建筑垃圾與土工合成材料界面性能試驗(yàn)研究

周 芬，朱 恒，杜運(yùn)興

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，建筑行業(yè)快速發(fā)展，工程的建設(shè)、改造和拆除產(chǎn)生大量的建筑垃圾。當(dāng)前學(xué)者們對(duì)于建筑垃圾的研究主要集中在利用再生垃圾骨料生產(chǎn)再生混凝土［1-2］以及將其用于路基基層填料［3-4］兩方面。但是再生混凝土具有孔隙多、強(qiáng)度低和變異性大等缺點(diǎn)，因此僅適用于受力較小的結(jié)構(gòu)中，無(wú)法在工程中進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。而將其作為路基填料進(jìn)行回填雖然可以處理大量的建筑垃圾，但是建筑垃圾強(qiáng)度低、級(jí)配差的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致道路工程的質(zhì)量難以得到保障。眾所周知，在土體中鋪設(shè)土工合成材料形成加筋土結(jié)構(gòu)可以提高土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，所以為將建筑垃圾應(yīng)用至加筋土結(jié)構(gòu)，本文通過(guò)大型直剪試驗(yàn)研究建筑垃圾與土工合成材料的界面性能。

對(duì)于建筑垃圾用做加筋土結(jié)構(gòu)的填料方面，目前僅國(guó)外有少量研究涉及。SANTOS［5-6］等人在濕陷性地基上采用建筑垃圾作為填料，分別選用經(jīng)編滌綸土工格柵和無(wú)紡?fù)凉げ甲鳛榧咏畈牧辖ㄔ炝藘勺?.6 m高的加筋土擋土墻。該原型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了加筋土擋墻工作期間的變形和土壓力，其結(jié)果表明采用建筑垃圾作為加筋土擋土墻填料具有可行性。VIEIRA［7］等人通過(guò)直剪和拉拔試驗(yàn)研究了建筑垃圾中的細(xì)料與3種土工合成材料的界面性能。其研究結(jié)果表明建筑垃圾中的細(xì)料具有和天然填料相近的界面峰值剪應(yīng)力。ARULRAJAH［8］等人則采用雙向土工格柵和三向土工格柵作為加筋材料分別對(duì)再生混凝土骨料、廢磚、再生瀝青3類建筑垃圾進(jìn)行了大型直剪試驗(yàn)。

在加筋土結(jié)構(gòu)日常工作過(guò)程中，天氣因素會(huì)導(dǎo)致其填料含水率的變化進(jìn)而影響填料與土工合成材料的界面性能。ABU-FARSAKH等人［10］通過(guò)大型直剪試驗(yàn)分析了含水率和干密度對(duì)于填料和土工合成材料界面力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明其界面峰值剪應(yīng)力隨著填料含水率的升高或干密度的減小而減小，同時(shí)，其減小的程度與土工合成材料的類型有關(guān)。基于上述研究結(jié)果，該作者建議采用密度為95%最大干密度、含水率比最優(yōu)含水率高2%的填料的大型直剪試驗(yàn)結(jié)果作為加筋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。王協(xié)群等人［11］則通過(guò)一系列大型直剪試驗(yàn)研究了格柵的類型和填料的類型、含水率、壓實(shí)度以及試驗(yàn)的剪切速率對(duì)筋土界面性能的影響。除此之外，他們還對(duì)于土工格柵橫肋和縱肋對(duì)于界面抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)。

考慮到當(dāng)前對(duì)于建筑垃圾與土工合成材料的界面性能研究的缺乏，本文采用大型直剪試驗(yàn)研究建筑垃圾的含水率以及土工合成材料的類型對(duì)于建筑垃圾與土工合成材料的界面性能的影響。為分析建筑垃圾含水率對(duì)建筑垃圾與土工合成材料的界面性能的影響，本試驗(yàn)選取1%、6%、12%和18%的4種含水率狀態(tài)下的建筑垃圾作為填料。同時(shí)，本試驗(yàn)采用雙向塑料土工格柵 （GG1）、雙向玻纖土工格柵 （GG2）和無(wú)紡?fù)凉げ?（GT）3種土工合成材料作為加筋材料。本文也對(duì)加筋建筑垃圾的直剪試驗(yàn)結(jié)果與未加筋建筑垃圾的直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。以下部分對(duì)于本試驗(yàn)的研究過(guò)程以及結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的描述及討論。

1 試驗(yàn)研究

1.1 大型直剪試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所采用試驗(yàn)裝置為Geotest公司生產(chǎn)的應(yīng)變控制式大型直剪儀 （見(jiàn)圖1）。該裝置的剪切盒凈空尺寸為300 mm×300 mm×180 mm，剪切盒分為上下兩部分，下部剪切盒的頂面可鋪設(shè)土工合成材料。為均勻分布垂直壓力，在向剪切盒中裝填建筑垃圾時(shí)在剪切盒底部和頂部分別墊入厚度為25 mm的塑膠蓋板，所以裝填的建筑垃圾實(shí)際高度為130 mm。如圖2所示，為保證在直剪試驗(yàn)過(guò)程中剪切面的面積不改變，當(dāng)在下部剪切盒鋪設(shè)土工合成材料時(shí)可將土工合成材料延伸至凈空區(qū)域外。同時(shí)，為固定土工合成材料，保證其在剪切過(guò)程中不發(fā)生變形，下部剪切盒的前端和兩側(cè)均設(shè)置了高摩擦力的平板夾具來(lái)固定土工合成材料。本裝置采用4個(gè)力傳感器測(cè)量剪切過(guò)程中的法向力，2個(gè)力傳感器測(cè)量剪切過(guò)程中的剪切力，計(jì)算機(jī)讀取相應(yīng)力傳感器的數(shù)值并計(jì)算法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。試驗(yàn)過(guò)程中的法向位移和剪切位移通過(guò)數(shù)字千分表讀取并連接計(jì)算機(jī)采集。

圖1 大型直剪裝置Figure 1 Large-scale direct shear apparatus

圖2 下部剪切盒示意圖Figure 2 Diagrammatic drawing of the lower shear box

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用填料為長(zhǎng)沙市某拆遷工地因建筑物拆遷產(chǎn)生并經(jīng)破碎裝置破碎而成的建筑垃圾（C＆DW）。建筑垃圾的級(jí)配曲線如圖3所示，其主要物理性質(zhì)如表1所示。

在本試驗(yàn)中共使用3種土工合成材料：雙向塑料土工格柵 （GG1）、雙向玻纖土工格柵 （GG2）和無(wú)紡?fù)凉げ?（GT）。表2給出了本次試驗(yàn)所用上述材料的主要物理力學(xué)性質(zhì)。

圖3 級(jí)配曲線Figure 3 Curve of grading

表1 建筑垃圾物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of C＆DW

表2 土工合成材料物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical and mechanical properties of geosyntheyics

1.3 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)試驗(yàn)步驟參照ASTM D5321規(guī)范要求，具體流程如下：

a.在試驗(yàn)進(jìn)行前1 d對(duì)建筑垃圾采用噴壺均勻噴水至目標(biāo)含水率，之后燜料備用。

b.在下部剪切盒墊入25 mm厚的塑膠蓋板，之后在保證各含水率建筑垃圾的干密度相同的前提下，稱取一定質(zhì)量的建筑垃圾分層裝入下部剪切盒。

c.下部剪切盒的建筑垃圾裝填完畢后，在下部剪切盒上表面鋪設(shè)土工合成材料，利用端部和側(cè)部的壓板固定土工合成材料，以保證土工合成材料平整、牢固，并且在剪切過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生變形。當(dāng)進(jìn)行建筑垃圾的直剪試驗(yàn)時(shí)無(wú)需執(zhí)行該步驟。

d.將上部剪切盒放置于下部剪切盒之上，并利用銷釘將二者連接牢固。之后稱取一定質(zhì)量的建筑垃圾分層裝入上部剪切盒，最后在上部剪切盒上加蓋厚度為25 mm的塑膠蓋板以均勻分布法向壓力。

e.利用推車將剪切盒放置于大型直剪儀中，并將上部剪切盒與大型直剪儀連接，去除上下部剪切盒之間的銷釘連接。

f.施加試驗(yàn)所需的法向力和剪切力，調(diào)節(jié)剪切速率為1 mm／min。計(jì)算機(jī)采集剪切過(guò)程中的剪應(yīng)力、法向應(yīng)力、剪切位移和法向位移，直至剪切位移達(dá)到60 mm停止試驗(yàn)。

2 結(jié)果和討論

2.1 建筑垃圾直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖4是分別處于1%、6%、12%和18%的4種含水率狀態(tài)下的建筑垃圾大型直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。由圖3可知：4種含水率狀態(tài)下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線均呈現(xiàn)出明顯的峰值剪應(yīng)力，但是當(dāng)建筑垃圾處于1%、6%和12%3種含水率狀態(tài)時(shí)，其剪應(yīng)力-剪切位移曲線在達(dá)到峰值剪應(yīng)力后會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的趨勢(shì)；而當(dāng)建筑垃圾處于18%含水率狀態(tài)時(shí)，其剪應(yīng)力-剪切位移曲線在達(dá)到峰值剪應(yīng)力后會(huì)趨于穩(wěn)定。隨著含水率的升高，在各法向應(yīng)力下界面的峰值剪應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，同時(shí)達(dá)到峰值剪應(yīng)力所需的剪切位移也隨之增大。除此之外，隨著剪切的進(jìn)行，在相同法向應(yīng)力下各含水率的剪應(yīng)力趨于一致。

圖4 含水率對(duì)建筑垃圾剪切應(yīng)力的影響Figure 4 Influence of moisture content on the shear strength of C＆DW

圖5中列出了4種含水率狀態(tài)下的建筑垃圾與各法向應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的峰值剪應(yīng)力，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了線性擬合?；谝陨蠑?shù)據(jù)，根據(jù)莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論得出4種含水率狀態(tài)下建筑垃圾的內(nèi)摩擦角（φ）和粘聚力 （c）如表3所示。由表3看出雖然建筑垃圾內(nèi)摩擦角受含水率影響較小，但是隨著含水率的升高，其粘聚力顯著減小。該現(xiàn)象與其他學(xué)者對(duì)于非飽和土抗剪強(qiáng)度性質(zhì)的研究結(jié)果一致［12-13］。

圖5 建筑垃圾抗剪強(qiáng)度線Figure 5 Peak strength envelops of C＆DW

表3 建筑垃圾抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Shear strength parameters of C＆DW

2.2 建筑垃圾-土工合成材料大型直剪試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 建筑垃圾含水率的影響

圖6所示為建筑垃圾-玻纖土工格柵直剪試驗(yàn)在4種含水率狀態(tài)下 （1%、6%、12%和18%）的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。與未加筋建筑垃圾直剪試驗(yàn)結(jié)果相比，圖6中各含水率的剪應(yīng)力-剪切位移曲線在達(dá)到峰值剪應(yīng)力后均無(wú)明顯的降低，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的趨勢(shì)。在相同法向應(yīng)力的情況下，隨著含水率的升高，剪應(yīng)力呈下降的趨勢(shì)。在50 kPa法向應(yīng)力下，18%含水率狀態(tài)下的建筑垃圾相比含水率為1%的建筑垃圾的界面峰值剪應(yīng)力下降了約10.6%。而在150 kPa法向應(yīng)力下，18%含水率狀態(tài)下的建筑垃圾相比含水率為1%的建筑垃圾的峰值剪應(yīng)力有更明顯的下降 （21.6%），此時(shí)其相比于12%含水率狀態(tài)下的建筑垃圾的峰值剪應(yīng)力則下降了約14.5%。

圖6 含水率對(duì)C＆DW-GG2界面剪切應(yīng)力的影響Figure 6 Influence of moisture content on the shear strength of C＆DW-GG2 interface

圖7和圖8分別展示了建筑垃圾-無(wú)紡?fù)凉げ己徒ㄖ?塑料土工格柵直剪試驗(yàn)在4種含水率狀態(tài) （1%、6%、12%和18%）下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。與建筑垃圾-玻纖土工格柵直剪試驗(yàn)結(jié)果相似，在以上兩種土工合成材料的直剪試驗(yàn)中，峰值剪應(yīng)力同樣均隨著含水率的升高而降低。其中當(dāng)雙向塑料土工格柵在50 kPa的法向應(yīng)力下，18%含水率的建筑垃圾的界面峰值剪應(yīng)力相比于含水率為1%的建筑垃圾的界面峰值剪應(yīng)力有最高的下降率 （26.3%）。以上現(xiàn)象與ABU-FARSAKH等人［10］采用砂土及粘土等天然填料所進(jìn)行的土-土工合成材料的大型直剪試驗(yàn)所得的試驗(yàn)結(jié)果相似。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是由于隨著非飽和土含水率的增加，其基底吸力會(huì)逐漸減小。根據(jù)KHOURY［14］的研究，基底吸力的減小會(huì)引起土-土工合成材料的界面峰值剪應(yīng)力的非線性減小。

圖7 含水率對(duì)C＆DW-GT界面剪切應(yīng)力的影響Figure 7 Influence of moisture content on the shear strength of C＆DW-GT interface

2.2.2 土工合成材料種類的影響

圖9展示了在4種含水率 （1%、6%、12%和18%）下，建筑垃圾與土工合成材料界面的抗剪強(qiáng)度線。為了方便比較，未加筋建筑垃圾的抗剪強(qiáng)度線也在圖9中繪出。表4和表5中分別列出了根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算所得的兩項(xiàng)建筑垃圾與土工合成材料界面的參數(shù)—界面粘聚力和摩擦角。

圖9 土工合成材料種類對(duì)建筑垃圾-土工合成材料界面峰值剪切應(yīng)力的影響Figure 9 Influence of geosynthetic type on the peak shear strength of C＆DW-geosynthetic interface

如圖9所示，在4種含水率狀態(tài)下，雙向塑料土工格柵與建筑垃圾界面均具有最高的峰值剪應(yīng)力。而雙向玻纖土工格柵和無(wú)紡?fù)凉げ純煞N土工合成材料與建筑垃圾界面的峰值剪應(yīng)力相近。眾所周知，土工格柵上的孔眼對(duì)于土的鑲嵌與咬合作用對(duì)于筋土界面性能有重大的貢獻(xiàn)。所以相比于雙向玻纖土工格柵，建筑垃圾與雙向塑料土工格柵界面具有更好的鑲嵌與咬合作用。同時(shí)，由表4及表5可看出，建筑垃圾與雙向塑料土工格柵良好的咬合作用提高了其界面的粘聚力，但是對(duì)其界面摩擦角影響較小。

表4 建筑垃圾-土工合成材料界面粘聚力Table 4 Cohesion of C＆DW-geosynthetic interface

表5 建筑垃圾-土工合成材料界面摩擦角Table 5 Friction angle of C＆DW-geosynthetic interface

2.3 相互作用系數(shù)

相互作用系數(shù) （Ci）為在大型直剪試驗(yàn)中，同一法向應(yīng)力下建筑垃圾與土工合成材料界面的峰值剪應(yīng)力與相對(duì)應(yīng)的同種狀態(tài)下建筑垃圾的峰值剪應(yīng)力的比值，如式（1）所示。在本研究中，基于上述建筑垃圾與土工合成材料界面的直剪試驗(yàn)以及建筑垃圾直剪試驗(yàn)結(jié)果，采用式 （1）計(jì)算各情況下建筑垃圾與土工合成材料界面的相互作用系數(shù)。

式中：c和φ分別為建筑垃圾的粘聚力和內(nèi)摩擦角；而ca和δ分別為建筑垃圾與土工合成材料界面的粘聚力和界面摩擦角；σ為法向應(yīng)力值。

為便于分析，表6列出了不同界面在3種法向應(yīng)力（50、100、150 kPa）下的相互作用系數(shù)的平均值。建筑垃圾與土工布界面的相互作用系數(shù)的范圍為0.98～1.04，而其與雙向塑料土工格柵和雙向玻纖土工格柵的相互作用系數(shù)范圍分別為1.10～1.16和0.98～1.07。

由表6可以看出，在4種含水率狀況下，建筑垃圾與無(wú)紡?fù)凉げ己碗p向玻纖土工格柵的相互作用系數(shù)均非常接近1，表明4種含水率狀態(tài)下的建筑垃圾與兩種土工合成材料界面的峰值剪應(yīng)力與建筑垃圾的峰值剪應(yīng)力相近。同時(shí)，對(duì)比各含水率下相同土工合成材料的相互作用系數(shù)，可以看出含水率對(duì)于相互作用系數(shù)的影響較小。其原因是由于含水率的提高會(huì)引起建筑垃圾與土工合成材料界面的峰值剪應(yīng)力與建筑垃圾的峰值剪應(yīng)力的同時(shí)降低。

表6 建筑垃圾-土工合成材料界面相互作用系數(shù)Table 6 Cofficients of interaction of C＆DW-geosynthetic interfaces

表7中總結(jié)了其他學(xué)者通過(guò)大型直剪試驗(yàn)所得的土與土工合成材料界面的相互作用系數(shù)范圍。與本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得，本試驗(yàn)所得界面相互作用系數(shù)高于前人試驗(yàn)所得界面相互作用系數(shù)。該現(xiàn)象表明，由于建筑垃圾相比于天然填料質(zhì)量較差，所以當(dāng)其與土工合成材料共同工作時(shí)，更能夠發(fā)揮土工合成材料的增強(qiáng)效果。

表7 土-土工合成材料界面相互作用系數(shù)范圍Table 7 Range of cofficients of interaction of C＆DW-geosynthetic

3 結(jié)論

本文通過(guò)大型直剪試驗(yàn)研究了建筑垃圾的含水率以及土工合成材料的類型對(duì)于建筑垃圾與土工合成材料界面性能的影響?，F(xiàn)將本文研究的結(jié)論總結(jié)如下：

a.在建筑垃圾大型直剪試驗(yàn)中，各法向應(yīng)力下的峰值剪應(yīng)力均隨著建筑垃圾含水率的升高而逐漸降低。各含水率下的建筑垃圾的內(nèi)摩擦角相近，但是粘聚力隨著含水率的升高而降低。

b.建筑垃圾與3種土工合成材料界面的峰值剪應(yīng)力均隨著含水率的升高而逐漸降低。在含水率從1%升至18%過(guò)程中，3種土工合成材料在3種法向應(yīng)力下的界面峰值剪應(yīng)力的下降率均在20%左右。其中50 kPa法向應(yīng)力下的建筑垃圾與玻纖土 工格柵界面的峰值剪應(yīng)力具有最低下降率（10.6%），50 kPa法向應(yīng)力下的建筑垃圾與塑料土工格柵界面的峰值剪應(yīng)力具有最高下降率（26.3%）。

c.在相同含水率狀態(tài)下，建筑垃圾與雙向塑料土工格柵的界面具有最大的峰值剪應(yīng)力，而建筑垃圾與雙向玻纖土工格柵和無(wú)紡?fù)凉げ嫉慕缑婢哂邢嘟姆逯导魬?yīng)力。

d.建筑垃圾與土工布界面的相互作用系數(shù)的范圍為0.98～1.04，對(duì)于雙向塑料土工格柵和雙向玻纖土工格柵該范圍分別為1.10～1.16和0.98～1.07。建筑垃圾與土工合成材料共同工作更能發(fā)揮土工合成材料的增強(qiáng)效果。