循環(huán)荷載作用下建筑垃圾土動力性能

李麗華，韓琦培，李文濤，周鑫隆，田 密，秦浪靈，盛宏志

(1.湖北工業(yè)大學 土木建筑與環(huán)境學院，武漢 430068； 2.湖北省生態(tài)道路工程研究中心，武漢 430068；3.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司 國際工程部，武漢 430068)

1 研究背景

“生態(tài)環(huán)境保護”一直以來都是我國乃至全世界面臨的難題，垃圾填埋不僅需要耗費大量資金建造填埋場，對環(huán)境的污染也特別嚴重。近幾年，我國城鎮(zhèn)一體化進程不斷加快，大規(guī)模拆建導致建筑垃圾總量持續(xù)增加，如何高效合理處置建筑垃圾成為一大難題[1-3]。

美國、德國、新加坡、日本和歐盟等發(fā)達國家早已實現(xiàn)建筑垃圾資源化回收利用，綜合利用率高達90%以上。聯(lián)合國針對廢棄物管理和使用方式進行討論，將可持續(xù)發(fā)展概念界定為“在不損害子孫后代并滿足自身需求的情況下滿足當前的發(fā)展”[4]。

我國對建筑垃圾的綜合利用還處于研究階段，綜合利用率不到5%[5]。如何處理數(shù)量龐大的建筑垃圾已成為我國緊迫與嚴重的社會經(jīng)濟問題和環(huán)境問題。經(jīng)過處理后的建筑垃圾堪比天然集料，具有良好的填充性能。充分利用建筑垃圾可降低天然集料的損耗，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)資源的可再生利用。建筑垃圾的構(gòu)成較為復雜，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2005年發(fā)布并施行的《城市建筑垃圾管理規(guī)定》中明確定義，建筑垃圾是指建設(shè)單位、施工單位新建、改建、擴建和拆除各類建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產(chǎn)生的棄土、棄料及其它廢棄物[6]。而建筑拆除垃圾中，廢舊混凝土和廢舊磚塊占的比例較大。國外研究的建筑廢棄物中，廢棄混凝土和磚塊也是最早的研究重點。二次世界大戰(zhàn)之后歐洲國家和資源匱乏的日本都相繼開展相關(guān)研究。

建筑垃圾用于道路填料，既能為建筑垃圾減量化、資源化利用開辟新的途徑，又能減少天然集料等固有資源的開發(fā)應用[7-8]。李麗華等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)建筑垃圾作為填料用于道路工程時，骨料粒徑較大，會形成土體骨架，增大土體的抗剪強度。當土體荷載達到最大強度時，粗顆粒會發(fā)生破碎，較細顆粒會填充于破碎的縫隙，再次形成密實的土體結(jié)構(gòu)[10]。

建筑垃圾作為道路填料在世界各國已有應用實例，其中用于道路面層、路基和擋墻較為普遍。Palmeira等[11]把建筑垃圾應用于擋墻立體結(jié)構(gòu)，并采用兩種不同加筋形式進行研究。Herrador等[12]以建筑垃圾作為路面集料進行現(xiàn)場試驗。國內(nèi)京贊公路是連接北京至河北省贊皇縣的一條重要通道，采用建筑垃圾換填處理軟土地基。陜西省西咸北環(huán)線高速公路、天津市薊汕高速公路和蘭州南繞城高速公路等都應用建筑垃圾作為道路回填料[13-15]。李少康[16]依托西寶高速改擴建工程，對建筑垃圾回填路基壓實工藝和施工技術(shù)進行了研究。但是目前國內(nèi)對于建筑垃圾動力性能方面的研究十分匱乏，制約了地震、交通等動載作用下建筑垃圾在擋土墻、地基、邊坡、道路等工程中的應用和發(fā)展。

綜上所述，針對建筑垃圾土作為路基填料其動力特性研究方面仍需更多理論支撐?；诖?，本文針對建筑垃圾土及砂土用作路基填料進行室內(nèi)大型動三軸試驗，對兩種不同填料動應力-動應變、時程曲線、動彈性模量、阻尼比及液化進行具體分析，比較發(fā)現(xiàn)建筑垃圾土強度和動彈性模量遠高于砂土，阻尼比低于砂土，且建筑垃圾土不易發(fā)生液化，可為今后建筑垃圾土在道路巖土工程中的資源化利用提供參考。

2 試驗準備

2.1 試驗儀器

本次試驗采用DJSZ-150大型動、靜三軸儀器，設(shè)備尺寸為300 mm(高)× 600 mm(直徑 )，如圖1所示。該設(shè)備圍壓通過伺服機控制，軸向壓力通過油泵控制，最大圍壓和軸壓分別達到3.0 MPa和300 kN，頻率范圍為0.01～5 Hz。

圖1 DJSZ-150大型動、靜三軸試驗儀器Fig.1 DJSZ-150 large-scale dynamic and static triaxial test equipment

2.2 試驗材料

本次試驗采用的建筑垃圾土取自湖北某拆除廢舊宿舍樓，砂土為武漢地區(qū)砂土。對收集的建筑垃圾進行預處理破碎—二次破碎處理:—篩分處理，將20 mm以下碎磚與碎混凝土按質(zhì)量比1∶2混合。建筑垃圾土各物理參數(shù)見表1，砂土各項物理參數(shù)見表2。

表1 建筑垃圾土物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of construction waste soil

表2 砂土物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of sand

2.3 試驗方法

根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG D30—2015)對路基壓實度的要求，本次試驗壓實度控制在94%。試樣制作完成后，開始進行試樣飽和，飽和度控制在95%以上。當超靜孔隙水壓力和圍壓相等時，試樣發(fā)生液化。當負孔隙水壓力達到70～80 kPa 時，停止抽真空，安裝三軸壓力室并充水，然后釋放孔隙水壓力，同時施加 40 kPa 圍壓以避免試樣坍塌。試樣飽和采取抽真空飽和方式，通過給試樣施加圍壓，計算孔隙壓力增量。當固結(jié)排水量穩(wěn)定不變時，即可停止固結(jié)，本試驗采用等壓固結(jié)，固結(jié)圍壓取80 kPa。待固結(jié)完成后，進行動態(tài)加載，加載形式為正弦波，頻率取1 Hz。當變形達到固結(jié)后試樣總高度的5%或循環(huán)次數(shù)達到10 000次即停止試驗。

3 試驗結(jié)果

3.1 動應力-動應變分析

分別對砂土與建筑垃圾土進行動三軸試驗，比較分析建筑垃圾土替代天然集料的具體優(yōu)勢。本次試驗對循環(huán)次數(shù)進行篩選，取不同循環(huán)次數(shù)的試驗數(shù)據(jù)進行繪圖。在不同動應力幅值σd作用下，砂土及建筑垃圾土動應力-動應變曲線見圖2。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，動應變逐漸增大，滯回圈由寬胖變得窄瘦。隨著動應力的增大，該現(xiàn)象依舊存在，可發(fā)現(xiàn)滯回圈由橢圓形變?yōu)榻本€形。然而，當動應力幅值取較小值，循環(huán)次數(shù)較少時，滯回圈面積并沒有明顯變小。這可能是因為在相對較小的動應力作用下，低循環(huán)次數(shù)振動過程中，試樣孔隙越來越小，土體向密實穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，試樣應變速率較快。當動荷載過大時，試樣變形較大，在較少循環(huán)次數(shù)時已達到試樣總高度的5%，即變形破壞?？梢?，存在一個臨界動應力可判別試樣是否達到破壞。如圖2所示，砂土試樣破壞動應力為225 kPa，而建筑垃圾土試樣破壞動應力為285 kPa。可見，建筑垃圾土承載能力明顯高于砂土，且破壞動應力約為砂土的1.3倍。這可歸因于建筑垃圾土中含有較多粗骨料，粗顆粒間相互鑲嵌、咬合形成土體骨架，承載能力較高。

圖2 砂土和建筑垃圾土動應力-動應變曲線Fig.2 Dynamic stress-strain curves of sand and construction waste soil

3.2 時程曲線

本節(jié)分別取動應力幅值為165、225、285 kPa，分析了動應力、動應變和超靜孔隙水壓力隨時間的變化規(guī)律。

圖3為砂土和建筑垃圾土動應力隨時間的變化曲線。從圖3(a)和圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，當砂土動應力幅值由165 kPa增大到225 kPa時，線形逐漸變得疏松，約87 min時，試樣破壞。從圖3(c)和圖3(d)可以發(fā)現(xiàn)，當建筑垃圾土動應力幅值由165 kPa增大到225 kPa時，線形逐漸變得密實。當動應力幅值再增大到285 kPa，約105 min時，試樣破壞，線形變得疏松。這說明與砂土相比，建筑垃圾土達到變形破壞時不僅能繼續(xù)受力，且試樣破壞所需時間比砂土更長。

圖3 砂土和建筑垃圾土的動應力-時間曲線Fig.3 Dynamic stress-time curves of sand and construction waste soil

圖4 砂土和建筑垃圾土的動應變-時間曲線Fig.4 Dynamic strain-time curves of sand and construction waste soil

圖4為砂土和建筑垃圾土動應變隨時間的變化曲線。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)增大，動應變逐漸增大，但增長速率逐漸減小。當動應力幅值較小時(σd=165 kPa)，隨著時間增加，動應變增長速率減小趨勢明顯。當動應力幅值取較大值時(砂土取σd=225 kPa，建筑垃圾土取σd=285 kPa)，動應變增長速率減小趨勢較弱，后期接近于直線增長。對比圖4(a)—圖4(e)可以發(fā)現(xiàn)，在小動應力下，試樣發(fā)生彈塑性變形，建筑垃圾土強度明顯高于砂土。當動應力達到較大值時，短時間內(nèi)試樣發(fā)生較大不可逆變形，試樣變形破壞。

圖5為超靜孔隙水壓力隨時間的變化曲線。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間增長，孔隙水壓力呈現(xiàn)增長趨勢。當動應力幅值分別為165 kPa和225 kPa時，建筑垃圾土的超靜孔隙水壓力分別為15 kPa和20 kPa左右，而砂土超靜孔隙水壓力分別為35 kPa和50 kPa左右，約為建筑垃圾土的2.3倍和2.5倍。當動應力幅值為285 kPa時，建筑垃圾土超靜孔隙水壓力為30 kPa左右，遠小于50 kPa。可見，相比于砂土，建筑垃圾土發(fā)生液化的可能性較小。

圖5 砂土和建筑垃圾土的超靜孔隙水壓力-時間曲線Fig.5 Curves of excess pore water pressure of sand and construction waste soil over time

3.3 動彈性模量、阻尼比

動彈性模量與阻尼比都是重要的動力學參數(shù)[17]，如圖6所示。

圖6 動彈性模量及阻尼比示意圖Fig.6 Schematic diagram of dynamic elastic modulus and damping ratio

動彈性模量反映土體動應力-動應變關(guān)系。在動力試驗過程中，土體會產(chǎn)生黏滯性，而黏滯性則被視為阻尼作用，可由滯回圈大小評估。范子中[18]認為阻尼作用可通過阻尼比λ來表征。試樣動彈性模量及阻尼比計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：Ed為動彈性模量；σdmax為最大動應力；σdmin為最小動應力；εdmax為最大動應變；εdmin為最小動應變；λ為阻尼比；S為滯回圈面積；A為三角形面積。

為評估砂土與建筑垃圾土動力特性，本文分別對不同循環(huán)次數(shù)和不同動應力下建筑垃圾土及砂土動彈性模量和阻尼比進行計算，計算結(jié)果見表3。從表3可以發(fā)現(xiàn)，當動應力幅值為165 kPa時，砂土阻尼比在0.23左右波動。當循環(huán)次數(shù)為100次時，砂土動彈性模量最低為323.9 MPa。當動應力幅值增大到225 kPa時，砂土阻尼比降低到0.2以下，動彈性模量最低為283.2 MPa。此外，從表3可以發(fā)現(xiàn)，當動應力幅值為225 kPa時，建筑垃圾土阻尼比為0.14左右，動彈性模量為386.3～449.8 MPa。當動應力幅值增大到285 kPa時，阻尼比增大約0.02，動彈性模量為419～492 MPa。由此可見，建筑垃圾土的動彈性模量遠高于砂土，最大是砂土的1.3倍，阻尼比則相反。

表3 砂土、建筑垃圾土的動彈性模量和阻尼比Table 3 Dynamic elastic modulus and damping ratio of sand and construction waste soil

3.4 土體液化分析

液化(是指出現(xiàn)液化的趨勢，這里最終并沒有達到液化狀態(tài))可被視為一種地質(zhì)災害，當液化發(fā)生時，土體內(nèi)部孔隙水壓力急劇增大，顆粒與顆粒間有效應力快速降低，導致土體抗剪強度為0。由此可見，對土體液化進行分析尤其重要。本文對砂土和建筑垃圾土進行固結(jié)不排水試驗，分析不同動應力和不同循環(huán)次數(shù)下試樣超靜孔隙水壓力發(fā)展趨勢。建筑垃圾土和砂土動孔壓比隨時間的變化如圖7所示。

圖7 動孔壓比-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.7 Curves of dynamic pore pressure ratio versus cycle number

當孔壓與有效圍壓相等時，即認為土體發(fā)生液化。如圖7所示，建筑垃圾土與砂土都未達到液化標準，動孔壓比不等于1.0。當動應力幅值取225 kPa時，砂土動孔壓比最大，約為0.7。而建筑垃圾土動孔壓比最大約為0.25。即在相同圍壓下，建筑垃圾土的動孔壓比都比砂土的小。由此可見，壓實度取94%，相比于砂土，在循環(huán)荷載作用下，建筑垃圾土不易發(fā)生液化。

4 結(jié) 論

對兩種不同填料進行室內(nèi)大型動三軸試驗，將試驗結(jié)果進行對比分析，可得到如下結(jié)論：

(1)隨循環(huán)次數(shù)增大，動應變逐漸增大，滯回圈由寬胖變得窄瘦，且增長速率逐漸減小。隨動應力幅值增大，該現(xiàn)象依舊如此。且建筑垃圾破壞動應力約為砂土破壞動應力的1.3倍。因此，建筑垃圾土承載能力要高于砂土。

(2)隨循環(huán)次數(shù)增大，動應變逐漸增大，但增長速率逐漸減小。當試樣發(fā)生彈塑性變形時，建筑垃圾土強度明顯高于砂土。隨時間增長，孔隙水壓力呈現(xiàn)增長趨勢，但是在相同圍壓下，建筑垃圾土動孔壓比最大約為0.25，而砂土動孔壓比約為0.7，且砂土超靜孔隙水壓力大約是建筑垃圾的2.5倍，即在循環(huán)荷載作用下，相較于砂土，建筑垃圾土更不利于液化發(fā)生。

(3)建筑垃圾土和砂土動彈性模量及阻尼比都隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，但是建筑垃圾土動彈性模量要遠高于砂土，最高是砂土的1.3倍，而阻尼比卻小于砂土。

綜上，建筑垃圾土動力性能均高于一般砂土,建筑垃圾土具有代替砂土用作道路工程填料的潛力。