文 華，曹 興，鄒嬌麗，程謙恭，張 敏(.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 600；.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 6003)

建渣土工袋力學(xué)特性試驗(yàn)研究

文 華1，曹 興1，鄒嬌麗1，程謙恭2，張 敏1
(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

將建渣作為填料應(yīng)用于土工袋擋土墻，能節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，但目前對建渣土工袋的研究十分缺乏.通過室內(nèi)試驗(yàn)對建渣土工袋的抗壓強(qiáng)度、壓碎值、填充度、建渣與土工袋之間的摩擦系數(shù)、土工袋與土工袋之間的摩擦系數(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究.研究表明：廢棄混凝土與廢棄磚塊均可作為土工袋填料；從建渣土工袋的單軸抗壓強(qiáng)度和施工便利等因素綜合考慮，建渣土工袋的填充度取80%為宜.加入連接扣后，建渣土工袋間的初始抗剪強(qiáng)度增大；若增加連接扣的剛度并對其表面進(jìn)行粗糙處理，將提高建渣土工袋間的抗剪強(qiáng)度.

建渣；土工袋；力學(xué)特性；單軸抗壓強(qiáng)度；摩擦系數(shù)

隨著工程建設(shè)的不斷加快，廢舊建筑的拆除與新建建筑的增加導(dǎo)致建筑垃圾的產(chǎn)生量高速增長[1].目前，我國大部分建筑垃圾未經(jīng)任何處理直接進(jìn)行露天堆放或填埋，不但占用土地資源，浪費(fèi)了許多可以循環(huán)利用的短缺建筑材料，還破壞市容，帶來新的環(huán)境問題[2].國內(nèi)對建筑垃圾再生利用的研究起步較晚，且大部分針對廢棄混凝土作為再生骨料的應(yīng)用和研究，其成果應(yīng)用的領(lǐng)域主要是建筑結(jié)構(gòu)工程[3-4]和路基路面工程[5-6].將建筑垃圾應(yīng)用于土工袋擋土墻，為論述方便，將“建筑垃圾”稱為“建渣”，且此“建渣”主要指廢棄混凝土和廢棄磚.

目前，土工袋擋土墻的研究和應(yīng)用逐漸增多，但袋內(nèi)填充材料主要為碎石、砂和水泥土等[7-10]，還未見將建渣作為填充材料應(yīng)用于土工袋擋土墻的較為系統(tǒng)的研究報(bào)道.而建渣土工袋擋土墻不但具有施工簡便、成本低及加固效果較好等特點(diǎn)，同時(shí)有助于解決建筑垃圾再利用問題，社會、經(jīng)濟(jì)效益十分顯著.因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)對建渣以及建渣土工袋的力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析建渣用于土工袋擋土墻可行性，為建渣在土工袋擋土墻中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù).

1 建渣基本物理力學(xué)性質(zhì)

開展建渣基本物理力學(xué)性能研究，為建渣作為填料在土工袋與擋土墻中的應(yīng)用提供依據(jù)和參考.

所用建渣取自四川省綿陽市涪城區(qū)、游仙區(qū)和高新區(qū)，分別選擇2處拆除工程，其中：工程1，2分別為涪城區(qū)某8層框架結(jié)構(gòu)和某5層磚混結(jié)構(gòu)；工程3，4分別為游仙區(qū)某6層框架結(jié)構(gòu)和某4層磚混結(jié)構(gòu)；工程5，6分別為高新區(qū)某5層框架結(jié)構(gòu)和某3層磚混結(jié)構(gòu).經(jīng)過調(diào)查建筑物的使用年限為15～20年，混凝土的原設(shè)計(jì)標(biāo)號為C30，C35，磚的原強(qiáng)度為MU10.為與實(shí)際建筑垃圾堆場工況相似，本次所取試樣未按工程地點(diǎn)來源分別堆放，而是按照混凝土和磚塊兩種類別將取自各工程地點(diǎn)的建渣混合堆放.測試建渣抗壓強(qiáng)度時(shí)，從2個(gè)堆放處的不同位置分別隨機(jī)選取混凝土試樣和磚塊試樣；測試建渣破碎后的物理力學(xué)特性時(shí)，也從2個(gè)堆放處的不同位置分別隨機(jī)選取混凝土試樣和磚塊試樣進(jìn)行破碎.

1.1 原材料力學(xué)性質(zhì)

1.1.1 廢棄混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

選擇上下表面平整、無蜂窩麻面且在自然干燥狀態(tài)下的廢棄混凝土塊進(jìn)行試驗(yàn).按照J(rèn)GJT 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[11]，分別對18個(gè)混凝土塊進(jìn)行回彈法試驗(yàn)，并測量碳化深度值，查表得出抗壓強(qiáng)度值.最終得到廢棄混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為26.88 MPa.

1.1.2 廢棄磚塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對20塊磚塊進(jìn)行試驗(yàn)測試其廢棄磚塊的抗壓強(qiáng)度，試壓機(jī)加荷速度4 kN/s，試驗(yàn)得出廢棄磚塊的平均抗壓強(qiáng)度為4.76 MPa.

1.2 建渣填料物理力學(xué)性質(zhì)

1.2.1 篩分試驗(yàn)

破碎后的建渣粒徑級配是控制其性質(zhì)的指標(biāo)之一，破碎后建渣的大小和級配與其的工程性質(zhì)緊密相關(guān)，可通過破碎后建渣的粒徑級配曲線來進(jìn)行判定.將建渣用調(diào)制好的最大破碎粒徑為20 mm的顎式破碎機(jī)破碎，顆粒分析的方法按照干篩法對廢棄混凝土及廢棄磚塊各進(jìn)行3組試驗(yàn)，粒徑分布曲線見圖1.從圖1中可以得出：廢棄混凝土塊破碎后不均勻系數(shù)為6.5，曲率系數(shù)為2.034；廢棄磚塊破碎后不均勻系數(shù)為18.966，曲率系數(shù)為2.635.不均勻系數(shù)均大于5，粒徑分布廣泛，曲率系數(shù)均在1～3之間，級配連續(xù)性好.

圖1 建渣粒徑分布曲線圖Fig.1 Particle size distribution of construction waste

1.2.2 建渣堆積密度試驗(yàn)

粗集料堆積密度包括自然堆積狀態(tài)、振實(shí)狀態(tài)、搗實(shí)狀態(tài)下的堆積密度.建渣是作為填充材料用于土工袋擋土墻，其是被壓實(shí)的，因此測其在振實(shí)狀態(tài)下的堆積密度，試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 建渣振實(shí)狀態(tài)堆積密度試驗(yàn)結(jié)果

Table 1 The bulk density test results of construction waste under tap compaction state

建渣種類粒徑/mm容量筒容積/L堆積密度/(g·cm-3)廢棄混凝土塊26.5101.4104.7531.430廢棄磚塊26.5101.1404.7531.290

1.2.3 建渣表觀密度和含水率試驗(yàn)

建渣表觀密度試驗(yàn)采用網(wǎng)籃法測建渣的表觀密度，從而得到其吸水率，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 建渣表觀密度試驗(yàn)結(jié)果1)Table 2 The apparent density test results of construction waste

建渣含水率試驗(yàn)采用烘干法測試建渣的含水率，試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 建渣含水率試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The moisture content test results of construction waste

1.2.4 建渣壓碎值試驗(yàn)

骨料壓碎值用于衡量石料在逐漸增加的荷載下抵抗壓碎的能力，是衡量石料力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo).分別對破碎后的廢棄混凝土塊和破碎后的廢磚嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4，表4中廢棄混凝土塊的壓碎值小于30%，廢棄磚塊的壓碎值為38.6%.

表4 壓碎值試驗(yàn)結(jié)果1)Table 4 The crushing value test results of construction waste

1.2.5 建渣直接剪切試驗(yàn)

采用直接剪切試驗(yàn)測建渣的抗剪強(qiáng)度，并用摩擦角φ和黏聚力c來表示.試驗(yàn)設(shè)備采用大型直接剪切儀.廢棄混凝土和廢棄磚塊各進(jìn)行三組試驗(yàn)，每組4個(gè)試樣，對廢棄混凝土塊和廢棄磚塊分別施加50～200 kPa的垂直壓力進(jìn)行剪切試驗(yàn)，選取其中一種具有代表性的試驗(yàn)結(jié)果，繪制抗剪強(qiáng)度τ與垂直壓力σ關(guān)系曲線，如圖2所示.根據(jù)庫侖定律確定建渣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)：廢棄混凝土塊摩擦角φ=42.9°，廢棄磚塊摩擦角φ=41.4°，由于建渣是無黏性材料，所以其黏聚力c=0.

圖2 建渣τ—σ關(guān)系曲線圖Fig.2 τ-σ graph of construction waste

2 建渣土工袋單軸抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)采用的土工袋為江蘇南通平安合成材料有限公司提供的常見的摻有適量抗紫外線老化穩(wěn)定劑的聚丙烯(PP)材料的黑色編織袋，并對土工袋進(jìn)行材料分析，從表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出土工袋力學(xué)性質(zhì)滿足其技術(shù)要求.連接扣尺寸為320 mm×120 mm×56 mm，是在土工袋砌筑時(shí)連接土工袋的構(gòu)件，其兩面有刺，連接扣采用“倒槍刺”型設(shè)計(jì)，刺少的面朝上，多的朝下.

表5 土工袋技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indicators of geobags

2.1 全廢棄混凝土單軸抗壓試驗(yàn)

建渣土工袋單軸抗壓試驗(yàn)主要是通過測試不同填充度下土工袋單體強(qiáng)度，共進(jìn)行了3組不同填充度下全廢棄混凝土塊土工袋抗壓試驗(yàn).加載時(shí)，先預(yù)壓10 kN左右進(jìn)行初平，測量初始高度，之后每隔25 kN讀一次數(shù)，試驗(yàn)前后測其尺寸，用以觀察其變形，同時(shí)試驗(yàn)過程中觀察土工袋的破壞現(xiàn)象.考慮到實(shí)驗(yàn)室加載平臺尺寸的限制，試驗(yàn)所用土工袋平攤尺寸44 cm×24.5 cm，裝滿時(shí)使其成型40 cm×20 cm×10 cm.土工袋單軸抗壓試驗(yàn)過程見圖3，壓力—位移關(guān)系曲線如圖4所示，全廢棄混凝土土工袋的單軸抗壓強(qiáng)度如表6所示.

表6 全廢棄混凝土塊土工袋單軸抗壓強(qiáng)度

Table 6 Uniaxial compressive strength of geobags filled with concrete waste

填充度/%破壞荷載/kN單軸抗壓強(qiáng)度/MPa705295.06804604.54903463.46

圖3 建渣土工袋單軸抗壓試驗(yàn)Fig.3 Uniaxial compressive strength test of geobags filled with construction waste

圖4 壓力—位移關(guān)系曲線圖Fig.4 Pressure-displacement relationship graphs

壓力—位移曲線可以分為2部分，開始階段由于袋內(nèi)裝的是固體顆粒，空隙率較大，在豎向壓力作用下，位移發(fā)展快，此時(shí)袋子還未發(fā)生拉伸變形；隨著豎向壓力的繼續(xù)增大，袋內(nèi)混凝土塊部分被壓碎，位移增大幅度減??；袋內(nèi)填料越來越密實(shí)，位移變化很小，袋子發(fā)生拉伸變形，直到土工袋破壞.

證明 用反證法證明。假設(shè)這3個(gè)三角形有兩個(gè)為窮的,第3個(gè)為半窮或窮的,在這里設(shè)第3個(gè)三角形為半窮的(當(dāng)?shù)?個(gè)三角形為窮三角形時(shí)證明類似且更加簡單)。設(shè)f=[v,v1,v2]是半窮面,v1是窮點(diǎn),v2是富點(diǎn),v3是 5+-點(diǎn), f=[v,v5,v6]和f=[v,v7,v8]是窮面。由G的極小性,G-{v,v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8}有一個(gè)(3,0,0)-染色,將這個(gè)染色染回到G，從而推出矛盾。

建渣土工袋單軸抗壓強(qiáng)度隨其填充度的增大而減小，填充度為90%時(shí)，其豎向承受壓力的能力最小，在相同豎向壓力作用下，其破壞越明顯；填充度為70%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，但從施工方面來看，由于其填充量相對較小，會增加施工的工程量，未充分利用土工袋；因此綜合來看，填充度為80%時(shí)抗壓強(qiáng)度較高、位移變化較小，且能充分利用土工袋，選擇填充度為80%為宜.

2.2 全磚塊土工袋和半混凝土半磚土工袋單軸壓縮試驗(yàn)

從廢棄混凝土塊土工袋單軸抗壓試驗(yàn)研究土工袋填充度為80%為宜.因此對于不同建渣均以填充度為80%進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，對比其抗壓強(qiáng)度.土工袋單軸抗壓試驗(yàn)壓力—位移關(guān)系曲線如圖5所示，單軸抗壓強(qiáng)度如表7所示.

表7 建渣土工袋單軸抗壓強(qiáng)度

Table 7 Uniaxial compressive strength of geobags filled with construction waste

建渣土工袋種類破壞荷載/kN單軸抗壓強(qiáng)度/MPa半砼半磚塊土工袋4204.39全磚塊土工袋4024.10

圖5 壓力—位移關(guān)系曲線圖Fig.5 Pressure-displacement relationship graphs

從單軸抗壓試驗(yàn)可以得到：相同填充度下，相同應(yīng)變下，全混凝土土工袋承受的豎向壓力最大，半混凝土半磚土工袋次之，全磚土工袋最小，這是因?yàn)榇u的抗壓強(qiáng)度本身就很小，易被壓碎，豎向沉降就越大.

3 建渣與土工袋摩擦特性試驗(yàn)

3.1 界面摩擦試驗(yàn)

圖6 建渣與土工袋間τ—σ關(guān)系曲線圖Fig.6 The relation of τ-σ between construction waste and geobags

目前，土工袋常用填料與土工袋間的摩擦系數(shù)為研究現(xiàn)狀，潘洋[12]通過直剪試驗(yàn)做的砂與土工袋的界面摩擦系數(shù)為0.5～0.6，黃向京[13]通過直剪試驗(yàn)做煤矸石與土工布間界面摩擦系數(shù)為0.86～1.5，劉湘元[14]通過直剪試驗(yàn)做的粘土與土工袋的界面摩擦系數(shù)為0.87～1.7.筆者測得的廢棄混凝土、廢棄磚塊與土工袋之間的摩擦系數(shù)與黃向京[13]、劉湘元[14]的研究成果較為接近，側(cè)面說明了建渣作為填料應(yīng)用于土工袋的可行性.

3.2 土工袋間(無連接扣)直剪摩擦試驗(yàn)

建渣土工袋之間的摩擦是建渣土工袋擋土墻設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，采用建渣土工袋直剪摩擦試驗(yàn)測試建渣土工袋間兩種材料界面上的摩擦特性常數(shù).對廢棄混凝土和廢棄磚塊各進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組4個(gè)試樣，對廢棄混凝土塊和廢棄磚塊分別施加50～200 kPa的不同垂直壓力，選擇有代表性的一組試驗(yàn)結(jié)果繪制τ—σ關(guān)系曲線(圖7).無連接扣的情況下，全混凝土塊土工袋間的摩擦系數(shù)為0.839(tan40°)，全磚塊土工袋間的摩擦系數(shù)為0.862(tan40.8°).

圖7 建渣土工袋間(無連接扣)τ—σ關(guān)系曲線圖Fig.7 The relation of τ-σ between geobags filled with construction waste(without connector link)

3.3 建渣土工袋間(有連接扣)直剪摩擦試驗(yàn)

廢棄混凝土和廢棄磚塊各進(jìn)行三組試驗(yàn)，每組4個(gè)試樣，分別施加50～200 kPa的不同垂直壓力，為更符合實(shí)際，在土工袋中間加鋪一層連接扣，如圖8所示.

圖8 加鋪連接扣Fig.8 Lay connector link

連接扣上下倒刺，扎入土工袋內(nèi)，在豎向壓力作用下建渣越來越密實(shí)，連接扣起到咬合、嵌固的作用，連接上下土工袋，使其形成一個(gè)整體，因而有了c′值，這里的黏聚力與土的黏聚力不一樣，不是由于材料的黏性而產(chǎn)生的，因?yàn)榻ㄔ旧硎菬o黏性材料，是因?yàn)檫B接扣咬合嵌固的作用而產(chǎn)生的一個(gè)附加黏聚力.建渣土工袋間(有連接扣)摩擦試驗(yàn)結(jié)果見圖9和表8.

圖9 建渣土工袋間(有連接扣)τ—σ關(guān)系曲線圖Fig.9 The relationship of τ-σ between geobags filled with construction waste (with connector link)

Table 8 Friction parameters table of geobags filled with construction waste (with connector link)

參數(shù)黏聚力c'/kPa摩擦角φ/(°)全混凝土塊土工袋8.337.8全磚塊土工袋8.738.2

從圖10中可以看出：有連接扣的建渣土工袋初始的抗剪強(qiáng)度大于無連接扣的建渣土工袋，當(dāng)垂直壓力達(dá)到一定值后(廢棄混凝土建渣土工袋垂直壓力到130 kPa，廢棄磚塊建渣土工袋垂直壓力到115 kPa.)，有連接扣的建渣土工袋的抗剪強(qiáng)度小于無連接扣的建渣土工袋.

圖10 建渣土工袋有無連接扣τ—σ關(guān)系曲線對比圖Fig.10 The τ-σ relation curve comparison between geobags with/without connector link

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：1) 連接扣的加入產(chǎn)生了一個(gè)附加黏聚力，增加了建渣土工袋的初始抗剪強(qiáng)度；2) 由于連接扣的加入，減小了土工袋之間的接觸面積，而連接扣表面不夠粗糙，使得袋間的摩擦力減小，且塑料連接扣上的釘本身抗剪強(qiáng)度不高，易屈服，導(dǎo)致垂直壓力增大后其抗剪強(qiáng)度小于無連接扣土工袋間的抗剪強(qiáng)度.因此，提高連接扣的材料強(qiáng)度與剛度并對連接扣表面進(jìn)行粗糙處理，將會提高土工袋間的抗剪強(qiáng)度.

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗(yàn)對建渣與建渣土工袋的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：廢棄混凝土平均抗壓強(qiáng)度為26.88 MPa，壓碎值為27.9%；廢棄磚塊平均抗壓強(qiáng)度為4.76 MPa，壓碎值為38.6%.考慮到填充度太小會浪費(fèi)土工袋、增加工作量，因此建渣土工袋的填充度取80%為宜.筆者測得的廢棄混凝土、廢棄磚塊與土工袋之間的摩擦系數(shù)與黃向京等的研究成果較為接近，側(cè)面說明了建渣作為填料應(yīng)用于土工袋的可行性.加入連接扣后，建渣土工袋間的初始抗剪強(qiáng)度增大，連接扣的材料強(qiáng)度和剛度以及連接扣表面的粗糙程度，對建渣土工袋間的摩擦特性和抗剪強(qiáng)度有著直接的影響.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

An experimental study on the mechanical properties of geobags filled with construction waste

WEN Hua1, CAO Xing1, ZOU Jiaoli1, CHENG Qiangong2, ZHANG Min1
(1.College of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;
2.Department of Geological Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Construction waste, as fillers, can be applied to retaining walls made with geobags, which can save resources and protect environments. However, there is a lack of studies about geobags filled with construction waste. Through the test of geobags conducted in the laboratory, the compressive strength, the crush value, the filling degree, and the coefficient of friction between geobags and construction waste, and the coefficient of friction between geobags are studied systematically. The research results show that waste concrete and discarded bricks can be filled in geobags. From the factors such as the uniaxial compressive strength and convenience of construction, the appropriate filling degree is equal to 80%. With connection buckles, the initial shear strength between geobags increases. When the stiffness of connectors is increased and the surface of connectors is treated, the shear strength between geobags increases.

construction waste; geobag; mechanical property; uniaxial compressive strength; coefficient of friction

2016-04-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108393，41372292)；四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16ZA0139)

文 華(1978—)，男，湖南宜章人，教授，博士，主要從事巖土工程及道路工程研究，E-mail：wenhua189@qq.com.

TU458

A

1006-4303(2017)02-0217-06