建筑垃圾混合料在路堤填筑中的應(yīng)用

王啟龍，楊曉華，洪雪峰

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 3.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 4.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建筑垃圾與日俱增，建筑垃圾的堆放不僅占用大量土地資源，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且加劇土地利用的矛盾。若將建筑垃圾應(yīng)用于道路路堤填筑，不僅可以解決環(huán)境污染問題，還能降低工程成本。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于建筑垃圾在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用開展了很多研究，并取得了一定的成果。楊建平[1]歸納總結(jié)了建筑垃圾再生材料應(yīng)用于公路工程中濕陷性地基和濕軟性地基處理的形式及作用機(jī)理，并通過工程檢測驗(yàn)證了其在地基處理中的實(shí)用性和適用性。牛永宏等[2]通過對現(xiàn)有工程的總結(jié)和研究，提出了回填路基所用建筑垃圾的技術(shù)指標(biāo)及要求。左富云[3]通過室內(nèi)土工試驗(yàn)得出建筑廢渣經(jīng)破碎后可直接用作道路路基回填材料，其中骨料所占的比例不應(yīng)低于30%。夏慧慧[4]采用不經(jīng)加工的建筑垃圾作為路基深層填料，應(yīng)用于合肥Ⅰ級主干道路堤填筑，并進(jìn)行了壓實(shí)度和彎沉檢測，結(jié)果證明建筑垃圾回填段與未用建筑垃圾回填段的壓實(shí)度和彎沉值差異不大，建成通車4年后，道路使用狀況依然良好。

建筑垃圾混合料作為路堤填料，與傳統(tǒng)的碎石土填料相比有一定差別，且在國內(nèi)應(yīng)用時(shí)間尚短，仍存在很多設(shè)計(jì)和施工理論的不足[5-6]。本文結(jié)合蘭州南繞城高速公路的建設(shè)，采用離心模型試驗(yàn)，研究建筑垃圾混合料填筑路堤的沉降特性，在豐富和完善對建筑垃圾路堤填料的研究的同時(shí)，為建筑垃圾混合料填筑路堤的類似工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次模型試驗(yàn)采用長安大學(xué)公路學(xué)院TLJ-3型土工離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)。離心機(jī)最大容量為60 g·T，有效半徑為2.0 m，離心加速度范圍是10g～200g，穩(wěn)定度為±0.1%F.S，加速度為100g時(shí)最大荷載為600 kg，加速度達(dá)到200g時(shí)，最大荷載為300 kg。

1.2 模擬對象及模型尺寸

模型試驗(yàn)依托蘭州南繞城高速公路建設(shè)項(xiàng)目，采用建筑垃圾混合料作為路堤填筑材料。K21+840～K21+910斷面填筑高度約12 m，邊坡坡率約為1∶1.5，地基表層為黃土，厚10～12 m，下部為變質(zhì)砂巖。對該斷面進(jìn)行離心模型試驗(yàn)研究時(shí)，通過改變相應(yīng)的建筑垃圾填料壓實(shí)度和填筑高度，研究其沉降特征。模型試驗(yàn)地基為黃土地層，經(jīng)夯實(shí)和加速離心后強(qiáng)度較高，近似作剛性處理。路堤假定為平面應(yīng)變問題，以路堤的中線為軸左右對稱，受模型箱的尺寸限制，取半幅路堤進(jìn)行研究，結(jié)合離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涑叽绱_定模型試驗(yàn)相似比為1∶100，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 建筑垃圾混合料路堤離心模型試驗(yàn)方案

注：M-1～M-5用于研究不同路堤壓實(shí)度的路堤沉降；M-3、M-5～M-7用于研究不同路堤高度的路堤沉降。

1.3 模型材料選取

建筑垃圾混合料作為路堤填料，與傳統(tǒng)的碎石土存在一定差別，因此為了更加有效地利用建筑垃圾，需掌握其工程特性。本次試驗(yàn)所用的建筑垃圾和黃土都是從蘭州南繞城高速公路建設(shè)項(xiàng)目周圍所得，混合填料中建筑垃圾與土的配合比為4∶6。通過一系列室內(nèi)土工試驗(yàn)測得建筑垃圾和黃土的物性指標(biāo)，見表2、3。

表2 試驗(yàn)所用建筑垃圾的主要物性指標(biāo)

表3 試驗(yàn)所用黃土的物理力學(xué)指標(biāo)

建筑垃圾混合料的粒徑較大，按照相似比縮尺后，模型結(jié)構(gòu)物的尺寸與土顆粒粒徑之比仍大于23，會產(chǎn)生粒徑效應(yīng)[7]。試驗(yàn)中綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備條件、試驗(yàn)材料的篩分和開挖路堤臺階的難易程度以及不產(chǎn)生粒徑效應(yīng)的要求等，將模型材料的最大粒徑定為2 mm。

1.4 模型制作

此次模型試驗(yàn)中，位移的測試采用ILD1300-100非接觸式激光位移傳感器，量程為100 mm。試驗(yàn)方案中模型測試元件的布置如圖2所示。

路堤模型填筑采用先填后挖法，首先在模型箱側(cè)壁涂抹硅油，鋪貼塑料膜，降低模型與模型箱側(cè)壁之間的摩擦，之后填筑地基，將地基壓實(shí)后放入離心機(jī)內(nèi)并在100g的加速度下固結(jié)2 h，使其沉降變形穩(wěn)定，然后填筑路堤。

為保持力學(xué)特性一致，將離心機(jī)的加速度上限提升到100g。為模擬路堤逐級加載過程，在20g、40g、60g下分別運(yùn)行324、81、36 min，穩(wěn)定加速到100g后運(yùn)行120 min。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 離心模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 建筑垃圾填料的壓實(shí)度與強(qiáng)度

試驗(yàn)完成后測試混合填料的含水量、密度，并進(jìn)行直剪試驗(yàn)，以考察離心模型試驗(yàn)后路堤填料的變化情況，結(jié)果見表4。由表4可知，經(jīng)過離心試驗(yàn)之后，各組試驗(yàn)混合填料的壓實(shí)度均有提高，M-1、M-2、M-3、M-4四組試驗(yàn)后的填料壓實(shí)度分別為94%、95%、97%、98%。隨著壓實(shí)度的提高，4組試驗(yàn)的黏聚力c和密度ρ均有增加，而內(nèi)摩擦角φ相對減小。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在不受外部環(huán)境影響時(shí)，路堤填土荷載的自重壓密作用增大了下部填料的壓實(shí)度，并且隨著初始壓實(shí)度的提高，試驗(yàn)之后的壓實(shí)度增加速率明顯減少。對于不同的壓實(shí)度，試驗(yàn)后的c和φ相差不大，但隨著壓實(shí)度的增加，c值相應(yīng)變大。c是粒間膠結(jié)或黏結(jié)引起的剪阻力，隨著壓實(shí)度的增加，其所需要的壓實(shí)力也相應(yīng)地增加，混合料經(jīng)過壓實(shí)后顆粒重新組合、排列，顆粒間孔隙縮小，混合料的單位質(zhì)量提高，從而使混合料的整體強(qiáng)度得到很大提高，c值相應(yīng)變大[8-9]。φ是由顆粒間咬合產(chǎn)生的，隨著壓實(shí)度的增加，建筑垃圾混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度也相應(yīng)增大，所以φ值減小。

表4 離心模型試驗(yàn)結(jié)果

2.2 建筑垃圾填料路堤沉降與壓實(shí)度的關(guān)系

圖3 不同壓實(shí)度下路堤總沉降隨時(shí)間的變化曲線

圖4 不同壓實(shí)度下路堤工后沉降隨時(shí)間的變化曲線

圖3是4組12 m高的建筑垃圾混合填料路堤總沉降隨時(shí)間變化的曲線。由圖3可以看出，路堤總沉降隨時(shí)間的增加而增大并逐漸變緩，路堤壓實(shí)度越大，建筑垃圾混合填料路堤的總沉降相應(yīng)地減小，路堤壓實(shí)度分別為88%、91%、94%、97%時(shí)，12 m高的建筑垃圾填料路堤施工前及工后兩年的總沉降分別為10.53、8.88、8.30、7.94 cm，總的沉降變形占路堤高度的比例分別為8.77‰、7.40‰、6.92‰、6.62‰。圖4是建筑垃圾混合填料路堤工后沉降隨時(shí)間變化的曲線。由圖4可知，路堤的工后沉降隨時(shí)間增加而增大并逐漸趨于穩(wěn)定，壓實(shí)度越高，工后沉降越小，當(dāng)路堤的壓實(shí)度大于91%時(shí)，路堤的工后沉降變化基本趨于一致。

從圖3、4中還可以得出壓實(shí)度分別為88%、91%、94%、97%的路堤總沉降、工后沉降、工后沉降速率以及壓實(shí)度每提高3%減小的沉降量，具體見表5。

表5 不同壓實(shí)度路堤各沉降參數(shù)匯總

從工后沉降速率可以看出：當(dāng)路堤壓實(shí)度達(dá)到94%時(shí)，加大壓實(shí)度不能有效減小路堤的工后沉降，說明建筑垃圾填料的壓實(shí)度及強(qiáng)度是有限的，不能無限制提高；當(dāng)路堤壓實(shí)度從88%增大到94%時(shí)，工后沉降量明顯減小，而從94%增大到97%工后沉降量基本不變。綜合考慮工程成本和施工因素，可以認(rèn)為建筑垃圾混合料填筑路堤壓實(shí)度控應(yīng)制在94%以上。

2.3 建筑垃圾填料路堤沉降與路堤高度的關(guān)系

在離心模型試驗(yàn)中，路堤表面隨離心加速度增加而產(chǎn)生的沉降由兩部分構(gòu)成：一部分是路堤的壓密變形，它與土的壓實(shí)度有關(guān)，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度后，壓密變形趨于穩(wěn)定；另一部分是由于路堤高度增加，邊坡的側(cè)向變形而引起的，它與填土壓實(shí)之后的強(qiáng)度和流變性質(zhì)有關(guān)[10]。壓實(shí)度控制在94%時(shí)，建筑垃圾填料路堤沉降與路堤高度之間的關(guān)系如圖5、6所示。

圖5 不同路堤高度下路堤總沉降隨時(shí)間的變化曲線

圖6 不同路堤高度下工后沉降隨時(shí)間的變化曲線

由圖可以得出，不同路堤高度的沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線走勢是一致的：在加載期，路堤沉降隨荷載的增大而增大，二者之間存在著一定的近似線性關(guān)系；而到了穩(wěn)定期，路堤沉降隨時(shí)間的增加而逐漸變化緩慢并趨于穩(wěn)定。建筑垃圾混合填料路堤工后沉降和路堤高度存在一定線性關(guān)系，高度為8、10、12、16 m的路堤工后沉降量分別為8.96、12.71、15.71、19.24 mm。

2.4 建筑垃圾混合填料路堤工后沉降預(yù)測

綜合考慮壓實(shí)度和路堤高度，路堤工后沉降隨時(shí)間的變化可用式(1)來表示。

(1)

式中：S1為工后沉降；H為路堤高度；t為時(shí)間；α、β為試驗(yàn)曲線擬合參數(shù)，具體見表6。

表6 α、β和工后沉降量極值S

表6 α、β和工后沉降量極值S

由式(1)可以得出，當(dāng)時(shí)間t趨向于無窮時(shí)，有

S

(2)

因此，αH的值為最終工后沉降。

3 結(jié) 語

(1)建筑垃圾填料的壓實(shí)度隨路堤填土荷載增加而提高，強(qiáng)度隨壓實(shí)度的提高而增大。當(dāng)上覆壓力與填土顆粒間的阻力相近時(shí)，路堤填土的強(qiáng)度將趨近一個(gè)臨界峰值。若繼續(xù)增加壓實(shí)度(或壓力)，建筑垃圾填料強(qiáng)度提高較小，甚至?xí)驗(yàn)橥馏w發(fā)生剪切破壞或塑性變形而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

(2)總沉降和工后沉降隨壓實(shí)度的提高而降低，壓實(shí)度為88%、91%、94%、97%時(shí)，12 m高的建筑垃圾填料路堤工后沉降分別為23.34、21.03、15.70、14.68 mm，均能滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)路基的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，建筑垃圾混合料可直接用作路堤填料。考慮工程成本及施工因素的影響，路堤填筑壓實(shí)度宜控制在94%以上。

(3)建筑垃圾填料路堤高度增大時(shí)，其工后沉降量發(fā)生明顯變化，路堤高度為8、10、12、16 m時(shí)路堤工后沉降量分別為8.96、12.71、15.71、19.24 mm。坡度和壓實(shí)度一定的條件下，建筑垃圾混合填料路堤工后沉降和路堤高度存在一定的線性關(guān)系。