銅尾礦在高速公路軟土地基換填上的應(yīng)用研究

朱千凡 郭永成 晏 斌 肖 洋 程 濤

(1. 三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 3. 湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

湖北黃石礦產(chǎn)資源豐富，帶動經(jīng)濟(jì)的同時(shí)也產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問題．大量的銅尾礦任意堆置，占用了大量的耕地、林地或居民地，也污染了大氣環(huán)境等．我國是礦業(yè)大國[1]，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2007年以后，我國銅尾礦年棄置量達(dá)3億t，而且其棄置量在逐年增加[2]．目前國內(nèi)外對銅尾礦的處理方式主要為回收[3]、制備建筑材料[2，4]、回填與復(fù)墾[5，6]、干堆[7]等．雖然已經(jīng)有很多處理方式，但其利用率仍然偏低．因此，為了提高銅尾礦的利用率，需要尋求更多的途徑，本文就其能否用于軟土路基換填進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)與研究．

1 銅尾礦的特性分析

為了探究銅尾礦是否符合路基換填的基本要求，通過實(shí)驗(yàn)研究對銅尾礦的元素組成、塑限、液限、顆粒粒度進(jìn)行測定，并通過擊實(shí)實(shí)驗(yàn)以及三軸實(shí)驗(yàn)對含骨料的銅尾礦進(jìn)行測試，得到相應(yīng)的參數(shù)．

1.1 元素組成

按照《銅精礦化學(xué)分析方法》(GB/T3884-2012)[8]相應(yīng)規(guī)定，并采用原子吸收光譜儀(型號：GBC AVANTA M)和原子熒光光譜儀(型號：AFS-930)對銅尾礦元素組成進(jìn)行測定，其測試結(jié)果見表1．

依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2008)[9]的規(guī)定，除了銅元素有微量超標(biāo)(超標(biāo)4%)外，其余的元素都沒有超標(biāo)．銅元素濃度高于第二級標(biāo)準(zhǔn)值，有潛在的污染危險(xiǎn)[9]．為了降低銅元素的濃度，可通過添加少量骨料來降低土樣中銅元素含量．本著經(jīng)濟(jì)、節(jié)約以及施工方便的原則，添加5%的骨料即可使銅元素的濃度降低到494 mg/kg，從而滿足規(guī)范要求．

1.2 塑限與液限

表1 銅尾礦元素組成

塑限和液限是土樣進(jìn)行工程分類的重要指標(biāo)．本實(shí)驗(yàn)采用光電液塑限聯(lián)合測定儀(型號：TYS-2)測定入土深度；然后取出少量樣本進(jìn)行干燥處理，干燥前后分別稱量記錄．取五組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均采用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品用于平行試驗(yàn)．最終計(jì)算每組平行試驗(yàn)的平均值，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2．

表2 含水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

取第1、4和5組的數(shù)據(jù)的平均值繪制入土深度與含水率關(guān)系圖，如圖1所示．由圖1計(jì)算可知此銅尾礦的塑限ωP為18.80，液限ωL為29.83.故其塑性指數(shù)IP為11.03.根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)[10]，三鑫銅尾礦屬于粉質(zhì)粘土(10

圖1 含水率與圓錐入土深度的關(guān)系圖

1.3 粒度測定及分析

實(shí)驗(yàn)根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[13]試驗(yàn)規(guī)程對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行粒度測定．先使用標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)(型號：STSJ-3)及其配套篩對土樣進(jìn)行篩分；然后采用激光粒度分析儀(型號：LS-POP)對土樣進(jìn)行粒度分析，試驗(yàn)中利用超聲波將放在水和甘油的混合液中的銅尾礦土樣進(jìn)行分解，持續(xù)5 min后取出沉淀顆粒，經(jīng)純水反復(fù)過濾至沉淀表面無甘油后烘干稱量并記錄．最終結(jié)合兩者所得數(shù)據(jù)見表3，并根據(jù)表3繪制粒徑含量分析曲線如圖3所示．

表3 顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 顆粒篩分曲線 圖3 粒徑含量分析曲線

由表3和圖2可以看出，銅尾礦的顆粒組成主要分布在0～1 mm范圍內(nèi)．對應(yīng)的d60=0.103 mm、d30=0.020 mm、d10=0.0024 mm，所以其不均勻系數(shù)Cu=42.9>5，曲率系數(shù)1

1.4 擊實(shí)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品為添加有5%閃長巖骨料的銅尾礦土樣，其中粗骨料粒徑控制在3.8 mm以內(nèi)．試驗(yàn)中采用電動擊實(shí)儀(型號：STDJ-3A)對5組實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行擊實(shí)，待擊實(shí)完成后將每組樣品分別取出兩份樣品作為平行實(shí)驗(yàn)并干燥處理，干燥前后分別稱量記錄．計(jì)算每組含水率的平均值見表4，并繪制干密度與含水率的關(guān)系圖如圖4所示.從圖中可以看出試驗(yàn)樣品的最優(yōu)含水率為15%左右，對應(yīng)表4的濕密度為2.12 g/cm3．

圖4 干密度和含水率的關(guān)系曲線

組數(shù)一二三四五筒質(zhì)量/g2005.01961.02005.01961.01961.0筒土質(zhì)量/g3904.54056.04119.54101.24106.2土質(zhì)量/g1899.52095.02114.52140.22145.2濕密度/g1.912.102.122.152.15干密度/(g·cm-3)1.721.841.841.841.83

續(xù)表4 擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.5 三軸試驗(yàn)

利用三軸實(shí)驗(yàn)可以得到抗剪強(qiáng)度與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系．本實(shí)驗(yàn)采用非飽和土三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(型號：HKUST)對6組實(shí)驗(yàn)樣品的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定，其中骨料和銅尾礦粒徑都控制在3.8 mm以內(nèi)，含水率為15%．分別施加50、100、150、200、300 kPa和400 kPa的圍壓，根據(jù)所得數(shù)據(jù)畫出強(qiáng)度包絡(luò)圖如圖5所示．經(jīng)剔除異常值后選取四組數(shù)據(jù)見表5，最終得到粘聚力和內(nèi)摩擦角的平均值分別為134.7 kPa和29.8°．

圖5 強(qiáng)度包絡(luò)圖

編號1234平均值粘聚力/kPa167.57157.08122.2391.73134.7內(nèi)摩擦角/゜2626303729.8

2 數(shù)值模擬

2.1 模型描述

計(jì)算模型取自某高速公路的K0+342斷面，其地基組成分別是碎石土、干砂、粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，因工程要求需要將部分淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地基進(jìn)行換填，厚度為3 m，如圖6所示．每層的土樣類型、厚度以及相應(yīng)的材料性能見表6(表中換填材料為準(zhǔn)備換填的材料，用于換填4號土層，換填厚度為3 m，混合骨料銅尾礦彈性模量取砂性土的最小值為30 MPa)所示，路面寬度為22.5 m，坡度為1∶1.5，路基斷面取84 m，取100 m長的一段進(jìn)行建模與分析．

圖6 路堤橫斷面(單位：m)

層號土層類型厚度h/m密度ρ/(kg·m-3)彈性模量E/MPa泊松比μ粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/゜1碎石土5.5220079.000.201.045.02干砂0.6166030.000.251.030.03粘土2.019203.400.308.715.94淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(換填層)3.017801.890.304.118.95淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土13.017801.890.304.118.9換填料混合骨料銅尾礦3.0212030.000.30134.729.8

2.2 軟件簡介及模型分析

FLAC3D軟件程序是目前巖土力學(xué)計(jì)算中的不可缺少的數(shù)值方法之一．可模擬三維土體和巖體等力學(xué)特性，其廣泛應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)和評價(jià)、地下洞室、施工設(shè)計(jì)以及隧道工程等多個(gè)領(lǐng)域．進(jìn)行數(shù)值模擬的主要步驟為：建立網(wǎng)格模型、模型優(yōu)化、賦加材料特性、施加邊界條件，施加荷載以及結(jié)果分析．該軟件在模擬非線性問題、大變形問題或動力等問題時(shí)效果顯著．

從圖6可以看出，計(jì)算部分具有對稱性，為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率，可取1/2模型進(jìn)行建模與計(jì)算，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖7所示，共劃分67 872個(gè)節(jié)點(diǎn)，61 600個(gè)四面體單元．計(jì)算假定Y軸水平施加位移邊界約束，X軸兩端水平施加位移邊界約束，模型底部施加豎向位移邊界約束，模型上部為自由端．其中輸入?yún)?shù)時(shí)，需要將表6中彈性模量(E)和泊松比(μ)轉(zhuǎn)化為體積模量(K)和剪切模量(G)，其轉(zhuǎn)化關(guān)系為

式中，K為體積模量，E為彈性模量，μ為泊松比，G為剪切模量．

對于施加荷載的計(jì)算，按照《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-2012)，取雙向六車道，其中車道總寬為22.5 m，車道荷載為均布力10.5 kN/m，再加上0.3 m厚的混凝土路面，經(jīng)換算后偏安全的取覆蓋土上部均部荷載為20 kPa．計(jì)算所得豎向沉降位移圖如圖8、圖9所示．分析圖8、圖9可知，豎向最大沉降發(fā)生在路面中心處，原狀土沉降范圍為1.4000×10-1～1.4040×10-1m，換填后沉降范圍為8.0000×10-2～8.8064×10-2m．經(jīng)換填后的路基相對于原狀土沉降量減少了37%～43%．因此將銅尾礦作為軟土路基換填土是可行的．

圖7 模型網(wǎng)格圖 圖8 原狀土沉降圖 圖9 換填后沉降圖

3 結(jié) 論

通過對高速公路軟弱土分布特征的分析，以及考慮到黃石銅尾礦含量豐富且利用率較低的情況，采用換填法處理軟土層較為合理，經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)研究及分析得到以下主要結(jié)論：

1)經(jīng)過銅尾礦基本特性分析，將其用于高速公路軟土地基換填滿足現(xiàn)行規(guī)范的基本要求．

2)經(jīng)FLAC3D數(shù)值模擬可知，經(jīng)換填處理后的路基相對于原狀土沉降量減少了37%～43%，即換填后的路基承載力得到了提高，說明銅尾礦用于軟土路基換填的應(yīng)用是可行的．

3)將銅尾礦用作軟土路基換填土既可提高原路基的承載能力，又能改善礦區(qū)的環(huán)境．將此方法應(yīng)用到其他地區(qū)的礦區(qū)，將會大大改善其生態(tài)環(huán)境，又可節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的資源化利用．