水泥尾矿在一级公路软土路基换填中的应用研究

李超超, 李 核,刘 伦,程 威

（1.华杰工程咨询有限公司,北京 100029; 2.中交一公局第一工程有限公司,北京 102205）

0 引言

襄阳地区矿产资源丰富，优质水泥用灰岩、饰面用花岗岩和膨润土资源等较为丰富，具备一定的集约化、规模化开发价值和潜力。开采矿产对当地经济发展起到推动作用的同时，也带来了一系列问题。如大量尾矿随意堆放，污染了环境，浪费了耕地，同时由于一部分尾矿堆放选址不合理，给当地居民的生活和居住环境带来了巨大的安全隐患。

襄阳207国道改建项目起于鄂豫两省交界处，沿既有G207加宽至黄集镇北向西改移，途经马集、牛首镇、卧龙镇、吴集、九集镇、欧庙镇、小河镇，止于宜城刘家营，顺接现状G207，路线全长96.178 km。项目采用一级公路标准建设，设计速度80 km/h。项目软基换填量巨大，达130多万立方米，设计为砂砾换填，但工地沿线砂砾匮乏，能否由水泥尾矿（是指水泥生产用原料在选料过程中产生的废弃尾料）替代砂砾进行软基换填，变废为宝，节约施工成本，该文就此问题进行了试验研究和实践操作。

1 水泥尾矿的特性研究

为了探索水泥尾矿能否用于软基换填，通过对华新襄阳市水泥厂某大型水泥尾矿库的材料进行取料，分析水泥尾矿的级配，同时对水泥尾矿进行了击实和三轴实验，获得了相关的试验资料。

1.1 级配测定及分析

试验采用《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）[1]的筛分方法，采用STSJ—3型标准振筛机对尾矿进行筛分、称量，并采集了相应的数据，测试结果如表1所示。根据试验数据，绘出的粒径分析曲线见图1。

由表1、图1可知水泥尾矿的颗粒粒径组成主要分布在1～10 mm范围内，相应的d60=4 mm，d30=0.9 mm，d10=0.13 mm，所以其不均匀系数Cu=31.2＞5，曲率系数1＜Cc=1.6＜3。因此，该水泥尾矿级配较好，适合于填方工程。同时由表1可知，水泥尾矿中颗粒大于2 mm的约占51.25%，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）可知，土样为碎石土。

表1 颗粒分析试验数据

图1 颗粒筛分曲线

1.2 击实试验

试验中采用STDJ—3A电动击实仪对5组样品进行击实，击实后的每组样品中各取两份样品进行平行测试和烘干，并在干燥前和干燥后进行称重记录，可以计算出每组样品中的含水率的平均值见表2，同时根据采集的数据绘出干密度和含水量的曲线（见图2）。由图2可以看出，试验样品最佳水分含量约为4.4%左右，此时样品的湿密度约为2.37 g/cm3。

表2 击实试验数据

图2 干密度和含水率的曲线

1.3 三轴试验

利用三轴试验可以得出抗剪强度与轴向应力的变化规律。该试验委托外部单位进行试验并收集数据。采用非饱和土三轴试验装置（型号：HKUST）测定6组试验样品的抗剪强度，试验样品的含水率为5%，分别施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa的围压，把异常值删除后得到四组数据见表3，并根据试验数据绘出了强度包络图，最终计算出的水泥尾矿的黏聚力和内摩擦角分别为1.8 kPa和30.8°，其特性与砂砾相近，具有较好的渗透性，基本没有黏性。

表3 黏聚力与内摩擦角测试结果

图3 强度包络图

2 数值模拟

计算模型选取襄阳207国道改建项目K72+476～K72+576路基施工段落。根据地质勘察和施工图设计，路基和地基的组成分别是“3+1”灰土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土，设计要求对淤泥质粉质黏土地基进行换填处理，厚度为3 m，如图4所示。路基填料和原地基的性质、厚度以及相对应的材料性能见表4。路面宽度为25.5 m，坡度为1∶1.5，断面宽度为84 m，计算时取100 m长的段落进行建模与分析。

表4 各土层材料参数

图4 路堤横断面图

FLAC3D软件程序是目前岩土力学计算中不可或缺的一种数值方法，在边坡稳定性评价、支护设计与评价、地下硐室设计、施工设计、隧道工程等方面得到了广泛应用。

从图4可以看出来，计算模型是对称的。为提高计算速度，采用1/2的模型进行分析，计算模型的网格划分如图5所示。整个计算模型共划分成了75 287个节点，75 105个四面体单元。计算时假定限制Y轴横向位移，限制X轴两端横向位移，同时限制模型底部的竖向位移，模型上部为自由端，在此条件下输入参数时，需要将弹性模量（E）、泊松比（μ）转化为体积模量（K）和剪切模量（G），其转化关系为：

图5 模型网络图

对于施加荷载的计算，其中车道宽度为25.5 m，车道荷载为均布力11.9 kN/m，再加上0.67 m厚的沥青水稳路面层，经换算后偏安全地取覆盖土上部均布荷载为25 kPa，计算所得竖向沉降位移图如图6、图7所示。分析图6、图7可知，竖向最大沉降发生在路面中心处，采用水泥尾矿换填后的沉降范围为1.400 0×10-1m～1.404 0×10-1m，采用砂砾换填后沉降范围为8.000 0×10-2m～8.806 4×10-2m。经换填后的水泥尾矿沉降量虽大于砂砾，但其沉降范围仍满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）[2]中的相关要求，即一级公路的一般路段施工完成后的总沉降量应该不大于300 mm。

图7 砂砾换填沉降图

3 试验应用

选取襄阳207国道改建项目K72+476～K72+576段落使用水泥尾矿作为软基换填材料进行试验应用，按照路基填筑的要求进行施工，分层填筑、分层碾压，分层厚度控制在20～30 cm，填筑完毕后进行沉降监测和位移监测。

3.1 沉降观测点布置方法

（1）一块600 mm×600 mm×9 mm的钢板作为基座，一根A25 mm的钢管作为观测杆，同时通过三根A10 mm斜钢筋将观测杆焊接在基座上（如图8）。

（2）在基座的埋设部位用10 cm细砂垫层进行平整，并在埋入过程中保证基座的水平度与和观测杆的垂直度（如图8）。

图8 沉降板构造图

（3）放好沉降板后，回填一定厚度的垫层，然后套上保护套管，使其稍略低于观测杆，上端封住管口，然后在其周边填入相应的填料稳定套管，以完成沉降板的埋入。

（4）采用水准仪对埋完的沉降板观测杆顶面高程进行测量，并将其作为初始读数，在路基填筑过程中，逐步将沉降板观测杆和保护套管接高，每次接高0.5m左右为宜，接长前后测量顶部高程变化值来确定接高量。

3.2 位移边桩观测点布置方法

（1）采用C25混凝土预制的位移边桩，其长度为150 cm（如图9），断面为20 cm×20 cm，将其埋入地基内，边桩的埋设深度为140 cm，桩顶裸露在外的高度不应超过10 cm。边桩埋设在路堤两侧趾部，以及坡脚外缘10 m的地方。

图9 位移边桩构造图

（2）位移监测采用全站仪按交会法或极坐标法直接测定测点坐标，作为初始读数。

监测断面及具体测点布置明细见表5。

表5 沉降点及位移点布置表

通过布置沉降板和位移桩，发现其沉降速率、沉降量和位移量均满足设计及规范要求，因此实践操作表明水泥尾矿用于软基换填施工可行。

4 结论

通过对襄阳207国道改建项目软弱土分布特征的分析，结合襄阳地区水泥尾矿储量大、利用率不高的特点，采用水泥尾矿作为软基换填料较为合理。经过一系列的试验研究及分析得到以下主要结论：

（1）对水泥尾矿的基本特征进行了分析，确定其用于一级公路软土路基换填可以满足填土的基本要求。

（2）FLAC3D仿真结果表明，尽管水泥尾矿换填处理后路基沉降量大于砂砾换填后的路基沉降量，但仍满足设计规范的要求。

（3）通过施工实测实量，发现水泥尾矿用于软基处理可行。

（4）将水泥尾矿用作软土路基换填土可以改善矿区环境，节约项目施工成本，实现了废弃材料的二次利用，具有广阔的应用前景。