金堆城矿区矿渣处理山区地基研究与应用

2015-03-10杨景明蔡智军

中国钼业 2015年4期

杨景明，蔡智军

(金堆城钼业股份有限公司，陕西西安 710077)

0 前言

在山区进行工程建设时，经常会遇到浅部土层承载力低、压缩性高，或者土层不均匀的情况。当建筑物荷载较小，基础埋深较浅时，最经济的地基处理方法就是换填垫层。经过换填垫层处理，垫层本身作为持力层可满足建筑物对其承载力的要求，未处理的下卧土层应满足相应的承载力要求。

换填垫层的材料选择取决于建筑工程对地基承载力的要求和建设地域就地取材原则，通常采用素土、灰土、砂土、砂卵石等。

矿山在开采时产生大量矿渣，如果这些矿渣能作为垫层材料使用，则无疑是变废为宝，是既环保、又经济的选择。

1 工业矿渣的物质组成分析

目前，矿山固体废物的综合利用越来越受到重视。金堆城钼矿矿区位于东秦岭山系南缘高山区，地貌成因类型分为构造侵蚀地貌、构造剥蚀地貌、人工堆积地貌等，组成构造地貌的岩性主要为安山玢岩、花岗岩。岩石中含有多种金属矿物，除主要的辉钼矿外，岩石中还有黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、磁铁矿、褐铁矿、辉铌矿、金、银、铼、硒等。该矿区矿渣中70%为安山玢岩，花岗斑岩占25%，石英岩和板岩占5%［1］。根据原矿的多元素分析数据，矿石的主要元素组分见表1。

表1 原矿物质含量 %

由表1 可见，矿渣中硫化物含量较低，可以作为建设用材料。

2 工业矿渣的性能分析

2.1 按照《建设用碎石卵石》的性能指标评价

表2 为矿渣的力学性能，表中同时列出了建设用石子的相应指标作为比较。

可以看出，按《建设用碎石卵石》(GB/T 14685-2011)技术指标［2］，矿渣表观密度符合建设用石子，压碎指标为Ⅱ类，坚固指标为Ⅱ类，针片含量为Ⅱ类，岩石强度65 MPa，介于岩浆岩和变质岩之间。

表2 矿渣力学指标

2.2 不同级配矿渣的压缩试验

对不同级配、不同密度的干燥矿渣和饱和矿渣分别进行了压缩试验，压缩试验最大加载400 kPa。试验结果见图1。由试验所得相应压缩模量Es结果汇总于表3。

图1 矿渣压缩曲线

表3 压缩模量Es(MPa)汇总表

由图1 及表3 可见:(1)干燥状态下矿渣的压缩模量Es1-2介于10.5～20.4 MPa 之间，属于中等～低压缩性;饱和状态下矿渣的压缩模量Es1-2介于3.7～8.4MPa 之间，属于高压缩性。说明干燥状态时矿渣具有较低的压缩性，而浸水饱和时其压缩性显著增加，在施工时应尽量避免矿渣浸水饱和;(2)矿渣级配和密度对压缩性的影响，级配差，密度低，压缩性高，反之亦然。级配优良时(即Cu≥5 且Cc 为1～3之间)，矿渣压缩性明显低于级配不良时。但总体上说，由于作为垫层使用，其厚度通常不超过2～3 m，设计与施工时不必过分强调级配。

3 工业矿渣在已有工程中的应用与分析

3.1 工程应用中的矿渣垫层载荷试验与分析

本次研究收集了金堆城矿区某住宅区5#楼、6#楼地基处理中使用的矿渣垫层部分载荷试验数据。图2 为静载试验的荷载-沉降(p-s)曲线，这些工程中矿渣垫层平均厚度为2.5 m。施工时分为6 层碾压，每层用20 t 压路机碾压4 遍，压实系数达到0.97 及其以上。

该工程设计地基承载力特征值fak为220 kPa，载荷试验最大加载量为440 kPa，分8 级逐步加载。根据静载试验p-s 曲线可看出，曲线未见明显拐点，矿渣垫层承载力特征值满足要求，且取值仍有潜力。另外，在最终压力440 kPa 作用下的总沉降量不超过6.5 mm，满足规范要求。表4、表5 列出了矿渣垫层静载试验取值结果。

图2 矿渣垫层静载试验p-s 曲线

表4 矿区某住宅区5#楼矿渣垫层载荷试验结果

表5 矿区某住宅区6#楼矿渣垫层载荷试验结果

3.2 工程应用中矿渣垫层动力触探试验与分析

圆锥动力触探试验是利用一定的锤击能量，将与触探杆相连接的圆锥形探头打入土层，根据打入的难易程度得到每打入一定深度所需的锤击数，来判定土的工程性质。本工程采用重型圆锥动力触探，落锤质量63.5 kg，落距76 cm，贯入深度10 cm。表6 为矿区某住宅区5#楼垫层重型动力触探试验统计结果。

根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)对碎石土密实度的划分标准，当重型动力触探锤击数10＜N63.5≤20 时，为中密状态;当N63.5＞20 时为密实状态［3］。从表6 可看出，剔除浅部较少锤击数后，矿渣垫层锤击数均超过20，各探孔N63.5平均值33.6～43.3，属于密实状态。同时，从整体土层来看，各点的锤击数也较接近，反映矿渣垫层均匀性较好。

表6 矿区某住宅区5#楼垫层重型动力触探试验统计结果

4 工业矿渣作为垫层的适用性分析

根据以上对矿渣的物质组成、力学与工程性质、原位静载试验和动力触探试验，以及近年来矿区已有工程实例的使用效果，矿渣可作为多层建筑地基的换填垫层材料使用。

4.1 工业矿渣的稳定性、压力扩散能力、渗透性等特点

矿区矿渣中70% 为安山玢岩，花岗斑岩占25%，石英岩和板岩占5%。安山玢岩属岩浆岩的一种，是中性喷出岩安山岩的次生岩，其质地坚硬，耐磨性强，表面多孔粗糙。其多元素分析中SiO2占55%，其遇水几乎不发生反应，稳定性好。其压力扩散能力，主要反映在压力扩散角。当垫层厚度与基础底面宽度之比z/b 为0.25 时，其压力扩散角θ 为20°;当z/b≥0.5 时，压力扩散角θ 为30°。经多层次含水量检测，含水量在8.8～12 之间，吸水率适中，渗透性较好。

4.2 工业矿渣的承载力和压缩性特点

根据室内压缩试验、现场原位静载试验、动力触探试验等的结果，矿渣垫层承载力特征值fak可在220 kPa 以上，级配矿渣压缩模量在15 MPa 以上，可以满足一般建筑物的承载力要求。

4.3 工业矿渣做垫层对环境的影响

矿渣的化学组成是评价其环境效应的最基本资料，其中硫的含量是研究矿渣环境效应时的一个重要指标，而黄铁矿是矿渣中硫的主要赋存形式，它的氧化会加速其他组分的溶出，使水环境遭受严重破坏。

根据前人针对金堆城矿区南牛坡废石场和西川河隧洞水质变化的研究成果，在天然堆积物的孔隙含水层中，地下水以SO4·HCO3-Ca 和SO4-Ca 型水为主［4］。各组分的含量变化主要与黄铁矿的氧化速率，钙镁碳酸盐矿物等缓冲物质的含量、矿渣的风化程度，矿渣孔隙水的交换速率等有关。因此，在选择矿渣作为垫层时，应选择近期开采的未经过长期风化的，硫铁矿含量低的矿渣。由于矿渣垫层一般埋在基础之下，在密闭环境中，矿渣难以氧化分解，其稳定性好，对环境的影响微小，可忽略不计。