铜尾矿在高速公路软土地基换填上的应用研究

朱千凡 郭永成 晏 斌 肖 洋 程 涛

(1. 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002； 3. 湖北理工学院 土木建筑工程学院，湖北 黄石 435003)

湖北黄石矿产资源丰富，带动经济的同时也产生了一系列的环境问题．大量的铜尾矿任意堆置，占用了大量的耕地、林地或居民地，也污染了大气环境等．我国是矿业大国[1]，据相关统计，2007年以后，我国铜尾矿年弃置量达3亿t，而且其弃置量在逐年增加[2]．目前国内外对铜尾矿的处理方式主要为回收[3]、制备建筑材料[2，4]、回填与复垦[5，6]、干堆[7]等．虽然已经有很多处理方式，但其利用率仍然偏低．因此，为了提高铜尾矿的利用率，需要寻求更多的途径，本文就其能否用于软土路基换填进行相应的试验与研究．

1 铜尾矿的特性分析

为了探究铜尾矿是否符合路基换填的基本要求，通过实验研究对铜尾矿的元素组成、塑限、液限、颗粒粒度进行测定，并通过击实实验以及三轴实验对含骨料的铜尾矿进行测试，得到相应的参数．

1.1 元素组成

按照《铜精矿化学分析方法》(GB/T3884-2012)[8]相应规定，并采用原子吸收光谱仪(型号：GBC AVANTA M)和原子荧光光谱仪(型号：AFS-930)对铜尾矿元素组成进行测定，其测试结果见表1．

依据《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)[9]的规定，除了铜元素有微量超标(超标4%)外，其余的元素都没有超标．铜元素浓度高于第二级标准值，有潜在的污染危险[9]．为了降低铜元素的浓度，可通过添加少量骨料来降低土样中铜元素含量．本着经济、节约以及施工方便的原则，添加5%的骨料即可使铜元素的浓度降低到494 mg/kg，从而满足规范要求．

1.2 塑限与液限

表1 铜尾矿元素组成

塑限和液限是土样进行工程分类的重要指标．本实验采用光电液塑限联合测定仪(型号：TYS-2)测定入土深度；然后取出少量样本进行干燥处理，干燥前后分别称量记录．取五组试样进行试验，每组试验均采用两个实验样品用于平行试验．最终计算每组平行试验的平均值，所得实验数据见表2．

表2 含水率试验数据

取第1、4和5组的数据的平均值绘制入土深度与含水率关系图，如图1所示．由图1计算可知此铜尾矿的塑限ωP为18.80，液限ωL为29.83.故其塑性指数IP为11.03.根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[10]，三鑫铜尾矿属于粉质粘土(10

图1 含水率与圆锥入土深度的关系图

1.3 粒度测定及分析

实验根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[13]试验规程对实验样品进行粒度测定．先使用标准振筛机(型号：STSJ-3)及其配套筛对土样进行筛分；然后采用激光粒度分析仪(型号：LS-POP)对土样进行粒度分析，试验中利用超声波将放在水和甘油的混合液中的铜尾矿土样进行分解，持续5 min后取出沉淀颗粒，经纯水反复过滤至沉淀表面无甘油后烘干称量并记录．最终结合两者所得数据见表3，并根据表3绘制粒径含量分析曲线如图3所示．

表3 颗粒分析试验数据

图2 颗粒筛分曲线 图3 粒径含量分析曲线

由表3和图2可以看出，铜尾矿的颗粒组成主要分布在0～1 mm范围内．对应的d60=0.103 mm、d30=0.020 mm、d10=0.0024 mm，所以其不均匀系数Cu=42.9>5，曲率系数1

1.4 击实试验

实验样品为添加有5%闪长岩骨料的铜尾矿土样，其中粗骨料粒径控制在3.8 mm以内．试验中采用电动击实仪(型号：STDJ-3A)对5组实验样品进行击实，待击实完成后将每组样品分别取出两份样品作为平行实验并干燥处理，干燥前后分别称量记录．计算每组含水率的平均值见表4，并绘制干密度与含水率的关系图如图4所示.从图中可以看出试验样品的最优含水率为15%左右，对应表4的湿密度为2.12 g/cm3．

图4 干密度和含水率的关系曲线

组数一二三四五筒质量/g2005.01961.02005.01961.01961.0筒土质量/g3904.54056.04119.54101.24106.2土质量/g1899.52095.02114.52140.22145.2湿密度/g1.912.102.122.152.15干密度/(g·cm-3)1.721.841.841.841.83

续表4 击实试验数据

1.5 三轴试验

利用三轴实验可以得到抗剪强度与轴向应力之间的关系．本实验采用非饱和土三轴实验系统(型号：HKUST)对6组实验样品的抗剪强度进行测定，其中骨料和铜尾矿粒径都控制在3.8 mm以内，含水率为15%．分别施加50、100、150、200、300 kPa和400 kPa的围压，根据所得数据画出强度包络图如图5所示．经剔除异常值后选取四组数据见表5，最终得到粘聚力和内摩擦角的平均值分别为134.7 kPa和29.8°．

图5 强度包络图

编号1234平均值粘聚力/kPa167.57157.08122.2391.73134.7内摩擦角/゜2626303729.8

2 数值模拟

2.1 模型描述

计算模型取自某高速公路的K0+342断面，其地基组成分别是碎石土、干砂、粘土、淤泥质粉质粘土，因工程要求需要将部分淤泥质粉质粘土地基进行换填，厚度为3 m，如图6所示．每层的土样类型、厚度以及相应的材料性能见表6(表中换填材料为准备换填的材料，用于换填4号土层，换填厚度为3 m，混合骨料铜尾矿弹性模量取砂性土的最小值为30 MPa)所示，路面宽度为22.5 m，坡度为1∶1.5，路基断面取84 m，取100 m长的一段进行建模与分析．

图6 路堤横断面(单位：m)

层号土层类型厚度h/m密度ρ/(kg·m-3)弹性模量E/MPa泊松比μ粘聚力c/kPa内摩擦角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淤泥质粉质粘土(换填层)3.017801.890.304.118.95淤泥质粉质粘土13.017801.890.304.118.9换填料混合骨料铜尾矿3.0212030.000.30134.729.8

2.2 软件简介及模型分析

FLAC3D软件程序是目前岩土力学计算中的不可缺少的数值方法之一．可模拟三维土体和岩体等力学特性，其广泛应用于边坡的稳定性评价、支护设计和评价、地下洞室、施工设计以及隧道工程等多个领域．进行数值模拟的主要步骤为：建立网格模型、模型优化、赋加材料特性、施加边界条件，施加荷载以及结果分析．该软件在模拟非线性问题、大变形问题或动力等问题时效果显著．

从图6可以看出，计算部分具有对称性，为减少网格数量，提高计算效率，可取1/2模型进行建模与计算，计算模型网格划分如图7所示，共划分67 872个节点，61 600个四面体单元．计算假定Y轴水平施加位移边界约束，X轴两端水平施加位移边界约束，模型底部施加竖向位移边界约束，模型上部为自由端．其中输入参数时，需要将表6中弹性模量(E)和泊松比(μ)转化为体积模量(K)和剪切模量(G)，其转化关系为

式中，K为体积模量，E为弹性模量，μ为泊松比，G为剪切模量．

对于施加荷载的计算，按照《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)，取双向六车道，其中车道总宽为22.5 m，车道荷载为均布力10.5 kN/m，再加上0.3 m厚的混凝土路面，经换算后偏安全的取覆盖土上部均部荷载为20 kPa．计算所得竖向沉降位移图如图8、图9所示．分析图8、图9可知，竖向最大沉降发生在路面中心处，原状土沉降范围为1.4000×10-1～1.4040×10-1m，换填后沉降范围为8.0000×10-2～8.8064×10-2m．经换填后的路基相对于原状土沉降量减少了37%～43%．因此将铜尾矿作为软土路基换填土是可行的．

图7 模型网格图 图8 原状土沉降图 图9 换填后沉降图

3 结 论

通过对高速公路软弱土分布特征的分析，以及考虑到黄石铜尾矿含量丰富且利用率较低的情况，采用换填法处理软土层较为合理，经过一系列的实验研究及分析得到以下主要结论：

1)经过铜尾矿基本特性分析，将其用于高速公路软土地基换填满足现行规范的基本要求．

2)经FLAC3D数值模拟可知，经换填处理后的路基相对于原状土沉降量减少了37%～43%，即换填后的路基承载力得到了提高，说明铜尾矿用于软土路基换填的应用是可行的．

3)将铜尾矿用作软土路基换填土既可提高原路基的承载能力，又能改善矿区的环境．将此方法应用到其他地区的矿区，将会大大改善其生态环境，又可节约资源，实现矿区的资源化利用．