建筑垃圾膨胀土回填地基工程特性及应用研究

翟聚云，樊姝芳，言志信，袁延召，朱晗宇，张清鑫

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467000; 2.东莞市水务技术中心，广东 东莞，523413)

膨胀土具有水敏感性，常常导致滑坡、滑塌、泥石流等灾害，膨胀土不良特性在工程中造成的破坏极为常见[1-4]．建筑垃圾的主要成分破碎后形成的骨料，有较高强度、硬度、水稳定性和耐久性等特点，建筑垃圾资源化利用迫在眉睫．

研究者对膨胀土和建筑垃圾做了大量的工作，对膨胀土不良特性改良有较完善的理论和较丰富的实践．张雁等(2015)[5]对石灰煤矸石改良膨胀土进行研究，认为石灰煤矸石优于石灰改良膨胀土的工程性质；王建立等(2019)[6]对利用环氧树脂—水泥复合改良加固膨胀土进行试验研究，得到土体力学性能得到显著改善，增强了土样的微观复合效应．Mohanty, Soumendra K.等(2017)[7]，Soltani, Amin等(2017)[8]对工业废料对膨胀土改良进行研究；Kolay P K等(2016)[9]对利用砂和粉煤灰改良膨胀土进行研究； Alazigha, Dennis Pere.等(2016)[10]对木质素磺酸盐处理膨胀土进行研究；陈永青等(2019)[11]对生物酶改良膨胀土进行研究．

建筑垃圾资源化是研究的一个热点问题，为了推进建筑垃圾资源化的利用，国内外对建筑垃圾回收再利用的研究取得了很多成果[12-13]．陈雅芝(2019)[14]对国内外建筑垃圾资源化利用政策进行研究；郑龙海等(2019)[15]，胡魁等(2016)[16]对建筑垃圾分类系统进行了研究，针对建筑垃圾再生利用对建筑垃圾分类提出了较高要求，以达到降低成本的目的；李述俊等(2019)[17]对建筑垃圾再生微粉基本性能进行研究；朱斌泉等(2018)[18]对建筑废弃物路用性能及施工工艺研究；Poon C.S.等(2002)[19]对利用建筑垃圾生产砖块进行研究；I.F.Sáez del Bosque, et al.(2019)[20]，对建筑垃圾作为水泥掺量进行研究，张剑挥等(2016)[21]对建筑垃圾在沙漠防风中的利用进行研究．

在已有的研究中，对建筑垃圾膨胀土混合土体特征的研究鲜有报道．本文以平顶山膨胀土为研究对象，对其混合土体进行研究，既有效改良了膨胀土的不良特性，又回收和利用了建筑垃圾，将建筑垃圾变废为宝，长久稳定地作为地基的一部分，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益．

1 试验材料的选取

试验建筑垃圾选用拆除的煤矸石多孔砖砌墙进行破碎，主要成分为砖块及砌筑砂浆．建筑垃圾破碎使用PE型鄂式破碎机，然后人工分选和级配，试验选用颗粒组成见表1.

表1 建筑垃圾试验颗粒组成

选用膨胀土为棕红色粘土，取自平顶山市建设路与东风路交叉口处，化学成分及含量为SiO2：53.26%；Fe2O3：20.37%；CaO：11.02%；Al2O3：3.46%；CuO：1.275%；K2O：0.840；其他：9.775%．

膨胀土的塑限22.85%，17 mm液限45.72%，10 mm液限38.2%，自由膨胀率55%．颗粒直径2～0.05 mm占45%，0.05～0.005 mm占36%，小于0.005 mm占19%．

对风干的膨胀土和风干的建筑垃圾按质量比进行混合，试样按建筑垃圾占总混合土体质量含量20%，30%，40%，50%，60%，70%，80% 7组试样，分别进行变形、固结及强度试验．7组混合试样的颗粒级配曲线见图1．不均匀系数，为

Cu=d60/d10

(1)

曲率系数，为

(2)

式中：d10、d30、d60分别为颗粒级配曲线上相应于10%、30%、60%含量的粒径，mm．

同时满足Cu>5, 1>Cc>3，级配良好[16]，由图1和图2可知，级配良好的建筑垃圾掺量范围为40%～52%．

图1 不同配比下颗粒级配曲线Fig.1 Particle gradation curve at different proportions

图2 级配曲率系数随建筑垃圾质量含量变化Fig.2 Changes of gradated curvature coefficient with the content of mass percentage of expansive soil

2 试验结果

2.1 收缩变形特征

将确定配比的混合土样，制成预定的含水量，取试样干密度为1.6 g/cm3,，制作试样采用体积为30 cm×2 cm3的环刀，计算将某含水量混合土样需要的质量，将其均匀压入环刀中，收缩试验精确测得建筑垃圾含量20%初始含水量29.00%，建筑垃圾含量30%初始含水量27.90%，建筑垃圾含量40%初始含水量26.16%，建筑垃圾含量50%试样初始含水量27.59%．

将土样从环刀中推出，室内温度为200，室内收缩试验在收缩仪上进行，随着收缩试验的进行，测得不同时间竖向变形量和试块质量，从而计算得到相应的含水量，不同建筑垃圾含量的混合土体，收缩率随含水量减小的变化见图3．

线缩率为试样收缩过程中，竖向收缩变形量和原始高度的比值：

(3)

式中：δs为线缩率; Δh为收缩变形量；h0为试样原始高度．

图3 线缩率随含水量的变化曲线Fig.3 Curve of linear shrinkage with water content

图4 收缩系数随建筑垃圾掺量的变化曲线Fig.4 Shrinkage coefficient varies with the content of construction waste

2.2 膨胀变形特征

将混合土样均匀压至30×2 cm3的环刀中，采用侧限变形试验，膨胀试验在无荷膨胀仪进行，试验得出建筑垃圾含量20%，30%，40%的试样在不同含水量的膨胀率见图5．膨胀率为试样膨胀过程中膨胀变形量与原始高度之比．

图5 膨胀率随含水量变化图Fig.5 Variation of expansion rate with water content

为了更准确表达土体的膨胀特性，引入膨胀系数ɑ，含水量每增加1%的膨胀率增加量叫膨胀系数．膨胀率与试样的初始含水量有密切关系，而膨胀系数只与试样本身的土质成分与结构有关，膨胀率随含水量变化见图5，图中曲线的斜率为膨胀系数，可得建筑垃圾含量40%的土样膨胀系数为ɑ=0.064．

由文献23，根据膨胀系数和收缩系数的特征参数判断，膨胀系数与自由膨胀率有下列关系：

α=0.318+0.003 7Fs

(4)

式中：α为膨胀系数，%；Fs为自由膨胀率，%

收缩系数与自由膨胀率有下列关系：

λs=0.428+0.004 9Fs

(5)

式中,λs为收缩系数，%；

由此可知，自由膨胀率为40%时，α=0.466；λs=0.624．

建筑垃圾含量为40%试样膨胀系数为0.064，收缩系数为0.220 9，因此可以判定为非膨胀土．

图6 压缩系数随压力的变化Fig.6 Changes of compression coefficient with pressure

2.3 固结特征

对不同建筑垃圾掺量的试样进行固结试验，试验的制备干密度为1.5 g/cm3，含水量25.0%，荷载级数选用50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，每加一级荷载后稳定后读最终读数，再加下一级荷载．不同级数压力的压缩系数如图6所示，不同建筑垃圾质量含量变形特征及原因分析见表2．

表2 不同建筑垃圾质量含量变形特征及原因分析

图7 不同建筑垃圾含量的试样抗剪强度曲线Fig.7 Shear strength curves of samples with different contents of construction waste

由此可见，采用建筑垃圾含量40%～50%能够使膨胀土与建筑垃圾之间的颗粒挤密效果较好，填筑时应分层充分压实．

2.4 强度特征

为了揭示填实后混合试样的强度特征，对不同配比的试样进行了直剪试验，试验的制备采用干密度为1.5 g/cm3，其抗剪强度曲线如图7所示，不同建筑垃圾含量的强度特征见表3．

从抗剪强度曲线可以看出，建筑垃圾含量应大于30%．从混合试样胀缩变形特征分析，建筑垃圾含量不易小于40%；从强度特征分析，建筑垃圾含量大于30%．从颗粒级配特征分析，建筑垃圾含量40%～52%颗粒级配良好．从压缩特征来分析，建筑垃圾含量不小于40%；综合分析得到建筑垃圾含量40%～50%配比为优选配比．

表3 不同建筑垃圾含量的强度特征

2.5 优选配比混合土体工程特征

取建筑垃圾质量含量45%的混合土体进行击实试验，击实锤重2.7 kg，落距45 cm，锤底直径50 mm，击数27次，得出最优含水量16.5%，最大干密度1.72 g/cm3．

(1)干湿循环后强度特性

地表浅层土层稳定计算应采用干湿循环稳定后的强度参数，经对压实土体在含水量区间20%～10%的抗剪强度试验，得干湿循环稳定后的抗剪强度方程为：

τf=σ×tan190+50.133

(6)

(2)胀缩变形特性

取击实后土样，其含水量16.5%、干密度1.72 g/cm3，进行膨胀试验，测得其膨胀率为1.5%．

图8 不同初始含水量混合土样收缩率曲线Fig.8 The Shrinkage curves of mixed soil

对击实后取得的混合土样，用滴管缓慢加水至需要含水量，密封静置24 h至水分均匀，进行不同初始含水量的收缩试验，线缩率随含水量的变化见图8，由图8可知，收缩初始阶段为直线，且相互平行，直线的斜率为收缩系数．当收缩进行到一定程度，收缩变形基本稳定，但是此时膨胀土没有达到稳定状态，原因是当含水量较大时，含水量对试样体积起控制作用，随着膨胀试验进行，含水量逐渐降低，建筑垃圾的大颗粒对体积起控制作用，土体体积变化极小．因此虽然含水量还没有达到膨胀土收缩稳定的含水量，而混合土体体积已经达到稳定，而且不同初始含水量的土体，收缩稳定时含水量也不同．

3 工程应用算例

3.1 填土边坡稳定性

取建筑垃圾含量45%压实混合土体，利用理正软件对边坡稳定系数进行计算．计算模型见图9．

地震烈度取6度，地震作用综合影响系数为0.25，地震作用重要性修正系数1.0，水平地震系数0.050，地震力作用土条质心处，超载取30 kPa，水平加速度系数矩形分布，容重取1.8 kN/m3．边坡坡高与边坡稳定性系数的关系见图10.

图9 边坡稳定性计算简图Fig.9 The calculation diagram of slope stability

图10 不同坡高稳定系数随坡角变化曲线Fig.10 Curve of slope angle with different slope height stability coefficient

3.2 填土地基胀缩变形量

计算填土地基沉降，以平顶山为例，平顶山大气深度为3.5 m，膨胀土地基变胀缩变形量应取基础某点的最大膨胀上升量与最大收缩下沉量之和．

膨胀变形量计算：因为膨胀土的多裂隙性，当土体浸水后，水分沿裂缝渗入土中，充分吸水膨胀，大气影响范围内，膨胀变形量按最大膨胀量计算：1.5%×3 500 mm=52.5 mm．地基土的胀缩变形量应按下式计算：

(7)

式中：ses为地基土的胀缩变形量，mm；ψes为计算胀缩变形量的经验系数，可取0.7；n为自基础底面至计算深度内所划分的土层数，计算深度可取大气影响深度；δp为膨胀率；λsi为第i层土的收缩系数，应由室内试验确定；hi为第i层变形计算深度；Δwi为地基土收缩过程中，第i层土可能发生的含水量变化的平均值．

取初始含水量为30%，最小含水量为10%，1米处含水量变化值为0.2，地基土含水量变化经计算如图11所示[16]．由图8可知，初始含水量为30%的收缩稳定含水量为26%，含水量变化为0.04，其相应的深度为3.15 m．

图11 地基土含水量变化计算图Fig.11 Calculation diagram of moisture content change of foundation soil

因此，0～3.15 m深度范围内，由图8应采用相同的线缩率7.5%，收缩变形量SS1为：SS1=7.5%×3 150=236.3 mm．地基深度3.15～3.5 m范围内，含水量变化在0.01～0.04之间，图8中初始含水量30%试样的线缩率直线段的方程为：δ=-1.2 972w+39.071(R2= 0.976)．该深度范围内收缩变形量SS2为

=0.011 30m=11.30 mm

地基总收缩变形量为

地基总胀缩变形量：

Ses=0.7×52.5+173.32=210.07mm

4 结论

(1)选取一特定级配的建筑垃圾与膨胀土混合，对混合土体进行试验研究，得到不同配比试样的颗粒级配、胀缩、固结及抗剪强度特性，膨胀土中掺入建筑垃圾后，工程特性得到了显著提高．

(2)建筑垃圾掺量40%～50%时为优选配比．

(3)对建筑垃圾质量含量45%夯实混合土体，根据干湿循环后强度参数及胀缩变形特征，对工程中填土路堤边坡稳定系数及填土地基变形量进行了计算．

(4)本文的研究对煤矸石多孔砖建筑垃圾回收再利用提供了重要的参考．