利用建筑廢棄物處理淺層軟基的工程應用

吳俊強

(廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣州 510623)

0 引言

隨著城市化進程加快，舊城改造、舊路翻修，產生了大量建筑廢棄物。建筑廢棄物主要采用回填處理，不僅對環境造成了污染，還造成了資源浪費。而隨著我國基礎設施的高速發展，尤其是公路的高速發展，道路建筑材料資源(砂、碎石、水泥等)缺口越來越嚴重，利用建筑廢棄物解決道路建筑材料問題成為學術界關注的熱點與前沿課題之一。

目前，已有不少學者對建筑廢棄物在公路建設中的再生利用進行了研究，并取得了一定的成果。李玉梅[1]通過對建筑廢棄物再生料進行室內試驗，得出了建筑廢棄物再生料可用于底基層施工。徐東[2]通過試驗對建筑廢棄物再生的骨料砼、砂漿、水泥穩定基層力學、收縮性能進行了研究，并提出了合理的再生集料摻量。張勝[3]利用改良的建筑廢棄物開展路基、底基層、基層試驗段鋪筑試驗，試驗結果表明建筑廢棄物可用于路基及路面結構處理。蔣麥林[4]對建筑廢棄物再生料的無側限抗壓強度進行了室內試驗，實驗表明砼再生料抗壓強度可滿足道路基層要求，磚渣再生料僅適用于底基層。可以看出，現有的對建筑廢棄物研究較多地集中在廢舊混凝土的再生利用，對磚渣廢棄物研究較少。

本文以汕湛高速公路云浮至湛江段吳川支線建設項目淺層軟基處理為依托，通過現場試驗對利用建筑廢棄物處理淺層軟基的施工技術進行研究。

1 工程概況及試驗段

1.1 工程概況

汕湛高速公路云浮至湛江段吳川支線全長30.464km，平均填土高度約7m，共有軟土路基85處，其中清淤換填(淺層處理，即軟基深度小于3.0m)共57 處，長度約6 100m，采用石屑換填，總方量為67.6萬m3。因國家環保政策緊縮，項目所在區域內建筑材料緊缺，尤其石屑換填極其缺乏，嚴重影響到軟基換填的施工進程，制約總體施工組織計劃的實施。同時，因湛江粵西國際機場建設，大量房屋被拆遷形成大規模的磚渣廢棄物。為緩解換填材料緊缺，本建設項目以此為契機開展相應的試驗，以期解決換填材料缺乏的問題。

1.2 試驗段

試驗段樁號為K16+660～+790，其地質情況為：原地面以下0～2.7m為淤泥質粉質粘土，深灰色、飽和、軟塑狀，含有少量碎石塊，含較多有機質，有腥臭味；下臥層依次為砂質粉質粘土、全風化～強風化花崗巖，路基平均填土高度為6.5m，原設計軟基處理采用2.7m厚碎石換填，現變更為2.7m建筑廢棄物換填。

2 建筑廢棄物室內試驗

因建筑廢棄物與石屑級配組成、成分相差較大，需對建筑廢棄物的物理力學性能進行了解，故在室內對建筑廢棄物進行了擊實試驗、CBR試驗、滲透系數試驗、液塑限試驗等。本次選取的擊實試驗樣本為K16+660～+790路基段現場堆放建筑廢棄物(已清除鋼筋、竹木、衣服、塑料等)，在不同的堆料地點分三次取樣(分別為樣品1、樣品2、樣品3)。考慮到40mm以上為磚混塊(其強度較高，主要起骨架作用)及受試驗儀器限制，擊實試驗采用通過40mm篩部分的混合料。

2.1 擊實試驗

為研究建筑廢棄物混合料壓實特性，對三組建筑廢棄物樣品進行擊實試驗，試驗結果如圖1所示。

圖1 最佳含水率與最大干密度之間的關系

從圖1可見，樣品1最佳含水率為11.4%，對應最大干密度為1.96g/cm3；樣品2最佳含水率為12.6%，對應最大干密度為1.87 g/cm3；樣品3最佳含水率為15%，對應最大干密度為1.82 g/cm3。三種樣品的最大干密度均大于1.8 g/cm3，滿足路基填筑要求。三種樣品最佳含水率和最大干密度相差加大，其原因是各種樣品的磚渣、混凝土、砂漿含量不同。已有研究[5]表明，當砂漿含量不變時， 建筑廢棄物的最大干密度隨著砼塊含量增加而增加，最佳含水量則逐漸減小；建筑廢棄物的最大干密度隨著磚塊含量增加而減小，最佳含水量則逐漸上升。

2.2 液塑限試驗

為研究建筑廢棄物混合料作為填筑材料，其液限指標是否符合路基填筑材料的技術要求，對以上三組建筑廢棄物樣品進行液塑限試驗，試驗結果見表1。

表1 液塑限試驗結果

從表1可以看出，建筑廢棄物的液限為28%～32%，遠小于50%，可用于路基填筑。

2.3 CBR試驗

為研究建筑廢棄物混合料在天然含水率的條件、不同壓實度的CBR值，判定建筑廢棄物是否可用于路基換填，對以上三組建筑廢棄物樣品進行CBR試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 壓實度與CBR值之間的關系

從圖2可見，建筑廢棄物CBR值為21.9～81.7，其值離散值較大，原因可能是三個樣品的磚渣、混凝土、砂漿含量不同所致。但各樣品的CBR值均較大，93區最小CBR值21.9，遠大于8，說明建筑廢棄物是一種承載能力較好的路基填筑材料。

2.4 滲透試驗

軟土地基地層孔隙率較大、含水率較高，加之本項目處于東南濕熱區，地下水位較高，換填材料基本處于潮濕狀態。滲透系數主要取決于粗粒、細粒含量及級配，為確保換填材料具有良好的透水性，對以上三組樣品過10mm篩孔混合料進行滲透試驗，分析不同壓實度下的飽和滲透系數，試驗結果見表2。

表2 滲透試驗結果

從表2可看出，混合物的滲透系數較小。建筑廢棄物中含有大量磚渣及粗顆粒，細粒成分所占比例不高，大顆粒磚渣及混凝土塊形成骨架，細顆粒起填充作用。因此，建筑廢棄物滲透系數較大，透水性較好，現場挖探(已施工的半幅磚渣換填路段，挖開另外半幅后，其地下水大量從已換填建筑物路基段涌入基坑)也表明磚渣換填為較好的透水性材料。

3 建筑廢棄物淺層換填施工

將建筑廢棄物用作軟基淺層處理尚無相應的施工技術規范及施工工藝，為確保換填滿足質量要求，對建筑廢棄物換填進行了試驗段填筑。

3.1 建筑廢棄物原材料要求

(1)普通燒結磚抗壓強度為5～30MPa，參照《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)，燒結磚等介于軟質巖石，即采用磚渣換填處置軟基，其磚渣換填最大粒徑不大于400mm。為控制施工質量，本項目采用最大粒徑不大于300mm控制。

(2)為避免生活垃圾、塑料、木質材料、輕質物質、廢鋼筋等老化、腐蝕引起建筑廢棄物換填的密實度降低，要求對以上非適用性材料進行分揀。

3.2 建筑廢棄物淺層換填施工方案

施工工藝流程：換填基底標高測量→建筑廢棄物分揀→填料攤鋪、平整→靜壓、弱振一遍→布設沉降觀測點→強振碾壓三遍、靜壓一遍→復測觀測點數據。

為確保施工質量，應注意：

(1)因軟基基底承載力一般較低，為便于壓路機初平，基底第一層填筑松鋪厚度不大于30cm，其余層厚不大于50cm。同時，碾壓設備應采用不小于20t的振動壓路機。

(2)碾壓時應嚴格按照 “先靜后振、先弱后強”的原則施工，壓路機碾壓時輪重疊輪寬的 1/3～1/2，并采用交錯進退碾壓，碾壓速度控制在 2.0～2.5km/h，避免影響壓實效果。

(3)碾壓標準參照填石路基“相鄰兩次碾壓實后各測點的高程差平均值不大于5mm”進行壓實質量控制。

(4)填土高度小于 1.5m 的路基，路床頂以下 1.5m 范圍(即換填范圍位于路基工作區內)內，原則上不得填筑建筑廢棄物。

4 現場檢測結果與分析

4.1 壓實度檢測

現場壓實度檢測采用深度直徑為50cm×50cm的圓孔灌水法檢測。壓實度檢測結果見表3。

表3 K14+660～+790段現場壓實度檢測結果

從表3可知，1處壓實度為87.5%(其原因可能為建筑廢棄物的不均勻性)，其它值均大于90%，最大點為95.8%，其填料滿足原地面處理壓實度大于90%的技術要求。

4.2 現場平板載荷試驗

在試驗路段選取3個點進行平板載荷試驗(圖3)，試驗結果表明，1、2、3號點地基極限承載力Qu≥300kPa，承載力特征值Ra≥150kPa，即建筑廢棄物在20t振動壓路機作用下，路基承載力滿足技術要求。

4.3 路基沉降觀測

挖除軟基換填后，在建筑廢棄物頂面埋設沉降板，定期進行沉降監測。通過沉降-時間曲線，可評判路基的穩定性、預測工后沉降、評價軟基處理效果。本試驗段設置K14+670、K14+770等2個監測斷面，分別在每個斷面的左幅路肩、中線、右幅路肩位置埋設沉降板，沉降板設置于換填料頂面。沉降監測結果如圖4和圖5所示。

圖4 K14+670 加載高度-時間-沉降曲線

圖5 K14+770 加載高度-時間-沉降曲線

由圖4和圖5可見，路基填筑越高(加載高度)，沉降觀測點沉降值越大；當加載高度一致時，隨著加載時間的增加，其沉降值也增加，但其增幅小于加載高度所引起的沉降變化量；等載持荷7d左右，沉降基本趨于穩定。K14+660～K14+790段路基在2020年5月22日填筑至設計標高，6月3日路基沉降已基本趨于穩定，K14+670斷面左、中、右最終沉降量分別為-57mm、-61mm、-53mm；K14+770斷面左、中、右最終沉降量分別為-66mm、-70mm、-63mm。

觀測點沉降值較大，主要是因為所測沉降板沉降為軟基挖除后地基沉降與換填層壓縮量之和，路基填筑至設計標高后，由于軟基已全部換填為建筑廢棄物，換填層已碾壓密實，所測沉降主要為換填基底土層(為砂質粉土，易壓縮)較差的壓縮性引起。因此，為減少路基沉降，換填基底彈性模量要足夠大，必須保證換填基底位于硬質巖(土)上。

綜上所述，利用建筑廢棄物換填，可確保路基基底壓實度、基底承載力及路基穩定性滿足設計要求。

5 經濟性評價

項目原設計淺層處理需換填石屑67.6萬m3，依據合同石屑換填綜合單價為102.29元/m3。換填磚渣運距為15km/h以內，磚渣采購價約為25～35元/m3。經測算,換填磚渣綜合單價約為73元/m3。通過室內外試驗驗證，將建筑廢棄物作為淺層軟基換填材料在本項目全線推廣使用，不僅緩解了建筑材料緊缺的困境，還節省工程造價約1 980萬元。

6 結論

本文以建筑廢棄物(磚渣)為研究對象，通過室內外試驗驗證了建筑廢棄物可作為淺層軟基處理換填材料，其主要結論如下：

(1)通過室內擊實試驗、液塑性試驗、CBR試驗及滲透試驗，驗證了建筑廢棄物是一種較好的筑路材料。

(2)通過施工總結，明確利用建筑廢棄物換填的施工技術方案、施工要點及質量控制標準；實踐表明，利用建筑廢棄物換填路基基底承載力較高，路基穩定性較好。

(3)本建設項目全線淺層軟基采用建筑廢棄物換填，結合經濟性評價，表明建筑廢棄物是一種較好的換填材料，可在淺層軟基換填處理方案中推廣使用。