建筑废料用于筑堤的材料特性研究

王媛，李海玲，陈浩然

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

城市建筑废料是在建筑产品建造和拆除过程中产生的废弃物，主要包括瓦砾、混凝土块、瓦片瓷片、地基开挖土石料等。在我国经济较发达的城市，建筑垃圾数量已占城市垃圾总量的30%~40%[1]。例如深圳2005 年建筑垃圾总量为410 万m3，平均每天1.13 万m3[2]。目前我国建筑垃圾常规处理方法主要以露天直接堆放或简单填埋为主[3-5]，我国建筑垃圾资源化率不足5%[6]，与国外部分发达国家建筑垃圾资源化率的50%~70%存在很大差距[7]。简单的填埋处理每年约消耗5 km2的土地，占用大量的宝贵土地资源的同时，形成大量生态与生产隐患[8]。建筑废料用于筑堤是一种有效利用废料的良方。本文在总结国内规范对筑堤材料要求的基础上，利用数值模拟方法计算建筑废料作为堤心料时海堤的沉降变形及整体抗滑稳定，并通过实测监测数据进行理论和实际的对照，进一步提出了建筑废料用于筑堤时应重点关注的物理力学特性及其取值范围[9]。

1 国内规范对筑堤材料的要求

根据GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》[10]中要求，采用淤泥、淤泥质土作为筑堤材料时，应提出加大排水固结速率等措施。粉细砂及石渣作为筑堤材料时，应采取渗流控制措施。碾压式均质土堤宜选用黏粒含量为10%~35%、塑性指数为7~20 的黏性土，且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂质；填筑土料含水率与最优含水率的允许偏差应为±3%。石渣料作为堤身填料时，其孔隙率宜控制在23%~28%。

以上国内规范对于各类筑堤材料的含水率、孔隙率等物理特性做出了要求，但是对于建筑废料可用于筑堤的材料没有明确。

2 某建筑废料筑堤工程概况

该海堤工程位于我国某沿海城市，工程区域水深在-3.0~0.0 m 之间，平均水位0.0 m。工程地质软土层深厚，场地的表土沉积物推断主要为淤泥，厚度约10.0~20.0 m，呈流塑至软塑状，以下为冲积土层，厚度约4.5~53.5 m，主要呈可塑至硬塑，土体物理力学参数取值见表1。

表1 工程区域天然土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of natural soil in the project area

建筑废料来源于该市建筑活动中开挖及拆建物料，包括：1）石料、砖块、素混凝土、砂土；2）地基开挖土、开挖淤泥；3）瓦片瓷片、钢筋、金属、塑料、模板、玻璃等。

拟建海堤后方陆域为城市工业用地，海堤设计使用年限50 a ，防洪（潮）标准为50 a 一遇，工程等级2 级，采用瑞典圆弧法计算时，正常运营条件下海堤整体抗滑稳定安全系数要求不小于1.25。

3 建筑废料筑堤材料特性研究

3.1 建筑废料筑堤的材料要求

依据海堤工程设计规范对筑堤的材料要求，结合筑堤工程经验[11]，在该工程中利用建筑弃料筑堤要求从建筑废料中分选符合要求的筑堤材料，对筑堤材料的要求如下：

1）杂物含量以重量计不可大于5%。

2）漂浮物含量以重量计不可大于1%。

3）粒径最大不得超过150 mm，土料塑性指数不超过17。

4）采取分层碾压的填筑方式，压实度不低于85%。

5）物料比例为石料不得低于50%，砂土料不得超过50%。

6）土石方采取现场直接分选方式，对于夹杂少量大块石土石料，可采取人工分拣方式，对于大小粒径均匀的混合土石料可采取简易过网筛分方式，当土石料分选生产效率难以满足围堤回填速率时，采取移动机械剥离筛进行材料分选。

7）分选出的筑堤材料在抛填前应进行现场检测，检测内容为粒径、塑性指数、杂物及漂浮物含量等；粒径检测要求为每10 000 m3一组，塑性指数、杂物及漂浮物含量检测要求为每20 000 m3一组。

根据以上筑堤材料要求，从建筑废料中筛选出合适的土石料用以筑堤，拟建海堤的典型设计断面如图1 所示。

图1 建筑废料筑堤的海堤设计断面Fig.1 Design section of sea dike with construction waste

3.2 建筑废料筑堤的材料参数取值范围

筑堤材料中各材料物理力学参数取值如表2所示。基于筑堤材料要求，地基开挖土、块石、杂物在筑堤时并不是分层回填，而是级配良好后混合回填。结合块石含量不少于50%、砂土料不大于50%的筑堤要求，对这种建筑废料的混合料的材料参数取块石与土料之间，见表2。

表2 建筑废料筑堤材料的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of construction waste sea dike materials

3.3 建筑废料筑堤的理论计算及实测值对比分析

对海堤结构而言，主要需要考虑侧向变形、沉降、整体抗滑稳定、堤身结构强度、密实度等要求。由于海堤的沉降变形及稳定是影响海堤正常使用的最关键因素，且在筑堤前期往往需要通过理论计算确定筑堤材料的合理参数以满足规范标准。因此本文主要选取沉降、侧向变形及整体抗滑稳定3 个关键参数进行分析。基于Plaxis 及Slide 有限元软件，对建筑废料填筑的海堤进行数值模拟分析，并通过理论与实测值的比较，进一步确定筑堤混合料的物理力学参数取值范围。其中，实测值是通过在海堤堤身上装置的深层沉降仪、测斜仪两种仪器读数测得。

1）侧向变形理论计算及实测值对比分析

影响海堤侧向变形大小的因素很多，本文主要考虑筑堤混合料的容重、弹性模量、泊松比。为了确认这3 个力学参数对沉降变形的敏感性和影响大小，数值模拟分为以下3 个工况。

工况一：筑堤混合料的容重γ=16.5 kN/m3，弹性模量E=4.0×104kPa，泊松比υ 取值0.2~0.4时，海堤的沉降变形值。

工况二：筑堤混合料的容重γ=16.5 kN/m3，泊松比 υ=0.2，弹性模量 E 取值 2.0×104~8.0×104kPa 时，海堤的沉降变形值。

工况三：筑堤混合料的泊松比υ=0.2，弹性模量 E=4.0×104kPa，容重 γ 取值 16.5~17.5 kN/m3时，海堤的沉降变形值。

基于Plaxis 有限元软件，对以上工况进行了数值模拟，其计算结果见表3。

表3 各工况下的海堤侧向变形理论计算及实测值Table 3 Theoretical calculation and measured value of sea dike lateral deformation under working conditions

计算结果表明，当筑堤混合料的泊松比及弹性模量成正倍数增长时，海堤的侧向变形计算值变化幅度在1.57%；而当混合料的容重稍微变化时，变形计算值的变化幅度达到了31.86%。这表明筑堤混合料的容重对海堤侧向变形有更显著影响，而其泊松比及弹性模量对侧向变形影响不大。

另一方面，通过理论及实测值对比发现，筑堤混合料的容重在16.5~17.0 kN/m3时，其侧向变形值与实测值更接近。

2）沉降理论计算及实测值对比分析

影响海堤沉降大小的因素很多，本文分析时主要考虑将筑堤混合料的容重作为因变量考虑。基于实测点的淤泥平均厚度10.0 m，结合本案例中天然软土层的e-p 曲线（见图2），对不同容重下的沉降理论计算值与实测值对比，见表4。

图2 天然软土层e-p 曲线Fig.2 The e-p curve of natural soft soil

表4 海堤沉降理论计算及实测值Table 4 Theoretical calculation and measured value of sea dike settlement

计算结果表明，在天然软土层厚度不变的情况下，改变筑堤混合料的容重对沉降影响不大，但这与软土层厚度及堤身高度有一定关系。另一方面，通过理论及实测值对比发现，筑堤混合料的容重在16.5~17.0 kN/m3时，其沉降理论计算值与实测值更接近。

3）整体抗滑稳定理论计算

影响海堤整体抗滑稳定的因素有很多，本文主要选取筑堤混合料的容重、摩擦角做分析，主要分为以下3 个工况。

工况一：筑堤混合料的容重γ=16.5 kN/m3，黏聚力c=0 kPa 时，海堤的抗滑稳定。

工况二：筑堤混合料的容重γ=17.0 kN/m3，黏聚力c=0 kPa 时，海堤的抗滑稳定。

工况三：筑堤混合料的容重γ=17.5 kN/m3，黏聚力c=0 kPa 时，海堤的抗滑稳定。

基于Slide 有限元软件，对以上工况进行了数值模拟，计算结果见表5，图3 为工况一的海堤整体抗滑稳定最危险滑裂面，上部分为安全系数分布云图，下部分为计算断面。计算结果表明：在黏聚力保持不变的情况下，增加筑堤混合料容重时，摩擦角要大幅度增加才能保证海堤的整体抗滑稳定满足规范要求。在容重达到17.5 kN/m3时，摩擦角需要达到30°，而建筑废料中块石本身的摩擦角仅能达到20°。因此，在确定筑堤材料的成分及其占比时，需要重点考虑其容重及摩擦角。

表5 3 种工况下的海堤整体抗滑稳定安全系数Table 5 Safety factor of overall anti sliding stability of sea dike under three working conditions

图3 工况一海堤整体抗滑稳定最危险滑裂面Fig.3 The most dangerous sliding surface of sea dike anti sliding stability under working condition I

3.4 建筑废料筑堤的材料参数取值

基于以上侧向变形、沉降及整体抗滑稳定理论分析，对照实际测量值，可进一步确定建筑废料用于筑堤的材料参数取值。基于本工程案例中的筑堤混合料，其容重分布在16.5~17.0 kN/m3之间，而为满足整体抗滑稳定规范标准，在考虑黏聚力为0 的情况下，容重为16.5 kN/m3时其摩擦角需要不小于16.0°，或容重为17.0 kN/m3时其摩擦角需要不小于23.5°。

3.5 建筑废料筑堤的应用效果

通过理论及实测值的对比，确定了建筑废料用于筑堤的容重取值范围，并确定了该容重下摩擦角的最小值。基于3.1 节筑堤材料要求，结合以上容重及摩擦角的取值要求，对该工程的后半段堤堰进行了更精确的指导，实际应用效果更好。实践表明该筑堤材料的成分要求及物理特性要求能够较好地满足侧向变形、沉降、稳定的要求。

4 结语

本文基于国内某建筑废料筑堤工程实例，介绍了建筑废料用于填筑海堤的材料成分以及其物理力学参数取值范围，主要如下：

1）从实际工程案例出发，建筑废料用作海堤堤身材料是合适可行的。

2）本文提出了一种建筑废料可用于筑堤的材料规格要求。当选择建筑废料中的块石及砂土料作为筑堤材料时，建议块石粒径不大于70 mm，占比不小于50%，杂物及漂浮物含量需小于6%。

3）在确定建筑废料用作筑堤材料的成分及其占比时，需要重点关注筑堤混合料的容重。容重对海堤侧向变形影响显著。在整体抗滑稳定分析时，容重的轻微增加，摩擦角要大幅度增加才能保证海堤的整体抗滑稳定满足规范要求。

4）基于本工程案例中的筑堤混合料，结合变形沉降理论与实测值的分析对比，其容重分布在16.5~17.0 kN/m3之间，而为满足整体抗滑稳定规范标准，在黏聚力考虑为0 的情况下，容重为16.5 kN/m3时其摩擦角需要不小于16.0°，或容重为17.0 kN/m3时其摩擦角需要不小于23.5°。