建筑垃圾在堆山造景工程中协同利用方法与流程

本发明涉及工程建设技术领域，具体为建筑垃圾在堆山造景工程中协同利用方法。

背景技术：

目前，我国正处于快速城镇化阶段，各城市地下空间大规模开发建设，产生了大量的建筑垃圾。建筑垃圾是指对各类建筑物和构筑物及其辅助设施等进行建设、改造、装修、拆除、铺设等过程中产生的各类固体废弃物，主要包括工程渣土、工程泥浆、工程垃圾、拆除垃圾和装修垃圾五大类。工程渣土是指各类建(构)筑物、管网、道桥等在建设过程中开挖土石方产生的弃土。工程垃圾是指各类建(构)筑物、管网、道桥等在新建、改(扩)建过程中产生的混凝土、沥青混合料、砂浆、模板等弃料。拆除垃圾是指各类建(构)筑物、管网、道桥等拆除过程中产生的混凝土、砂浆、砖瓦、陶瓷、石材、金属、木材等废弃物。通过重型筛等设备将工程垃圾和拆除垃圾中分离出来粒径小于2mm的细粒物质称为预筛分渣土。利用工程垃圾和拆除垃圾中的混凝土、砖瓦、石材等经除土、破碎和筛分等工艺制成的骨料称为再生骨料，其中粒径大于2mm小于4.75mm的颗粒称为再生细骨料，粒径大于4.75mm的颗粒称为再生粗骨料。

我国大量建筑垃圾被随意丢弃或简易填埋，这种粗放式处置方式不仅占用大量土地，而且易造成安全隐患和环境污染。我国南方沿江沿海地区利用工程渣土进行堆山造景时存在以下特征：1)天然地基多为软土地基，难以承受堆山体巨大且分布不均匀的荷载，容易出现地基土剪切破坏、不均匀沉降过大等问题；2)工程渣土具有含水率高、抗剪强度低、排水固结慢等特征，容易诱发堆山体局部坍塌、整体滑移等现象；3)多为湿润气候区，常年雨水充沛，容易发生雨水冲刷造成山体水土流失、雨水入渗造成填土软化等问题。因此，亟需研发可靠的高含水率工程渣土堆山技术，技术内容包括软土地基处理、堆体稳定控制、坡面雨水防渗等。若能利用建筑垃圾进行堆山造景，既能解决建筑垃圾的出路问题以及公园绿地建设土石料的来源问题，也是响应我国建设节约型城市园林绿化号召的重要途径，同时也是变废为宝、改善人居环境的重要举措。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供建筑垃圾在堆山造景工程中协同利用方法，其充分发挥不同种类建筑垃圾的工程特性，在堆山造景工程不同部位加以利用，解决我国南方堆山造景工程存在的稳定安全和水土保持问题，包括：1)堆山体荷载大易造成软土地基失稳、差异沉降的问题，2)高含水率工程渣土排水固结慢易造成堆山体滑坡等问题；3)雨水入渗造成堆山填土软化及雨水冲刷植被层问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

建筑垃圾在堆山造景工程中协同利用方法，其堆山造景工程主体部分全部采用建筑垃圾进行建造，包括：再生粗骨料用于碎石桩、高含水率工程渣土用于堆山体、再生细骨料用于水平加筋排水层、大粒径废弃石料用于坡脚反压层、以及预筛分渣土和再生细骨料用于封顶覆盖层。

更进一步地，利用再生粗骨料的骨架支撑作用和再生细骨料的良好排水性能，采用与山体荷载相适应的再生粗骨料碎石桩解决软土地基承载力不足问题，设置水平加筋排水层用于控制软土地基差异沉降。

更进一步地，将堆山体荷载等效成为由n级台阶组合而成的荷载单元，并将地基表面相应地划分成n个区域，基于每个区域的堆山荷载和地质勘察资料进行桩体设计。

更进一步地，利用再生细骨料的良好排水性能和大粒径废弃石料的压重作用，采用工程渣土与再生细骨料互层填筑方式解决高含水率工程渣土排水困难问题，采用水平加筋层和大粒径废弃石料坡脚反压方法解决高含水率工程渣土堆填后易失稳滑坡问题。

更进一步地，大粒径石料是在工程渣土和再生细骨料堆填过程中人工挑选出的粒径大于10cm、不宜直接进行互层填筑的土石料，进一步增大了建筑垃圾的消纳能力。

更进一步地，利用预筛分渣土和再生细骨料之间因持水性能不同而产生的毛细阻滞作用，采用毛细阻滞型土质封顶覆盖层解决因雨水入渗而造成的堆山体填土软化问题。

更进一步地，覆盖层的结构组成自上而下依次为持水层、排水层，持水层预筛分渣土粒径小于排水层再生细骨料，通过在两者界面处产生毛细阻滞效应使入渗的雨水储存在持水层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明充分发挥不同种类建筑垃圾的工程特性，在堆山造景工程不同部位加以利用，解决我国南方堆山造景工程存在的稳定安全和水土保持问题，包括：1)堆山体荷载大易造成软土地基失稳、差异沉降的问题，2)高含水率工程渣土排水固结慢易造成堆山体滑坡等问题；3)雨水入渗造成堆山填土软化及雨水冲刷植被层问题。通过本发明技术方案实现我国南方地区工程渣土堆山体堆得高、堆得稳，同时为五大类建筑垃圾提供出路。

附图说明

图1为本发明的协同利用建筑垃圾的堆山造景结构图；

图2为本发明的堆山荷载简化方法图；

图3为本发明的地基表面荷载分区图；

图4为本发明的封顶覆盖层结构图。

图中：1、碎石桩；2、水平加筋排水层；3、堆山体；4、封顶覆盖层；5、坡脚反压层；6、梯形分布单元；7、荷载单元；8、持水层；9、排水层；10、地表水收集和导排沟；11、地下水导排管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中：建筑垃圾在堆山造景工程中协同利用方法，包括软土地基加固处理、工程渣土堆坡处理、以及堆体表面雨水防渗处理。其中，软土地基加固处理，采用由再生粗骨料制成的碎石桩1对堆山工程软土地基进行加固，通过与山体荷载相适应的桩长布置方式解决软土地基承载力不足问题，通过设置由再生细骨料作填料的水平加筋排水层2控制软土地基差异沉降，如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤一：根据堆山造景工程设计方案，确定堆山荷载的大小，并将其简化为梯形分布单元7，再将梯形分布单元7的荷载等效成为由n级台阶组合而成的荷载单元8；将由n级台阶组合而成的荷载单元8投影到地基上，则地基表面被划分成n个区域，每个区域内荷载大小相同，如图3所示；

步骤二：基于地基表面n个区域的堆山荷载和地质勘察资料，分别确定每个区域的碎石桩1设计参数，该参数包括桩型、桩径、桩长、桩间距等；

步骤三：基于堆山体荷载、地质勘察资料和竖向桩体设计方案，确定水平加筋排水层2设计参数，包括垫层厚度、加筋材料等；

步骤四：验算复合地基的承载力特征值、不均匀沉降和抗滑移稳定性；

在上述实施步骤一中，地基表面划分区域大小和数量可以根据地质勘察资料、设计精度要求等进行综合考虑后确定。

在上述实施步骤二中，碎石桩1成桩过程中骨料用再生粗骨料替代；成桩后的单桩承载力特征值、弹性模量等参数可通过现场荷载试验确定；而碎石桩1的设计参数取值参照《建筑地基处理技术规范jgj79-2012》，并针对划分区域分别进行确定；桩径建议取值600-800mm，桩间距建议取值3～5倍桩径，桩长需要根据区域所受堆山荷载和复合地基承载力特征值进行确定；对于山体荷载较大的中心区域或土层性质较差区域，宜减小桩距、增加桩长或增大桩径，提高复合地基的承载力；碎石桩1的布置方式采用正方形或正三角形。

在上述实施步骤三中，水平加筋排水层2设置在桩顶和地基土层之间，厚度取0.4～0.6倍桩径，排水坡度不小于1.5％；而水平加筋排水层2的填料采用再生细骨料；水平加筋排水层2的筋体材料宜采用抗拉强度较高、受力时伸长率不大于4％～5％、耐久性好、抗腐蚀的材料，其规格符合《土工合成材料应用技术规范gb50290》的要求。

在上述实施步骤四中，复合地基承载力特征值计算方法可参照《建筑地基处理技术规范jgj79-2012》，也可以通过现场载荷试验进行确定；每个划分区域内的复合地基承载力特征值需大于相应的堆山荷载；而复合地基的不均匀沉降和抗滑移稳定性可通过建立三维有限元模型进行计算，不均匀沉降应控制在0.5％以内，抗滑移稳定安全系数不小于1.35。

其中，在高含水率工程渣土堆坡处理中，采用工程渣土与再生细骨料互层填埋技术方案解决高含水率工程渣土排水困难问题，通过设置水平加筋层和大粒径废弃石料反压坡脚技术方案保障堆山体3的安全稳定，解决高含水率工程渣土堆填后易失稳滑坡问题，具体实施步骤如下：

步骤一：对工程渣土和再生细骨料进行取样并测试其含水量、比重、天然容重、击实曲线、渗透系数、抗剪强度等土力学指标，并建立高含水率工程渣土压实度与抗剪强度之间的关系；

步骤二：根据堆山工程建设场地面积和山体高度要求，初步确定堆山体3的边坡坡率；

步骤三：基于试验结果，利用有限元软件分析确定最优堆填工艺，包括工程渣土和再生细骨料分层压实厚度、工程渣土和再生细骨料目标压实度等；在此基础上，反算工程渣土和再生细骨料分层松铺厚度；

步骤四：将工程渣土先堆填至设计松铺厚度，然后采用振动碾压法碾压至设计压实度；采用类似方法对再生细骨料进行松铺并压实；每当堆填厚度达到8～10m时，设置宽度为3～4m的平台道路；

步骤五：工程渣土和再生细骨料堆填过程中，人工挑选出其中粒径大于10cm的大粒径石料，堆填至山体坡脚位置并压实，作为坡脚反压层5，为堆山体3稳定提供安全储备；

在上述实施步骤一中，土力学指标测试参照《土工试验规程sl237-1999》执行；压实度与抗剪强度之间关系可通过开展不同初始压实度条件下工程渣土的直剪或三轴试验获得。

在上述实施步骤二中，堆山体3的边坡坡率可将堆山体3近似成圆台进行估算。

在上述实施步骤三中，最优堆山方案的确定，需要进行多个工况的数值模拟计算，工况变量包括工程渣土分层压实厚度、工程渣土目标压实度、再生细骨料分层压实厚度、再生细骨料目标压实度；在最优堆山方案确定过程中，堆体和地基的不均匀沉降均应控制在0.5％以内，堆体边坡稳定安全系数不小于1.35；分层松铺厚度可根据松铺时的密实度以及目标压实度和压实厚度进行反算。

在上述实施步骤四中，压实施工质量控制指标为压实度，采用沉降控制法进行实时监测，同时利用灌砂法进行抽检；沉降控制法即根据分层设计厚度确定每层堆填完成后的目标标高，其中计算过程需要考虑地基沉降和下卧层变形；施工过程中若压实度低于设计要求，需要采取增加碾压遍数、减小碾压速率等措施促进渣土排水固结，从而使压实度达到至设计值。

其中，在堆体表面雨水防渗处理中，采用毛细阻滞型土质封顶覆盖层技术方案实现堆山体表面防渗的目标，从而解决雨水入渗造成堆山体3填土软化的问题，如图1和图4所示，整个覆盖层的结构形式自上而下依次为持水层8、排水层9，具体包括以下步骤：

步骤一：构建下方排水层9：由再生细骨料4填筑而成，厚度为0.2-0.4m，边坡坡率与堆山体3边坡一致，土层压实度为80％以上；用于将入渗的雨水导排出堆山体3外部；

步骤二：构建中间的持水层8：由预筛分渣土填筑而成，厚度为0.4-0.6m，边坡坡率与堆山体3边坡一致，土层压实度为80％以上；用于在雨季储存水分供植物生长所需；

堆体表面储水防渗原理：当含水量较小时，再生细骨料的非饱和渗透系数显著小于预筛分渣土，从而在两者交界面处产生毛细阻滞效应，阻滞水分进入再生细骨料层；降雨时，一部分水量以地表径流形式进入地表水收集和导排沟10，另一部分水量进入覆盖层并存储在预筛分渣土层中；当水分运移到预筛分渣土与再生细骨料交界面时，由于毛细阻滞作用水分被阻滞进入到再生细骨料层，从而预筛分渣土层存储水量增加；当水量超过预筛分渣土层的最大存储量时，水分进入再生细骨料层，并通过坡脚处的地下水导排管11排出覆盖层。因此，在预筛分渣土层存储水分以及再生细骨料层导排水分的共同作用下，能够有效减少进入到堆山体3中的雨水入渗量，同时能够为植被生长提供必要的水分。

将本发明提供的建筑垃圾在堆山造景工程中协同利用方法应用于实际工程建设中，若以占地面积1.0公顷、堆山高度30m的堆山工程为例，则可以综合消纳工程渣土约18万吨、再生细骨料约3.7万吨、再生粗骨料约1.5万吨、预筛分渣土约1.4万吨；若土石方采购费用按30元/吨计算，则该堆山工程可节省土石方采购费用约740万元；若建筑垃圾处置费用按10元/吨计算，则该堆山工程可节省建筑垃圾处置费用约245万元。

经估算，仅浙江省各城市具备堆山造景条件的公园绿地就达36个，占地面积达2000公顷，若堆山面积按30％计算，可综合消纳工程渣土约10800万吨、再生细骨料约2208万吨、再生粗骨料约900万吨、预筛分渣土约815万吨；可节省土石方采购费用约44.2亿元，建筑垃圾处置企业可增加盈利约14.7亿元。

在社会及环境效益方面，有效解决了我国建筑垃圾的出路难题，可以避免采用简易的露天堆放或填埋方式进行处置，节约了大量的土地资源，减少了对土壤、水体和大气环境的影响；采用建筑垃圾替代天然土石方，可以减少对自然砂石资源的开采，符合国家循环经济理念；通过实现堆山造景和园林绿化，有利于改善自然和人居环境，落实建设“美丽中国”的政策方针。

综上所述：本发明提供的建筑垃圾在堆山造景工程中协同利用方法，充分发挥不同种类建筑垃圾的工程特性，在堆山造景工程不同部位加以利用，解决我国南方堆山造景工程存在的稳定安全和水土保持问题，包括：1)针对堆山体荷载大易造成软土地基失稳、差异沉降的问题，利用再生粗骨料的骨架支撑作用和再生细骨料的良好排水性能，提出采用与堆山体荷载相适应的碎石桩(再生粗骨料)和设置水平加筋排水层(再生细骨料)进行解决；2)针对高含水率工程渣土排水固结慢易造成堆山体滑坡等问题，利用再生细骨料的良好排水性能和大粒径废弃石料的压重作用，提出采用设置水平加筋排水层(再生细骨料)和坡脚反压层(大粒径废弃石料)进行解决；3)针对雨水入渗造成堆山填土软化及雨水冲刷植被层问题，利用预筛分渣土和再生细骨料之间因持水性能不同而产生的毛细阻滞作用，提出采用毛细阻滞土质覆盖层(预筛分渣土+再生细骨料)进行解决。通过本发明技术方案实现我国南方地区工程渣土堆山体堆得高、堆得稳，同时为五大类建筑垃圾提供出路。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。