循环荷载作用下建筑垃圾土动力性能

李丽华，韩琦培，李文涛，周鑫隆，田 密，秦浪灵，盛宏志

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068； 2.湖北省生态道路工程研究中心，武汉 430068；3.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 国际工程部，武汉 430068)

1 研究背景

“生态环境保护”一直以来都是我国乃至全世界面临的难题，垃圾填埋不仅需要耗费大量资金建造填埋场，对环境的污染也特别严重。近几年，我国城镇一体化进程不断加快，大规模拆建导致建筑垃圾总量持续增加，如何高效合理处置建筑垃圾成为一大难题[1-3]。

美国、德国、新加坡、日本和欧盟等发达国家早已实现建筑垃圾资源化回收利用，综合利用率高达90%以上。联合国针对废弃物管理和使用方式进行讨论，将可持续发展概念界定为“在不损害子孙后代并满足自身需求的情况下满足当前的发展”[4]。

我国对建筑垃圾的综合利用还处于研究阶段，综合利用率不到5%[5]。如何处理数量庞大的建筑垃圾已成为我国紧迫与严重的社会经济问题和环境问题。经过处理后的建筑垃圾堪比天然集料，具有良好的填充性能。充分利用建筑垃圾可降低天然集料的损耗，减少环境污染，实现资源的可再生利用。建筑垃圾的构成较为复杂，住房和城乡建设部于2005年发布并施行的《城市建筑垃圾管理规定》中明确定义，建筑垃圾是指建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其它废弃物[6]。而建筑拆除垃圾中，废旧混凝土和废旧砖块占的比例较大。国外研究的建筑废弃物中，废弃混凝土和砖块也是最早的研究重点。二次世界大战之后欧洲国家和资源匮乏的日本都相继开展相关研究。

建筑垃圾用于道路填料，既能为建筑垃圾减量化、资源化利用开辟新的途径，又能减少天然集料等固有资源的开发应用[7-8]。李丽华等[8-9]研究发现建筑垃圾作为填料用于道路工程时，骨料粒径较大，会形成土体骨架，增大土体的抗剪强度。当土体荷载达到最大强度时，粗颗粒会发生破碎，较细颗粒会填充于破碎的缝隙，再次形成密实的土体结构[10]。

建筑垃圾作为道路填料在世界各国已有应用实例，其中用于道路面层、路基和挡墙较为普遍。Palmeira等[11]把建筑垃圾应用于挡墙立体结构，并采用两种不同加筋形式进行研究。Herrador等[12]以建筑垃圾作为路面集料进行现场试验。国内京赞公路是连接北京至河北省赞皇县的一条重要通道，采用建筑垃圾换填处理软土地基。陕西省西咸北环线高速公路、天津市蓟汕高速公路和兰州南绕城高速公路等都应用建筑垃圾作为道路回填料[13-15]。李少康[16]依托西宝高速改扩建工程，对建筑垃圾回填路基压实工艺和施工技术进行了研究。但是目前国内对于建筑垃圾动力性能方面的研究十分匮乏，制约了地震、交通等动载作用下建筑垃圾在挡土墙、地基、边坡、道路等工程中的应用和发展。

综上所述，针对建筑垃圾土作为路基填料其动力特性研究方面仍需更多理论支撑。基于此，本文针对建筑垃圾土及砂土用作路基填料进行室内大型动三轴试验，对两种不同填料动应力-动应变、时程曲线、动弹性模量、阻尼比及液化进行具体分析，比较发现建筑垃圾土强度和动弹性模量远高于砂土，阻尼比低于砂土，且建筑垃圾土不易发生液化，可为今后建筑垃圾土在道路岩土工程中的资源化利用提供参考。

2 试验准备

2.1 试验仪器

本次试验采用DJSZ-150大型动、静三轴仪器，设备尺寸为300 mm(高)× 600 mm(直径 )，如图1所示。该设备围压通过伺服机控制，轴向压力通过油泵控制，最大围压和轴压分别达到3.0 MPa和300 kN，频率范围为0.01～5 Hz。

图1 DJSZ-150大型动、静三轴试验仪器Fig.1 DJSZ-150 large-scale dynamic and static triaxial test equipment

2.2 试验材料

本次试验采用的建筑垃圾土取自湖北某拆除废旧宿舍楼，砂土为武汉地区砂土。对收集的建筑垃圾进行预处理破碎—二次破碎处理:—筛分处理，将20 mm以下碎砖与碎混凝土按质量比1∶2混合。建筑垃圾土各物理参数见表1，砂土各项物理参数见表2。

表1 建筑垃圾土物理参数Table 1 Physical parameters of construction waste soil

表2 砂土物理参数Table 2 Physical parameters of sand

2.3 试验方法

根据《公路路基施工技术规范》(JTG D30—2015)对路基压实度的要求，本次试验压实度控制在94%。试样制作完成后，开始进行试样饱和，饱和度控制在95%以上。当超静孔隙水压力和围压相等时，试样发生液化。当负孔隙水压力达到70～80 kPa 时，停止抽真空，安装三轴压力室并充水，然后释放孔隙水压力，同时施加 40 kPa 围压以避免试样坍塌。试样饱和采取抽真空饱和方式，通过给试样施加围压，计算孔隙压力增量。当固结排水量稳定不变时，即可停止固结，本试验采用等压固结，固结围压取80 kPa。待固结完成后，进行动态加载，加载形式为正弦波，频率取1 Hz。当变形达到固结后试样总高度的5%或循环次数达到10 000次即停止试验。

3 试验结果

3.1 动应力-动应变分析

分别对砂土与建筑垃圾土进行动三轴试验，比较分析建筑垃圾土替代天然集料的具体优势。本次试验对循环次数进行筛选，取不同循环次数的试验数据进行绘图。在不同动应力幅值σd作用下，砂土及建筑垃圾土动应力-动应变曲线见图2。从图2可以发现，随着循环次数的增加，动应变逐渐增大，滞回圈由宽胖变得窄瘦。随着动应力的增大，该现象依旧存在，可发现滞回圈由椭圆形变为近直线形。然而，当动应力幅值取较小值，循环次数较少时，滞回圈面积并没有明显变小。这可能是因为在相对较小的动应力作用下，低循环次数振动过程中，试样孔隙越来越小，土体向密实稳定状态发展，试样应变速率较快。当动荷载过大时，试样变形较大，在较少循环次数时已达到试样总高度的5%，即变形破坏。可见，存在一个临界动应力可判别试样是否达到破坏。如图2所示，砂土试样破坏动应力为225 kPa，而建筑垃圾土试样破坏动应力为285 kPa。可见，建筑垃圾土承载能力明显高于砂土，且破坏动应力约为砂土的1.3倍。这可归因于建筑垃圾土中含有较多粗骨料，粗颗粒间相互镶嵌、咬合形成土体骨架，承载能力较高。

图2 砂土和建筑垃圾土动应力-动应变曲线Fig.2 Dynamic stress-strain curves of sand and construction waste soil

3.2 时程曲线

本节分别取动应力幅值为165、225、285 kPa，分析了动应力、动应变和超静孔隙水压力随时间的变化规律。

图3为砂土和建筑垃圾土动应力随时间的变化曲线。从图3(a)和图3(b)可以发现，当砂土动应力幅值由165 kPa增大到225 kPa时，线形逐渐变得疏松，约87 min时，试样破坏。从图3(c)和图3(d)可以发现，当建筑垃圾土动应力幅值由165 kPa增大到225 kPa时，线形逐渐变得密实。当动应力幅值再增大到285 kPa，约105 min时，试样破坏，线形变得疏松。这说明与砂土相比，建筑垃圾土达到变形破坏时不仅能继续受力，且试样破坏所需时间比砂土更长。

图3 砂土和建筑垃圾土的动应力-时间曲线Fig.3 Dynamic stress-time curves of sand and construction waste soil

图4 砂土和建筑垃圾土的动应变-时间曲线Fig.4 Dynamic strain-time curves of sand and construction waste soil

图4为砂土和建筑垃圾土动应变随时间的变化曲线。从图4可以发现，随着循环次数增大，动应变逐渐增大，但增长速率逐渐减小。当动应力幅值较小时(σd=165 kPa)，随着时间增加，动应变增长速率减小趋势明显。当动应力幅值取较大值时(砂土取σd=225 kPa，建筑垃圾土取σd=285 kPa)，动应变增长速率减小趋势较弱，后期接近于直线增长。对比图4(a)—图4(e)可以发现，在小动应力下，试样发生弹塑性变形，建筑垃圾土强度明显高于砂土。当动应力达到较大值时，短时间内试样发生较大不可逆变形，试样变形破坏。

图5为超静孔隙水压力随时间的变化曲线。从图5可以发现，随着时间增长，孔隙水压力呈现增长趋势。当动应力幅值分别为165 kPa和225 kPa时，建筑垃圾土的超静孔隙水压力分别为15 kPa和20 kPa左右，而砂土超静孔隙水压力分别为35 kPa和50 kPa左右，约为建筑垃圾土的2.3倍和2.5倍。当动应力幅值为285 kPa时，建筑垃圾土超静孔隙水压力为30 kPa左右，远小于50 kPa。可见，相比于砂土，建筑垃圾土发生液化的可能性较小。

图5 砂土和建筑垃圾土的超静孔隙水压力-时间曲线Fig.5 Curves of excess pore water pressure of sand and construction waste soil over time

3.3 动弹性模量、阻尼比

动弹性模量与阻尼比都是重要的动力学参数[17]，如图6所示。

图6 动弹性模量及阻尼比示意图Fig.6 Schematic diagram of dynamic elastic modulus and damping ratio

动弹性模量反映土体动应力-动应变关系。在动力试验过程中，土体会产生黏滞性，而黏滞性则被视为阻尼作用，可由滞回圈大小评估。范子中[18]认为阻尼作用可通过阻尼比λ来表征。试样动弹性模量及阻尼比计算公式分别为：

(1)

(2)

式中：Ed为动弹性模量；σdmax为最大动应力；σdmin为最小动应力；εdmax为最大动应变；εdmin为最小动应变；λ为阻尼比；S为滞回圈面积；A为三角形面积。

为评估砂土与建筑垃圾土动力特性，本文分别对不同循环次数和不同动应力下建筑垃圾土及砂土动弹性模量和阻尼比进行计算，计算结果见表3。从表3可以发现，当动应力幅值为165 kPa时，砂土阻尼比在0.23左右波动。当循环次数为100次时，砂土动弹性模量最低为323.9 MPa。当动应力幅值增大到225 kPa时，砂土阻尼比降低到0.2以下，动弹性模量最低为283.2 MPa。此外，从表3可以发现，当动应力幅值为225 kPa时，建筑垃圾土阻尼比为0.14左右，动弹性模量为386.3～449.8 MPa。当动应力幅值增大到285 kPa时，阻尼比增大约0.02，动弹性模量为419～492 MPa。由此可见，建筑垃圾土的动弹性模量远高于砂土，最大是砂土的1.3倍，阻尼比则相反。

表3 砂土、建筑垃圾土的动弹性模量和阻尼比Table 3 Dynamic elastic modulus and damping ratio of sand and construction waste soil

3.4 土体液化分析

液化(是指出现液化的趋势，这里最终并没有达到液化状态)可被视为一种地质灾害，当液化发生时，土体内部孔隙水压力急剧增大，颗粒与颗粒间有效应力快速降低，导致土体抗剪强度为0。由此可见，对土体液化进行分析尤其重要。本文对砂土和建筑垃圾土进行固结不排水试验，分析不同动应力和不同循环次数下试样超静孔隙水压力发展趋势。建筑垃圾土和砂土动孔压比随时间的变化如图7所示。

图7 动孔压比-循环次数曲线Fig.7 Curves of dynamic pore pressure ratio versus cycle number

当孔压与有效围压相等时，即认为土体发生液化。如图7所示，建筑垃圾土与砂土都未达到液化标准，动孔压比不等于1.0。当动应力幅值取225 kPa时，砂土动孔压比最大，约为0.7。而建筑垃圾土动孔压比最大约为0.25。即在相同围压下，建筑垃圾土的动孔压比都比砂土的小。由此可见，压实度取94%，相比于砂土，在循环荷载作用下，建筑垃圾土不易发生液化。

4 结 论

对两种不同填料进行室内大型动三轴试验，将试验结果进行对比分析，可得到如下结论：

(1)随循环次数增大，动应变逐渐增大，滞回圈由宽胖变得窄瘦，且增长速率逐渐减小。随动应力幅值增大，该现象依旧如此。且建筑垃圾破坏动应力约为砂土破坏动应力的1.3倍。因此，建筑垃圾土承载能力要高于砂土。

(2)随循环次数增大，动应变逐渐增大，但增长速率逐渐减小。当试样发生弹塑性变形时，建筑垃圾土强度明显高于砂土。随时间增长，孔隙水压力呈现增长趋势，但是在相同围压下，建筑垃圾土动孔压比最大约为0.25，而砂土动孔压比约为0.7，且砂土超静孔隙水压力大约是建筑垃圾的2.5倍，即在循环荷载作用下，相较于砂土，建筑垃圾土更不利于液化发生。

(3)建筑垃圾土和砂土动弹性模量及阻尼比都随循环次数增加而减小，但是建筑垃圾土动弹性模量要远高于砂土，最高是砂土的1.3倍，而阻尼比却小于砂土。

综上，建筑垃圾土动力性能均高于一般砂土,建筑垃圾土具有代替砂土用作道路工程填料的潜力。