金堆城礦區礦渣處理山區地基研究與應用

楊景明，蔡智軍

(金堆城鉬業股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 前言

在山區進行工程建設時，經常會遇到淺部土層承載力低、壓縮性高，或者土層不均勻的情況。當建筑物荷載較小，基礎埋深較淺時，最經濟的地基處理方法就是換填墊層。經過換填墊層處理，墊層本身作為持力層可滿足建筑物對其承載力的要求，未處理的下臥土層應滿足相應的承載力要求。

換填墊層的材料選擇取決于建筑工程對地基承載力的要求和建設地域就地取材原則，通常采用素土、灰土、砂土、砂卵石等。

礦山在開采時產生大量礦渣，如果這些礦渣能作為墊層材料使用，則無疑是變廢為寶，是既環保、又經濟的選擇。

1 工業礦渣的物質組成分析

目前，礦山固體廢物的綜合利用越來越受到重視。金堆城鉬礦礦區位于東秦嶺山系南緣高山區，地貌成因類型分為構造侵蝕地貌、構造剝蝕地貌、人工堆積地貌等，組成構造地貌的巖性主要為安山玢巖、花崗巖。巖石中含有多種金屬礦物，除主要的輝鉬礦外，巖石中還有黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦、磁鐵礦、褐鐵礦、輝鈮礦、金、銀、錸、硒等。該礦區礦渣中70%為安山玢巖，花崗斑巖占25%，石英巖和板巖占5%［1］。根據原礦的多元素分析數據，礦石的主要元素組分見表1。

表1 原礦物質含量 %

由表1 可見，礦渣中硫化物含量較低，可以作為建設用材料。

2 工業礦渣的性能分析

2.1 按照《建設用碎石卵石》的性能指標評價

表2 為礦渣的力學性能，表中同時列出了建設用石子的相應指標作為比較。

可以看出，按《建設用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)技術指標［2］，礦渣表觀密度符合建設用石子，壓碎指標為Ⅱ類，堅固指標為Ⅱ類，針片含量為Ⅱ類，巖石強度65 MPa，介于巖漿巖和變質巖之間。

表2 礦渣力學指標

2.2 不同級配礦渣的壓縮試驗

對不同級配、不同密度的干燥礦渣和飽和礦渣分別進行了壓縮試驗，壓縮試驗最大加載400 kPa。試驗結果見圖1。由試驗所得相應壓縮模量Es結果匯總于表3。

圖1 礦渣壓縮曲線

表3 壓縮模量Es(MPa)匯總表

由圖1 及表3 可見:(1)干燥狀態下礦渣的壓縮模量Es1-2介于10.5～20.4 MPa 之間，屬于中等～低壓縮性;飽和狀態下礦渣的壓縮模量Es1-2介于3.7～8.4MPa 之間，屬于高壓縮性。說明干燥狀態時礦渣具有較低的壓縮性，而浸水飽和時其壓縮性顯著增加，在施工時應盡量避免礦渣浸水飽和;(2)礦渣級配和密度對壓縮性的影響，級配差，密度低，壓縮性高，反之亦然。級配優良時(即Cu≥5 且Cc 為1～3之間)，礦渣壓縮性明顯低于級配不良時。但總體上說，由于作為墊層使用，其厚度通常不超過2～3 m，設計與施工時不必過分強調級配。

3 工業礦渣在已有工程中的應用與分析

3.1 工程應用中的礦渣墊層載荷試驗與分析

本次研究收集了金堆城礦區某住宅區5#樓、6#樓地基處理中使用的礦渣墊層部分載荷試驗數據。圖2 為靜載試驗的荷載-沉降(p-s)曲線，這些工程中礦渣墊層平均厚度為2.5 m。施工時分為6 層碾壓，每層用20 t 壓路機碾壓4 遍，壓實系數達到0.97 及其以上。

該工程設計地基承載力特征值fak為220 kPa，載荷試驗最大加載量為440 kPa，分8 級逐步加載。根據靜載試驗p-s 曲線可看出，曲線未見明顯拐點，礦渣墊層承載力特征值滿足要求，且取值仍有潛力。另外，在最終壓力440 kPa 作用下的總沉降量不超過6.5 mm，滿足規范要求。表4、表5 列出了礦渣墊層靜載試驗取值結果。

圖2 礦渣墊層靜載試驗p-s 曲線

表4 礦區某住宅區5#樓礦渣墊層載荷試驗結果

表5 礦區某住宅區6#樓礦渣墊層載荷試驗結果

3.2 工程應用中礦渣墊層動力觸探試驗與分析

圓錐動力觸探試驗是利用一定的錘擊能量，將與觸探桿相連接的圓錐形探頭打入土層，根據打入的難易程度得到每打入一定深度所需的錘擊數，來判定土的工程性質。本工程采用重型圓錐動力觸探，落錘質量63.5 kg，落距76 cm，貫入深度10 cm。表6 為礦區某住宅區5#樓墊層重型動力觸探試驗統計結果。

根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)對碎石土密實度的劃分標準，當重型動力觸探錘擊數10＜N63.5≤20 時，為中密狀態;當N63.5＞20 時為密實狀態［3］。從表6 可看出，剔除淺部較少錘擊數后，礦渣墊層錘擊數均超過20，各探孔N63.5平均值33.6～43.3，屬于密實狀態。同時，從整體土層來看，各點的錘擊數也較接近，反映礦渣墊層均勻性較好。

表6 礦區某住宅區5#樓墊層重型動力觸探試驗統計結果

4 工業礦渣作為墊層的適用性分析

根據以上對礦渣的物質組成、力學與工程性質、原位靜載試驗和動力觸探試驗，以及近年來礦區已有工程實例的使用效果，礦渣可作為多層建筑地基的換填墊層材料使用。

4.1 工業礦渣的穩定性、壓力擴散能力、滲透性等特點

礦區礦渣中70% 為安山玢巖，花崗斑巖占25%，石英巖和板巖占5%。安山玢巖屬巖漿巖的一種，是中性噴出巖安山巖的次生巖，其質地堅硬，耐磨性強，表面多孔粗糙。其多元素分析中SiO2占55%，其遇水幾乎不發生反應，穩定性好。其壓力擴散能力，主要反映在壓力擴散角。當墊層厚度與基礎底面寬度之比z/b 為0.25 時，其壓力擴散角θ 為20°;當z/b≥0.5 時，壓力擴散角θ 為30°。經多層次含水量檢測，含水量在8.8～12 之間，吸水率適中，滲透性較好。

4.2 工業礦渣的承載力和壓縮性特點

根據室內壓縮試驗、現場原位靜載試驗、動力觸探試驗等的結果，礦渣墊層承載力特征值fak可在220 kPa 以上，級配礦渣壓縮模量在15 MPa 以上，可以滿足一般建筑物的承載力要求。

4.3 工業礦渣做墊層對環境的影響

礦渣的化學組成是評價其環境效應的最基本資料，其中硫的含量是研究礦渣環境效應時的一個重要指標，而黃鐵礦是礦渣中硫的主要賦存形式，它的氧化會加速其他組分的溶出，使水環境遭受嚴重破壞。

根據前人針對金堆城礦區南牛坡廢石場和西川河隧洞水質變化的研究成果，在天然堆積物的孔隙含水層中，地下水以SO4·HCO3-Ca 和SO4-Ca 型水為主［4］。各組分的含量變化主要與黃鐵礦的氧化速率，鈣鎂碳酸鹽礦物等緩沖物質的含量、礦渣的風化程度，礦渣孔隙水的交換速率等有關。因此，在選擇礦渣作為墊層時，應選擇近期開采的未經過長期風化的，硫鐵礦含量低的礦渣。由于礦渣墊層一般埋在基礎之下，在密閉環境中，礦渣難以氧化分解，其穩定性好，對環境的影響微小，可忽略不計。

5 結語

換填墊層適用于淺層軟弱土層或不均勻土層的地基處理，應根據建筑體型、結構特點、荷載性質、場地土質條件、施工機械設備及填料性質和來源等綜合分析后進行換填墊層的設計;對工程量較大的換填墊層，應進行現場試驗確定換填墊層壓實效果和質量控制標準［5］。

在利用工業礦渣處理地基時，礦渣材質應采用質地堅硬、性能穩定、透水性強無腐蝕危害的材料，并應經現場試驗證明其安全可靠方可使用。工程實踐表明，選用金堆城礦區礦渣作為墊層處理山區地基，承載力高，均勻性、穩定性較好，適用性強，可在金堆城礦區工程建設中推廣使用。

［1］雷 明，杜新路，張 峰.金堆城鉬業公司水資源綜合利用淺析［J］.中國鉬業，1994，(2):8-11.

［2］中華人民共和國國家標準.GB/T14685-2011 建設用碎石卵石［S］.

［3］中華人民共和國國家標準.GB50007-2011 建筑地基基礎設計規范［S］.

［4］李 俠，張益謙.金堆城鉬礦固體廢物對環境的污染［J］.地下水，2006，(5):64-66.

［5］中華人民共和國行業標準.JGJ79-2012 建筑地基處理技術規范［S］.