建筑廢料用于筑堤的材料特性研究

王媛，李海玲，陳浩然

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

城市建筑廢料是在建筑產(chǎn)品建造和拆除過程中產(chǎn)生的廢棄物，主要包括瓦礫、混凝土塊、瓦片瓷片、地基開挖土石料等。在我國經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城市，建筑垃圾數(shù)量已占城市垃圾總量的30%~40%[1]。例如深圳2005 年建筑垃圾總量為410 萬m3，平均每天1.13 萬m3[2]。目前我國建筑垃圾常規(guī)處理方法主要以露天直接堆放或簡單填埋為主[3-5]，我國建筑垃圾資源化率不足5%[6]，與國外部分發(fā)達(dá)國家建筑垃圾資源化率的50%~70%存在很大差距[7]。簡單的填埋處理每年約消耗5 km2的土地，占用大量的寶貴土地資源的同時(shí)，形成大量生態(tài)與生產(chǎn)隱患[8]。建筑廢料用于筑堤是一種有效利用廢料的良方。本文在總結(jié)國內(nèi)規(guī)范對筑堤材料要求的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法計(jì)算建筑廢料作為堤心料時(shí)海堤的沉降變形及整體抗滑穩(wěn)定，并通過實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行理論和實(shí)際的對照，進(jìn)一步提出了建筑廢料用于筑堤時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的物理力學(xué)特性及其取值范圍[9]。

1 國內(nèi)規(guī)范對筑堤材料的要求

根據(jù)GB/T 51015—2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中要求，采用淤泥、淤泥質(zhì)土作為筑堤材料時(shí)，應(yīng)提出加大排水固結(jié)速率等措施。粉細(xì)砂及石渣作為筑堤材料時(shí)，應(yīng)采取滲流控制措施。碾壓式均質(zhì)土堤宜選用黏粒含量為10%~35%、塑性指數(shù)為7~20 的黏性土，且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜質(zhì)；填筑土料含水率與最優(yōu)含水率的允許偏差應(yīng)為±3%。石渣料作為堤身填料時(shí)，其孔隙率宜控制在23%~28%。

以上國內(nèi)規(guī)范對于各類筑堤材料的含水率、孔隙率等物理特性做出了要求，但是對于建筑廢料可用于筑堤的材料沒有明確。

2 某建筑廢料筑堤工程概況

該海堤工程位于我國某沿海城市，工程區(qū)域水深在-3.0~0.0 m 之間，平均水位0.0 m。工程地質(zhì)軟土層深厚，場地的表土沉積物推斷主要為淤泥，厚度約10.0~20.0 m，呈流塑至軟塑狀，以下為沖積土層，厚度約4.5~53.5 m，主要呈可塑至硬塑，土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 工程區(qū)域天然土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of natural soil in the project area

建筑廢料來源于該市建筑活動(dòng)中開挖及拆建物料，包括：1）石料、磚塊、素混凝土、砂土；2）地基開挖土、開挖淤泥；3）瓦片瓷片、鋼筋、金屬、塑料、模板、玻璃等。

擬建海堤后方陸域?yàn)槌鞘泄I(yè)用地，海堤設(shè)計(jì)使用年限50 a ，防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為50 a 一遇，工程等級2 級，采用瑞典圓弧法計(jì)算時(shí)，正常運(yùn)營條件下海堤整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求不小于1.25。

3 建筑廢料筑堤材料特性研究

3.1 建筑廢料筑堤的材料要求

依據(jù)海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范對筑堤的材料要求，結(jié)合筑堤工程經(jīng)驗(yàn)[11]，在該工程中利用建筑棄料筑堤要求從建筑廢料中分選符合要求的筑堤材料，對筑堤材料的要求如下：

1）雜物含量以重量計(jì)不可大于5%。

2）漂浮物含量以重量計(jì)不可大于1%。

3）粒徑最大不得超過150 mm，土料塑性指數(shù)不超過17。

4）采取分層碾壓的填筑方式，壓實(shí)度不低于85%。

5）物料比例為石料不得低于50%，砂土料不得超過50%。

6）土石方采取現(xiàn)場直接分選方式，對于夾雜少量大塊石土石料，可采取人工分揀方式，對于大小粒徑均勻的混合土石料可采取簡易過網(wǎng)篩分方式，當(dāng)土石料分選生產(chǎn)效率難以滿足圍堤回填速率時(shí)，采取移動(dòng)機(jī)械剝離篩進(jìn)行材料分選。

7）分選出的筑堤材料在拋填前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，檢測內(nèi)容為粒徑、塑性指數(shù)、雜物及漂浮物含量等；粒徑檢測要求為每10 000 m3一組，塑性指數(shù)、雜物及漂浮物含量檢測要求為每20 000 m3一組。

根據(jù)以上筑堤材料要求，從建筑廢料中篩選出合適的土石料用以筑堤，擬建海堤的典型設(shè)計(jì)斷面如圖1 所示。

圖1 建筑廢料筑堤的海堤設(shè)計(jì)斷面Fig.1 Design section of sea dike with construction waste

3.2 建筑廢料筑堤的材料參數(shù)取值范圍

筑堤材料中各材料物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。基于筑堤材料要求，地基開挖土、塊石、雜物在筑堤時(shí)并不是分層回填，而是級配良好后混合回填。結(jié)合塊石含量不少于50%、砂土料不大于50%的筑堤要求，對這種建筑廢料的混合料的材料參數(shù)取塊石與土料之間，見表2。

表2 建筑廢料筑堤材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of construction waste sea dike materials

3.3 建筑廢料筑堤的理論計(jì)算及實(shí)測值對比分析

對海堤結(jié)構(gòu)而言，主要需要考慮側(cè)向變形、沉降、整體抗滑穩(wěn)定、堤身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密實(shí)度等要求。由于海堤的沉降變形及穩(wěn)定是影響海堤正常使用的最關(guān)鍵因素，且在筑堤前期往往需要通過理論計(jì)算確定筑堤材料的合理參數(shù)以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此本文主要選取沉降、側(cè)向變形及整體抗滑穩(wěn)定3 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析?；赑laxis 及Slide 有限元軟件，對建筑廢料填筑的海堤進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并通過理論與實(shí)測值的比較，進(jìn)一步確定筑堤混合料的物理力學(xué)參數(shù)取值范圍。其中，實(shí)測值是通過在海堤堤身上裝置的深層沉降儀、測斜儀兩種儀器讀數(shù)測得。

1）側(cè)向變形理論計(jì)算及實(shí)測值對比分析

影響海堤側(cè)向變形大小的因素很多，本文主要考慮筑堤混合料的容重、彈性模量、泊松比。為了確認(rèn)這3 個(gè)力學(xué)參數(shù)對沉降變形的敏感性和影響大小，數(shù)值模擬分為以下3 個(gè)工況。

工況一：筑堤混合料的容重γ=16.5 kN/m3，彈性模量E=4.0×104kPa，泊松比υ 取值0.2~0.4時(shí)，海堤的沉降變形值。

工況二：筑堤混合料的容重γ=16.5 kN/m3，泊松比 υ=0.2，彈性模量 E 取值 2.0×104~8.0×104kPa 時(shí)，海堤的沉降變形值。

工況三：筑堤混合料的泊松比υ=0.2，彈性模量 E=4.0×104kPa，容重 γ 取值 16.5~17.5 kN/m3時(shí)，海堤的沉降變形值。

基于Plaxis 有限元軟件，對以上工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，其計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各工況下的海堤側(cè)向變形理論計(jì)算及實(shí)測值Table 3 Theoretical calculation and measured value of sea dike lateral deformation under working conditions

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)筑堤混合料的泊松比及彈性模量成正倍數(shù)增長時(shí)，海堤的側(cè)向變形計(jì)算值變化幅度在1.57%；而當(dāng)混合料的容重稍微變化時(shí)，變形計(jì)算值的變化幅度達(dá)到了31.86%。這表明筑堤混合料的容重對海堤側(cè)向變形有更顯著影響，而其泊松比及彈性模量對側(cè)向變形影響不大。

另一方面，通過理論及實(shí)測值對比發(fā)現(xiàn)，筑堤混合料的容重在16.5~17.0 kN/m3時(shí)，其側(cè)向變形值與實(shí)測值更接近。

2）沉降理論計(jì)算及實(shí)測值對比分析

影響海堤沉降大小的因素很多，本文分析時(shí)主要考慮將筑堤混合料的容重作為因變量考慮?；趯?shí)測點(diǎn)的淤泥平均厚度10.0 m，結(jié)合本案例中天然軟土層的e-p 曲線（見圖2），對不同容重下的沉降理論計(jì)算值與實(shí)測值對比，見表4。

圖2 天然軟土層e-p 曲線Fig.2 The e-p curve of natural soft soil

表4 海堤沉降理論計(jì)算及實(shí)測值Table 4 Theoretical calculation and measured value of sea dike settlement

計(jì)算結(jié)果表明，在天然軟土層厚度不變的情況下，改變筑堤混合料的容重對沉降影響不大，但這與軟土層厚度及堤身高度有一定關(guān)系。另一方面，通過理論及實(shí)測值對比發(fā)現(xiàn)，筑堤混合料的容重在16.5~17.0 kN/m3時(shí)，其沉降理論計(jì)算值與實(shí)測值更接近。

3）整體抗滑穩(wěn)定理論計(jì)算

影響海堤整體抗滑穩(wěn)定的因素有很多，本文主要選取筑堤混合料的容重、摩擦角做分析，主要分為以下3 個(gè)工況。

工況一：筑堤混合料的容重γ=16.5 kN/m3，黏聚力c=0 kPa 時(shí)，海堤的抗滑穩(wěn)定。

工況二：筑堤混合料的容重γ=17.0 kN/m3，黏聚力c=0 kPa 時(shí)，海堤的抗滑穩(wěn)定。

工況三：筑堤混合料的容重γ=17.5 kN/m3，黏聚力c=0 kPa 時(shí)，海堤的抗滑穩(wěn)定。

基于Slide 有限元軟件，對以上工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果見表5，圖3 為工況一的海堤整體抗滑穩(wěn)定最危險(xiǎn)滑裂面，上部分為安全系數(shù)分布云圖，下部分為計(jì)算斷面。計(jì)算結(jié)果表明：在黏聚力保持不變的情況下，增加筑堤混合料容重時(shí)，摩擦角要大幅度增加才能保證海堤的整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。在容重達(dá)到17.5 kN/m3時(shí)，摩擦角需要達(dá)到30°，而建筑廢料中塊石本身的摩擦角僅能達(dá)到20°。因此，在確定筑堤材料的成分及其占比時(shí)，需要重點(diǎn)考慮其容重及摩擦角。

表5 3 種工況下的海堤整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Table 5 Safety factor of overall anti sliding stability of sea dike under three working conditions

圖3 工況一海堤整體抗滑穩(wěn)定最危險(xiǎn)滑裂面Fig.3 The most dangerous sliding surface of sea dike anti sliding stability under working condition I

3.4 建筑廢料筑堤的材料參數(shù)取值

基于以上側(cè)向變形、沉降及整體抗滑穩(wěn)定理論分析，對照實(shí)際測量值，可進(jìn)一步確定建筑廢料用于筑堤的材料參數(shù)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之間，而為滿足整體抗滑穩(wěn)定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在考慮黏聚力為0 的情況下，容重為16.5 kN/m3時(shí)其摩擦角需要不小于16.0°，或容重為17.0 kN/m3時(shí)其摩擦角需要不小于23.5°。

3.5 建筑廢料筑堤的應(yīng)用效果

通過理論及實(shí)測值的對比，確定了建筑廢料用于筑堤的容重取值范圍，并確定了該容重下摩擦角的最小值?；?.1 節(jié)筑堤材料要求，結(jié)合以上容重及摩擦角的取值要求，對該工程的后半段堤堰進(jìn)行了更精確的指導(dǎo)，實(shí)際應(yīng)用效果更好。實(shí)踐表明該筑堤材料的成分要求及物理特性要求能夠較好地滿足側(cè)向變形、沉降、穩(wěn)定的要求。

4 結(jié)語

本文基于國內(nèi)某建筑廢料筑堤工程實(shí)例，介紹了建筑廢料用于填筑海堤的材料成分以及其物理力學(xué)參數(shù)取值范圍，主要如下：

1）從實(shí)際工程案例出發(fā)，建筑廢料用作海堤堤身材料是合適可行的。

2）本文提出了一種建筑廢料可用于筑堤的材料規(guī)格要求。當(dāng)選擇建筑廢料中的塊石及砂土料作為筑堤材料時(shí)，建議塊石粒徑不大于70 mm，占比不小于50%，雜物及漂浮物含量需小于6%。

3）在確定建筑廢料用作筑堤材料的成分及其占比時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注筑堤混合料的容重。容重對海堤側(cè)向變形影響顯著。在整體抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，容重的輕微增加，摩擦角要大幅度增加才能保證海堤的整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4）基于本工程案例中的筑堤混合料，結(jié)合變形沉降理論與實(shí)測值的分析對比，其容重分布在16.5~17.0 kN/m3之間，而為滿足整體抗滑穩(wěn)定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在黏聚力考慮為0 的情況下，容重為16.5 kN/m3時(shí)其摩擦角需要不小于16.0°，或容重為17.0 kN/m3時(shí)其摩擦角需要不小于23.5°。