金堆城礦區(qū)礦渣處理山區(qū)地基研究與應(yīng)用

楊景明，蔡智軍

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

0 前言

在山區(qū)進行工程建設(shè)時，經(jīng)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(chǔ)埋深較淺時，最經(jīng)濟的地基處理方法就是換填墊層。經(jīng)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(yīng)滿足相應(yīng)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(shè)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(chǎn)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(huán)保、又經(jīng)濟的選擇。

1 工業(yè)礦渣的物質(zhì)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(qū)位于東秦嶺山系南緣高山區(qū)，地貌成因類型分為構(gòu)造侵蝕地貌、構(gòu)造剝蝕地貌、人工堆積地貌等，組成構(gòu)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(qū)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(jù)原礦的多元素分析數(shù)據(jù)，礦石的主要元素組分見表1。

表1 原礦物質(zhì)含量 %

由表1 可見，礦渣中硫化物含量較低，可以作為建設(shè)用材料。

2 工業(yè)礦渣的性能分析

2.1 按照《建設(shè)用碎石卵石》的性能指標評價

表2 為礦渣的力學(xué)性能，表中同時列出了建設(shè)用石子的相應(yīng)指標作為比較。

可以看出，按《建設(shè)用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)技術(shù)指標［2］，礦渣表觀密度符合建設(shè)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(zhì)巖之間。

表2 礦渣力學(xué)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(jié)果見圖1。由試驗所得相應(yīng)壓縮模量Es結(jié)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(tài)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(tài)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(tài)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(yīng)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(yōu)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(shè)計與施工時不必過分強調(diào)級配。

3 工業(yè)礦渣在已有工程中的應(yīng)用與分析

3.1 工程應(yīng)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(qū)某住宅區(qū)5#樓、6#樓地基處理中使用的礦渣墊層部分載荷試驗數(shù)據(jù)。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(shù)達到0.97 及其以上。

該工程設(shè)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(jù)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(guī)范要求。表4、表5 列出了礦渣墊層靜載試驗取值結(jié)果。

圖2 礦渣墊層靜載試驗p-s 曲線

表4 礦區(qū)某住宅區(qū)5#樓礦渣墊層載荷試驗結(jié)果

表5 礦區(qū)某住宅區(qū)6#樓礦渣墊層載荷試驗結(jié)果

3.2 工程應(yīng)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(jù)打入的難易程度得到每打入一定深度所需的錘擊數(shù)，來判定土的工程性質(zhì)。本工程采用重型圓錐動力觸探，落錘質(zhì)量63.5 kg，落距76 cm，貫入深度10 cm。表6 為礦區(qū)某住宅區(qū)5#樓墊層重型動力觸探試驗統(tǒng)計結(jié)果。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)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(shù)10＜N63.5≤20 時，為中密狀態(tài);當N63.5＞20 時為密實狀態(tài)［3］。從表6 可看出，剔除淺部較少錘擊數(shù)后，礦渣墊層錘擊數(shù)均超過20，各探孔N63.5平均值33.6～43.3，屬于密實狀態(tài)。同時，從整體土層來看，各點的錘擊數(shù)也較接近，反映礦渣墊層均勻性較好。

表6 礦區(qū)某住宅區(qū)5#樓墊層重型動力觸探試驗統(tǒng)計結(jié)果

4 工業(yè)礦渣作為墊層的適用性分析

根據(jù)以上對礦渣的物質(zhì)組成、力學(xué)與工程性質(zhì)、原位靜載試驗和動力觸探試驗，以及近年來礦區(qū)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(yè)礦渣的穩(wěn)定性、壓力擴散能力、滲透性等特點

礦區(qū)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(zhì)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(fā)生反應(yīng)，穩(wěn)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(chǔ)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(jīng)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(yè)礦渣的承載力和壓縮性特點

根據(jù)室內(nèi)壓縮試驗、現(xiàn)場原位靜載試驗、動力觸探試驗等的結(jié)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(yè)礦渣做墊層對環(huán)境的影響

礦渣的化學(xué)組成是評價其環(huán)境效應(yīng)的最基本資料，其中硫的含量是研究礦渣環(huán)境效應(yīng)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(huán)境遭受嚴重破壞。

根據(jù)前人針對金堆城礦區(qū)南牛坡廢石場和西川河隧洞水質(zhì)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(zhì)的含量、礦渣的風(fēng)化程度，礦渣孔隙水的交換速率等有關(guān)。因此，在選擇礦渣作為墊層時，應(yīng)選擇近期開采的未經(jīng)過長期風(fēng)化的，硫鐵礦含量低的礦渣。由于礦渣墊層一般埋在基礎(chǔ)之下，在密閉環(huán)境中，礦渣難以氧化分解，其穩(wěn)定性好，對環(huán)境的影響微小，可忽略不計。

5 結(jié)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(yīng)根據(jù)建筑體型、結(jié)構(gòu)特點、荷載性質(zhì)、場地土質(zhì)條件、施工機械設(shè)備及填料性質(zhì)和來源等綜合分析后進行換填墊層的設(shè)計;對工程量較大的換填墊層，應(yīng)進行現(xiàn)場試驗確定換填墊層壓實效果和質(zhì)量控制標準［5］。

在利用工業(yè)礦渣處理地基時，礦渣材質(zhì)應(yīng)采用質(zhì)地堅硬、性能穩(wěn)定、透水性強無腐蝕危害的材料，并應(yīng)經(jīng)現(xiàn)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(qū)礦渣作為墊層處理山區(qū)地基，承載力高，均勻性、穩(wěn)定性較好，適用性強，可在金堆城礦區(qū)工程建設(shè)中推廣使用。

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

［2］中華人民共和國國家標準.GB/T14685-2011 建設(shè)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(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

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

［5］中華人民共和國行業(yè)標準.JGJ79-2012 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.