土工材料在铀尾矿库软基区临时道路工程中的应用

2016-11-22赵发龙飞宇舒辉中核二七二铀业有限责任公司湖南衡阳421004

低碳世界 2016年30期

赵发，龙飞宇，舒辉（中核二七二铀业有限责任公司，湖南衡阳421004）

赵发，龙飞宇，舒辉（中核二七二铀业有限责任公司，湖南衡阳421004）

土工格栅与土工布具有较高的抗拉、抗撕强度，能有效提高软土地基的承载能力，适用于道路软基区的加固和补强。建立简易数学模型计算铺设土工材料及土体后路面的承载力特征值，由计算结果确定最优土体厚度并应用于铀尾矿库软基区（钛白泥与尾矿泥）临时道路工程，相比于直接填筑每百米可节省工程费用45万元，节省工期30d。

土工布；土工格栅；铀尾矿库；软基；临时道路

引言

某厂是我国核工业铀矿冶系统最大的区域性水冶厂。20世纪60年代相继建成了纯化系统工程、水冶一线工程及铀尾矿库并投入使用。其中尾矿库主要用于贮存铀水冶工艺产生的尾矿及废液处理后产生的矿浆。尾矿库滩面含有大量尾矿泥和钛白泥，人和机械无法入内。尾矿泥和钛白泥的存在造成尾矿库区修建施工便道的费用高、难度大。土工布、土工格栅能有效提高软土地基的承载能力，在软基加固中得到广泛应用［1～2］。因此，有必要对土工材料的加固机理及路面受力进行分析，探索经济、安全、实用的尾矿库滩面便道施工技术。

土工合成材料力学特性的主要指标有拉伸特性、握持强度、撕裂强度及蠕变特性等。土工材料主要通过其抗拉强度来承受荷载，因此抗拉强度是土工合成材料的重要特性指标。

1 工程概况及场地工程地质条件

1.1 工程概况

本工程为尾矿库滩面修建一条约为150m长、15m宽的临时便道，满足总重量约30t自卸车通行，为试验项目后续机械设备及材料进场提供条件。

1.2 施工场地工程地质条件

尾矿库勘察区地层在9.70m勘探深度范围内，主要由钛白泥、尾矿土层（尾黏土）及第四系全新统残坡积层粉土等组成，详见表1。

表1 各层土物理力学指标分层统计

2 受力数学模型及路面厚度计算

2.1 加入土工材料后的地基承载力

土工布、土工格栅能够有效的分散施加在其上部的荷载，使荷载均匀的分布在原软土地基上，从而提高地基的承载力。此外，土工布对土体具有很好的隔离作用，防止填筑粘土与钛白泥、尾矿泥混杂。根据太沙基等承载力理论，对于尾矿泥、钛白泥原地基极限承载力pu′，可由太沙基建议针对软土和松砂的公式进行计算，如式1所示。

式中：Nc′Nq′Nr′为与内摩擦角相关的承载力系数，查表可得；c为土的粘聚力，kPa；γ为土的容重，kN/m3；d为地基深度，m；b为基础宽。

加铺土工布、土工格栅后的地基极限承载力pu可由式2进行计算。

式中：α、β为形状系数，α、β取值分别为1.0、0.5；θ为软基边与土工材料的倾斜角，这里取10°；R为假想圆半径，取3m；Df为沉降量，m。加铺土工材料后的地基承载力特征值PU=pu/2，根据标准这里安全系数取值为2。［6］

2.2 路基厚度计算

图1 自卸车单车轴对自然地面应力

作用于软基的应力不得大于承载力特征值，根据（2）式和（4）式则有：

由（2）、（4）、（5）式即可求得路面厚度H与自卸车单轴最大荷载F的关系。带入各项取值，计算结果如图2所示。

自卸车单轴对临时道路路面及软基受力如图1所示。其中路面视为整体。图中P0为车辆荷载对软基应力，kPa；H为覆土厚度，单位m；B双车轮宽度，单位m；F车轴载荷，单位kN；α为应力扩散角，取17°，土工布的“网兜效应”；L为车轮等效接地长度，m。车俩荷载对软基应力可由（4）式计算。

图2 路面厚度与自卸车单轴最大荷载关系

由计算得，pu′为23.7kPa，pu为73.9kPa，当路面厚度为3m时，自卸车单轴荷载最大为30.9t，路面承载力为687.3kPa，相比于原始软基提高了约29倍。从图2中可知，路面厚度约在2m处，单轴最大载荷随路面增加的趋势变缓，考虑效益与设计要求，路面厚度取2.5m为宜。此时，临时便道路面自卸车单轴最大载荷为29.5t；考虑行车荷载，一般附加应力为自重应力的0.1～0.2左右，这里取0.2；自卸车前轴荷载一般为后轴一半为14.8t。便道建成后，通过了总重量约30t的6轮运砂车，保证了后续工程的正常作业。

3 工程施工及效果分析

3.1 施工步骤

先在尾矿库滩面铺设木板和竹跳板，间距约为一步（30～50cm），以便施工人员下一道工序作业，同时将土工布加工成15m长；然后将土工布运送至施工区铺设，土工布铺设完毕后，在土工布上铺设土工格栅并搭接，同时将其与土工布进行绑扎填筑路面材料选择当地粘土。因路面厚度较大，故采取分层填筑，一次填筑厚度约为30cm。摊铺路面采用小型挖掘机，摊铺时先两边后中间。

3.2 效果分析

3.2.1 技术分析

采用土工材料后，提高了原始地基的承载力，改善了软基区机械化施工条件，保证了后续施工安全。软基上修建道路，通常采用大量的土方或沙砾填筑，该方法耗费量大，工期长，并且存在陷车人亡的风险。土工材料的应用从根本上改变了软基道路施工工艺，节约了工程成本，缩短了工期。

3.2.2 经济分析

施工区位于尾矿库中心地带，修建临时便道的难度较大。所需总土方量约为21000m3，投资约为113万元，工期约45d；采用土工材料后，该工程所需总土方量约为5625m3，投资约45万元，工期约为15d。综上所述，采用土工材料临时便道每100m可节省投资45万元，节省工期30d。

［1］土工合成材料工程应用手册编写委员会.土工合成材料工程应用手册［M］.中国建筑工业出版社，2000.

［2］陆士强.土工合成材料应用原理［M］.水利水电出版社，1994：102～108.

［3］熊朝辉.土工格栅处理软土地基的设计、施工与检测［J］.公路与汽运，2002，92（5）：23～25.

［4］朱诗鳌.土工织物应用与计算［M］.中国地质大学出版社，1989：131～148.

［5］冯志军，毛杰.土工格栅在软土地基处理中的应用［J］.甘肃水利水电技术，2004，40（2）：166～167.

［6］高升.土工布在油田沼泽地道路工程中的应用［J］.石油工程建设，1990（1）：23～28.

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