曾學(xué)敏 張明銀 段蔚平

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司； 2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司)

尾礦庫(kù)筑壩膨脹土料摻灰改良試驗(yàn)

曾學(xué)敏1，2，3張明銀4段蔚平1，2，3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司； 2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司)

張莊鐵礦尾礦庫(kù)筑壩土料存在膨脹性，為使其滿足筑壩要求，采用摻石灰的方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)的膨脹土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗(yàn)，確定了摻灰改良后筑壩土料物理力學(xué)參數(shù)，為該區(qū)建庫(kù)筑壩提供了施工依據(jù)。綜合對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)參數(shù)，確定改良膨脹土最優(yōu)摻灰比率為2%生石灰+3%消石灰，使該區(qū)不均勻土層②層黏土物理力學(xué)性質(zhì)得到極大改善，達(dá)到筑壩的要求。

尾礦庫(kù) 膨脹土 摻灰比率 膨脹率 滲透系數(shù)

膨脹土是指土中粘粒成分主要由親水性礦物(如蒙脫石、伊利石)組成，具有吸水膨脹和失水收縮的變形特性的礦物，其工程特點(diǎn)表現(xiàn)為潛在性、長(zhǎng)期性和反復(fù)性。膨脹土受工程建設(shè)活動(dòng)影響，會(huì)隨氣候、地質(zhì)環(huán)境等自然條件改變而發(fā)生水分轉(zhuǎn)移。當(dāng)其處于干燥狀態(tài)時(shí)，其膨脹潛勢(shì)高，反之則低，這就給膨脹土地區(qū)的建設(shè)工程帶來(lái)了諸多困難。

張莊鐵礦尾礦庫(kù)建設(shè)工程場(chǎng)區(qū)廣泛分布不均勻巖土層②層黏土(即粉質(zhì)黏土)，尾礦庫(kù)初期壩及擋水壩均為一次性不透水黏土壩，設(shè)計(jì)采用從場(chǎng)區(qū)內(nèi)取土料筑壩。室內(nèi)試驗(yàn)表明，該建設(shè)工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)②層黏土具有膨脹性，如果用該區(qū)②層黏土筑壩，尾礦庫(kù)運(yùn)營(yíng)后，壩體會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、隆起及失穩(wěn)等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致潰壩。因此，工程的關(guān)鍵是改良區(qū)內(nèi)②層黏土的含水率和膨脹性。此次試驗(yàn)以石灰為改良劑，對(duì)膨脹土的特性進(jìn)行改良。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

現(xiàn)場(chǎng)改良試驗(yàn)位于壩區(qū)的3個(gè)40.0 m×10.0 m區(qū)域，摻灰比率生石灰+消石灰按2%+2%、2%+3%、2%+4%，每個(gè)試驗(yàn)段取面積為30.0 cm2、高度為2.0 cm的環(huán)刀樣5個(gè)，面積為30.0 cm2、高度為4.0 cm的環(huán)刀樣2個(gè)，10.0 cm×10.0 cm×10.0 cm的塊狀樣4個(gè)，共2組。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

將現(xiàn)場(chǎng)所取試樣埋于相同摻量改良膨脹土中養(yǎng)護(hù)，而后進(jìn)行：石灰劑量檢測(cè)，以研究筑壩場(chǎng)區(qū)待檢測(cè)石灰改良土的石灰劑量；自由膨脹率試驗(yàn)，以研究不同摻灰比率下自由膨脹率與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化關(guān)系；滲透試驗(yàn)，以研究不同摻量比率下滲透系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系；快剪試驗(yàn)，以確定現(xiàn)場(chǎng)改良膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 石灰劑量試驗(yàn)

取養(yǎng)護(hù)3、5、7、14、28 d的塊狀試樣，按規(guī)范要求進(jìn)行各齡期的EDTA滴定，制定考慮齡期影響的石灰劑量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)石灰改良土的石灰劑量結(jié)果

2.2 自由膨脹率

將養(yǎng)護(hù)3、5、7、14、28、56 d的另一組塊狀樣烘干，而后對(duì)試樣各齡期進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，得到自由膨脹率與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間及摻灰比率對(duì)自由膨脹率影響試驗(yàn)結(jié)果

從表2可知，養(yǎng)護(hù)齡期加長(zhǎng)，自由膨脹率逐漸趨于穩(wěn)定；養(yǎng)護(hù)齡期相同，提高摻灰比率，自由膨脹率先下降后趨于穩(wěn)定。

2.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用高2.0 cm的環(huán)刀試樣，試樣的試驗(yàn)環(huán)境同自由膨脹率試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)28 d干濕循環(huán)試驗(yàn)，膨脹土的絕對(duì)膨脹率見(jiàn)表3，膨脹土的相對(duì)膨脹率見(jiàn)表4。

表3 現(xiàn)場(chǎng)石灰改良膨脹土的絕對(duì)膨脹率

從表3可知，改良膨脹土在浸水膨脹后的絕對(duì)膨脹率總體隨石灰摻量的增加而減小，其絕對(duì)膨脹率均小于1%。

表4 石灰改良膨脹土相對(duì)膨脹率

從表4可知，改良膨脹土的相對(duì)膨脹率總體變化不大；相對(duì)膨脹率大于零，說(shuō)明每次干濕循環(huán)過(guò)程中改良膨脹土浸水飽和后發(fā)生了膨脹變形。

2.4 滲透系數(shù)試驗(yàn)

將養(yǎng)護(hù)28 d的4.0 cm高的環(huán)刀樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，干濕循環(huán)過(guò)程中每次試樣浸水膨脹飽和后進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 現(xiàn)場(chǎng)石灰改良膨脹土滲透系數(shù)

從表5可知，改良膨脹土試樣在浸水膨脹后，其滲透系數(shù)總體上隨石灰摻量的增加而增加；6次干濕循環(huán)后滲透系數(shù)均在10-5cm/s數(shù)量級(jí)左右。

2.5 快剪試驗(yàn)

將養(yǎng)護(hù)28 d的2.0 cm高的環(huán)刀樣進(jìn)行6次干濕循環(huán)，浸水飽和后進(jìn)行快剪(直剪)試驗(yàn)，改良膨脹土的強(qiáng)度變化曲線如圖1～6所示。

圖1 摻生石灰+消石灰(2%+2%)改良膨脹土剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線

綜合對(duì)比自由膨脹率、水穩(wěn)定性、滲透和快剪試驗(yàn)結(jié)果，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)摻灰的均勻性和粉碎后土塊大小等因素對(duì)改良效果的影響，建議現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)膨脹土改良的摻灰比率(生石灰+消石灰)為2%+3%。

圖2 摻生石灰+消石灰(2%+2%)改良膨脹土抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

圖3 摻生石灰+消石灰(2%+3%)改良膨脹土剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線

圖4 摻生石灰+消石灰灰(2%+3%)改良膨脹土抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

圖5 摻生石灰+消石灰(2%+4%)改良膨脹土剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線

3 施工工藝

施工采用“二次摻灰”工藝，即摻灰過(guò)程分為兩步。首先，在膨脹土內(nèi)摻生石灰，經(jīng)過(guò)燜料、拌合，降低土體含水率。然后，向土料中摻消石灰，粉碎并碾壓成型。具體施工順序：

圖6 摻生石灰+消石灰(2%+4%)改良膨脹土抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

(1) 石灰檢測(cè)。石灰進(jìn)場(chǎng)后，需檢測(cè)其有效CaO和MgO含量，以及石灰中的雜質(zhì)含量，確保石灰符合三級(jí)或三級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 燜料用2%的生石灰拌和。根據(jù)每層填土質(zhì)量計(jì)算出所需的生石灰摻量，采用生石灰和土料互層的方法(土料厚度≥1.0 m)進(jìn)行堆燜和拌合，第2 d和第3 d均需對(duì)土料翻拌不少于1次。

(3) 石灰粉碎并碾壓。燜料第3天翻拌后運(yùn)至填筑場(chǎng)地?cái)備?，摻所需量消石灰并粉碎，測(cè)試土料石灰劑量和含水率，合格后快速連續(xù)壓實(shí)至滿足筑壩設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)采用“二次摻灰”的石灰改良膨脹土施工工藝，使②層黏土的結(jié)構(gòu)得到明顯改變，降低自由膨脹率，改善含水率，消除土體的脹縮變形特性，是膨脹土區(qū)工程建設(shè)的有效方法。

[1] 馬宏劍，方 磊.公路工程中膨脹土判別指標(biāo)的選取[J].山西建筑，2006(1):108-109.

[2] 王保田，武良金，向文俊，等.改良膨脹土筑堤技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2005(1):26-28.

[3] 田虎偉，張明銀，朱開(kāi)桂，等.張莊尾礦庫(kù)膨脹土改良試驗(yàn)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014 (3):181-182.

[4] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL/T 5129—2001 碾壓式土石壩施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[5] 查甫生，劉松玉，杜延軍，等.石灰-粉煤灰改良膨脹土試驗(yàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3):339-344.

Experiment on Dam Improving by Adding Swelling Soil Lime Mixed Ash on Tailings Dam

Zeng Xuemin1,2,3Zhang Mingyin4Duan Weiping1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd；2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.National Engineering Research Center of Huawei High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources Co.,Ltd.;4.Anhui Masteel Zhangzhuang Mining Co., Ltd.)

Zhangzhuang iron tailings has swelling performance when used in dam building, in order to meet the requirements of dam, swelling soil property improving around the research area by adding lime was conducted within indoor experiments. Physical and mechanical parameters of improved damming soil was determined, and provide construction basis for dam building around the area. Compare each parameter, optimal ash dosage for improved swelling soil is 2% quick lime + 3% slaked lime, making the physical and mechanical properties of uneven soil layers ② layer significantly improved, meet the requirement of dam building.

Tailings dam, Swelling soil, Lime adding ratio, Inflation ratio, Permeability coefficient

2015-05-18)

曾學(xué)敏(1985—)，男，工程師，碩士， 243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。