建筑垃圾混合料在路堤填筑中的应用

王启龙，杨晓华，洪雪峰

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075； 3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 4.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430000)

0 引 言

随着城市化进程的加快，城市建筑垃圾与日俱增，建筑垃圾的堆放不仅占用大量土地资源，引发严重的环境污染，而且加剧土地利用的矛盾。若将建筑垃圾应用于道路路堤填筑，不仅可以解决环境污染问题，还能降低工程成本。

近年来，国内外众多学者对于建筑垃圾在道路工程领域的应用开展了很多研究，并取得了一定的成果。杨建平[1]归纳总结了建筑垃圾再生材料应用于公路工程中湿陷性地基和湿软性地基处理的形式及作用机理，并通过工程检测验证了其在地基处理中的实用性和适用性。牛永宏等[2]通过对现有工程的总结和研究，提出了回填路基所用建筑垃圾的技术指标及要求。左富云[3]通过室内土工试验得出建筑废渣经破碎后可直接用作道路路基回填材料，其中骨料所占的比例不应低于30%。夏慧慧[4]采用不经加工的建筑垃圾作为路基深层填料，应用于合肥Ⅰ级主干道路堤填筑，并进行了压实度和弯沉检测，结果证明建筑垃圾回填段与未用建筑垃圾回填段的压实度和弯沉值差异不大，建成通车4年后，道路使用状况依然良好。

建筑垃圾混合料作为路堤填料，与传统的碎石土填料相比有一定差别，且在国内应用时间尚短，仍存在很多设计和施工理论的不足[5-6]。本文结合兰州南绕城高速公路的建设，采用离心模型试验，研究建筑垃圾混合料填筑路堤的沉降特性，在丰富和完善对建筑垃圾路堤填料的研究的同时，为建筑垃圾混合料填筑路堤的类似工程设计提供一定的参考。

1 方案设计

1.1 试验设备

本次模型试验采用长安大学公路学院TLJ-3型土工离心模型试验系统(图1)。离心机最大容量为60 g·T，有效半径为2.0 m，离心加速度范围是10g～200g，稳定度为±0.1%F.S，加速度为100g时最大荷载为600 kg，加速度达到200g时，最大荷载为300 kg。

1.2 模拟对象及模型尺寸

模型试验依托兰州南绕城高速公路建设项目，采用建筑垃圾混合料作为路堤填筑材料。K21+840～K21+910断面填筑高度约12 m，边坡坡率约为1∶1.5，地基表层为黄土，厚10～12 m，下部为变质砂岩。对该断面进行离心模型试验研究时，通过改变相应的建筑垃圾填料压实度和填筑高度，研究其沉降特征。模型试验地基为黄土地层，经夯实和加速离心后强度较高，近似作刚性处理。路堤假定为平面应变问题，以路堤的中线为轴左右对称，受模型箱的尺寸限制，取半幅路堤进行研究，结合离心试验模型箱尺寸确定模型试验相似比为1∶100，具体试验设计方案见表1。

表1 建筑垃圾混合料路堤离心模型试验方案

注：M-1～M-5用于研究不同路堤压实度的路堤沉降；M-3、M-5～M-7用于研究不同路堤高度的路堤沉降。

1.3 模型材料选取

建筑垃圾混合料作为路堤填料，与传统的碎石土存在一定差别，因此为了更加有效地利用建筑垃圾，需掌握其工程特性。本次试验所用的建筑垃圾和黄土都是从兰州南绕城高速公路建设项目周围所得，混合填料中建筑垃圾与土的配合比为4∶6。通过一系列室内土工试验测得建筑垃圾和黄土的物性指标，见表2、3。

表2 试验所用建筑垃圾的主要物性指标

表3 试验所用黄土的物理力学指标

建筑垃圾混合料的粒径较大，按照相似比缩尺后，模型结构物的尺寸与土颗粒粒径之比仍大于23，会产生粒径效应[7]。试验中综合考虑试验设备条件、试验材料的筛分和开挖路堤台阶的难易程度以及不产生粒径效应的要求等，将模型材料的最大粒径定为2 mm。

1.4 模型制作

此次模型试验中，位移的测试采用ILD1300-100非接触式激光位移传感器，量程为100 mm。试验方案中模型测试元件的布置如图2所示。

路堤模型填筑采用先填后挖法，首先在模型箱侧壁涂抹硅油，铺贴塑料膜，降低模型与模型箱侧壁之间的摩擦，之后填筑地基，将地基压实后放入离心机内并在100g的加速度下固结2 h，使其沉降变形稳定，然后填筑路堤。

为保持力学特性一致，将离心机的加速度上限提升到100g。为模拟路堤逐级加载过程，在20g、40g、60g下分别运行324、81、36 min，稳定加速到100g后运行120 min。

图2 试验模型

2 离心模型试验结果分析

2.1 建筑垃圾填料的压实度与强度

试验完成后测试混合填料的含水量、密度，并进行直剪试验，以考察离心模型试验后路堤填料的变化情况，结果见表4。由表4可知，经过离心试验之后，各组试验混合填料的压实度均有提高，M-1、M-2、M-3、M-4四组试验后的填料压实度分别为94%、95%、97%、98%。随着压实度的提高，4组试验的黏聚力c和密度ρ均有增加，而内摩擦角φ相对减小。

上述试验数据表明，在不受外部环境影响时，路堤填土荷载的自重压密作用增大了下部填料的压实度，并且随着初始压实度的提高，试验之后的压实度增加速率明显减少。对于不同的压实度，试验后的c和φ相差不大，但随着压实度的增加，c值相应变大。c是粒间胶结或黏结引起的剪阻力，随着压实度的增加，其所需要的压实力也相应地增加，混合料经过压实后颗粒重新组合、排列，颗粒间孔隙缩小，混合料的单位质量提高，从而使混合料的整体强度得到很大提高，c值相应变大[8-9]。φ是由颗粒间咬合产生的，随着压实度的增加，建筑垃圾混合料的内部结构破坏程度也相应增大，所以φ值减小。

表4 离心模型试验结果

2.2 建筑垃圾填料路堤沉降与压实度的关系

图3 不同压实度下路堤总沉降随时间的变化曲线

图4 不同压实度下路堤工后沉降随时间的变化曲线

图3是4组12 m高的建筑垃圾混合填料路堤总沉降随时间变化的曲线。由图3可以看出，路堤总沉降随时间的增加而增大并逐渐变缓，路堤压实度越大，建筑垃圾混合填料路堤的总沉降相应地减小，路堤压实度分别为88%、91%、94%、97%时，12 m高的建筑垃圾填料路堤施工前及工后两年的总沉降分别为10.53、8.88、8.30、7.94 cm，总的沉降变形占路堤高度的比例分别为8.77‰、7.40‰、6.92‰、6.62‰。图4是建筑垃圾混合填料路堤工后沉降随时间变化的曲线。由图4可知，路堤的工后沉降随时间增加而增大并逐渐趋于稳定，压实度越高，工后沉降越小，当路堤的压实度大于91%时，路堤的工后沉降变化基本趋于一致。

从图3、4中还可以得出压实度分别为88%、91%、94%、97%的路堤总沉降、工后沉降、工后沉降速率以及压实度每提高3%减小的沉降量，具体见表5。

表5 不同压实度路堤各沉降参数汇总

从工后沉降速率可以看出：当路堤压实度达到94%时，加大压实度不能有效减小路堤的工后沉降，说明建筑垃圾填料的压实度及强度是有限的，不能无限制提高；当路堤压实度从88%增大到94%时，工后沉降量明显减小，而从94%增大到97%工后沉降量基本不变。综合考虑工程成本和施工因素，可以认为建筑垃圾混合料填筑路堤压实度控应制在94%以上。

2.3 建筑垃圾填料路堤沉降与路堤高度的关系

在离心模型试验中，路堤表面随离心加速度增加而产生的沉降由两部分构成：一部分是路堤的压密变形，它与土的压实度有关，当压实度达到一定程度后，压密变形趋于稳定；另一部分是由于路堤高度增加，边坡的侧向变形而引起的，它与填土压实之后的强度和流变性质有关[10]。压实度控制在94%时，建筑垃圾填料路堤沉降与路堤高度之间的关系如图5、6所示。

图5 不同路堤高度下路堤总沉降随时间的变化曲线

图6 不同路堤高度下工后沉降随时间的变化曲线

由图可以得出，不同路堤高度的沉降与时间的关系曲线走势是一致的：在加载期，路堤沉降随荷载的增大而增大，二者之间存在着一定的近似线性关系；而到了稳定期，路堤沉降随时间的增加而逐渐变化缓慢并趋于稳定。建筑垃圾混合填料路堤工后沉降和路堤高度存在一定线性关系，高度为8、10、12、16 m的路堤工后沉降量分别为8.96、12.71、15.71、19.24 mm。

2.4 建筑垃圾混合填料路堤工后沉降预测

综合考虑压实度和路堤高度，路堤工后沉降随时间的变化可用式(1)来表示。

(1)

式中：S1为工后沉降；H为路堤高度；t为时间；α、β为试验曲线拟合参数，具体见表6。

表6 α、β和工后沉降量极值S

表6 α、β和工后沉降量极值S

由式(1)可以得出，当时间t趋向于无穷时，有

S

(2)

因此，αH的值为最终工后沉降。

3 结 语

(1)建筑垃圾填料的压实度随路堤填土荷载增加而提高，强度随压实度的提高而增大。当上覆压力与填土颗粒间的阻力相近时，路堤填土的强度将趋近一个临界峰值。若继续增加压实度(或压力)，建筑垃圾填料强度提高较小，甚至会因为土体发生剪切破坏或塑性变形而导致强度降低。

(2)总沉降和工后沉降随压实度的提高而降低，压实度为88%、91%、94%、97%时，12 m高的建筑垃圾填料路堤工后沉降分别为23.34、21.03、15.70、14.68 mm，均能满足《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)路基的工后沉降控制标准，建筑垃圾混合料可直接用作路堤填料。考虑工程成本及施工因素的影响，路堤填筑压实度宜控制在94%以上。

(3)建筑垃圾填料路堤高度增大时，其工后沉降量发生明显变化，路堤高度为8、10、12、16 m时路堤工后沉降量分别为8.96、12.71、15.71、19.24 mm。坡度和压实度一定的条件下，建筑垃圾混合填料路堤工后沉降和路堤高度存在一定的线性关系。