利用建筑廢棄物處理淺層軟基的工程應(yīng)用

吳俊強(qiáng)

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣州 510623)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，舊城改造、舊路翻修，產(chǎn)生了大量建筑廢棄物。建筑廢棄物主要采用回填處理，不僅對環(huán)境造成了污染，還造成了資源浪費(fèi)。而隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的高速發(fā)展，尤其是公路的高速發(fā)展，道路建筑材料資源(砂、碎石、水泥等)缺口越來越嚴(yán)重，利用建筑廢棄物解決道路建筑材料問題成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)與前沿課題之一。

目前，已有不少學(xué)者對建筑廢棄物在公路建設(shè)中的再生利用進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。李玉梅[1]通過對建筑廢棄物再生料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得出了建筑廢棄物再生料可用于底基層施工。徐東[2]通過試驗(yàn)對建筑廢棄物再生的骨料砼、砂漿、水泥穩(wěn)定基層力學(xué)、收縮性能進(jìn)行了研究，并提出了合理的再生集料摻量。張勝[3]利用改良的建筑廢棄物開展路基、底基層、基層試驗(yàn)段鋪筑試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明建筑廢棄物可用于路基及路面結(jié)構(gòu)處理。蔣麥林[4]對建筑廢棄物再生料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明砼再生料抗壓強(qiáng)度可滿足道路基層要求，磚渣再生料僅適用于底基層?？梢钥闯?，現(xiàn)有的對建筑廢棄物研究較多地集中在廢舊混凝土的再生利用，對磚渣廢棄物研究較少。

本文以汕湛高速公路云浮至湛江段吳川支線建設(shè)項(xiàng)目淺層軟基處理為依托，通過現(xiàn)場試驗(yàn)對利用建筑廢棄物處理淺層軟基的施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況及試驗(yàn)段

1.1 工程概況

汕湛高速公路云浮至湛江段吳川支線全長30.464km，平均填土高度約7m，共有軟土路基85處，其中清淤換填(淺層處理，即軟基深度小于3.0m)共57 處，長度約6 100m，采用石屑換填，總方量為67.6萬m3。因國家環(huán)保政策緊縮，項(xiàng)目所在區(qū)域內(nèi)建筑材料緊缺，尤其石屑換填極其缺乏，嚴(yán)重影響到軟基換填的施工進(jìn)程，制約總體施工組織計(jì)劃的實(shí)施。同時，因湛江粵西國際機(jī)場建設(shè)，大量房屋被拆遷形成大規(guī)模的磚渣廢棄物。為緩解換填材料緊缺，本建設(shè)項(xiàng)目以此為契機(jī)開展相應(yīng)的試驗(yàn)，以期解決換填材料缺乏的問題。

1.2 試驗(yàn)段

試驗(yàn)段樁號為K16+660～+790，其地質(zhì)情況為：原地面以下0～2.7m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，深灰色、飽和、軟塑狀，含有少量碎石塊，含較多有機(jī)質(zhì)，有腥臭味；下臥層依次為砂質(zhì)粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，路基平均填土高度為6.5m，原設(shè)計(jì)軟基處理采用2.7m厚碎石換填，現(xiàn)變更為2.7m建筑廢棄物換填。

2 建筑廢棄物室內(nèi)試驗(yàn)

因建筑廢棄物與石屑級配組成、成分相差較大，需對建筑廢棄物的物理力學(xué)性能進(jìn)行了解，故在室內(nèi)對建筑廢棄物進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、滲透系數(shù)試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)等。本次選取的擊實(shí)試驗(yàn)樣本為K16+660～+790路基段現(xiàn)場堆放建筑廢棄物(已清除鋼筋、竹木、衣服、塑料等)，在不同的堆料地點(diǎn)分三次取樣(分別為樣品1、樣品2、樣品3)?？紤]到40mm以上為磚混塊(其強(qiáng)度較高，主要起骨架作用)及受試驗(yàn)儀器限制，擊實(shí)試驗(yàn)采用通過40mm篩部分的混合料。

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

為研究建筑廢棄物混合料壓實(shí)特性，對三組建筑廢棄物樣品進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 最佳含水率與最大干密度之間的關(guān)系

從圖1可見，樣品1最佳含水率為11.4%，對應(yīng)最大干密度為1.96g/cm3；樣品2最佳含水率為12.6%，對應(yīng)最大干密度為1.87 g/cm3；樣品3最佳含水率為15%，對應(yīng)最大干密度為1.82 g/cm3。三種樣品的最大干密度均大于1.8 g/cm3，滿足路基填筑要求。三種樣品最佳含水率和最大干密度相差加大，其原因是各種樣品的磚渣、混凝土、砂漿含量不同。已有研究[5]表明，當(dāng)砂漿含量不變時， 建筑廢棄物的最大干密度隨著砼塊含量增加而增加，最佳含水量則逐漸減??；建筑廢棄物的最大干密度隨著磚塊含量增加而減小，最佳含水量則逐漸上升。

2.2 液塑限試驗(yàn)

為研究建筑廢棄物混合料作為填筑材料，其液限指標(biāo)是否符合路基填筑材料的技術(shù)要求，對以上三組建筑廢棄物樣品進(jìn)行液塑限試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 液塑限試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，建筑廢棄物的液限為28%～32%，遠(yuǎn)小于50%，可用于路基填筑。

2.3 CBR試驗(yàn)

為研究建筑廢棄物混合料在天然含水率的條件、不同壓實(shí)度的CBR值，判定建筑廢棄物是否可用于路基換填，對以上三組建筑廢棄物樣品進(jìn)行CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓實(shí)度與CBR值之間的關(guān)系

從圖2可見，建筑廢棄物CBR值為21.9～81.7，其值離散值較大，原因可能是三個樣品的磚渣、混凝土、砂漿含量不同所致。但各樣品的CBR值均較大，93區(qū)最小CBR值21.9，遠(yuǎn)大于8，說明建筑廢棄物是一種承載能力較好的路基填筑材料。

2.4 滲透試驗(yàn)

軟土地基地層孔隙率較大、含水率較高，加之本項(xiàng)目處于東南濕熱區(qū)，地下水位較高，換填材料基本處于潮濕狀態(tài)。滲透系數(shù)主要取決于粗粒、細(xì)粒含量及級配，為確保換填材料具有良好的透水性，對以上三組樣品過10mm篩孔混合料進(jìn)行滲透試驗(yàn)，分析不同壓實(shí)度下的飽和滲透系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 滲透試驗(yàn)結(jié)果

從表2可看出，混合物的滲透系數(shù)較小。建筑廢棄物中含有大量磚渣及粗顆粒，細(xì)粒成分所占比例不高，大顆粒磚渣及混凝土塊形成骨架，細(xì)顆粒起填充作用。因此，建筑廢棄物滲透系數(shù)較大，透水性較好，現(xiàn)場挖探(已施工的半幅磚渣換填路段，挖開另外半幅后，其地下水大量從已換填建筑物路基段涌入基坑)也表明磚渣換填為較好的透水性材料。

3 建筑廢棄物淺層換填施工

將建筑廢棄物用作軟基淺層處理尚無相應(yīng)的施工技術(shù)規(guī)范及施工工藝，為確保換填滿足質(zhì)量要求，對建筑廢棄物換填進(jìn)行了試驗(yàn)段填筑。

3.1 建筑廢棄物原材料要求

(1)普通燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度為5～30MPa，參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)，燒結(jié)磚等介于軟質(zhì)巖石，即采用磚渣換填處置軟基，其磚渣換填最大粒徑不大于400mm。為控制施工質(zhì)量，本項(xiàng)目采用最大粒徑不大于300mm控制。

(2)為避免生活垃圾、塑料、木質(zhì)材料、輕質(zhì)物質(zhì)、廢鋼筋等老化、腐蝕引起建筑廢棄物換填的密實(shí)度降低，要求對以上非適用性材料進(jìn)行分揀。

3.2 建筑廢棄物淺層換填施工方案

施工工藝流程：換填基底標(biāo)高測量→建筑廢棄物分揀→填料攤鋪、平整→靜壓、弱振一遍→布設(shè)沉降觀測點(diǎn)→強(qiáng)振碾壓三遍、靜壓一遍→復(fù)測觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

為確保施工質(zhì)量，應(yīng)注意：

(1)因軟基基底承載力一般較低，為便于壓路機(jī)初平，基底第一層填筑松鋪厚度不大于30cm，其余層厚不大于50cm。同時，碾壓設(shè)備應(yīng)采用不小于20t的振動壓路機(jī)。

(2)碾壓時應(yīng)嚴(yán)格按照 “先靜后振、先弱后強(qiáng)”的原則施工，壓路機(jī)碾壓時輪重疊輪寬的 1/3～1/2，并采用交錯進(jìn)退碾壓，碾壓速度控制在 2.0～2.5km/h，避免影響壓實(shí)效果。

(3)碾壓標(biāo)準(zhǔn)參照填石路基“相鄰兩次碾壓實(shí)后各測點(diǎn)的高程差平均值不大于5mm”進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制。

(4)填土高度小于 1.5m 的路基，路床頂以下 1.5m 范圍(即換填范圍位于路基工作區(qū)內(nèi))內(nèi)，原則上不得填筑建筑廢棄物。

4 現(xiàn)場檢測結(jié)果與分析

4.1 壓實(shí)度檢測

現(xiàn)場壓實(shí)度檢測采用深度直徑為50cm×50cm的圓孔灌水法檢測。壓實(shí)度檢測結(jié)果見表3。

表3 K14+660～+790段現(xiàn)場壓實(shí)度檢測結(jié)果

從表3可知，1處壓實(shí)度為87.5%(其原因可能為建筑廢棄物的不均勻性)，其它值均大于90%，最大點(diǎn)為95.8%，其填料滿足原地面處理壓實(shí)度大于90%的技術(shù)要求。

4.2 現(xiàn)場平板載荷試驗(yàn)

在試驗(yàn)路段選取3個點(diǎn)進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)(圖3)，試驗(yàn)結(jié)果表明，1、2、3號點(diǎn)地基極限承載力Qu≥300kPa，承載力特征值Ra≥150kPa，即建筑廢棄物在20t振動壓路機(jī)作用下，路基承載力滿足技術(shù)要求。

4.3 路基沉降觀測

挖除軟基換填后，在建筑廢棄物頂面埋設(shè)沉降板，定期進(jìn)行沉降監(jiān)測。通過沉降-時間曲線，可評判路基的穩(wěn)定性、預(yù)測工后沉降、評價(jià)軟基處理效果。本試驗(yàn)段設(shè)置K14+670、K14+770等2個監(jiān)測斷面，分別在每個斷面的左幅路肩、中線、右幅路肩位置埋設(shè)沉降板，沉降板設(shè)置于換填料頂面。沉降監(jiān)測結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 K14+670 加載高度-時間-沉降曲線

圖5 K14+770 加載高度-時間-沉降曲線

由圖4和圖5可見，路基填筑越高(加載高度)，沉降觀測點(diǎn)沉降值越大；當(dāng)加載高度一致時，隨著加載時間的增加，其沉降值也增加，但其增幅小于加載高度所引起的沉降變化量；等載持荷7d左右，沉降基本趨于穩(wěn)定。K14+660～K14+790段路基在2020年5月22日填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高，6月3日路基沉降已基本趨于穩(wěn)定，K14+670斷面左、中、右最終沉降量分別為-57mm、-61mm、-53mm；K14+770斷面左、中、右最終沉降量分別為-66mm、-70mm、-63mm。

觀測點(diǎn)沉降值較大，主要是因?yàn)樗鶞y沉降板沉降為軟基挖除后地基沉降與換填層壓縮量之和，路基填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，由于軟基已全部換填為建筑廢棄物，換填層已碾壓密實(shí)，所測沉降主要為換填基底土層(為砂質(zhì)粉土，易壓縮)較差的壓縮性引起。因此，為減少路基沉降，換填基底彈性模量要足夠大，必須保證換填基底位于硬質(zhì)巖(土)上。

綜上所述，利用建筑廢棄物換填，可確保路基基底壓實(shí)度、基底承載力及路基穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

5 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

項(xiàng)目原設(shè)計(jì)淺層處理需換填石屑67.6萬m3，依據(jù)合同石屑換填綜合單價(jià)為102.29元/m3。換填磚渣運(yùn)距為15km/h以內(nèi)，磚渣采購價(jià)約為25～35元/m3。經(jīng)測算,換填磚渣綜合單價(jià)約為73元/m3。通過室內(nèi)外試驗(yàn)驗(yàn)證，將建筑廢棄物作為淺層軟基換填材料在本項(xiàng)目全線推廣使用，不僅緩解了建筑材料緊缺的困境，還節(jié)省工程造價(jià)約1 980萬元。

6 結(jié)論

本文以建筑廢棄物(磚渣)為研究對象，通過室內(nèi)外試驗(yàn)驗(yàn)證了建筑廢棄物可作為淺層軟基處理換填材料，其主要結(jié)論如下：

(1)通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)、液塑性試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)，驗(yàn)證了建筑廢棄物是一種較好的筑路材料。

(2)通過施工總結(jié)，明確利用建筑廢棄物換填的施工技術(shù)方案、施工要點(diǎn)及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)踐表明，利用建筑廢棄物換填路基基底承載力較高，路基穩(wěn)定性較好。

(3)本建設(shè)項(xiàng)目全線淺層軟基采用建筑廢棄物換填，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，表明建筑廢棄物是一種較好的換填材料，可在淺層軟基換填處理方案中推廣使用。