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(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)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(jì)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(hù)”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(fèi)大量資金建造填埋場，對環(huán)境的污染也特別嚴(yán)重。近幾年，我國城鎮(zhèn)一體化進(jìn)程不斷加快，大規(guī)模拆建導(dǎo)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(dá)國家早已實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化回收利用，綜合利用率高達(dá)90%以上。聯(lián)合國針對廢棄物管理和使用方式進(jìn)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(dāng)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(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)資源的可再生利用。建筑垃圾的構(gòu)成較為復(fù)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(kuò)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(diǎn)。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(yīng)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(shí)，骨料粒徑較大，會(huì)形成土體骨架，增大土體的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)土體荷載達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)，粗顆粒會(huì)發(fā)生破碎，較細(xì)顆粒會(huì)填充于破碎的縫隙，再次形成密實(shí)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(yīng)用實(shí)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(yīng)用于擋墻立體結(jié)構(gòu)，并采用兩種不同加筋形式進(jìn)行研究。Herrador等[12]以建筑垃圾作為路面集料進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。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(yīng)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(kuò)建工程，對建筑垃圾回填路基壓實(shí)工藝和施工技術(shù)進(jìn)行了研究。但是目前國內(nèi)對于建筑垃圾動(dòng)力性能方面的研究十分匱乏，制約了地震、交通等動(dòng)載作用下建筑垃圾在擋土墻、地基、邊坡、道路等工程中的應(yīng)用和發(fā)展。

綜上所述，針對建筑垃圾土作為路基填料其動(dòng)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(jìn)行室內(nèi)大型動(dòng)三軸試驗(yàn)，對兩種不同填料動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變、時(shí)程曲線、動(dòng)彈性模量、阻尼比及液化進(jìn)行具體分析，比較發(fā)現(xiàn)建筑垃圾土強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量遠(yuǎn)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(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用DJSZ-150大型動(dòng)、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(jī)控制，軸向壓力通過油泵控制，最大圍壓和軸壓分別達(dá)到3.0 MPa和300 kN，頻率范圍為0.01～5 Hz。

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

2.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)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(jìn)行預(yù)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(xiàng)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(yàn)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(shí)度的要求，本次試驗(yàn)壓實(shí)度控制在94%。試樣制作完成后，開始進(jìn)行試樣飽和，飽和度控制在95%以上。當(dāng)超靜孔隙水壓力和圍壓相等時(shí)，試樣發(fā)生液化。當(dāng)負(fù)孔隙水壓力達(dá)到70～80 kPa 時(shí)，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(shí)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(jì)算孔隙壓力增量。當(dāng)固結(jié)排水量穩(wěn)定不變時(shí)，即可停止固結(jié)，本試驗(yàn)采用等壓固結(jié)，固結(jié)圍壓取80 kPa。待固結(jié)完成后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，加載形式為正弦波，頻率取1 Hz。當(dāng)變形達(dá)到固結(jié)后試樣總高度的5%或循環(huán)次數(shù)達(dá)到10 000次即停止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變分析

分別對砂土與建筑垃圾土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，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(yàn)對循環(huán)次數(shù)進(jìn)行篩選，取不同循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。在不同動(dòng)應(yīng)力幅值σd作用下，砂土及建筑垃圾土動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)變逐漸增大，滯回圈由寬胖變得窄瘦。隨著動(dòng)應(yīng)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(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值取較小值，循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，滯回圈面積并沒有明顯變小。這可能是因?yàn)樵谙鄬^小的動(dòng)應(yīng)力作用下，低循環(huán)次數(shù)振動(dòng)過程中，試樣孔隙越來越小，土體向密實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，試樣應(yīng)變速率較快。當(dāng)動(dòng)荷載過大時(shí)，試樣變形較大，在較少循環(huán)次數(shù)時(shí)已達(dá)到試樣總高度的5%，即變形破壞。可見，存在一個(gè)臨界動(dòng)應(yīng)力可判別試樣是否達(dá)到破壞。如圖2所示，砂土試樣破壞動(dòng)應(yīng)力為225 kPa，而建筑垃圾土試樣破壞動(dòng)應(yīng)力為285 kPa?？梢?，建筑垃圾土承載能力明顯高于砂土，且破壞動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線Fig.2 Dynamic stress-strain curves of sand and construction waste soil

3.2 時(shí)程曲線

本節(jié)分別取動(dòng)應(yīng)力幅值為165、225、285 kPa，分析了動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變和超靜孔隙水壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

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

圖3 砂土和建筑垃圾土的動(dòng)應(yīng)力-時(shí)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(dòng)應(yīng)變-時(shí)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(dòng)應(yīng)變隨時(shí)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(dòng)應(yīng)變逐漸增大，但增長速率逐漸減小。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值較小時(shí)(σd=165 kPa)，隨著時(shí)間增加，動(dòng)應(yīng)變增長速率減小趨勢明顯。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值取較大值時(shí)(砂土取σd=225 kPa，建筑垃圾土取σd=285 kPa)，動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力下，試樣發(fā)生彈塑性變形，建筑垃圾土強(qiáng)度明顯高于砂土。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力達(dá)到較大值時(shí)，短時(shí)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(shí)間的變化曲線。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間增長，孔隙水壓力呈現(xiàn)增長趨勢。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值分別為165 kPa和225 kPa時(shí)，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(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值為285 kPa時(shí)，建筑垃圾土超靜孔隙水壓力為30 kPa左右，遠(yuǎn)小于50 kPa?？梢?，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(shí)間曲線Fig.5 Curves of excess pore water pressure of sand and construction waste soil over time

3.3 動(dòng)彈性模量、阻尼比

動(dòng)彈性模量與阻尼比都是重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)[17]，如圖6所示。

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

動(dòng)彈性模量反映土體動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系。在動(dòng)力試驗(yàn)過程中，土體會(huì)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(rèn)為阻尼作用可通過阻尼比λ來表征。試樣動(dòng)彈性模量及阻尼比計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

式中：Ed為動(dòng)彈性模量；σdmax為最大動(dòng)應(yīng)力；σdmin為最小動(dòng)應(yīng)力；εdmax為最大動(dòng)應(yīng)變；εdmin為最小動(dòng)應(yīng)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(dòng)力特性，本文分別對不同循環(huán)次數(shù)和不同動(dòng)應(yīng)力下建筑垃圾土及砂土動(dòng)彈性模量和阻尼比進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值為165 kPa時(shí)，砂土阻尼比在0.23左右波動(dòng)。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為100次時(shí)，砂土動(dòng)彈性模量最低為323.9 MPa。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值增大到225 kPa時(shí)，砂土阻尼比降低到0.2以下，動(dòng)彈性模量最低為283.2 MPa。此外，從表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值為225 kPa時(shí)，建筑垃圾土阻尼比為0.14左右，動(dòng)彈性模量為386.3～449.8 MPa。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值增大到285 kPa時(shí)，阻尼比增大約0.02，動(dòng)彈性模量為419～492 MPa。由此可見，建筑垃圾土的動(dòng)彈性模量遠(yuǎn)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(dòng)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(dá)到液化狀態(tài))可被視為一種地質(zhì)災(zāi)害，當(dāng)液化發(fā)生時(shí)，土體內(nèi)部孔隙水壓力急劇增大，顆粒與顆粒間有效應(yīng)力快速降低，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度為0。由此可見，對土體液化進(jìn)行分析尤其重要。本文對砂土和建筑垃圾土進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)，分析不同動(dòng)應(yīng)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(dòng)孔壓比隨時(shí)間的變化如圖7所示。

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

當(dāng)孔壓與有效圍壓相等時(shí)，即認(rèn)為土體發(fā)生液化。如圖7所示，建筑垃圾土與砂土都未達(dá)到液化標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)孔壓比不等于1.0。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值取225 kPa時(shí)，砂土動(dòng)孔壓比最大，約為0.7。而建筑垃圾土動(dòng)孔壓比最大約為0.25。即在相同圍壓下，建筑垃圾土的動(dòng)孔壓比都比砂土的小。由此可見，壓實(shí)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(jìn)行室內(nèi)大型動(dòng)三軸試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，可得到如下結(jié)論：

(1)隨循環(huán)次數(shù)增大，動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力幅值增大，該現(xiàn)象依舊如此。且建筑垃圾破壞動(dòng)應(yīng)力約為砂土破壞動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)變逐漸增大，但增長速率逐漸減小。當(dāng)試樣發(fā)生彈塑性變形時(shí)，建筑垃圾土強(qiáng)度明顯高于砂土。隨時(shí)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(dòng)孔壓比最大約為0.25，而砂土動(dòng)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(dòng)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(dòng)彈性模量要遠(yuǎn)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(dòng)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。