含建筑垃圾土的物理力學特性

楊德生， 張孟喜， 崔振清， 趙崗飛，， 費 君

(1.上海大學土木工程系，上海200072;2.山西潞安礦業集團，山西長治046000)

改革開放以來，我國城市發展的速度空前加快，城市中隨處可見在建項目.隨之而來，產生了大量的建筑垃圾，并且在城市的郊區形成了大量的建筑垃圾堆場，其中主要包含渣土、廢混凝土、碎磚、竹木材、金屬、瀝青、玻璃、廢紙、塑料等，除少量有機物成分，建筑垃圾基本上是由無機物構成的［1］.隨著城市用地日趨緊張，對這些場地進行開發利用已顯示出巨大的經濟價值，因此，對含建筑垃圾土的工程性質進行研究很有必要.

目前，對垃圾土的研究主要包括垃圾土的沉降特性、抗剪強度、滲透性3個方面［2］.駱行文等［3］對武漢市金口垃圾填埋場的陳垃圾土進行了試驗研究，認為陳垃圾土在荷載作用下，沉降量較大，而且不均勻沉降量也很大.由于土中垃圾的存在使得土體呈現出類似于加筋土的性質，承載力提高，但單位變形下的承載力較低.楊明亮等［4］在對金口垃圾填埋場的壓縮特性及承載特性進行了現場以及室內試驗研究后，提出了大直徑鉆孔灌注樁的地基處理方式.李曉紅等［5］通過直剪儀及三軸儀對重慶垃圾填埋場的強度特性進行了試驗研究，發現垃圾土表現出了類似于加筋土的性狀.劉榮等［6］通過對實驗室配制的垃圾土進行三軸固結排水及不排水試驗，得出了有機質含量對垃圾土強度參數c和φ的影響.周健等［7］利用循環三軸試驗對重塑垃圾土的動力學特性進行了研究.Siegel等［8］對南加利福尼亞的一個垃圾填埋場進行了研究，并記錄了垃圾填埋場在強震下的反應數據.通過引用這些數據，Anderson等［9］和Ling等［10］也對垃圾堆場在地震作用下的反應進行了研究.Matasovic'等［11］通過室內試驗、現場檢測以及反分析等手段，對垃圾土在強震下的動力特性進行了研究.冒俊［12］對水泥改良垃圾土的方法進行了試驗研究.王穎星［13］提出了通過柱錘沖灰土擴擠密樁法對含建筑垃圾雜填土進行地基加固的方法，其中涉及對樁周土體的擠密作用、灰土置換作用以及灰土的膠凝作用.Amorim等［14］研究了采用建筑垃圾拌制灰漿的可行性，結果表明該應用具有巨大的潛力.Elagroudy等［15］研究了垃圾的組成以及上部荷載對固體垃圾降解速度的影響.

上述研究對象多以含生活垃圾土為主，而對于含建筑垃圾土的研究則相對較少.本研究以山西省長治市區西部頤龍灣住宅小區建設項目為研究對象，小區總平面圖如圖1所示.該小區所在地區多年前為自然形成的溝壑地帶，隨著城市的快速發展，溝壑被傾倒的建筑垃圾逐漸填平，經過多年固結后已經基本穩定，現在擬在此處建設大面積居民生活小區.該場地內的建筑垃圾主要由磚塊、灰渣、玻璃以及碎石等組成，深度較大，最深處為10.9 m，地質剖面圖如圖2所示.

本工作通過對含建筑垃圾土的物理力學性質的研究，揭示含建筑垃圾土的物理力學特性規律，判斷其作為結構基礎持力層的可行性，為含建筑垃圾土的綜合利用開辟一條新思路.將建筑垃圾這種廢棄物作為地基基礎的再生資源，響應了我國政府提出的建設節約型社會、走循環經濟之路的號召.

本研究對現場取樣的原狀含建筑垃圾土及不含建筑垃圾土的粉質黏土進行了密度、比重以及含水量等物理特性指標試驗;采用篩分法測定了土樣的級配;通過直剪試驗和固結試驗測定了土樣的抗剪性能和壓縮特性.在總結試驗結果，并對不同深度含建筑垃圾土及粉質黏土試驗指標進行對比分析的基礎上，探討了含建筑垃圾土的抗剪特性、壓縮特性的規律及其形成機理.

圖1 頤龍灣小區總平面圖Fig.1 General layout of the Yilongwan site

圖2 頤龍灣小區地質剖面圖Fig.2 Geologic profile of the Yilongwan site

1 研究方案

1.1 土樣采集

本試驗取樣采用勘察鉆機現場取樣，取樣形狀為圓柱體，直徑為12 cm，取樣地層深度分別為3.5，5.0，9.0和11.0 m.取樣后采用保鮮膜包裹并蠟封，標明取樣位置及深度，然后將土樣放入大型密封盒保存，土樣間的空隙采用柔性材料填塞.

取樣過程中我們發現，3.5，5.0以及9.0 m深度處的土樣均含有大量建筑垃圾;而11.0 m深度處的土樣則不含建筑垃圾，而是含水量很高的粉質黏土.將較完整的土樣用于直剪和壓縮試驗，其他不完整土樣用于室內物理特性試驗［16］.

1.2 試驗內容和方法

土樣中所含建筑垃圾為碎顆粒建筑垃圾，因此，可以采用室內常規試驗器材進行試驗.

1.2.1 物理特性指標

物理特性指標測定項目包括顆粒級配、含水量、比重、天然密度.

顆粒級配試驗采用篩分法，含水量試驗采用烘干法，比重試驗采用比重瓶法，天然密度試驗采用環刀法.

1.2.2 抗剪強度

抗剪強度測定采用應變控制式直剪儀，用削土刀將現場取樣的圓柱體原狀土切入環刀中，取土時注意沿土樣圓柱體垂直方向取土，并保證土樣的完整性，防止擾動破壞，然后將取好的土樣放入直剪儀內.

直剪試驗采用快剪法，豎向加載分為4級，即50，100，200，400 kPa，然后，根據試驗結果求取土樣的粘聚力c和內摩擦角φ.

1.2.3 壓縮特性

固結試驗采用固結儀，環刀取樣，取25，50，100，200，400，800，1 600 kPa共7個加載級別，每次加載24 h后記錄百分表讀數，并施加下一級荷載.

2 試驗結果與分析

2.1 含建筑垃圾土的外觀特性

與11.0 m深度處的粉質黏土相比，含建筑垃圾土結構松散，其中含有大量碎磚、碎石、石灰塊等建筑垃圾，結構性較差，輕微觸動即發生破碎.隨著取樣深度不同，土樣顏色有所改變，其中3.5 m處土樣呈紅褐色，5.0及9.0 m處土樣呈黑色.

土樣經烘干或摻入酒精燃燒后，土體中的有機質燃燒殆盡，粘土磚碎粒也化為土樣粉末，土體變為土黃色(見圖3).

2.2 含建筑垃圾土的成分分析

將土樣風干后，手工剝離，對其進行土樣分析.結果表明，其主要成分包括粉質黏土顆粒、碎石與卵石、碎磚、陶瓷、玻璃、爐渣顆粒以及少量塑料.深層垃圾土中的碎磚已經腐蝕并成為土樣顆粒.具體各成分的質量分數如表1所示.

圖3 含建筑垃圾土照片Fig.3 Photo of soil with construction waste

表1 含建筑垃圾土成分的質量分數Table 1 Contents of soil with construction waste %

2.3 含建筑垃圾土的顆粒級配

對含建筑垃圾土進行篩分試驗，結果如表2所示.可見，在3.5，5.0以及9.0 m深度的含建筑垃圾土樣中，由于存在散落其中的大小各異的碎石及碎磚等建筑垃圾，因此，土樣的級配特性得到了較大改善.

表2 含建筑垃圾土的顆粒級配Table 2 Grain size distribution of soil with construction waste

計算結果顯示，3.5，5.0以及9.0 m深度土樣的不均勻系數Cu均大于10，分別為10.53，10.40和14.67;而曲率系數Cc值在1～3之間，分別為1.49，1.29和1.67.根據《土的工程分類標準》GB/T 50145—2007［17］判定，土樣屬于級配良好非均質土，其顆粒級配曲線如圖4所示.

圖4 含建筑垃圾土的顆粒級配曲線Fig.4 Grain size distribution curves of soil with construction waste

2.4 含建筑垃圾土的物理性質指標

對3.5，5.0，9.0 m深度含建筑垃圾土樣以及11.0 m深度不含建筑垃圾土樣分別進行密度、含水量以及比重等物理性質指標試驗，并根據所得數據推算孔隙比，結果如表3所示.

表3 含建筑垃圾土的物理性質指標Table 3 Physical behavior of the soid with construction waste

由表3可知，相對于原狀土，含建筑垃圾土的天然密度較低，這主要是由于含建筑垃圾土的沉積時間較短，較為松散，而且含建筑垃圾土中類似碎磚塊以及煤渣等顆粒的自身密度較小，也降低了土體的密度.從表中可以明顯看到，隨著深度增加，天然密度逐漸增大，下層含建筑垃圾土由于受到較大的固結壓力，加上由于分層回填導致下層垃圾土沉積時間較長，從而表現出了更高的天然密度.

表3中含建筑垃圾土的密度試驗結果明顯高于含生活垃圾土的密度(0.85～1.41 g/cm3［18］)，并且含建筑垃圾土的比重低于粉質黏土.

2.5 含建筑垃圾土的抗剪強度

直剪試驗采用50，100，200，400 kPa 4個等級豎向荷載，并采用Mathematic軟件對所得數據進行線性擬合，得到各層土樣的黏聚力c和內摩擦角φ，結果如表4所示.表中可見，3.5，5.0以及9.0 m處含建筑垃圾的土樣的抗剪切強度比11.0 m處不含建筑垃圾的粉質黏土土樣有了明顯的提高.

表4 含建筑垃圾土直剪試驗結果Table 4 Result from direct shear test of soil with construction waste

試驗過程中發現，當含建筑垃圾土體達到剪切力峰值時，普遍發生較大變形;個別試樣在達到直剪儀所能允許的最大錯動位移時，剪切力讀數還在升高，表現出應變硬化現象;而11.0 m處粉質黏土則在發生一定錯動位移后，隨著實際破壞面的增大，剪切力在達到峰值后，迅速下降，呈現應變軟化.

含建筑垃圾土抗剪強度的提高是由于大顆粒建筑垃圾在土中起到了骨架咬合作用，在豎向壓力與橫向剪切力的作用下，松散的碎石、磚塊、碎混凝土塊與玻璃等建筑垃圾與土顆粒之間相互擠壓密實.大顆粒建筑垃圾之間形成相互咬合的骨架，由于大顆粒建筑垃圾具有相對較高的承載力，從而使得土體剪切面無法平直穿越土體，而是沿著大顆粒縫隙的曲線貫穿土體(見圖5)，這就大大削弱了剪應力的強度，從而使土體抗剪強度大大提高.而含建筑垃圾土呈現較為松散的狀態，在達到咬合前的擠密過程中沿剪切面變形較大.因此，對含建筑垃圾土進行擠密，可使內部大顆粒建筑垃圾形成相互咬合的骨架，這樣就可以在不改變土體抗剪承載力的基礎上減小剪切位移.

與粉質黏土相比，含建筑垃圾土抗剪性能的提高與其中所含建筑垃圾顆粒的大小及垃圾種類有關.大顆粒建筑垃圾有利于加大剪切面的曲線化程度，而垃圾本身的強度越高，越有利于保持其大顆粒不會因剪力增大而發生垃圾塊體破碎.

圖5 含建筑垃圾土的剪切面Fig.5 Shear surface of soil with construction waste

如圖6所示，9.0 m深度含建筑垃圾土的抗剪強度最高，3.5 m深度其次.而參考表1與表2中土樣的垃圾成分的質量分數及顆粒級配可知，9.0 m處土樣中的5 mm以上大顆粒所占比重較大，為27.4%，并且其所含垃圾中碎石及卵石這樣的高強度成分所占比重較大，為總質量的43.9%;雖然5.0 m處土樣中的5 mm以上大顆粒所占比重略大于3.5 m處土樣，分別為22.0%和18.2%，但是5.0 m處土樣成分中的碎石及卵石成分較3.5 m處土樣少很多，分別為24.0%和33.2%，因此，5.0 m處土樣的抗剪強度小于3.5 m處土樣.

2.6 含建筑垃圾土的壓縮特性

對3.5，5.0，9.0 m深度含建筑垃圾土以及11.0 m深度不含垃圾原狀土土樣分別進行室內固結試驗，結果如表5所示.

圖6 含建筑垃圾土直剪結果Fig.6 Results from direct shear test of soil with construction waste

根據試驗結果，含建筑垃圾土樣在 100～200 kPa固結荷載作用下，3.5與5.0 m處含建筑垃圾土以及11.0 m處粉質黏土的av1－2值(即100～200 kPa荷載下的壓縮系數)均大于0.5 MPa－1，分別為0.614，0.550和0.535.根據《建筑地基基礎設計規范》GB 50007—2002［19］，可判定土樣為高壓縮性土.9.0 m處含建筑垃圾土由于沉積時間較長，先期固結壓力較大，其av1－2值為0.340 MPa－1，屬于中壓縮性土，表現出比粉質黏土更好的抗壓縮性(見圖7).

含建筑垃圾土的室內壓縮試驗e-p與e-log p曲線如圖8所示.深層垃圾土由于受到長時間和較大的固結應力，初始孔隙比較小，壓縮曲線較平緩，而淺層垃圾土則發生了較大的固結沉降.

表5 含建筑垃圾土的固結試驗結果Table 5 Results from consolidation test of soil with construction waste

圖7 含建筑垃圾土的固結試驗Es-σ曲線Fig.7 Es-σ curves of soil with construction waste of consolidation test

圖8 含建筑垃圾土的壓縮試驗e-p及e-log p曲線Fig.8 e-p and e-log p curves of soil with construction waste of compression test

在荷載從20 kPa增大到100 kPa的過程中，淺層垃圾土的壓縮試驗e-log p曲線出現了一個轉折，這與深層垃圾土和原狀土的曲線有所區別.在施加荷載后，垃圾土中的細顆粒土向碎石、碎磚以及碎玻璃等大顆粒形成的空隙中移動，所以在宏觀上表現為壓縮變形較大.此后，大顆粒限制了土體的變形，使得沉降趨勢放緩.而深層垃圾土由于已經經歷了這一擠密作用，所以沒有出現該現象.

在含建筑垃圾土壓縮試驗過程中，當荷載加大到200 kPa以上時的瞬間，土樣發出持續的脆性破裂聲，而深層原狀土樣則沒有這一現象.原因是由于含建筑垃圾土體在承受上部壓力的作用下，被擠壓密實，其中的大顆粒成分(碎石、碎磚、玻璃等)由相互分離散落于土體中逐漸變成直接互相接觸，最終形成抵抗上部荷載的骨架.一些強度較低的顆粒，如碎磚則隨著豎向荷載的增大發生破碎.所以含建筑垃圾土的固結表現出既有土體之間的擠壓密實，也有大顆粒破碎引起的土體重排.當壓力較小時，固結過程主要表現為擠密，而隨著壓力增大，大顆粒破碎引發顆粒重排，由此產生的空隙成為固結的主要原因.

含建筑垃圾土最終達到的孔隙比遠遠小于粉質黏土，這充分體現了由于其良好的級配，使得土體達到了非常密實的程度.而含生活垃圾土由于級配較差，在1 500 kPa的固結壓力下，依然具有較大的孔隙比［18］，難以達到非常密實的狀態.

3 結論

含建筑垃圾土由于建筑垃圾成分、顆粒級配以及沉積時間長短的不同，其物理力學性質與含生活垃圾土相比具有很大的差異性，因而，在實際工程設計及施工中應該區別對待.在總結大量試驗結果的基礎上，可得到以下結論.

(1)淺層含建筑垃圾土沉積時間較短，先期固結壓力小，天然密度較小，結構較松散，因此，在豎向荷載作用下，會發生較大沉降，壓縮性大.在100～200 kPa固結荷載作用下，淺層含建筑垃圾土的av1－2值大于0.5 MPa－1，屬于高壓縮性土;深層含建筑垃圾土則由于沉積時間較長，先期固結壓力較大，其av1－2值為0.340 MPa－1，較11.0 m深度處原狀粉質黏土的抗壓縮性優良，屬于中壓縮性土.

(2)含建筑垃圾土屬于顆粒級配良好的非均質土，不均勻系數Cu均大于10，曲率系數Cc介于1～3之間;而含生活垃圾土為級配不良粗粒土，因此，二者的孔隙比差別很大，以至于壓縮特性的表現也相去甚遠.

(3)由于含建筑垃圾土的土體比較松散，在剪切過程中，土中大顆粒建筑垃圾形成的咬合骨架改變了剪切面的形狀，這是含建筑垃圾土粘聚力c和內摩擦角φ提高的主要原因.但土體需要在擠壓作用下發生一定位移，才能形成相互咬合的骨架，所以，在剪切過程中土體將發生較大變形.在實際工程中，通過對含建筑垃圾土進行擠密，可使內部大顆粒建筑垃圾形成相互咬合的骨架，從而大大提高土體的抗剪性能，而含生活垃圾土則表現出類似加筋土的特性.二者受力機理也有所不同，含建筑垃圾土抗剪強度的提高與其中建筑垃圾顆粒的大小及垃圾成分的自身強度有關，所含建筑垃圾顆粒越大且強度越高，則含建筑垃圾土的抗剪強度就越高.

(4)與普通土相比，在固結過程中含建筑垃圾土在荷載作用下首先擠密，大顆粒建筑垃圾移動靠攏、相互接觸并形成骨架，起到了限制土體沉降變形的作用.而隨著上部荷載的增大，強度較低的建筑垃圾破碎，引發土體重排列而發生沉降，接著土體再次擠密并形成新的骨架，如此循環最終擠壓密實.因此，含建筑垃圾土的抗壓縮性能與其前期固結情況以及其組成成分密切相關.深層含建筑垃圾土的抗壓縮性要高于淺層含建筑垃圾土，而所含建筑垃圾成分本身強度較高的含建筑垃圾土具有較強的抗壓縮性.

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