西南山区交通工程弃渣的工程特性评价及其分类

尹小涛，杨 华，但路昭，田 明，张 朔

(1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071；2. 中交铁道(武汉)建设科技有限公司，湖北 武汉 430056； 3. 云南大漾云高速公路有限公司，云南 大理 671000；4. 云南省交通投资建设集团有限公司，云南 昆明 650228； 5. 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

随着国家交通强国战略的持续深入、青山绿水工程的实施和环境保护标准的提升，山区交通建设面临弃渣中长期安全处置难题的挑战。一般实际弃渣工程安全涉及：①场地稳定性，有没有不良地质和软弱地层；②弃渣自身强度对弃渣边坡稳定性的支撑，一般隧道弃渣性质要好于路堑开挖弃渣；③人为控制堆积过程的安全性，如将差的弃渣放在底部或者表层，会造成安全隐患，应该用好的弃渣包裹差的弃渣；④主体结构的合理规范性，如拦渣墙设置合理，上部来水截排，坡面来水截排，那么弃渣边坡的中长期安全就有保证。

国内山区交通工程弃渣的工程特性研究多集中在：①弃渣的基本物理力学性质，服务于弃渣场边坡稳定性评价[1-6]；②弃渣的粒径分布规律，服务于弃渣级配和土体稳定性评价[7-11]；③弃渣的水稳特性，服务于水土保持控制目标[12-18]；④弃渣的工程特性，服务于综合多元利用[19-26]。国外对于弃渣的研究多集中在矿山弃渣大剪试验[27]、灾变机理[28]和稳定性评价[29]方面。综上所述，弃渣的工程特性研究总体上是服务于水土保持工作这个总目标，但对方法的试验测试、适用性和稳定性评价研究不多。

课题团队近些年在西南山区做了大量的公路和铁路弃渣场稳定性评价项目。本文基于西南山区交通工程弃渣的行业特征和认识积累，在实际工程弃渣场运行条件下，针对弃渣土石混合特点和废弃特征，探讨其固体废弃物造成的工程复杂性，设法解决弃渣性质难以准确测定的问题，并揭示弃渣物理力学性质复杂的本质，寻找解决工程难题的技术路线和方案，为类似工程弃渣物理力学特性的科学评价提供技术支撑。

1 弃渣场运行特征

1.1 运行特征

山区交通工程建设不可避免地会产生不同量的工程弃渣，需要就近堆放。弃渣场的运行一般包括选址、堆放和整形封闭等阶段。弃渣场边坡安全控制措施一般采用坡率+台阶组合方法进行，弃渣的废弃特点使得其很少采取其他造价相对较高的边坡加固措施。自然排放堆积过程和整形封闭过程概化见图1。

图1 典型山区交通工程弃渣场运行过程概化图Fig.1 Conceptual Working Processes of Traffic EngineeringSpoil Ground in Typical Mountainous Area

交通工程弃渣场的工程特征主要包括：①不再破碎处理，即挖方形成的超量部分直接运来堆积；②不再碾压处理，直接坡顶排放；③极限排放，即坡顶重车直接倾倒，利用势能转化的动能运动堆积；④整形，根据设计坡率和台阶由上而下施工；⑤主体结构分阶段实施，采用拦渣墙、环向截排水措施和坡面截排水措施。

1.2 运行特征造成的独特属性

弃渣的固体废弃特点决定了实际工程中开挖形成的弃渣一般不再进行破碎处理，实际堆积过程一般不做碾压处理，这是山区交通工程弃渣分选性差、磨圆差、级配不良和欠固结等工程特性的根本原因。分选性差和磨圆差又进一步加剧了级配不良和欠固结的程度；分选性差、级配不良和欠固结又会造成水稳性差，即容易造成局部细颗粒的流失导致大颗粒骨架坍塌。边坡局部坍滑或下沉、坡面水土流失形成不同规模冲沟、渠道系统开裂的本质在于上述弃渣工程特性，其不同破坏特征见图2。

图2 山区交通工程弃渣场的典型破坏Fig.2 Typical Damages of Traffic Engineering SpoilGround in Mountainous Area

2 弃渣的工程特性

2.1 高速公路弃渣粒组特征

实际工程中，多数进行现场灌砂法试验测定弃渣密度；取扰动样进行颗粒分析试验，了解级配特征；取扰动样进行室内直接剪切试验，测定强度参数。密度和级配特征可用于定性评价弃土密实程度和水稳特性，密度和强度参数用于弃渣边坡稳定性评价(图3)。这些局部有限尺寸试验受限于表观取样、尺寸和数量，造成代表性难题。

图3 山区高速公路弃渣常规试验Fig.3 Common Tests of Waste Slags in Moutainous Highway

根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[30]对于公路土粒组的规定和命名，粒径大于60.000 mm属于巨粒组，粒径为0.075～60.000 mm属于粗粒组，粒径小于0.075 mm属于细粒组。为探讨西南山区交通工程弃渣的工程特性，对某高速公路弃渣粒组进行统计(表1、图4)。

从表1可知，多数弃渣级配不良，个别良好数据是剔除超大粒径造成的，即多数属于粗粒土类型，个

表1 山区某高速公路弃渣颗粒分析结果

别属于巨粒土，大部分缺失细粒土。实际工程中，大颗粒尺寸最大可达数米，最小可接近毫米。一般，粉、黏粒肉眼很难分辨。西南山区残积土一般由于地质成因、母岩特性、地形、遇水淋滤的长期作用，多数缺乏粉粒和黏粒。因此，本文追踪到的西南山区交通工程弃渣多属于粗粒土、巨粒土，较少出现细粒土，后续研究主要针对此类进行。限于篇幅，未增列其他西南山区交通工程弃渣数据。

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2.2 弃渣的工程特性评价难题

交通工程弃渣的稳定性评价是水土保持评估的重要内容之一，一般要依据弃渣工程特性，采用试验或者经验确定弃渣的容重和强度。容重经常采用灌砂法或灌水法现场测定，强度一般需要取扰动样室内恢复天然密度进行剪切试验确定。土工试验规程和混凝土试验规程等规范和标准规定了试件尺寸一般不能小于最大粒径的10倍，对这类人工堆积的欠固结弃渣，由于其颗粒空间分布不均匀和粒径范围宽大，使得试验和取样的代表性是个难题。试验和取样的问题会造成弃渣参数难以准确测定。

山区交通工程弃渣的工程特性评价难题主要表现在代表性差，具体表现和根源如下：①粒径范围差异较大，最大、最小粒径尺寸相差太大，且不同工程之间可能都不一样，但是考虑到运送堆积方式类似，最大粒组范围不会有太大的差异，这种尺寸范围的不确定性使得取样和试验难度加大。②颗粒空间分布不均匀，最大、最小粒径相差悬殊；在坡顶排放条件下，大颗粒在势能作用下一般运动较远，小颗粒相对运动距离短，造成坡脚一般大颗粒多，这一点有利于边坡整体稳定性；后期整形时，由高到低刷坡，会在坡面覆盖一层相对较细的坡顶物质；表观取样和试验难以具备代表性。③取样和试验的代表性难题，工程排放堆积的过程会造成由高到低、由表及里的大小颗粒空间分布不均，这种空间分布不均又会极大地激发取样和试验的代表性难题。④弃渣来源的复杂性，实际中一般不会控制弃渣的来源，堆积的管理很难做到精细化，只能确定一个大原则，即差的弃渣不能堆放在底部和坡脚。

图5(a)是依托工程实际弃渣过程及由此造成的运动分选性差和带状差异堆积形态，呼应了上述①和②论点。图5(b)是利用PFC软件制作的柱状模型去掉侧向约束造成的不同随机粒径的运动堆积过程和带状堆积形态，这与实际弃渣过程吻合，说明按此堆积确实会造成图1所示的概化剖面。对于该剖面随时间的密实度变化规律，后期会在依托工程中利用物探方法持续追踪固结造成剖面材料特性演化规律，支撑符合实际稳定状态的弃渣特性评估技术和方法。

图5 山区交通工程弃渣排放堆积形成的分选及分带特征Fig.5 Separation and Zoning Characteristics Formed byTraffic Engineering Waste Slags in Mountainous Area

2.3 问题的根源和解决方法

弃渣工程性质测试的难度在于代表性以及实际状态时间和空间的复杂性，而取样和现场表观试验无法克服这些问题，这就说明传统的测试方法和技术标准需要改变。弃渣的自然属性类似于无黏性土；弃渣的堆积过程类似于松散土体的天然休止角试验。这两个特点决定了可以借用与其相关的试验方法和计算方法来解决代表性差的问题和测试项目及技术难题。

弃渣的磨圆差和分选性差也会形成一定的颗粒间咬合力，一般在0到几十千帕之间，可以考虑作为安全储备；天然休止角代替弃渣内摩擦角，一般比材料内摩擦角小5°～10°，也可以考虑作为安全储备。因此，利用天然休止角试验替代常规取样和剪切试验是有一定安全储备和现实支撑的。天然休止角试验具有以下优点和支撑依据：①尺度优势，堆积过程测量替代取样试验，实际过程的测量在尺度上解决了粒径范围过大带来的试验尺度和取样的代表性难题；②多阶段测量和统计优势，多阶段的天然休止角测量解决了空间分布不均和不同阶段弃渣来源复杂所带来的问题，即天然休止角测量的多阶段统计可以解决时间和空间代表性难题；③测试结果保守的优势，天然休止角测量便捷，结果相对保守，对于安全控制是有利的;此外，安全储备也有利于抵消部分其他不利要素造成的中长期安全威胁。④无黏性土边坡稳定性系数计算公式的优势，弃渣咬合力可以作为安全储备，计算公式的物理力学机制在于实际弃渣的堆放具有一定的极限排放特征，即势能转化动能的运动堆积使得坡体在轻微扰动下即可造成局部浅表溜滑失稳，这些破坏特征也符合无黏性土边坡的浅表溜滑破坏模式。因此，借用该公式评价山区交通工程弃渣边坡的稳定性具有一定的合理性和科学性。

当前，实际交通工程弃渣很少做到碾压处理，这也是借鉴和推荐松散状态无黏性材料天然休止角测试替代传统测试的目的和依据，同时颗粒间5～20 kPa的咬合力可以作为安全储备，而且现场堆积过程的多阶段坡角测量有利于解决取样代表性和室内或现场测试结果代表性问题。同时，随着时间的增长及密实度和固结度的提升，弃渣强度得到极大提升，可以保证弃渣边坡的整体稳定状态是当时有保证、后期更安全、局部影响自身可承受的状态。这样的技术路线物理力学机制明确，方法和技术在砂土边坡中已经得到应用检验，本文将其引入并应用到弃渣边坡稳定性评估中。

3 弃渣特性评价及分类

3.1 弃渣场稳定性评价方法和指标体系

基于无黏性土边坡稳定性系数计算公式的山区交通工程弃渣场边坡稳定性系数计算公式为

(1)

式(1)仅有两个角度测量，不涉及容重和其他强度参数,方法简单易操作，且物理力学机制明确。

3.2 典型弃渣场天然休止角统计和分类

根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)[31]，以0.075 mm和60.000 mm作为分界粒径，将土石混合体分为细粒土、粗粒土、巨粒土。交通工程常以2 mm作为粗粒分界粒径，定义粒径大于2 mm的粗巨粒弃渣质量与粒径小于2 mm的中细粒弃渣质量之比为弃渣粗细比。其表达式为

k=md>2/md≤2

(2)

式中：k为弃渣粗细比；md>2为粒径(d)大于2 mm的弃渣质量；md≤2为粒径小于2 mm的弃渣质量。

根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)[31]，当粗粒弃渣的粗巨粒质量大于总质量的50%时，k>1.0；当细粒弃渣的中粗粒质量小于总质量的25%时，k<0.3；当混合型弃渣的粗细粒质量在总质量的25%～50%时，0.3≤k≤1.0。根据对云南大永高速公路37个弃渣场、勐绿高速公路进场道路27个弃渣场和景海高速公路31个弃渣场的天然休止角和现场试验多阶段追踪，绘制出天然休止角与弃渣粒组的关系(图6)。由图6可知，粗粒弃渣占所有样本的20%左右，混合型弃渣占所有样本的76%左右，细粒弃渣占所有样本的4%左右。这符合西南山区弃渣的区域特征，可以认为该区弃渣以土石混合型为主，细粒土占比很少。基于此的弃渣分类和天然休止角分类见表2。

图6 天然休止角与弃渣粒组的关系Fig.6 Relationship Between Natural Repose Angle andGrain Group of Waste Slag

表2 基于弃渣粗细比的西南山区交通工程弃渣分类

根据弃渣分类和天然休止角界限值，利用3.1节的边坡稳定性系数计算方法，结合四级弃渣场弃渣边坡正常运行工况稳定性系数为1.20的安全标准，推荐了整形坡率(表3)。由表3可知，细粒弃渣建议整形坡率接近1.00∶2.00，粗粒弃渣建议整形坡率接近1.00∶1.50，与课题团队统计得到的数据接近，即以土为主控制整形坡率为1.00∶2.00，以碎石为主控制整形坡率为1.00∶1.50，混合型弃渣整形坡率介于两者之间。这些整形坡率在实践中得到了很好的检验，调查发现很多弃渣场整形坡率为1.00∶1.30都出现不同程度的浅表变形破坏，整形坡率缓于1.00∶1.50的边坡均保持稳定。

表3 基于天然休止角的西南山区交通工程弃渣整形坡率建议值

3.3 方法的应用和检验

依托某高速公路K121+900弃渣场，分别利用常规方法和本文推荐方法进行了现场试验和室内试验，统计结果列于表4。由表4可知，现场测量得到的天然休止角小于室内有限尺寸剪切试验得到的弃渣内摩擦角，具有保守特征，弃渣粗细比在图6插值得到的天然休止角为37°。依据实测天然休止角、插值天然休止角分别与整形坡角计算得到的弃渣边坡稳定性系数为1.45、1.48，依据材料内摩擦角和整形坡角得到的弃渣边坡稳定性系数为1.60，均大于四级弃渣场弃渣边坡正常运行工况在稳定性系数为1.20的工程稳定性要求，弃渣边坡稳定。天然休止角实测结果与插值结果接近，都比试验测得的内摩擦角小，保守特征明显，可以作为常规试验有益补充。在积累足够多地区经验值的条件下，可以用于指导实际弃渣工程。

表4 西南山区某高速公路K121+900弃渣场弃渣性质测试结果

4 结 语

(1)根据西南山区多条高速公路弃渣场的长期跟踪，山区交通工程弃渣具有分选性差、磨圆差、级配不良、欠固结、巨粗粒、缺少细粒等固体废弃物特征。这些特征相互影响，分选性差和磨圆差加剧了级配不良和欠固结的程度，分选性差、级配不良、欠固结、粉黏粒缺失等特点又会造成水稳性差，是水土流失、差异沉降、坍滑、主体结构变形开裂的根本原因。

(2)山区交通工程弃渣测试难题的根源在于粒径范围差异大、颗粒空间分布不均、渣土来源复杂。这些物质本身和松散堆积带来的时间、空间变异特性是其取样代表性和工程特性难以准确评价的根本原因。

(3)利用无黏性土边坡稳定性系数计算公式，借用弃渣堆积过程的多阶段天然休止角测量统计解决取样代表性和参数准确评价的问题，基于弃渣的咬合力和天然休止角一般小于材料内摩擦角的保守特征，使得本文提出的交通工程弃渣场稳定性评价方法简单易行，物理力学机制明确。

(4)基于弃渣粗细比可以将西南山区交通工程弃渣分为：①细粒弃渣，弃渣粗细比小于0.3，天然休止角小于31.5°,整形坡率为1.00∶2.00；②混合型弃渣，弃渣粗细比为0.3～1.0，天然休止角为31.5°～39.5°，整形坡率为1.00∶2.00～1.00∶1.50；③粗粒弃渣，弃渣粗细比大于1.0，天然休止角大于39.5°,整形坡率为1.00∶1.50。

(5)上述成果的精度有赖于地区数据的积累和继续总结，后续有必要补充弃渣边坡随着固结造成的物性指标和强度指标的时间、空间演化特征。

谨以此文祝贺长安大学七十周年华诞！七十年立足西部为国育才，感谢母校为我们打下了坚实的学科基础知识体系，塑造了我们的专业操守和人格，这些是我们走向工作岗位的立身之本！1994年，我通过高考统招来到西安地质学院水工系，进入心心念念的水文地质与工程地质专业攻读学士学位；1998年毕业时，学校更名为西安工程学院。对于水文地质与工程地质专业，对我这样一个农村出来、吃惯苦的孩子一点都不会觉得苦，而且学校还有丰厚的奖学金和补助，确保我们衣食无忧，专心学习。当时的水工系算是学校的重要学科，事实也证明水工系确实不凡，先有李佩成院士，后有彭建兵院士。能在这里度过四年本科时光，是我人生之大幸！想念494311班、494312班和494321班的兄弟姐妹们，想念班主任范文老师，想念带毕业设计的李同录老师，想念教我们高深有限元的李萍老师和王文科老师……谢谢你们的陪伴和教诲！母校的繁荣昌盛，我们与有荣焉！最后，祝愿老师们身体健康，学弟学妹们学业有成，校园越来越漂亮，母校越来越好！