度指标Table 3 Shear strength index

图5 不同橡胶掺量下的抗剪强度包线Fig.5 Shear strength envelopes with different rubber content

图6为表3中σ=60 kPa，v=1.0 mm/min的工况下所作黏聚力、界面摩擦角与橡胶掺量的折线图。可知混合土黏聚力随着橡胶颗粒掺量先增大后减小，在较高橡胶掺量下下降较大，10%、20%掺量的混合土下比原土样分别下降35%、73%。橡胶颗粒没有黏聚力，其压缩性较大，有憎水效应，加入橡胶颗粒，减少了土体之间的直接接触，橡胶表面不包裹水分，混合土胶结作用减弱，导致混合土颗粒出现结团现象，使其黏聚力下降；界面摩擦角在黏土掺入橡胶颗粒后有所增大，在橡胶掺量为5%为最大值，随着掺量增加之后，界面摩擦角有小幅度下降，其因由橡胶掺量的增大，增加了橡胶颗粒与土体的接触面积，导致土体界面摩擦角增大。当橡胶掺量过大时，土体与橡胶颗粒的接触一部分转变为橡胶与橡胶的接触，与土体的咬合作用降低，导致后续界面摩擦角下降。

图7所示为抗剪强度与剪切速率、橡胶掺量以及竖向应力的关系，其中图6（a）竖向应力σ=60 kPa，图6（b）橡胶掺量为5 %。竖向压力为σ=60 kPa时，剪应力与随着剪切速率的增大而下降。当剪切速率为0.5 mm/min和1.0 mm/min时，混合土的剪应力变化幅度不大，当速率达到2.0 mm/min时，混合土剪应力下降了11 %～14 %。同时，当剪切速率从0.5 mm/min增加到2.0 mm/min，不同竖向应力下，混合土抗剪强度分别下降了15%、13%、7%。可见剪切速率对土体抗剪强度的影响随着竖向应力的增加而减小。在低剪切速率条件下，试样颗粒之间相互错动较缓慢，土样变形整体性较好，颗粒间传力完整，当剪切速率增大时，试验时间短，在剪切面上的孔隙较多，颗粒间的力链未发育完整，从而导致试样抗剪强度降低。

图6 黏聚力、界面摩擦角与橡胶掺量曲线图Fig.6 Curves of cohesion and interfacial friction angle changing with rubber content

图7 抗剪强度与剪切速率、橡胶掺量和竖向应力的关系Fig.7 The relationship of shear strength and shear rate with rubber content and vertical stress respectively