水泥尾礦在一級(jí)公路軟土路基換填中的應(yīng)用研究

李超超, 李 核,劉 倫,程 威

（1.華杰工程咨詢有限公司,北京 100029; 2.中交一公局第一工程有限公司,北京 102205）

0 引言

襄陽地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，優(yōu)質(zhì)水泥用灰?guī)r、飾面用花崗巖和膨潤土資源等較為豐富，具備一定的集約化、規(guī)模化開發(fā)價(jià)值和潛力。開采礦產(chǎn)對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展起到推動(dòng)作用的同時(shí)，也帶來了一系列問題。如大量尾礦隨意堆放，污染了環(huán)境，浪費(fèi)了耕地，同時(shí)由于一部分尾礦堆放選址不合理，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈途幼…h(huán)境帶來了巨大的安全隱患。

襄陽207國道改建項(xiàng)目起于鄂豫兩省交界處，沿既有G207加寬至黃集鎮(zhèn)北向西改移，途經(jīng)馬集、牛首鎮(zhèn)、臥龍鎮(zhèn)、吳集、九集鎮(zhèn)、歐廟鎮(zhèn)、小河鎮(zhèn)，止于宜城劉家營，順接現(xiàn)狀G207，路線全長96.178 km。項(xiàng)目采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80 km/h。項(xiàng)目軟基換填量巨大，達(dá)130多萬立方米，設(shè)計(jì)為砂礫換填，但工地沿線砂礫匱乏，能否由水泥尾礦（是指水泥生產(chǎn)用原料在選料過程中產(chǎn)生的廢棄尾料）替代砂礫進(jìn)行軟基換填，變廢為寶，節(jié)約施工成本，該文就此問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究和實(shí)踐操作。

1 水泥尾礦的特性研究

為了探索水泥尾礦能否用于軟基換填，通過對(duì)華新襄陽市水泥廠某大型水泥尾礦庫的材料進(jìn)行取料，分析水泥尾礦的級(jí)配，同時(shí)對(duì)水泥尾礦進(jìn)行了擊實(shí)和三軸實(shí)驗(yàn)，獲得了相關(guān)的試驗(yàn)資料。

1.1 級(jí)配測定及分析

試驗(yàn)采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）[1]的篩分方法，采用STSJ—3型標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)對(duì)尾礦進(jìn)行篩分、稱量，并采集了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出的粒徑分析曲線見圖1。

由表1、圖1可知水泥尾礦的顆粒粒徑組成主要分布在1～10 mm范圍內(nèi)，相應(yīng)的d60=4 mm，d30=0.9 mm，d10=0.13 mm，所以其不均勻系數(shù)Cu=31.2＞5，曲率系數(shù)1＜Cc=1.6＜3。因此，該水泥尾礦級(jí)配較好，適合于填方工程。同時(shí)由表1可知，水泥尾礦中顆粒大于2 mm的約占51.25%，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）可知，土樣為碎石土。

表1 顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 顆粒篩分曲線

1.2 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)中采用STDJ—3A電動(dòng)擊實(shí)儀對(duì)5組樣品進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)后的每組樣品中各取兩份樣品進(jìn)行平行測試和烘干，并在干燥前和干燥后進(jìn)行稱重記錄，可以計(jì)算出每組樣品中的含水率的平均值見表2，同時(shí)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪出干密度和含水量的曲線（見圖2）。由圖2可以看出，試驗(yàn)樣品最佳水分含量約為4.4%左右，此時(shí)樣品的濕密度約為2.37 g/cm3。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 干密度和含水率的曲線

1.3 三軸試驗(yàn)

利用三軸試驗(yàn)可以得出抗剪強(qiáng)度與軸向應(yīng)力的變化規(guī)律。該試驗(yàn)委托外部單位進(jìn)行試驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)。采用非飽和土三軸試驗(yàn)裝置（型號(hào)：HKUST）測定6組試驗(yàn)樣品的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)樣品的含水率為5%，分別施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的圍壓，把異常值刪除后得到四組數(shù)據(jù)見表3，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出了強(qiáng)度包絡(luò)圖，最終計(jì)算出的水泥尾礦的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為1.8 kPa和30.8°，其特性與砂礫相近，具有較好的滲透性，基本沒有黏性。

表3 黏聚力與內(nèi)摩擦角測試結(jié)果

圖3 強(qiáng)度包絡(luò)圖

2 數(shù)值模擬

計(jì)算模型選取襄陽207國道改建項(xiàng)目K72+476～K72+576路基施工段落。根據(jù)地質(zhì)勘察和施工圖設(shè)計(jì)，路基和地基的組成分別是“3+1”灰土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，設(shè)計(jì)要求對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基進(jìn)行換填處理，厚度為3 m，如圖4所示。路基填料和原地基的性質(zhì)、厚度以及相對(duì)應(yīng)的材料性能見表4。路面寬度為25.5 m，坡度為1∶1.5，斷面寬度為84 m，計(jì)算時(shí)取100 m長的段落進(jìn)行建模與分析。

表4 各土層材料參數(shù)

圖4 路堤橫斷面圖

FLAC3D軟件程序是目前巖土力學(xué)計(jì)算中不可或缺的一種數(shù)值方法，在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、地下硐室設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、隧道工程等方面得到了廣泛應(yīng)用。

從圖4可以看出來，計(jì)算模型是對(duì)稱的。為提高計(jì)算速度，采用1/2的模型進(jìn)行分析，計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示。整個(gè)計(jì)算模型共劃分成了75 287個(gè)節(jié)點(diǎn)，75 105個(gè)四面體單元。計(jì)算時(shí)假定限制Y軸橫向位移，限制X軸兩端橫向位移，同時(shí)限制模型底部的豎向位移，模型上部為自由端，在此條件下輸入?yún)?shù)時(shí)，需要將彈性模量（E）、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：

圖5 模型網(wǎng)絡(luò)圖

對(duì)于施加荷載的計(jì)算，其中車道寬度為25.5 m，車道荷載為均布力11.9 kN/m，再加上0.67 m厚的瀝青水穩(wěn)路面層，經(jīng)換算后偏安全地取覆蓋土上部均布荷載為25 kPa，計(jì)算所得豎向沉降位移圖如圖6、圖7所示。分析圖6、圖7可知，豎向最大沉降發(fā)生在路面中心處，采用水泥尾礦換填后的沉降范圍為1.400 0×10-1m～1.404 0×10-1m，采用砂礫換填后沉降范圍為8.000 0×10-2m～8.806 4×10-2m。經(jīng)換填后的水泥尾礦沉降量雖大于砂礫，但其沉降范圍仍滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）[2]中的相關(guān)要求，即一級(jí)公路的一般路段施工完成后的總沉降量應(yīng)該不大于300 mm。

圖7 砂礫換填沉降圖

3 試驗(yàn)應(yīng)用

選取襄陽207國道改建項(xiàng)目K72+476～K72+576段落使用水泥尾礦作為軟基換填材料進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，按照路基填筑的要求進(jìn)行施工，分層填筑、分層碾壓，分層厚度控制在20～30 cm，填筑完畢后進(jìn)行沉降監(jiān)測和位移監(jiān)測。

3.1 沉降觀測點(diǎn)布置方法

（1）一塊600 mm×600 mm×9 mm的鋼板作為基座，一根A25 mm的鋼管作為觀測桿，同時(shí)通過三根A10 mm斜鋼筋將觀測桿焊接在基座上（如圖8）。

（2）在基座的埋設(shè)部位用10 cm細(xì)砂墊層進(jìn)行平整，并在埋入過程中保證基座的水平度與和觀測桿的垂直度（如圖8）。

圖8 沉降板構(gòu)造圖

（3）放好沉降板后，回填一定厚度的墊層，然后套上保護(hù)套管，使其稍略低于觀測桿，上端封住管口，然后在其周邊填入相應(yīng)的填料穩(wěn)定套管，以完成沉降板的埋入。

（4）采用水準(zhǔn)儀對(duì)埋完的沉降板觀測桿頂面高程進(jìn)行測量，并將其作為初始讀數(shù)，在路基填筑過程中，逐步將沉降板觀測桿和保護(hù)套管接高，每次接高0.5m左右為宜，接長前后測量頂部高程變化值來確定接高量。

3.2 位移邊樁觀測點(diǎn)布置方法

（1）采用C25混凝土預(yù)制的位移邊樁，其長度為150 cm（如圖9），斷面為20 cm×20 cm，將其埋入地基內(nèi)，邊樁的埋設(shè)深度為140 cm，樁頂裸露在外的高度不應(yīng)超過10 cm。邊樁埋設(shè)在路堤兩側(cè)趾部，以及坡腳外緣10 m的地方。

圖9 位移邊樁構(gòu)造圖

（2）位移監(jiān)測采用全站儀按交會(huì)法或極坐標(biāo)法直接測定測點(diǎn)坐標(biāo)，作為初始讀數(shù)。

監(jiān)測斷面及具體測點(diǎn)布置明細(xì)見表5。

表5 沉降點(diǎn)及位移點(diǎn)布置表

通過布置沉降板和位移樁，發(fā)現(xiàn)其沉降速率、沉降量和位移量均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，因此實(shí)踐操作表明水泥尾礦用于軟基換填施工可行。

4 結(jié)論

通過對(duì)襄陽207國道改建項(xiàng)目軟弱土分布特征的分析，結(jié)合襄陽地區(qū)水泥尾礦儲(chǔ)量大、利用率不高的特點(diǎn)，采用水泥尾礦作為軟基換填料較為合理。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)研究及分析得到以下主要結(jié)論：

（1）對(duì)水泥尾礦的基本特征進(jìn)行了分析，確定其用于一級(jí)公路軟土路基換填可以滿足填土的基本要求。

（2）FLAC3D仿真結(jié)果表明，盡管水泥尾礦換填處理后路基沉降量大于砂礫換填后的路基沉降量，但仍滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

（3）通過施工實(shí)測實(shí)量，發(fā)現(xiàn)水泥尾礦用于軟基處理可行。

（4）將水泥尾礦用作軟土路基換填土可以改善礦區(qū)環(huán)境，節(jié)約項(xiàng)目施工成本，實(shí)現(xiàn)了廢棄材料的二次利用，具有廣闊的應(yīng)用前景。