廣西天等錳礦尾礦壩填料特性試驗(yàn)研究

陳 耀,詹海華

(1.廣西大錳錳業(yè)有限公司,廣西南寧 530031；2.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司,廣西南寧 530028)

0 引言

尾礦壩建設(shè)通常需要進(jìn)行大量的土石方填筑,填筑體是構(gòu)筑物的基礎(chǔ),常處于各種復(fù)雜的自然環(huán)境之中,經(jīng)受風(fēng)蝕雨淋、水流沖刷、凍融循環(huán)等危害。因此,必須具有足夠的整體穩(wěn)定性、足夠的強(qiáng)度和足夠的水穩(wěn)性,才能抵抗各種危害因素的破壞、保證尾礦壩安全平穩(wěn)的運(yùn)行。控制土石方填筑質(zhì)量是工程的關(guān)鍵,而高質(zhì)量填筑體的修筑成型,首先取決于對(duì)填料工程性質(zhì)的充分掌握和合理利用[1]。充分了解填料的工程性質(zhì),有利于正確、合理地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

1 工程概況

廣西天等錳礦尾礦壩場(chǎng)址位于廣西天等縣東平鄉(xiāng)。尾礦庫區(qū)域?yàn)榍鹆甑貛?屬低山緩坡地貌單元。局部由于切割和剝蝕呈陡壁西高東低,庫區(qū)呈馬鞍形狀三面(西南北)環(huán)山。東面中較低塵洼山麓的出口上。壩頂設(shè)計(jì)中心線長約360 m,頂設(shè)計(jì)寬12 m。設(shè)計(jì)總填筑土方量為22.41萬m3。壩體各剖面壩高不等,其中中間壩剖面設(shè)計(jì)高38 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,本礦壩填料是利用采區(qū)剝離土方填筑,從采場(chǎng)挖方區(qū)的土料直接運(yùn)至堤壩進(jìn)行填筑。挖方區(qū)的土料主要為全、強(qiáng)風(fēng)化的Nhb沉凝灰質(zhì)角礫巖、Eλπ流紋質(zhì)凝灰?guī)r、集塊巖。該風(fēng)化土料大部分具有高含水量和高液限,部分土料還具有一定的膨脹性。料場(chǎng)范圍大,土性相差也較大,對(duì)這些不同性質(zhì)的開挖料,其工程性質(zhì)差異較大,若控制不好,填筑質(zhì)量將難以滿足設(shè)計(jì)要求。因此,需要對(duì)土料的基本物理性質(zhì)、壓實(shí)性能、強(qiáng)度和變形特性以及填料的膨脹與收縮特性進(jìn)行研究,以決定能否直接用于填筑施工,以及施工中應(yīng)采用何種壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 填料特性試驗(yàn)研究

2.1 取樣情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,Nhb土層是本區(qū)性狀差異性較大的土層也是主要填筑土料之一,其中的②1土層,就有灰白、紫灰、灰綠和褐紅等多種顏色的成分,因此研究重點(diǎn)將主要針對(duì)該土層。此外,根據(jù)不同填筑區(qū)土料情況,還選取了 Eλ π的 ④、⑤層上層的代表性土樣。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)研究內(nèi)容的需要以及取樣的情況,進(jìn)行了較全面的土性補(bǔ)充試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容主要包括填料的物理性質(zhì)、壓實(shí)特性、變形特性、抗剪強(qiáng)度特性以及膨脹性能等幾個(gè)方面[2-3]。

土料的物理性試驗(yàn)：主要分析土料的顆粒組成、顆粒比重、親水性(界限含水率)等物性指標(biāo),并以此判別土的類型,進(jìn)行土類定名[4]。

壓實(shí)特性試驗(yàn)：目的是了解土料的填筑性能、確定填土的施工控制指標(biāo),如：填筑控制密度、含水率、壓實(shí)功等。壓實(shí)特性通過擊實(shí)試驗(yàn)確定,對(duì)本工程采用重型擊實(shí)試驗(yàn)。

填土的壓縮試驗(yàn)：目的是量測(cè)土的壓縮特性。為考察不同狀態(tài)下土的壓縮性質(zhì)的差別,試驗(yàn)土樣分別采用了原狀土、天然濕土壓實(shí)土樣、按90％的壓實(shí)度制備的土樣(對(duì)應(yīng)于濕土法擊實(shí)的最大干密度)。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)：采用直剪飽和固結(jié)快剪,強(qiáng)度指標(biāo)為總應(yīng)力強(qiáng)度,可供填方段邊坡穩(wěn)定分析使用。試驗(yàn)土樣也分別采用天然濕土壓實(shí)土樣和按90％的壓實(shí)度制備的土樣。

土料的膨脹、收縮特性：進(jìn)行了自由膨脹率、膨脹力、有荷膨脹量和收縮試驗(yàn)。

2.3 填料的物理性質(zhì)

1)Nhb②1土層的1～6號(hào)土樣,砂粒含量變化范圍為 7％～33％,粉粒為 27％～70％,粘粒為16％～66％。不同土樣之間,粒徑組成差異較大。這些土樣的細(xì)粒部分(＜0.002 mm)的液、塑限(反映親水性)也有較大差異。其液限變化范圍為68.5％～100％,塑限為39.4％～55.5％,塑性指數(shù)在27.4～56.5之間變化。都屬高液限,塑限和塑性指數(shù)也都很高。其中,尤以4號(hào)(全白色)和6號(hào)(褐紅色)兩個(gè)土樣的塑性(粘性)最大,兩者的液限分別為96.2％、100％,塑性指數(shù)分別為40.7和56.5。4號(hào)和6號(hào)土樣的區(qū)別是：前者以粉粒為主,后者以粘粒為主。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)土樣的塑性比較接近,塑性指數(shù)在27.4～30之間的小區(qū)間變化。

2)7 號(hào)(Eλπ⑤1)和 8 號(hào) (Eλπ④1)土樣兩者的含砂量有一定差別,7號(hào)含砂量為23％,8號(hào)含砂量為43％。粉粒含量分別為60％和43％,差別也較大。兩者的粘粒含量和塑性則相近,粘粒含量分別為17％和14％,塑性指數(shù)分別為19.1和14.3。

3)3號(hào)、4號(hào)和6號(hào)土樣的天然含水率在各自的塑限含水率附近,低3％左右。3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)(Eλπ⑤1)、8 號(hào)(Eλπ④1)土樣的比重都在 2.60 以下,比重較小。

2.4 填料的壓實(shí)性能

填土的壓實(shí)性能可通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)來確定。本試驗(yàn)按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(J TJ 051-93)中的重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,相應(yīng)的單位體積擊實(shí)功能為2 687.0 kJ/m3[5]。

規(guī)范規(guī)定,測(cè)含水率時(shí),對(duì)于一般的土采用溫度105～110℃。對(duì)含有機(jī)質(zhì)的土應(yīng)將溫度控制在65～70℃。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)含水率采用的是酒精燃燒的烘干方法,而室內(nèi)試驗(yàn)采用的是烘箱烘干的辦法[6]。兩者溫度有差異,對(duì)土樣含水率的量測(cè)結(jié)果可能有一定的影響。為此,在室內(nèi)進(jìn)行了比較試驗(yàn),比較了酒精燃燒、高、低溫烘干的不同方法對(duì)土樣含水率的影響。結(jié)果顯示：酒精燃燒所得到的土樣含水率與60℃低溫烘干的成果更為接近。

擊實(shí)試驗(yàn)：3號(hào)土樣、4號(hào)土樣、6號(hào)土樣3種土料的天然含水率狀態(tài)下的試驗(yàn)室擊實(shí)試驗(yàn),即土樣取回試驗(yàn)室后,經(jīng)手工揀除大于38 mm的顆粒,保持取樣時(shí)的天然含水率所進(jìn)行的單軸擊實(shí)試驗(yàn)。它是土料在天然含水率和壓實(shí)功能條件下所能達(dá)到的填筑密度。試驗(yàn)成果顯示,其壓實(shí)密度較低。不同土樣按照濕土法標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的試驗(yàn)成果,列舉了兩種烘干方法所得到的土樣壓實(shí)指標(biāo)。分析得出以下規(guī)律：

1)105℃高溫烘干得到的含水率比60℃低溫烘干大2％～5％,差值大小應(yīng)與土的礦物和化學(xué)成分有關(guān)；相應(yīng)地,計(jì)算的干密度在低溫烘干下的值比高溫烘干大0～0.07 g/cm3。

2)②1類土層在105℃下的最大干密度為1.35～1.48 g/cm3,平均為1.39 g/cm3；在60℃下的最大干密度為1.37～1.51 g/cm3,平均為 1.43 g/cm3。最大干密度比較低。

2.5 填土的固結(jié)變形與強(qiáng)度特性

為研究填土的固結(jié)變形與強(qiáng)度特性,進(jìn)行了土料的固結(jié)試驗(yàn)與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。對(duì)于固結(jié)試驗(yàn),根據(jù)工程荷載情況,試樣的固結(jié)壓力取12.5,25,50,100,200,400,800,1 600 kPa共8級(jí),得到不同壓力下的壓縮系數(shù)、壓縮模量和固結(jié)系數(shù)。為考慮各種工程條件,進(jìn)行了多種條件下的固結(jié)試驗(yàn)[5]。對(duì)于抗剪強(qiáng)度,針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碾壓后的密度進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)工程實(shí)際情況,抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法為直剪飽和固結(jié)快剪。

1)原狀樣與天然濕土擊實(shí)樣的固結(jié)變形特性

對(duì)3號(hào)土樣、4號(hào)土樣和6號(hào)土樣進(jìn)行了天然含水率狀態(tài)下?lián)魧?shí)后的固結(jié)試驗(yàn)。同時(shí),對(duì)4號(hào)土樣和6號(hào)土樣還進(jìn)行了原狀樣的固結(jié)試驗(yàn),試驗(yàn)成果是：4號(hào)土樣原狀樣天然含水率54.7％,接近該土的塑限含水率,對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的干密度僅1.05 g/cm3,壓縮系數(shù)為0.374 MPa-1,為中壓縮性土。6號(hào)土樣全風(fēng)化料原狀樣天然含水率47.6％,超過其塑限含水率,對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的干密度1.14 g/cm3,壓縮系數(shù)為0.262 MPa-1,為中壓縮性土。

天然濕土擊實(shí)后的密度比原狀土的密度略高(高0.03 g/cm3)。但擊實(shí)制備土樣的固結(jié)試驗(yàn)成果顯示：壓縮系數(shù)比原狀土均有一定程度的增大,4號(hào)土樣的壓縮系數(shù)增大為0.469 M Pa-1,6號(hào)土樣的壓縮系數(shù)增大為0.332 M Pa-1。說明經(jīng)開挖再壓實(shí)的土,由于其天然結(jié)構(gòu)破壞,其壓縮性將有所增大。

2)現(xiàn)場(chǎng)碾壓密度下的固結(jié)變形與強(qiáng)度特性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓后檢測(cè)的含水率、密度制備土樣,進(jìn)行填土的固結(jié)試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)成果得出：3號(hào)土料碾壓后干密度為1.19 g/cm3,密度偏低,相應(yīng)的壓實(shí)度為 0.87。但其壓縮系數(shù)只有0.199 M Pa-1,屬中偏低壓縮性。

對(duì)于4號(hào)土料和6號(hào)土料,由前述物理性試驗(yàn)成果可知,是比較特殊的土,它們的液限和塑限都很高,粘性大,屬于較難壓實(shí)的土。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最大干密度分別為1.42 g/cm3和1.51 g/cm3。現(xiàn)場(chǎng)碾壓后,兩者干密度分別為1.19 g/cm3和1.46 g/cm3,對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度分別為0.84和0.97。在此壓實(shí)度情況下,土樣的壓縮系數(shù)分別為0.467 M Pa-1和0.280 M Pa-1,為中等壓縮性土,后者接近低壓縮性。②1層的5號(hào)土料取自礦區(qū)偏東側(cè),碾壓后干密度為1.46 g/cm3,與室內(nèi)試驗(yàn)得到的最大干密度1.46 g/cm3基本一致,說明現(xiàn)場(chǎng)碾壓的效果很好。其壓縮系數(shù)為0.120 M Pa-1,基本為低壓縮性。7號(hào)(EλπNhb⑤1)土料和 8 號(hào)(Eλπ④1)土料屬于性質(zhì)相近的土,兩者室內(nèi)試驗(yàn)的最大干密度分別為1.57 g/cm3和1.51 g/cm3。現(xiàn)場(chǎng)碾壓后達(dá)到的干密度分別為1.46 g/cm3和1.50 g/cm3,對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度分別為0.93和0.99,壓實(shí)效果較好。兩者的壓縮系數(shù)分別為 0.134 M Pa-1和 0.058 M Pa-1,壓縮性都較低。

直剪試驗(yàn)成果得知以上8種土料的凝聚力在37～92 kPa之間,大部分為60 kPa左右,這是因?yàn)檫@些土料的粘性都較大的緣故。②1層全白色土料和②1層褐紅色土料的凝聚力大分別達(dá)到80.5 kPa和92.4 kPa,兩者的摩擦角則只有16.4(°)和10.7(°),這與兩種土料的物理性質(zhì)(粘性大)是相符的。其余土料的摩擦角在 24(°)～30.5(°)之間,強(qiáng)度較高。其中,Eλ π層7號(hào)土樣和8號(hào)土樣的摩擦角分別為 29.1(°)和 30.5(°),抗剪強(qiáng)度最高。

綜上所述,現(xiàn)場(chǎng)碾壓后的填土,其壓縮性處于中—低壓縮性的范圍,壓縮模量較高,抗剪強(qiáng)度也在正常范圍內(nèi)。

3)按90％密實(shí)度擊實(shí)備樣的固結(jié)特性

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最優(yōu)含水率和最大干密度,按90％密實(shí)度進(jìn)行備樣控制,固結(jié)試驗(yàn)成果顯示,各個(gè)土料的壓縮系數(shù)屬于中—低壓縮性范圍。

2.6 填料的膨脹與收縮特性

進(jìn)行了填土土料的自由膨脹率、膨脹力、有荷膨脹量和收縮性試驗(yàn)。

膨脹力根據(jù)有關(guān)規(guī)范,采用限制膨脹變形的方式測(cè)試。有荷膨脹量分別采用12.5 kPa、25 kPa和50 kPa 3種垂直荷載。按照擊實(shí)試驗(yàn)成果,采用90％壓實(shí)度控制備樣條件進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)。試驗(yàn)成果顯示,②1層的各個(gè)土料均不同程度的存在膨脹力和膨脹現(xiàn)象。其中,尤以4號(hào)土料的膨脹性最高。3號(hào)混合料的自由膨脹率50％,為弱膨脹性土。4號(hào)該土樣的自由膨脹率65％,為中膨脹性土。5號(hào)其自由膨脹率為57％,為弱膨脹性土。6號(hào)其自由膨脹率為 91％,具強(qiáng)膨脹性。7號(hào)(Eλ π⑤)自由膨脹率為32％,無膨脹性。8號(hào)(Eλ π④1)自由膨脹率為33％,無膨脹性。各個(gè)土料的失水收縮性較低。

3 結(jié)語

通過對(duì)碾壓試驗(yàn)區(qū)主要填筑土料的試驗(yàn)研究,分析結(jié)論如下。

1)填筑土料的天然含水量大,細(xì)粒含量高、液塑限高,呈現(xiàn)出較為典型的特殊土的物理特性。

2)采場(chǎng)土層均有一定程度的膨脹性,其中,②1土層的自由膨脹率為50％～91％。②1層中全白色粘土和褐紅色粘土的自由膨脹率分別達(dá)到65％和91％,②1層混合土料的自由膨脹率為50％。

3)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的填土,碾壓后的壓縮性處于中—低壓縮性的范圍,壓縮模量較高,抗剪強(qiáng)度也在正常范圍內(nèi)。

4)通過對(duì)本場(chǎng)區(qū)土料所進(jìn)行的系統(tǒng)分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工和碾壓試驗(yàn)成果,建議現(xiàn)場(chǎng)填筑最大干密度標(biāo)準(zhǔn)如表1,實(shí)際施工中可根據(jù)不同的填筑部位按設(shè)計(jì)所要求的壓實(shí)度進(jìn)行填筑控制。

表1 最大干密度建議值 g/cm3

5)根據(jù)上述填筑密度建議值制備土樣進(jìn)行的固結(jié)和膨脹性試驗(yàn),成果表明,②1層中全白色粘土的膨脹力、有荷膨脹量均較高,如果作為填筑土料時(shí)應(yīng)予以嚴(yán)格的施工控制。

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