Experimental investigation of the behavior of mixtures with granular soil and low weight materials

Abstract

The sustainable reuse of waste tire rubber in geotechnical engineering has emerged as a promising approach to address both environmental concerns and the demand for innovative geomaterials with enhanced mechanical and dynamic properties. Granulated rubber particles, derived from end-of-life tires, exhibit low unit weight, high deformability and superior energy dissipation capacity, making them attractive for seismic and vibration-sensitive geotechnical applications. This doctoral research presents a comprehensive experimental investigation into the dynamic behavior of granular soil mixed with shredded rubber, with the aim of establishing fundamental understanding and practical design guidance for soil-rubber materials. The laboratory experimental campaign was designed to evaluate the influence of granulated rubber on cyclic and dynamic soil behavior while preserving the essential characteristics of granular soils. The granular soils were fully characterized through particle size distribution, specific gravity, minimum and maximum void ratios, and compaction properties. Granulated rubber particles were characterized in terms of particle size distribution, shape, surface texture, and density. Soil-rubber mixtures were prepared with varying low rubber contents by weight and volume, selected to represent realistic engineering applications such as lightweight backfills, seismic isolation layers, and vibration mitigation systems. Low-strain conditions of the mixtures were investigated using bender element tests and resonant column tests. Bender element testing provided measurements of shear wave velocity and primary wave velocity at very small strain levels, revealing a systematic decrease in shear wave velocity with increasing rubber content due to the lower stiffness of rubber compared to soil particles. Resonant column tests were conducted to evaluate the variation of shear modulus and material damping over a wide strain range. The results indicate that while the maximum shear modulus decreases with rubber inclusion, the material damping ratio increases significantly, particularly at intermediate strain levels. This enhanced damping capacity underscores the potential of soil-rubber mixtures for application in geotechnical seismic isolation. The cyclic response of the mixtures was further examined through cyclic triaxial tests, focusing on shear modulus degradation, damping behavior, and accumulation of permanent strain under repeated loading. The results demonstrate that soil-rubber mixtures exhibit improved resistance to cyclic degradation compared to the natural granular soil. The presence of rubber particles promotes a more stable cyclic response, with reduced stiffness loss and enhanced damping ratio under cyclic shear loading. These characteristics are ideal for applications in Civil Engineering projects subject to seismic or cyclic dynamic loading. To bridge the gap between laboratory-scale testing and field performance, shake table tests were conducted on reduced-scale physical models incorporating soil-rubber mixtures. These tests included harmonic excitations and earthquake ground motions to evaluate the dynamic response, acceleration amplification, and deformation characteristics of the composite material. The shake table results confirm that the inclusion of granulated rubber leads to a reduction in peak acceleration transmission and an increase in damping at the system level. The observed response mechanisms provide valuable insight into the role of rubber inclusions in mitigating seismic demands on geotechnical structures. Additionally, numerical simulations were performed to reproduce shake table experiments and investigate the dynamic response of pure gravel and a gravel-rubber mixture under harmonic excitation, showing good agreement with experimental results. Overall, the findings of this doctoral research demonstrate that granular soil mixed with granulated rubber exhibits a favorable balance between strength, stiffness, and damping. While rubber inclusion leads to a reduction in small-strain shear modulus and density, it significantly enhances elasticity, cyclic stability and the damping ratio of the system. The research highlights the importance of optimizing rubber content to maximize performance benefits, while minimizing adverse effects on load-bearing capacity. The experimental framework and results presented in this thesis contribute to a deeper understanding of soil-rubber interaction mechanisms and support the development of sustainable and high-performance geomaterials for seismic and vibration-resistant geotechnical applications.

Η χρήση των ανακυκλωμένων ελαστικών αυτοκινήτων στη γεωτεχνική μηχανική έχει αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την αντιμετώπιση τόσο των περιβαλλοντικών ανησυχιών όσο και της ζήτησης για καινοτόμα γεωϋλικά με βελτιωμένες μηχανικές και δυναμικές ιδιότητες. Τα κοκκοποιημένα ελαστικά, που προέρχονται από ελαστικά στο τέλος του κύκλου ζωής τους μετά από μηχανική επεξεργασία, παρουσιάζουν χαμηλό ειδικό βάρος, υψηλή παραμορφωσιμότητα και αυξημένη ικανότητα απόσβεσης, καθιστώντας τα υλικά αυτά ελκυστικά για γεωτεχνικά έργα που υπόκεινται σε σεισμικές καταπονήσεις. Η διδακτορική διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη πειραματική έρευνα σχετικά με τη δυναμική συμπεριφορά κοκκωδών εδαφών αναμεμειγμένων με κοκκοποιημένα ελαστικά, με στόχο τη θεμελιώδη κατανόηση και τον σχεδιασμό με μίγματα εδάφους-ελαστικών. Η πειραματική διαδικασία στο εργαστήριο σχεδιάστηκε για να αξιολογήσει την επίδραση των κοκκοποιημένων ελαστικών στην ανακυκλιζόμενη και δυναμική συμπεριφορά του εδάφους, διατηρώντας παράλληλα τα βασικά χαρακτηριστικά των κοκκωδών εδαφών. Τα κοκκώδη εδάφη χαρακτηρίστηκαν πλήρως μέσω της κοκκομετρικής διαβάθμισης, του ειδικού βάρους, των ελάχιστου και μέγιστου δείκτη πόρων και των ιδιοτήτων συμπύκνωσης. Τα κοκκοποιημένα ελαστικά χαρακτηρίστηκαν ως προς την κοκκομετρική διαβάθμιση, το σχήμα, την υφή της επιφάνειας και την πυκνότητα. Παρασκευάστηκαν μίγματα εδάφους-ελαστικού με ποικίλες περιεκτικότητες σε ελαστικό κατά βάρος και όγκο, που επιλέχθηκαν για να αντιπροσωπεύουν ρεαλιστικές εφαρμογές γεωτεχνικής μηχανικής, όπως στρώσεις γεωτεχνικής σεισμικής μόνωσης. Οι συνθήκες χαμηλής παραμόρφωσης των μιγμάτων διερευνήθηκαν χρησιμοποιώντας δοκιμές με χρήση πιεζοκεραμικών στοιχείων και δοκιμές στήλης συντονισμού. Οι δοκιμές με χρήση πιεζοκεραμικών στοιχείων παρείχαν μετρήσεις της ταχύτητας διάδοσης των διατμητικών κυμάτων και της ταχύτητας διάδοσης των πρωτογενών κυμάτων σε πολύ μικρά επίπεδα παραμόρφωσης, αποκαλύπτοντας μια συστηματική μείωση της ταχύτητας διάδοσης των διατμητικών κυμμάτων με την αύξηση της περιεκτικότητας σε ελαστικό λόγω της χαμηλότερης δυσκαμψίας του ελαστικού σε σύγκριση με τους κόκκους του εδάφους. Διεξήχθησαν δοκιμές στήλης συντονισμού για την αξιολόγηση της μεταβολής του μέτρου διάτμησης και της απόσβεσης του υλικού σε ένα ευρύ φάσμα παραμορφώσεων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ενώ το μέγιστο μέτρο διάτμησης μειώνεται με την προσθήκη του ελαστικού, ο λόγος απόσβεσης του υλικού αυξάνεται σημαντικά, ιδιαίτερα σε ενδιάμεσα επίπεδα παραμόρφωσης. Αυτή η βελτιωμένη ικανότητα απόσβεσης υπογραμμίζει τις δυνατότητες των μιγμάτων εδάφους-ελαστικών για εφαρμογή σε γεωτεχνική σεισμική μόνωση. Η δυναμική απόκριση των μιγμάτων εξετάστηκε περαιτέρω μέσω ανακυκλιζόμενων τριαξονικών δοκιμών, εστιάζοντας στην αλλαγή του μέτρου διάτμησης, την απόσβεση και τη μόνιμη παραμόρφωση υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα μείγματα εδάφους-ελαστικών παρουσιάζουν πιο γραμμική συμπεριφορά σε σύγκριση με το φυσικό κοκκώδες έδαφος. Η παρουσία κοκκοποιημένων ελαστικών προάγει μια πιο σταθερή απόκριση, με μειωμένη απώλεια δυσκαμψίας και βελτιωμένο λόγο απόσβεσης υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση. Για να γεφυρωθεί το χάσμα μεταξύ των εργαστηριακών δοκιμών και των δοκιμών σε μεγάλη κλίμακα, διεξήχθησαν δοκιμές σεισμικής τράπεζας σε μοντέλα μειωμένης κλίμακας που ενσωματώνουν μίγματα εδάφους-ελαστικών. Αυτές οι δοκιμές περιελάμβαναν αρμονικές ταλαντώσεις και σεισμικές κινήσεις για την αξιολόγηση της δυναμικής απόκρισης, της απόκρισης της επιτάχυνσης και των χαρακτηριστικών παραμόρφωσης των υλικών. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων σεισμικής τράπεζας επιβεβαιώνουν ότι η προσθήκη κοκκοποιημένων ελαστικών οδηγεί σε μείωση της διάδοσης της επιτάχυνσης και σε αύξηση της απόσβεσης σε επίπεδο συστήματος. Οι παρατηρούμενοι μηχανισμοί απόκρισης παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τον ρόλο των ελαστικών στην άμβλυνση των σεισμικών απαιτήσεων στις γεωτεχνικές κατασκευές. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές προσομοιώσεις για την προσομοίωση των πειραμάτων σεισμικής τράπεζας και τη διερεύνηση της δυναμικής απόκρισης καθαρού χαλικιού και ενός μίγματος χαλικιού-ελαστικών υπό αρμονική ταλάντωση, δείχνοντας πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα. Συνολικά, τα ευρήματα της διδακτορικής έρευνας καταδεικνύουν ότι το κοκκώδες έδαφος αναμεμειγμένο με κοκκοποιημένα ελαστικά παρουσιάζει μια ευνοϊκή ισορροπία μεταξύ αντοχής, δυσκαμψίας και απόσβεσης. Ενώ η προσθήκη ελαστικών οδηγεί σε μείωση του μέτρου διάτμησης σε μικρές παραμορφώσεις και της πυκνότητας, ενισχύει σημαντικά την ελαστικότητα και τον λόγο απόσβεσης. Η έρευνα υπογραμμίζει τη σημασία της βελτιστοποίησης της περιεκτικότητας σε ελαστικά, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τις αρνητικές επιπτώσεις στη φέρουσα ικανότητα. Το πειραματικό πλαίσιο και τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στη παρούσα διατριβή συμβάλλουν στην βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών αλληλεπίδρασης εδάφους-ελαστικών και υποστηρίζουν την ανάπτυξη βιώσιμων και υψηλής απόδοσης γεωϋλικών για εφαρμογή σε γεωτεχνικά έργα.