含建筑固體廢棄物的低滲山體土壤穩(wěn)定性研究

文章將砂粒大小的建筑固體廢棄物以不同摻量和方式摻入兩種不同土樣中，通過滲透性能、固結(jié)性能和抗剪切性能以及壓實(shí)性能等指標(biāo)研究了建筑固體廢棄物對土樣穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：建筑固體廢棄物可提高土樣的滲透系數(shù)，固體廢棄物摻量越高，混合土樣滲透系數(shù)越高；與分散摻入形式對比，以砂樁的形式嵌入土樣更能提升土樣的滲透能力，固體廢棄物砂樁為垂直排水提供了通道；摻入建筑固體廢棄物降低了土樣的固結(jié)沉降和壓縮指數(shù)，降低了土樣的粘聚力并增大了內(nèi)摩擦角，提高了最大干密度并降低了最佳含水率，因此混合土樣在固結(jié)、抗剪和壓實(shí)方面的穩(wěn)定性均得到提高，且最佳摻量為30%。建筑固體廢棄物對于土體的工程穩(wěn)定性有著顯著的改善效果，在實(shí)際工程中具有實(shí)踐意義。

山區(qū)土體；建筑固體廢棄物；巖土性能；土體穩(wěn)定性；排水砂樁

U416.01A060193

作者簡介：

霍建全（1991—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)與管理工作。

0" 引言

土體穩(wěn)定性一直是巖土工程中最常見的一個問題。在地震、雨水等自然因素作用下，不穩(wěn)定的土體可能會發(fā)生坍塌等現(xiàn)象，這會對居民生活和自然環(huán)境造成極大影響。此外，隨著城市的不斷擴(kuò)張，大量人為活動如樹木被砍伐使得土體的強(qiáng)度不斷降低，容易發(fā)生滑坡等自然災(zāi)害。因此，提高土體的穩(wěn)定性成為了許多學(xué)者近年來的研究方向之一。

許多學(xué)者研究不同的方法以提高土體的穩(wěn)定性。馬玉秋等［1］研究了降雨對隧道口邊坡穩(wěn)定性的影響并建議在前期做好排水工作。徐建等［2］研究表明噴射混凝土面板可以表面約束降低塑性變形從而提高土體的穩(wěn)定性。Koda等［3］論述了幾種土體加固的方法，尤其是通過重載物、垃圾和土壤殘渣建筑堤壩。Ramkrishnan等［4］通過數(shù)值模擬的方法分析了不同幾何形狀的山體斜坡在地下水作用下的山體穩(wěn)定性。以上研究表明水分對于山體穩(wěn)定性有著重要影響，同時在土體中摻加一些加固材料可以提高土體穩(wěn)定性。

作為最常見的固體垃圾，我國每年約產(chǎn)生建筑固體廢棄物20×108 t，存量約200×108 t［5］。這部分固體廢棄物不僅占用大量土地，還對環(huán)境造成極大影響。但是，建筑固體廢棄物良好的滲透性、較高的強(qiáng)度是土體加固的理想材料［6-9］。如果能將建筑固體廢棄物回收并應(yīng)用于土體加固中中，不僅可以提高土體穩(wěn)定性、減少自然災(zāi)害，還能為大宗固體廢棄物處理提供解決方案。為此，本文通過制備含建筑固體廢棄物的土壤樣品，分析其對土樣滲透、固結(jié)、剪切及壓實(shí)等方面的影響，以評估該技術(shù)的可行性。

1" 材料和試驗(yàn)方法

1.1" 材料

本文所用材料包括2種野外土壤樣品（A和B）以及建筑固體廢棄物，土樣及建筑固體廢棄物均取自某改擴(kuò)建高速公路?，F(xiàn)場測得的A土樣和B土樣密度分別為1.56 g/cm3和1.44 g/cm3，含水率分別為18.1%和15.3%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室烘干后測得兩種土樣及建筑固體廢棄物的篩分?jǐn)?shù)據(jù)見表1，A土樣為粉粒土，B土樣為黏粒土。將建筑固體廢棄物按土樣質(zhì)量的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%摻入土樣中以制備混合土樣。再將含30%建筑固體廢棄物的混合土樣中的建筑固體廢棄物制成圓柱型砂樁并以等邊三角形方式嵌入各試驗(yàn)土壤樣品中，各樁直徑為24 mm。

1.2" 試驗(yàn)方法

1.2.1" 滲透性試驗(yàn)

對于粉粒土樣，采用常水頭滲透試驗(yàn)來測定其滲透性；對于黏粒土樣，采用變水頭滲透試驗(yàn)來測定其滲透性。除了測試建筑固體廢棄物混合土樣，還測試了包含固體廢棄物砂樁的試樣。每個試驗(yàn)進(jìn)行≥3次的平行試驗(yàn)以減少其誤差，將測試結(jié)果的平均值作為滲透系數(shù)。

1.2.2" 固結(jié)試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)增量載荷試驗(yàn)測得各土樣的固結(jié)行為，土樣高度和直徑分別為20 mm和75 mm。在不同應(yīng)力水平下，每級施壓24 h后記錄試樣高度變化。根據(jù)觀測結(jié)果及計算得到壓縮指數(shù)以評價各土樣的固結(jié)行為。

1.2.3" 直接剪切試驗(yàn)

在不同豎向應(yīng)力下進(jìn)行多次直接剪切試驗(yàn)，以此生成垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力的數(shù)據(jù)圖，并根據(jù)摩爾-庫侖失效準(zhǔn)則繪制失效包絡(luò)線的直線近似圖，通過直線位置來確定粘聚力和內(nèi)摩擦角。

1.2.4" 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定A、B兩原土樣及摻30%建筑固體廢棄物混合土樣的最大干密度及最佳含水率。試驗(yàn)采用輕型擊實(shí)法和四分法制備5個土樣，按2%含水率依次拌和，拌勻后放置一夜備用。

2" 結(jié)果和分析

2.1" 滲透性能分析

根據(jù)試驗(yàn)所測得滲透指數(shù)如圖1所示。A土樣的滲透指數(shù)為1.4×10-7 m/s，B土樣的滲透指數(shù)為8.9×10-8 m/s，均符合各自的土壤類別。當(dāng)摻入建筑固體廢棄物后A、B土樣的滲透指數(shù)均有所提升，并且隨著建筑固體廢棄物摻量的增加逐步增加。當(dāng)建筑固體廢棄物摻量＞30%時，混合土樣的滲透指數(shù)增速變緩。當(dāng)建筑固體廢棄物摻量為35%時，A、B土樣的滲透指數(shù)分別較各自的原始土樣提升2.51倍和3.31倍。建筑固體廢棄物可以提高土壤滲透指數(shù)，這是因?yàn)榻ㄖ腆w廢棄物中含有更多的非黏性材料，這會加速水的滲流速度［10］。

將分散分布在土樣中的固體廢棄物砂粒聚集成固體廢棄物砂樁時，混合土樣的滲透指數(shù)又急速上升，此時的滲透指數(shù)較35%最大摻量時還要高168.92%和132.02%。土樣中含固體廢棄物砂樁時滲透指數(shù)迅速增加，這是因?yàn)楣腆w廢棄物砂樁嵌入土壤后形成了豎向排水通道，水分在垂直方向上可以用更快的速度滲出。因此，建筑固體廢棄物及其砂樁可以提高土體的滲透指數(shù)。在南方多雨地區(qū)，較高的滲透指數(shù)可促進(jìn)水分盡快地排出土體，并降低土體內(nèi)的滲透水壓力，這對于山坡土體尤其是黏質(zhì)土坡體的穩(wěn)定性有著明顯的改善作用。

含建筑固體廢棄物的低滲山體土壤穩(wěn)定性研究/霍建全，沙耀華

2.2" 固結(jié)行為分析

不同土樣的固結(jié)沉降如圖2所示。A、B土樣的固結(jié)沉降量分別是3.96 mm和4.01 mm。當(dāng)摻入建筑固體廢棄物時，兩種土樣的沉降量均隨固體廢棄物摻量的增加而降低。這是由于建筑固體廢棄物的摻入，使混合土樣更耐載荷，因此其沉降量降低。當(dāng)建筑固體廢棄物的摻量為30%時，A、B兩類混合土樣的沉降量分別為3.93 mm和3.49 mm，較原狀土分別降低16.41%和16.46%。然而，當(dāng)建筑固體廢棄物摻量增加到35%時，混合土樣的沉降量反而有提升。當(dāng)建筑固體廢棄物以砂樁的形式嵌入A、B兩種土樣中時，二者的固結(jié)沉降量又較30%摻量時有大幅下降，分別達(dá)到為2.75 mm和2.81 mm，是原狀土固結(jié)沉降量的30.56%、29.93%。

當(dāng)建筑固體廢棄物摻量≤30%時，A、B土樣的壓縮指數(shù)隨固體廢棄物摻量的增加而降低，如圖3所示。與固結(jié)沉降相似，當(dāng)建筑固體廢棄物摻量＞30%時，兩類土樣的壓縮指數(shù)又呈上升的趨勢。因此從固結(jié)角度看，可認(rèn)為建筑固體廢棄物的最佳摻量為30%。建筑固體廢棄物砂樁的嵌入明顯降低了土樣的壓縮指數(shù)，分別達(dá)到0.193和0.199，說明其可以增加土體的抗荷載能力，建筑固體廢棄物及其砂樁均可改善軟土坡體的濕陷現(xiàn)象。

2.3" 剪切強(qiáng)度分析

如圖4所示為樣品通過直接剪切試驗(yàn)獲得的粘聚力和內(nèi)摩擦角。土樣A的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為45.1 kPa和19°。當(dāng)在A土樣中摻入建筑固體廢棄物后，所有土樣的粘聚力均有所下降，同時內(nèi)摩擦角提升。這是因?yàn)榻ㄖ腆w廢棄物中的材料大多是無粘聚力的，因此建筑固體廢棄物的增多降低了混合土樣的粘聚力。由于固體廢棄物砂粒的表面粗糙，提升了土樣的抗剪性能，因此內(nèi)摩擦角增加。B土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角值分別為55.3 kPa和16.6°。土樣B的粘聚力和摩擦角隨固體廢棄物摻量的變化趨勢與A土樣類似，分別在30%摻量時達(dá)到極值。內(nèi)摩擦角主要用來評價土體的穩(wěn)定性，其值越高土體越穩(wěn)定，而粘聚力值則相反。當(dāng)摻量為35%時，兩種混合土壤樣品的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別略有下降和提升，這進(jìn)一步說明了30%為最佳建筑固體廢棄物摻量。

（a）粘聚力

（b）內(nèi)摩擦角

2.4" 壓實(shí)效果分析

盡管建筑固體廢棄物摻量越高，混合土樣的滲透系數(shù)越高，然而從固結(jié)行為和剪切性能看，當(dāng)建筑固體廢棄物摻量＞30%時，固結(jié)效果反而變差并且內(nèi)摩擦角和粘聚力較摻量30%時變化較小。因此，在壓實(shí)時僅對摻量30%的混合土樣進(jìn)行測試，原狀土和30%摻量的混合土樣在不同含水率下壓實(shí)干密度如圖5所示。A土樣在含水率為18.1%時干密度最大，為1.63 g/cm3；B土樣在含水率為18.7%時干密度最大，為1.59 g/cm3。當(dāng)在兩種土樣中混合建筑固體廢棄物后，其最佳含水率均有所下降，并且最大干密度均提高。A、B混合土樣的最大干密度分別提升到了1.78 g/cm3和1.73 g/cm3，而最佳含水率分別降低到了12.9%和13.1%。建筑固體廢棄物顆粒在土壤中相互嵌擠同時填充內(nèi)部空隙，使得混合土樣的干密度變大。砂粒大小的固體廢棄物顆粒吸水率較低，從而降低了整個混合土樣的含水率。

3" 結(jié)語

本文以兩種不同的原樣土為基礎(chǔ)配制了多種含建筑固體廢棄物的混合土樣，探究了建筑固體廢棄物不同摻量及摻入形式對混合土樣滲透、固結(jié)、強(qiáng)度以及壓實(shí)效果的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）建筑固體廢棄物的摻入會提升兩種土樣的滲透指數(shù)，且摻量越高土樣滲透性能提升越明顯。將固體廢棄物以砂樁的形式嵌入土樣可將兩種土樣的滲透指數(shù)提高近7倍和9倍。

（2）在原樣土中摻入建筑固體廢棄物后，混合土樣的固結(jié)沉降和壓縮指數(shù)均顯著降低。以砂樁形式嵌入土樣較分散摻入更能降低沉降量和壓縮指數(shù)。但當(dāng)建筑固體廢棄物摻量＞30%后，沉降量提升。因此，建筑固體廢棄物的最佳摻量為30%。

（3）建筑固體廢棄物可以改善土樣的抗剪切性能，主要表現(xiàn)為降低粘聚力和增大內(nèi)摩擦角。此外，建筑固體廢棄物的摻入還提高了土樣的最大干密度并降低了最佳含水率，這有利于改善土體的穩(wěn)定性。

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20240409