建筑垃圾膨脹土回填地基工程特性及應(yīng)用研究

翟聚云，樊姝芳，言志信，袁延召，朱晗宇，張清鑫

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467000; 2.東莞市水務(wù)技術(shù)中心，廣東 東莞，523413)

膨脹土具有水敏感性，常常導(dǎo)致滑坡、滑塌、泥石流等災(zāi)害，膨脹土不良特性在工程中造成的破壞極為常見(jiàn)[1-4]．建筑垃圾的主要成分破碎后形成的骨料，有較高強(qiáng)度、硬度、水穩(wěn)定性和耐久性等特點(diǎn)，建筑垃圾資源化利用迫在眉睫．

研究者對(duì)膨脹土和建筑垃圾做了大量的工作，對(duì)膨脹土不良特性改良有較完善的理論和較豐富的實(shí)踐．張雁等(2015)[5]對(duì)石灰煤矸石改良膨脹土進(jìn)行研究，認(rèn)為石灰煤矸石優(yōu)于石灰改良膨脹土的工程性質(zhì)；王建立等(2019)[6]對(duì)利用環(huán)氧樹(shù)脂—水泥復(fù)合改良加固膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到土體力學(xué)性能得到顯著改善，增強(qiáng)了土樣的微觀復(fù)合效應(yīng)．Mohanty, Soumendra K.等(2017)[7]，Soltani, Amin等(2017)[8]對(duì)工業(yè)廢料對(duì)膨脹土改良進(jìn)行研究；Kolay P K等(2016)[9]對(duì)利用砂和粉煤灰改良膨脹土進(jìn)行研究； Alazigha, Dennis Pere.等(2016)[10]對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽處理膨脹土進(jìn)行研究；陳永青等(2019)[11]對(duì)生物酶改良膨脹土進(jìn)行研究．

建筑垃圾資源化是研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，為了推進(jìn)建筑垃圾資源化的利用，國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑垃圾回收再利用的研究取得了很多成果[12-13]．陳雅芝(2019)[14]對(duì)國(guó)內(nèi)外建筑垃圾資源化利用政策進(jìn)行研究；鄭龍海等(2019)[15]，胡魁等(2016)[16]對(duì)建筑垃圾分類系統(tǒng)進(jìn)行了研究，針對(duì)建筑垃圾再生利用對(duì)建筑垃圾分類提出了較高要求，以達(dá)到降低成本的目的；李述俊等(2019)[17]對(duì)建筑垃圾再生微粉基本性能進(jìn)行研究；朱斌泉等(2018)[18]對(duì)建筑廢棄物路用性能及施工工藝研究；Poon C.S.等(2002)[19]對(duì)利用建筑垃圾生產(chǎn)磚塊進(jìn)行研究；I.F.Sáez del Bosque, et al.(2019)[20]，對(duì)建筑垃圾作為水泥摻量進(jìn)行研究，張劍揮等(2016)[21]對(duì)建筑垃圾在沙漠防風(fēng)中的利用進(jìn)行研究．

在已有的研究中，對(duì)建筑垃圾膨脹土混合土體特征的研究鮮有報(bào)道．本文以平頂山膨脹土為研究對(duì)象，對(duì)其混合土體進(jìn)行研究，既有效改良了膨脹土的不良特性，又回收和利用了建筑垃圾，將建筑垃圾變廢為寶，長(zhǎng)久穩(wěn)定地作為地基的一部分，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益．

1 試驗(yàn)材料的選取

試驗(yàn)建筑垃圾選用拆除的煤矸石多孔磚砌墻進(jìn)行破碎，主要成分為磚塊及砌筑砂漿．建筑垃圾破碎使用PE型鄂式破碎機(jī)，然后人工分選和級(jí)配，試驗(yàn)選用顆粒組成見(jiàn)表1.

表1 建筑垃圾試驗(yàn)顆粒組成

選用膨脹土為棕紅色粘土，取自平頂山市建設(shè)路與東風(fēng)路交叉口處，化學(xué)成分及含量為SiO2：53.26%；Fe2O3：20.37%；CaO：11.02%；Al2O3：3.46%；CuO：1.275%；K2O：0.840；其他：9.775%．

膨脹土的塑限22.85%，17 mm液限45.72%，10 mm液限38.2%，自由膨脹率55%．顆粒直徑2～0.05 mm占45%，0.05～0.005 mm占36%，小于0.005 mm占19%．

對(duì)風(fēng)干的膨脹土和風(fēng)干的建筑垃圾按質(zhì)量比進(jìn)行混合，試樣按建筑垃圾占總混合土體質(zhì)量含量20%，30%，40%，50%，60%，70%，80% 7組試樣，分別進(jìn)行變形、固結(jié)及強(qiáng)度試驗(yàn)．7組混合試樣的顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1．不均勻系數(shù)，為

Cu=d60/d10

(1)

曲率系數(shù)，為

(2)

式中：d10、d30、d60分別為顆粒級(jí)配曲線上相應(yīng)于10%、30%、60%含量的粒徑，mm．

同時(shí)滿足Cu>5, 1>Cc>3，級(jí)配良好[16]，由圖1和圖2可知，級(jí)配良好的建筑垃圾摻量范圍為40%～52%．

圖1 不同配比下顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle gradation curve at different proportions

圖2 級(jí)配曲率系數(shù)隨建筑垃圾質(zhì)量含量變化Fig.2 Changes of gradated curvature coefficient with the content of mass percentage of expansive soil

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 收縮變形特征

將確定配比的混合土樣，制成預(yù)定的含水量，取試樣干密度為1.6 g/cm3,，制作試樣采用體積為30 cm×2 cm3的環(huán)刀，計(jì)算將某含水量混合土樣需要的質(zhì)量，將其均勻壓入環(huán)刀中，收縮試驗(yàn)精確測(cè)得建筑垃圾含量20%初始含水量29.00%，建筑垃圾含量30%初始含水量27.90%，建筑垃圾含量40%初始含水量26.16%，建筑垃圾含量50%試樣初始含水量27.59%．

將土樣從環(huán)刀中推出，室內(nèi)溫度為200，室內(nèi)收縮試驗(yàn)在收縮儀上進(jìn)行，隨著收縮試驗(yàn)的進(jìn)行，測(cè)得不同時(shí)間豎向變形量和試塊質(zhì)量，從而計(jì)算得到相應(yīng)的含水量，不同建筑垃圾含量的混合土體，收縮率隨含水量減小的變化見(jiàn)圖3．

線縮率為試樣收縮過(guò)程中，豎向收縮變形量和原始高度的比值：

(3)

式中：δs為線縮率; Δh為收縮變形量；h0為試樣原始高度．

圖3 線縮率隨含水量的變化曲線Fig.3 Curve of linear shrinkage with water content

圖4 收縮系數(shù)隨建筑垃圾摻量的變化曲線Fig.4 Shrinkage coefficient varies with the content of construction waste

2.2 膨脹變形特征

將混合土樣均勻壓至30×2 cm3的環(huán)刀中，采用側(cè)限變形試驗(yàn)，膨脹試驗(yàn)在無(wú)荷膨脹儀進(jìn)行，試驗(yàn)得出建筑垃圾含量20%，30%，40%的試樣在不同含水量的膨脹率見(jiàn)圖5．膨脹率為試樣膨脹過(guò)程中膨脹變形量與原始高度之比．

圖5 膨脹率隨含水量變化圖Fig.5 Variation of expansion rate with water content

為了更準(zhǔn)確表達(dá)土體的膨脹特性，引入膨脹系數(shù)ɑ，含水量每增加1%的膨脹率增加量叫膨脹系數(shù)．膨脹率與試樣的初始含水量有密切關(guān)系，而膨脹系數(shù)只與試樣本身的土質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)有關(guān)，膨脹率隨含水量變化見(jiàn)圖5，圖中曲線的斜率為膨脹系數(shù)，可得建筑垃圾含量40%的土樣膨脹系數(shù)為ɑ=0.064．

由文獻(xiàn)23，根據(jù)膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)的特征參數(shù)判斷，膨脹系數(shù)與自由膨脹率有下列關(guān)系：

α=0.318+0.003 7Fs

(4)

式中：α為膨脹系數(shù)，%；Fs為自由膨脹率，%

收縮系數(shù)與自由膨脹率有下列關(guān)系：

λs=0.428+0.004 9Fs

(5)

式中,λs為收縮系數(shù)，%；

由此可知，自由膨脹率為40%時(shí)，α=0.466；λs=0.624．

建筑垃圾含量為40%試樣膨脹系數(shù)為0.064，收縮系數(shù)為0.220 9，因此可以判定為非膨脹土．

圖6 壓縮系數(shù)隨壓力的變化Fig.6 Changes of compression coefficient with pressure

2.3 固結(jié)特征

對(duì)不同建筑垃圾摻量的試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)的制備干密度為1.5 g/cm3，含水量25.0%，荷載級(jí)數(shù)選用50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，每加一級(jí)荷載后穩(wěn)定后讀最終讀數(shù)，再加下一級(jí)荷載．不同級(jí)數(shù)壓力的壓縮系數(shù)如圖6所示，不同建筑垃圾質(zhì)量含量變形特征及原因分析見(jiàn)表2．

表2 不同建筑垃圾質(zhì)量含量變形特征及原因分析

圖7 不同建筑垃圾含量的試樣抗剪強(qiáng)度曲線Fig.7 Shear strength curves of samples with different contents of construction waste

由此可見(jiàn)，采用建筑垃圾含量40%～50%能夠使膨脹土與建筑垃圾之間的顆粒擠密效果較好，填筑時(shí)應(yīng)分層充分壓實(shí)．

2.4 強(qiáng)度特征

為了揭示填實(shí)后混合試樣的強(qiáng)度特征，對(duì)不同配比的試樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)的制備采用干密度為1.5 g/cm3，其抗剪強(qiáng)度曲線如圖7所示，不同建筑垃圾含量的強(qiáng)度特征見(jiàn)表3．

從抗剪強(qiáng)度曲線可以看出，建筑垃圾含量應(yīng)大于30%．從混合試樣脹縮變形特征分析，建筑垃圾含量不易小于40%；從強(qiáng)度特征分析，建筑垃圾含量大于30%．從顆粒級(jí)配特征分析，建筑垃圾含量40%～52%顆粒級(jí)配良好．從壓縮特征來(lái)分析，建筑垃圾含量不小于40%；綜合分析得到建筑垃圾含量40%～50%配比為優(yōu)選配比．

表3 不同建筑垃圾含量的強(qiáng)度特征

2.5 優(yōu)選配比混合土體工程特征

取建筑垃圾質(zhì)量含量45%的混合土體進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)錘重2.7 kg，落距45 cm，錘底直徑50 mm，擊數(shù)27次，得出最優(yōu)含水量16.5%，最大干密度1.72 g/cm3．

(1)干濕循環(huán)后強(qiáng)度特性

地表淺層土層穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)采用干濕循環(huán)穩(wěn)定后的強(qiáng)度參數(shù)，經(jīng)對(duì)壓實(shí)土體在含水量區(qū)間20%～10%的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得干濕循環(huán)穩(wěn)定后的抗剪強(qiáng)度方程為：

τf=σ×tan190+50.133

(6)

(2)脹縮變形特性

取擊實(shí)后土樣，其含水量16.5%、干密度1.72 g/cm3，進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，測(cè)得其膨脹率為1.5%．

圖8 不同初始含水量混合土樣收縮率曲線Fig.8 The Shrinkage curves of mixed soil

對(duì)擊實(shí)后取得的混合土樣，用滴管緩慢加水至需要含水量，密封靜置24 h至水分均勻，進(jìn)行不同初始含水量的收縮試驗(yàn)，線縮率隨含水量的變化見(jiàn)圖8，由圖8可知，收縮初始階段為直線，且相互平行，直線的斜率為收縮系數(shù)．當(dāng)收縮進(jìn)行到一定程度，收縮變形基本穩(wěn)定，但是此時(shí)膨脹土沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，原因是當(dāng)含水量較大時(shí)，含水量對(duì)試樣體積起控制作用，隨著膨脹試驗(yàn)進(jìn)行，含水量逐漸降低，建筑垃圾的大顆粒對(duì)體積起控制作用，土體體積變化極?。虼穗m然含水量還沒(méi)有達(dá)到膨脹土收縮穩(wěn)定的含水量，而混合土體體積已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，而且不同初始含水量的土體，收縮穩(wěn)定時(shí)含水量也不同．

3 工程應(yīng)用算例

3.1 填土邊坡穩(wěn)定性

取建筑垃圾含量45%壓實(shí)混合土體，利用理正軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算．計(jì)算模型見(jiàn)圖9．

地震烈度取6度，地震作用綜合影響系數(shù)為0.25，地震作用重要性修正系數(shù)1.0，水平地震系數(shù)0.050，地震力作用土條質(zhì)心處，超載取30 kPa，水平加速度系數(shù)矩形分布，容重取1.8 kN/m3．邊坡坡高與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖10.

圖9 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.9 The calculation diagram of slope stability

圖10 不同坡高穩(wěn)定系數(shù)隨坡角變化曲線Fig.10 Curve of slope angle with different slope height stability coefficient

3.2 填土地基脹縮變形量

計(jì)算填土地基沉降，以平頂山為例，平頂山大氣深度為3.5 m，膨脹土地基變脹縮變形量應(yīng)取基礎(chǔ)某點(diǎn)的最大膨脹上升量與最大收縮下沉量之和．

膨脹變形量計(jì)算：因?yàn)榕蛎浲恋亩嗔严缎裕?dāng)土體浸水后，水分沿裂縫滲入土中，充分吸水膨脹，大氣影響范圍內(nèi)，膨脹變形量按最大膨脹量計(jì)算：1.5%×3 500 mm=52.5 mm．地基土的脹縮變形量應(yīng)按下式計(jì)算：

(7)

式中：ses為地基土的脹縮變形量，mm；ψes為計(jì)算脹縮變形量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取0.7；n為自基礎(chǔ)底面至計(jì)算深度內(nèi)所劃分的土層數(shù)，計(jì)算深度可取大氣影響深度；δp為膨脹率；λsi為第i層土的收縮系數(shù)，應(yīng)由室內(nèi)試驗(yàn)確定；hi為第i層變形計(jì)算深度；Δwi為地基土收縮過(guò)程中，第i層土可能發(fā)生的含水量變化的平均值．

取初始含水量為30%，最小含水量為10%，1米處含水量變化值為0.2，地基土含水量變化經(jīng)計(jì)算如圖11所示[16]．由圖8可知，初始含水量為30%的收縮穩(wěn)定含水量為26%，含水量變化為0.04，其相應(yīng)的深度為3.15 m．

圖11 地基土含水量變化計(jì)算圖Fig.11 Calculation diagram of moisture content change of foundation soil

因此，0～3.15 m深度范圍內(nèi)，由圖8應(yīng)采用相同的線縮率7.5%，收縮變形量SS1為：SS1=7.5%×3 150=236.3 mm．地基深度3.15～3.5 m范圍內(nèi)，含水量變化在0.01～0.04之間，圖8中初始含水量30%試樣的線縮率直線段的方程為：δ=-1.2 972w+39.071(R2= 0.976)．該深度范圍內(nèi)收縮變形量SS2為

=0.011 30m=11.30 mm

地基總收縮變形量為

地基總脹縮變形量：

Ses=0.7×52.5+173.32=210.07mm

4 結(jié)論

(1)選取一特定級(jí)配的建筑垃圾與膨脹土混合，對(duì)混合土體進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到不同配比試樣的顆粒級(jí)配、脹縮、固結(jié)及抗剪強(qiáng)度特性，膨脹土中摻入建筑垃圾后，工程特性得到了顯著提高．

(2)建筑垃圾摻量40%～50%時(shí)為優(yōu)選配比．

(3)對(duì)建筑垃圾質(zhì)量含量45%夯實(shí)混合土體，根據(jù)干濕循環(huán)后強(qiáng)度參數(shù)及脹縮變形特征，對(duì)工程中填土路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)及填土地基變形量進(jìn)行了計(jì)算．

(4)本文的研究對(duì)煤矸石多孔磚建筑垃圾回收再利用提供了重要的參考．