鎳鐵礦渣加筋土強(qiáng)度試驗(yàn)及其路基填筑技術(shù)研究

劉韋華 劉龍武 陳海雄 李俊 尹平保

摘? 要：如何利用鎳鐵礦渣廢料進(jìn)行濱海浜塘軟土地基處理，文章開展了初步的研究。針對(duì)鎳鐵礦渣含有玻璃纖維的特征以及新舊鎳鐵礦渣存在的粒度成分差異，文章通過烘干-浸水大面積反復(fù)直剪試驗(yàn)開展了研究，結(jié)合拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析了玻璃纖維及含水量對(duì)鎳鐵渣抗剪強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度的影響。在此基礎(chǔ)上提出了新鎳鐵渣的預(yù)處理措施，并討論了水沉法壓實(shí)工藝的適宜性，提出了水淬鎳鐵渣加筋土墊層填筑施工要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鎳鐵礦渣;大面積反復(fù)直剪試驗(yàn);水沉法;加筋土

中圖分類號(hào)：X756 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0134-04

Abstract： This paper conducts preliminary research on how to use the wrought iron slag waste to treat the soft soil foundation of the coastal pond. In view of the characteristics of ferronickel slag containing glass fiber and the difference of grain size composition between new and old ferronickel slag， this paper carried out research on drying-immersion large-area repeated direct shear test， combined with drawing test results to analyze glass fiber and water content. The effect on the shear strength and drawing strength of nickel iron slag. On this basis， the pretreatment measures of the new nickel-iron slag were put forward， and the suitability of the water-sinking compaction process was discussed. The key points for the construction of the water-quenched nickel-iron slag reinforced soil cushion were put forward.

Keywords： ferronickel slag; large area repeated direct shear test; water sedimentation method; reinforced soil

引言

2012年以來(lái)，我國(guó)水淬鎳鐵渣年均排放量均超過3000萬(wàn)噸。目前開展的關(guān)于鎳鐵礦渣處治方法的主要研究[1-4]有：（1）提取Fe、Co、Ni、Cu等有用金屬元素;（2）生產(chǎn)建筑用微晶玻璃;（3）生產(chǎn)建材及制品;（4）利用鎳礦渣做井下充填材料。由于鎳鐵礦渣具有活性低、穩(wěn)定性差、綜合利用渠道少、利用成本高的特點(diǎn)，使得大量鎳鐵礦渣做閑置堆砌或深海填埋處理，占用土地，污染環(huán)境。另一方面，出于運(yùn)輸方便的角度考慮，許多鎳鐵礦生產(chǎn)廠家都建在沿海地帶的濱海區(qū)域。而濱海區(qū)大量分布有浜塘，浜塘軟土厚度大，給市政道路軟土地基處理造成較大的困難。

目前市政道路對(duì)于厚層軟土地基的處理措施中淺層處理常采用換土墊層、拋石擠淤等方法，深層處理則采用CFG樁、攪拌樁及管樁等方法[5-7]。由于濱海區(qū)道路通常設(shè)計(jì)為5m以下的低矮路堤，采用深層處理方法往往成本高，業(yè)主難以接受;而采用淺層處理方法，通過換填較為便宜的粘性土作為墊層進(jìn)行處理則由于地下水位高，通常在地表下1m范圍內(nèi)，粘性土墊層易被軟化形成路基隱患，若采用砂石土作為墊層或者采用拋石擠淤的處理方法，因需要的墊層厚度較大，不但會(huì)造成軟基處理成本增高，而且還會(huì)因砂石比重大導(dǎo)致軟基沉降大，給路基沉降控制帶來(lái)困難。因此，研究一種可利用水淬鎳鐵渣進(jìn)行市政道路軟土地基處理的新結(jié)構(gòu)及其施工方法，既可以利用鎳鐵廠排放的廢渣，解決廢渣堆放帶來(lái)的環(huán)境問題，又可解決市政道路軟土地基處理的難題，起到一舉兩得的作用。

本文通過開展烘干-浸水處理的大面積重復(fù)剪試驗(yàn)、拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)研究鎳鐵礦渣的加筋土填筑特性，在此基礎(chǔ)上開展了利用鎳鐵礦渣加筋土處理濱海浜塘軟土地基的施工壓實(shí)工藝研究，提出了一種適合軟土地基處理的鎳鐵礦渣加筋土墊層水沉法施工要點(diǎn)，可為水淬鎳鐵渣的利用提供參考。

1 鎳鐵渣填筑壓實(shí)特性及參數(shù)分析

鎳鐵礦渣是冶煉金屬鎳及其合金過程中排出的以FeO、SiO2、MgO為主要成分的熔融物經(jīng)水淬后形成的爐渣[8，9]。對(duì)廣青公司的水淬鎳鐵渣進(jìn)行篩分試驗(yàn)（圖1）和輕型擊實(shí)試驗(yàn)（圖2）。篩分試驗(yàn)結(jié)果表明：0.1mm以上的顆粒占90%以上，2mm以上的粗顆粒占60%以上。說明水淬鎳鐵渣的粒徑基本與粗砂土類相當(dāng)。對(duì)鎳鐵渣顆粒形態(tài)進(jìn)一步觀察表明與砂性土不同，鎳鐵渣結(jié)構(gòu)形態(tài)多為不規(guī)則多邊體狀，并在周圍有針狀突出物，顆粒中還含有一定數(shù)量的針狀玻璃纖維（圖3）。根據(jù)鎳鐵渣的這種粒度成分特性可以判斷，鎳鐵渣的土力學(xué)性質(zhì)雖可能大致接近粗砂土類，但其抗剪強(qiáng)度、固結(jié)特性都應(yīng)與砂土類存在一定的差異。同時(shí)由于水淬鎳鐵渣顆粒與自然砂在形態(tài)上存在較大的差異，針狀玻璃纖維及其在顆粒上的突出物，會(huì)導(dǎo)致難以壓密以及玻璃纖維受剪斷裂后造成結(jié)構(gòu)的損傷引起強(qiáng)度的下降可能會(huì)造成加筋土填筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度下降。為此，需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究以探討玻璃纖維對(duì)水淬鎳鐵渣的壓實(shí)特性的影響。

從輕型擊實(shí)曲線看最大干密度為1.624g/cm3、最優(yōu)含水量為2%。如果根據(jù)常規(guī)技術(shù)要求進(jìn)行壓實(shí)參數(shù)的選擇，將很難控制施工含水量。根據(jù)浜塘區(qū)地下水位高，難以采用重型壓實(shí)機(jī)械進(jìn)行施工且很難將施工含水量控制在2%附近的客觀情況，結(jié)合輕型擊實(shí)結(jié)果，在飽和含水量（27%）條件下鎳鐵渣擊實(shí)干密度仍然能達(dá)到1.57g/cm3，綜合分析判斷，試驗(yàn)段鎳鐵渣加筋土采用水沉法施工工藝進(jìn)行壓實(shí)施工可以達(dá)到壓實(shí)度大于95%的要求。

2 烘干-浸水的大面積重復(fù)剪試驗(yàn)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堆放的新舊鎳鐵渣的觀察表明，堆放兩三年后的舊鎳鐵渣其針狀玻璃纖維長(zhǎng)度短且顆粒上玻璃纖維突出物少，其加筋土壓實(shí)性能好，而新的鎳鐵渣填筑性能差，需要采取適當(dāng)?shù)母牧即胧榱颂接懶骆囪F渣的壓實(shí)填筑工藝，設(shè)計(jì)了一組烘干-浸水大面積重復(fù)剪試驗(yàn)，擬以重復(fù)剪切模擬地表風(fēng)化作用對(duì)鎳鐵渣的影響。

試驗(yàn)研究中采用的大面積直接剪切儀，試樣直徑為152mm，試樣高度為120mm，該大直剪儀屬于拼接式結(jié)構(gòu)，主要由水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、剪切盒、量測(cè)系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

1.千斤頂;2.軸向力傳導(dǎo);3.底座;4.豎向力傳導(dǎo);5.上盒;6.下盒;7.百分表;8.量力環(huán)試驗(yàn)流程為：新鎳鐵渣取樣烘干-按干渣、2%、6%、27%（飽和）制樣-第一次剪切試驗(yàn)-浸泡1天，再重復(fù)按上述步驟進(jìn)行第二次、第五次剪切，第三次、第四次只進(jìn)行浸泡和烘干。

試驗(yàn)表明經(jīng)過五次浸泡-烘干過程及三次剪切后新鎳鐵渣土的抗剪切性能得到明顯改善。圖5是100kPa正應(yīng)力下的剪應(yīng)力-位移曲線圖。從上到下、從左到右分別為干燥、2%、6%、27%（飽和）四種含水量的剪切情況。從圖中可見第五次濕干循環(huán)試驗(yàn)后的重復(fù)剪切的剪應(yīng)力-位移曲線均位于第一次剪切的剪應(yīng)力-位移曲線之上。

整理分析不同含水量重復(fù)剪試驗(yàn)后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)發(fā)現(xiàn)，含水量對(duì)鎳鐵渣抗剪強(qiáng)度的影響與一般砂礫土比較，既存在抗剪強(qiáng)度下降的趨勢(shì)及含水量影響幅度有限的共性，又存在變化規(guī)律性復(fù)雜的特性（圖7），尤其是飽和含水量時(shí)的c、ψ值增高的現(xiàn)象。

3 拉拔試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)中采用新鎳鐵渣，烘干-按干渣、2%、6%、27%（飽和）制樣，試樣直徑為152mm，試樣高度為120mm。土工格柵采用極限抗拉強(qiáng)度為50MPa/m2的玻璃纖維土工格柵進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明（圖8），新鎳鐵渣的拉拔強(qiáng)度與含水量的關(guān)系變化較為復(fù)雜，但飽和含水量的拉拔強(qiáng)度下降幅度有限。

4 鎳鐵礦渣加筋土施工工藝預(yù)處理措施分析

新水淬鎳鐵渣中的玻璃纖維造成了其抗剪強(qiáng)度降低，從抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中可以充分反映出來(lái)。如圖5中左下方小圖的剪應(yīng)力-位移曲線出現(xiàn)折線段變化，其峰值抗剪強(qiáng)度與同等條件下的試驗(yàn)也有所降低。事實(shí)上許多出現(xiàn)折線狀的剪應(yīng)力-位移曲線其抗剪強(qiáng)度峰值都有偏低現(xiàn)象，主要原因是剪切面上玻璃纖維折斷后產(chǎn)生的松動(dòng)變形導(dǎo)致強(qiáng)度降低，但是反復(fù)剪切后這種現(xiàn)象就不明顯了。這就給預(yù)處理方法提供了啟示。

為了消除玻璃纖維對(duì)新鎳鐵渣產(chǎn)生的不利影響，可采用預(yù)先翻搗壓實(shí)的措施使得玻璃纖維對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響降至最低。

5 鎳鐵渣加筋土水沉法填筑技術(shù)分析

直接采用水淬鎳鐵渣作為換填料施工軟土地基墊層存在的主要問題是，當(dāng)填筑厚度較小時(shí)，墊層易于發(fā)生沖剪破壞;填筑厚度較大時(shí)，則在路基豎向車輛荷載作用下，極易沿側(cè)向約束力不大的墊層兩側(cè)發(fā)生蠕變性側(cè)移，從而引發(fā)路堤邊坡的變形破壞。此外，如何優(yōu)化加筋土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)而安全的水淬鎳鐵渣墊層的結(jié)構(gòu)，又如何快速而經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行水淬鎳鐵渣墊層的填筑壓實(shí)，是能否成功利用水淬鎳鐵渣墊層進(jìn)行濱海區(qū)深層道路軟土路基處治的關(guān)鍵。

通過水沉壓實(shí)施工方法將填筑的水淬鎳鐵渣壓實(shí)，再由土工格柵雙向環(huán)包，可形成土工格柵加筋結(jié)構(gòu)形式的人工硬殼層。這樣，既提高了墊層的整體剛度和側(cè)向約束力，同時(shí)減少了墊層的寬度和厚度，節(jié)省地基處理成本。加筋土結(jié)構(gòu)提高墊層的側(cè)向約束力和整體剛度的基本原理如圖9所示。圖中τf為極限平衡強(qiáng)度包絡(luò)線，σ3為無(wú)加筋時(shí)鎳鐵渣墊層所受到的周圍壓力，σ'3為環(huán)包加筋后鎳鐵渣受到的周圍壓力，土工格柵環(huán)包加筋通過給鎳鐵渣墊層提供側(cè)向約束力增大了鎳鐵渣的側(cè)向約束力，從而降低了它的破壞強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)減少墊層厚度的目的。

6 水淬鎳鐵渣加筋土墊層填筑工藝要點(diǎn)分析

利用水淬鎳鐵渣進(jìn)行加筋墊層結(jié)構(gòu)填筑工藝的要點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）以坡率1：0.5，采用基坑底部寬度超出設(shè)計(jì)路面寬度4m的寬度和不超過5m的高度放線，按路基中線對(duì)稱開挖軟土地基至基坑底部。

（2）在基坑底部的一端開挖一個(gè)底寬1m、頂寬1.5m、深0.5m的集水坑，用抽水泵通過排水管將集水坑中的水抽干，并控制坑內(nèi)水位在基坑底面以下。

（3）按墊層頂面寬度加7m的長(zhǎng)度作為單幅長(zhǎng)度，按本次開挖路基基坑長(zhǎng)度除以5所得幅數(shù)裁剪土工格柵。

（4）將單幅土工格柵依序?qū)ΨQ鋪設(shè)在墊層的頂面，并保證兩幅土工格柵的搭接部位長(zhǎng)度為1m，再將其均等鋪設(shè)在墊層底部，多余部分固定在高出1m的位置。

（5）將水淬鎳鐵渣虛鋪在土工格柵上，虛鋪厚度控制在0.25m，用挖掘機(jī)壓實(shí)找平，形成第一個(gè)土工格柵加筋層分層，在其上虛鋪一層0.25m厚度的水淬鎳鐵渣;將水位控制在距水淬鎳鐵渣虛鋪層面以下0.2m的高度以內(nèi);用挖掘機(jī)履帶進(jìn)行往復(fù)振搗碾壓作業(yè)3遍，并同時(shí)采用挖斗找平。

（6）再用挖掘機(jī)履帶進(jìn)行往復(fù)振搗碾壓作業(yè)1遍，觀察往返之間的履帶壓痕高度，如該高度大于1cm，則繼續(xù)碾壓，如該高度小于1cm后，則采用灌水法檢測(cè)下部20cm的水淬鎳鐵渣壓實(shí)層的密度。

（7）停止?jié)撍玫呐潘撍靡浦翂|層頂面，將集水坑迅速填實(shí)。

（8）繼續(xù)用挖掘機(jī)履帶進(jìn)行往復(fù)振搗碾壓作業(yè)1遍，同時(shí)采用灌水法再次檢測(cè)下部20cm的水淬鎳鐵渣壓實(shí)層的密度。

（9）計(jì)算兩次測(cè)得的水淬鎳鐵渣壓實(shí)層的密度的相對(duì)誤差，如該相對(duì)誤差小于5%，則視為滿足壓實(shí)要求，如該相對(duì)誤差大于5%，則需繼續(xù)碾壓和檢測(cè)，直至兩次檢測(cè)的相對(duì)誤差小于5%，這就完成了第一層的填筑施工。

（10）攤鋪第二層土工格柵并進(jìn)行雙向環(huán)包，重復(fù)上述步驟至達(dá)到墊層所需厚度。

采用上述施工工藝進(jìn)行了實(shí)體工程段的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用挖掘機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的振搗工具，用機(jī)械作業(yè)取代了人工作業(yè)，運(yùn)用合理的施工壓實(shí)工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)水淬渣在水下的振搗密實(shí)，從而大幅度的提高了壓實(shí)速度，減少了排水時(shí)間和用電量，實(shí)現(xiàn)了在高地下水位的濱海浜塘厚層軟土部位對(duì)水淬鎳鐵渣墊層經(jīng)濟(jì)而快速的壓實(shí)施工。

初步觀測(cè)表明采用該填筑施工方法能滿足路基沉降要求。利用鎳鐵礦渣的加筋土墊層處治濱海浜塘軟基是一種可行的方案，與傳統(tǒng)通過外運(yùn)借土的軟基換填相比，具有經(jīng)濟(jì)效益高、施工簡(jiǎn)單、環(huán)保性好等顯著優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)一步研究。

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