建筑垃圾与土工合成材料界面性能试验研究

周 芬，朱 恒，杜运兴

（湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

随着我国工业化和城市化的推进，建筑行业快速发展，工程的建设、改造和拆除产生大量的建筑垃圾。当前学者们对于建筑垃圾的研究主要集中在利用再生垃圾骨料生产再生混凝土［1-2］以及将其用于路基基层填料［3-4］两方面。但是再生混凝土具有孔隙多、强度低和变异性大等缺点，因此仅适用于受力较小的结构中，无法在工程中进行广泛的应用。而将其作为路基填料进行回填虽然可以处理大量的建筑垃圾，但是建筑垃圾强度低、级配差的特点会导致道路工程的质量难以得到保障。众所周知，在土体中铺设土工合成材料形成加筋土结构可以提高土体的强度和稳定性，所以为将建筑垃圾应用至加筋土结构，本文通过大型直剪试验研究建筑垃圾与土工合成材料的界面性能。

对于建筑垃圾用做加筋土结构的填料方面，目前仅国外有少量研究涉及。SANTOS［5-6］等人在湿陷性地基上采用建筑垃圾作为填料，分别选用经编涤纶土工格栅和无纺土工布作为加筋材料建造了两座3.6 m高的加筋土挡土墙。该原型试验监测了加筋土挡墙工作期间的变形和土压力，其结果表明采用建筑垃圾作为加筋土挡土墙填料具有可行性。VIEIRA［7］等人通过直剪和拉拔试验研究了建筑垃圾中的细料与3种土工合成材料的界面性能。其研究结果表明建筑垃圾中的细料具有和天然填料相近的界面峰值剪应力。ARULRAJAH［8］等人则采用双向土工格栅和三向土工格栅作为加筋材料分别对再生混凝土骨料、废砖、再生沥青3类建筑垃圾进行了大型直剪试验。

在加筋土结构日常工作过程中，天气因素会导致其填料含水率的变化进而影响填料与土工合成材料的界面性能。ABU-FARSAKH等人［10］通过大型直剪试验分析了含水率和干密度对于填料和土工合成材料界面力学性能的影响。研究结果表明其界面峰值剪应力随着填料含水率的升高或干密度的减小而减小，同时，其减小的程度与土工合成材料的类型有关。基于上述研究结果，该作者建议采用密度为95%最大干密度、含水率比最优含水率高2%的填料的大型直剪试验结果作为加筋土结构的设计参数。王协群等人［11］则通过一系列大型直剪试验研究了格栅的类型和填料的类型、含水率、压实度以及试验的剪切速率对筋土界面性能的影响。除此之外，他们还对于土工格栅横肋和纵肋对于界面抗剪强度的贡献进行了量化评价。

考虑到当前对于建筑垃圾与土工合成材料的界面性能研究的缺乏，本文采用大型直剪试验研究建筑垃圾的含水率以及土工合成材料的类型对于建筑垃圾与土工合成材料的界面性能的影响。为分析建筑垃圾含水率对建筑垃圾与土工合成材料的界面性能的影响，本试验选取1%、6%、12%和18%的4种含水率状态下的建筑垃圾作为填料。同时，本试验采用双向塑料土工格栅 （GG1）、双向玻纤土工格栅 （GG2）和无纺土工布 （GT）3种土工合成材料作为加筋材料。本文也对加筋建筑垃圾的直剪试验结果与未加筋建筑垃圾的直剪试验结果进行了对比。以下部分对于本试验的研究过程以及结果进行了详细的描述及讨论。

1 试验研究

1.1 大型直剪试验装置

本试验所采用试验装置为Geotest公司生产的应变控制式大型直剪仪 （见图1）。该装置的剪切盒净空尺寸为300 mm×300 mm×180 mm，剪切盒分为上下两部分，下部剪切盒的顶面可铺设土工合成材料。为均匀分布垂直压力，在向剪切盒中装填建筑垃圾时在剪切盒底部和顶部分别垫入厚度为25 mm的塑胶盖板，所以装填的建筑垃圾实际高度为130 mm。如图2所示，为保证在直剪试验过程中剪切面的面积不改变，当在下部剪切盒铺设土工合成材料时可将土工合成材料延伸至净空区域外。同时，为固定土工合成材料，保证其在剪切过程中不发生变形，下部剪切盒的前端和两侧均设置了高摩擦力的平板夹具来固定土工合成材料。本装置采用4个力传感器测量剪切过程中的法向力，2个力传感器测量剪切过程中的剪切力，计算机读取相应力传感器的数值并计算法向应力和剪应力。试验过程中的法向位移和剪切位移通过数字千分表读取并连接计算机采集。

图1 大型直剪装置Figure 1 Large-scale direct shear apparatus

图2 下部剪切盒示意图Figure 2 Diagrammatic drawing of the lower shear box

1.2 试验材料

本试验所用填料为长沙市某拆迁工地因建筑物拆迁产生并经破碎装置破碎而成的建筑垃圾（C＆DW）。建筑垃圾的级配曲线如图3所示，其主要物理性质如表1所示。

在本试验中共使用3种土工合成材料：双向塑料土工格栅 （GG1）、双向玻纤土工格栅 （GG2）和无纺土工布 （GT）。表2给出了本次试验所用上述材料的主要物理力学性质。

图3 级配曲线Figure 3 Curve of grading

表1 建筑垃圾物理性质Table 1 Physical properties of C＆DW

表2 土工合成材料物理力学性质Table 2 Physical and mechanical properties of geosyntheyics

1.3 试验步骤

本试验试验步骤参照ASTM D5321规范要求，具体流程如下：

a.在试验进行前1 d对建筑垃圾采用喷壶均匀喷水至目标含水率，之后焖料备用。

b.在下部剪切盒垫入25 mm厚的塑胶盖板，之后在保证各含水率建筑垃圾的干密度相同的前提下，称取一定质量的建筑垃圾分层装入下部剪切盒。

c.下部剪切盒的建筑垃圾装填完毕后，在下部剪切盒上表面铺设土工合成材料，利用端部和侧部的压板固定土工合成材料，以保证土工合成材料平整、牢固，并且在剪切过程中不会产生变形。当进行建筑垃圾的直剪试验时无需执行该步骤。

d.将上部剪切盒放置于下部剪切盒之上，并利用销钉将二者连接牢固。之后称取一定质量的建筑垃圾分层装入上部剪切盒，最后在上部剪切盒上加盖厚度为25 mm的塑胶盖板以均匀分布法向压力。

e.利用推车将剪切盒放置于大型直剪仪中，并将上部剪切盒与大型直剪仪连接，去除上下部剪切盒之间的销钉连接。

f.施加试验所需的法向力和剪切力，调节剪切速率为1 mm／min。计算机采集剪切过程中的剪应力、法向应力、剪切位移和法向位移，直至剪切位移达到60 mm停止试验。

2 结果和讨论

2.1 建筑垃圾直剪试验结果

图4是分别处于1%、6%、12%和18%的4种含水率状态下的建筑垃圾大型直剪试验的剪应力-剪切位移曲线。由图3可知：4种含水率状态下的剪应力-剪切位移曲线均呈现出明显的峰值剪应力，但是当建筑垃圾处于1%、6%和12%3种含水率状态时，其剪应力-剪切位移曲线在达到峰值剪应力后会出现明显的下降，呈现应变软化的趋势；而当建筑垃圾处于18%含水率状态时，其剪应力-剪切位移曲线在达到峰值剪应力后会趋于稳定。随着含水率的升高，在各法向应力下界面的峰值剪应力呈下降趋势，同时达到峰值剪应力所需的剪切位移也随之增大。除此之外，随着剪切的进行，在相同法向应力下各含水率的剪应力趋于一致。

图4 含水率对建筑垃圾剪切应力的影响Figure 4 Influence of moisture content on the shear strength of C＆DW

图5中列出了4种含水率状态下的建筑垃圾与各法向应力相对应的峰值剪应力，同时对其进行了线性拟合。基于以上数据，根据莫尔-库伦强度理论得出4种含水率状态下建筑垃圾的内摩擦角（φ）和粘聚力 （c）如表3所示。由表3看出虽然建筑垃圾内摩擦角受含水率影响较小，但是随着含水率的升高，其粘聚力显著减小。该现象与其他学者对于非饱和土抗剪强度性质的研究结果一致［12-13］。

图5 建筑垃圾抗剪强度线Figure 5 Peak strength envelops of C＆DW

表3 建筑垃圾抗剪强度参数Table 3 Shear strength parameters of C＆DW

2.2 建筑垃圾-土工合成材料大型直剪试验结果

2.2.1 建筑垃圾含水率的影响

图6所示为建筑垃圾-玻纤土工格栅直剪试验在4种含水率状态下 （1%、6%、12%和18%）的剪应力-剪切位移曲线。与未加筋建筑垃圾直剪试验结果相比，图6中各含水率的剪应力-剪切位移曲线在达到峰值剪应力后均无明显的降低，呈现应变硬化的趋势。在相同法向应力的情况下，随着含水率的升高，剪应力呈下降的趋势。在50 kPa法向应力下，18%含水率状态下的建筑垃圾相比含水率为1%的建筑垃圾的界面峰值剪应力下降了约10.6%。而在150 kPa法向应力下，18%含水率状态下的建筑垃圾相比含水率为1%的建筑垃圾的峰值剪应力有更明显的下降 （21.6%），此时其相比于12%含水率状态下的建筑垃圾的峰值剪应力则下降了约14.5%。

图6 含水率对C＆DW-GG2界面剪切应力的影响Figure 6 Influence of moisture content on the shear strength of C＆DW-GG2 interface

图7和图8分别展示了建筑垃圾-无纺土工布和建筑垃圾-塑料土工格栅直剪试验在4种含水率状态 （1%、6%、12%和18%）下的剪应力-剪切位移曲线。与建筑垃圾-玻纤土工格栅直剪试验结果相似，在以上两种土工合成材料的直剪试验中，峰值剪应力同样均随着含水率的升高而降低。其中当双向塑料土工格栅在50 kPa的法向应力下，18%含水率的建筑垃圾的界面峰值剪应力相比于含水率为1%的建筑垃圾的界面峰值剪应力有最高的下降率 （26.3%）。以上现象与ABU-FARSAKH等人［10］采用砂土及粘土等天然填料所进行的土-土工合成材料的大型直剪试验所得的试验结果相似。产生该现象的原因主要是由于随着非饱和土含水率的增加，其基底吸力会逐渐减小。根据KHOURY［14］的研究，基底吸力的减小会引起土-土工合成材料的界面峰值剪应力的非线性减小。

图7 含水率对C＆DW-GT界面剪切应力的影响Figure 7 Influence of moisture content on the shear strength of C＆DW-GT interface

2.2.2 土工合成材料种类的影响

图9展示了在4种含水率 （1%、6%、12%和18%）下，建筑垃圾与土工合成材料界面的抗剪强度线。为了方便比较，未加筋建筑垃圾的抗剪强度线也在图9中绘出。表4和表5中分别列出了根据以上数据计算所得的两项建筑垃圾与土工合成材料界面的参数—界面粘聚力和摩擦角。

图9 土工合成材料种类对建筑垃圾-土工合成材料界面峰值剪切应力的影响Figure 9 Influence of geosynthetic type on the peak shear strength of C＆DW-geosynthetic interface

如图9所示，在4种含水率状态下，双向塑料土工格栅与建筑垃圾界面均具有最高的峰值剪应力。而双向玻纤土工格栅和无纺土工布两种土工合成材料与建筑垃圾界面的峰值剪应力相近。众所周知，土工格栅上的孔眼对于土的镶嵌与咬合作用对于筋土界面性能有重大的贡献。所以相比于双向玻纤土工格栅，建筑垃圾与双向塑料土工格栅界面具有更好的镶嵌与咬合作用。同时，由表4及表5可看出，建筑垃圾与双向塑料土工格栅良好的咬合作用提高了其界面的粘聚力，但是对其界面摩擦角影响较小。

表4 建筑垃圾-土工合成材料界面粘聚力Table 4 Cohesion of C＆DW-geosynthetic interface

表5 建筑垃圾-土工合成材料界面摩擦角Table 5 Friction angle of C＆DW-geosynthetic interface

2.3 相互作用系数

相互作用系数 （Ci）为在大型直剪试验中，同一法向应力下建筑垃圾与土工合成材料界面的峰值剪应力与相对应的同种状态下建筑垃圾的峰值剪应力的比值，如式（1）所示。在本研究中，基于上述建筑垃圾与土工合成材料界面的直剪试验以及建筑垃圾直剪试验结果，采用式 （1）计算各情况下建筑垃圾与土工合成材料界面的相互作用系数。

式中：c和φ分别为建筑垃圾的粘聚力和内摩擦角；而ca和δ分别为建筑垃圾与土工合成材料界面的粘聚力和界面摩擦角；σ为法向应力值。

为便于分析，表6列出了不同界面在3种法向应力（50、100、150 kPa）下的相互作用系数的平均值。建筑垃圾与土工布界面的相互作用系数的范围为0.98～1.04，而其与双向塑料土工格栅和双向玻纤土工格栅的相互作用系数范围分别为1.10～1.16和0.98～1.07。

由表6可以看出，在4种含水率状况下，建筑垃圾与无纺土工布和双向玻纤土工格栅的相互作用系数均非常接近1，表明4种含水率状态下的建筑垃圾与两种土工合成材料界面的峰值剪应力与建筑垃圾的峰值剪应力相近。同时，对比各含水率下相同土工合成材料的相互作用系数，可以看出含水率对于相互作用系数的影响较小。其原因是由于含水率的提高会引起建筑垃圾与土工合成材料界面的峰值剪应力与建筑垃圾的峰值剪应力的同时降低。

表6 建筑垃圾-土工合成材料界面相互作用系数Table 6 Cofficients of interaction of C＆DW-geosynthetic interfaces

表7中总结了其他学者通过大型直剪试验所得的土与土工合成材料界面的相互作用系数范围。与本试验结果进行对比可得，本试验所得界面相互作用系数高于前人试验所得界面相互作用系数。该现象表明，由于建筑垃圾相比于天然填料质量较差，所以当其与土工合成材料共同工作时，更能够发挥土工合成材料的增强效果。

表7 土-土工合成材料界面相互作用系数范围Table 7 Range of cofficients of interaction of C＆DW-geosynthetic

3 结论

本文通过大型直剪试验研究了建筑垃圾的含水率以及土工合成材料的类型对于建筑垃圾与土工合成材料界面性能的影响。现将本文研究的结论总结如下：

a.在建筑垃圾大型直剪试验中，各法向应力下的峰值剪应力均随着建筑垃圾含水率的升高而逐渐降低。各含水率下的建筑垃圾的内摩擦角相近，但是粘聚力随着含水率的升高而降低。

b.建筑垃圾与3种土工合成材料界面的峰值剪应力均随着含水率的升高而逐渐降低。在含水率从1%升至18%过程中，3种土工合成材料在3种法向应力下的界面峰值剪应力的下降率均在20%左右。其中50 kPa法向应力下的建筑垃圾与玻纤土 工格栅界面的峰值剪应力具有最低下降率（10.6%），50 kPa法向应力下的建筑垃圾与塑料土工格栅界面的峰值剪应力具有最高下降率（26.3%）。

c.在相同含水率状态下，建筑垃圾与双向塑料土工格栅的界面具有最大的峰值剪应力，而建筑垃圾与双向玻纤土工格栅和无纺土工布的界面具有相近的峰值剪应力。

d.建筑垃圾与土工布界面的相互作用系数的范围为0.98～1.04，对于双向塑料土工格栅和双向玻纤土工格栅该范围分别为1.10～1.16和0.98～1.07。建筑垃圾与土工合成材料共同工作更能发挥土工合成材料的增强效果。