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 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002； 3. 湖北理工學院 土木建筑工程學院，湖北 黃石 435003)

湖北黃石礦產(chǎn)資源豐富，帶動經(jīng)濟的同時也產(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，2007年以后，我國銅尾礦年棄置量達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行相應(yīng)的試驗與研究．

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，通過實驗研究對銅尾礦的元素組成、塑限、液限、顆粒粒度進行測定，并通過擊實實驗以及三軸實驗對含骨料的銅尾礦進行測試，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行測定，其測試結(jié)果見表1．

依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618-2008)[9]的規(guī)定，除了銅元素有微量超標(超標4%)外，其余的元素都沒有超標．銅元素濃度高于第二級標準值，有潛在的污染危險[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、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行工程分類的重要指標．本實驗采用光電液塑限聯(lián)合測定儀(型號：TYS-2)測定入土深度；然后取出少量樣本進行干燥處理，干燥前后分別稱量記錄．取五組試樣進行試驗，每組試驗均采用兩個實驗樣品用于平行試驗．最終計算每組平行試驗的平均值，所得實驗數(shù)據(jù)見表2．

表2 含水率試驗數(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

實驗根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)[13]試驗規(guī)程對實驗樣品進行粒度測定．先使用標準振篩機(型號：STSJ-3)及其配套篩對土樣進行篩分；然后采用激光粒度分析儀(型號：LS-POP)對土樣進行粒度分析，試驗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行分解，持續(xù)5 min后取出沉淀顆粒，經(jīng)純水反復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 擊實試驗

實驗樣品為添加有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)．試驗中采用電動擊實儀(型號：STDJ-3A)對5組實驗樣品進行擊實，待擊實完成后將每組樣品分別取出兩份樣品作為平行實驗并干燥處理，干燥前后分別稱量記錄．計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 擊實試驗數(shù)據(jù)

1.5 三軸試驗

利用三軸實驗可以得到抗剪強度與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系．本實驗采用非飽和土三軸實驗系統(tǒng)(型號：HKUST)對6組實驗樣品的抗剪強度進行測定，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計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特性，其廣泛應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性評價、支護設(shè)計和評價、地下洞室、施工設(shè)計以及隧道工程等多個領(lǐng)域．進行數(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效果顯著．

從圖6可以看出，計算部分具有對稱性，為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率，可取1/2模型進行建模與計算，計算模型網(wǎng)格劃分如圖7所示，共劃分67 872個節(jié)點，61 600個四面體單元．計算假定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，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．

對于施加荷載的計算，按照《城市道路工程設(shè)計規(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)過一系列的實驗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，實現(xiàn)礦區(qū)的資源化利用．