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        礦山巖土工程勘察中填土的勘察與評價

        2022-11-22 01:24:27郭廣獻(xiàn)王立強(qiáng)
        中國金屬通報 2022年10期
        關(guān)鍵詞:礦山工程評價

        郭廣獻(xiàn),王立強(qiáng)

        為持續(xù)強(qiáng)化填土處置能力,科學(xué)應(yīng)對填土固有屬性,構(gòu)建更為科學(xué)、更為高效的礦山巖土工程勘察與施工模式,越來越多的技術(shù)團(tuán)隊突出填土特征,采取有效性舉措,結(jié)合技術(shù)要素、管理要素,改進(jìn)創(chuàng)新礦山巖土工程勘察中填土勘察的具體方式,健全評價方法,根據(jù)地基檢測報告,綜合分析評價其填料成分、均勻性和密實度等工程性質(zhì),論證填土施工可行性,完善施工體系。旨在通過技術(shù)要素合理化應(yīng)用,實現(xiàn)對填土有效處置,為后續(xù)施工活動穩(wěn)步有序開展奠定堅實基礎(chǔ)。

        1 填土的分類及性質(zhì)

        填土系指人類活動而堆填形成的無規(guī)則的無序堆積體,一般由一種或多種不同類型的土或材料混合而成,往往位于礦層的頂部。根據(jù)其物質(zhì)組成及堆填方式分為素填土、雜填土和沖填土三類。根據(jù)填土堆填的時間,可以劃分為古填土、老填土、新填土三種類別,其中古填土的堆填時間超過50 年,老填土的堆填時間在15 年~50 年之間,新填土的堆填時間在15 年之內(nèi)。

        從土壤性質(zhì)來看,填土濕陷性較為明顯,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低,壓縮性較強(qiáng),其中不均勻性包括其組成成分的不均一及工程性質(zhì)的不均一性。

        1.1 不均勻性

        礦山巖土工程填土施工受到堆填時間、土壤種類、地形條件等因素影響,使得填土組成、區(qū)域分布、土層厚度、滲透屬性等屬性表現(xiàn)出較為明顯的不均勻性。

        1.2 自重壓密性及低強(qiáng)度

        填土層由于堆積周期相對較短,使得填土內(nèi)部之間的空隙較大,孔隙發(fā)育明顯,沒有達(dá)到自然狀態(tài)下的固結(jié)程度,總體強(qiáng)度要低于天然土層,使得填土在實踐施工中表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓縮性。如果未經(jīng)人工干預(yù)(通常為壓實、夯實或采用其他地基處理手段進(jìn)行處理),填土層堆填時間越短,密實度越差,強(qiáng)度越低,壓縮性越高。堆積時間超過10 年的黏性素填土,超過5 年的砂性素填土,在其自重固結(jié)作用下能達(dá)到一定的密實度和強(qiáng)度,可以作為一般的天然地基施工工程。

        1.3 濕陷性

        填土密實性不佳,在自身重力影響下,無法達(dá)到固結(jié)狀態(tài),土層強(qiáng)度較低,在水體作用下,容易引發(fā)濕陷性問題,造成填土層坍塌等系列問題,影響施工效果。

        1.4 腐蝕變質(zhì)性

        填土中一旦含有生活垃圾或者有機(jī)物時,在微生物作用下,垃圾不斷分解,垃圾持續(xù)性消解,使得土壤中會形成一定規(guī)模的孔洞,影響整個填土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

        2 填土的勘察內(nèi)容及重點

        填土勘察過程中,礦山巖土工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)率先明確填土來源,測定填土堆積時間,評估填土分布空間范圍、土層厚度、土壤類別、結(jié)構(gòu)密實度以及濕陷性等參數(shù)。同時在部分場景下,還需要根據(jù)任務(wù)要求,測定填土排水能力與固結(jié)水平。考慮到實際施工要求,填土勘察環(huán)節(jié),需要采取更為靈活、更為多元的手段,確??辈烊蝿?wù)順利完成。

        2.1 地基與樁基礎(chǔ)工程

        在組織開展地基與樁基礎(chǔ)施工活動之前,施工團(tuán)隊需要組織人員開展填土勘察等系列工作,根據(jù)勘察結(jié)果,定向調(diào)整礦山巖土工程施工結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)形態(tài)、標(biāo)高、變形體量等,實現(xiàn)設(shè)計方案的有效調(diào)整。地基勘察環(huán)節(jié),要探測填土區(qū)域是否存在古河道、滲井等,對于填土的物質(zhì)組成、土壤粒徑,也需要開展做好勘察分析,尤其注重做好區(qū)域填土層內(nèi)生活垃圾、有害氣體勘察工作。通過上述總體分析與評估,掌握填土形態(tài),為地基、樁基礎(chǔ)施工提供方向性引導(dǎo),確保施工方案選擇有效性與施工技術(shù)應(yīng)用精準(zhǔn)性。例如當(dāng)?shù)V山巖土工程施工基底所處區(qū)域的標(biāo)高低于填土層底面,技術(shù)團(tuán)隊可以采取地基土換填等方式,將標(biāo)高保持在合理區(qū)間范圍。在這一過程中,需要綜合評估填土空間分布、物質(zhì)構(gòu)成以及地下水文特征。

        2.2 基坑邊坡工程

        當(dāng)基礎(chǔ)開挖深度范圍內(nèi)存在較厚填土,對基坑邊坡穩(wěn)定有影響時,勘察前應(yīng)掌握或了解基坑開挖深度、基坑周邊管線、建(構(gòu))筑物等環(huán)境條件??辈鞎r應(yīng)主要查明基坑開挖深度影響范圍內(nèi)填土的空間分布、厚度、密實度(容重)、抗剪強(qiáng)度、濕陷性、均勻性;查明填土的物質(zhì)成分,特別是大塊建筑垃圾含量、塊體大小等;查明地下水類型、水位、含水層厚度,與相鄰地表(下)水體的聯(lián)系等。

        3 填土的勘察方法

        3.1 調(diào)查搜集

        對填土的勘察應(yīng)從填土的形成過程開始,通過調(diào)查訪問、搜集資料,調(diào)查地形和地物的變遷,填土的來源、堆積年限和堆填方式。近年來,隨著科技的不斷進(jìn)步,信息技術(shù)的不斷發(fā)展,遙感解譯在工程建設(shè)中應(yīng)用也越來越廣泛。在礦山巖土工程勘察中,借助谷歌地球軟件,回看勘察場地近幾年或十幾年內(nèi)的地形地貌及地物變化情況,從而了解場地填土的形成時間、過程、堆積年限,推測其原始地貌類型及特征。

        其次,通過搜集勘察場地前期場平或地基處理、地基檢測相關(guān)成果,分析填土的堆填方式(如吹填、一次性回填或分層碾壓方式回填等)、地基處理情況,同時根據(jù)地基檢測報告,綜合分析評價其填料成分、均勻性和密實度等工程性質(zhì)。

        3.2 勘探與測試

        填土的勘探方法應(yīng)根據(jù)填土性質(zhì)確定,對以粉土、黏性土為主的填土,可采用鉆探取樣、輕型鉆具與原位測試相結(jié)合的方法,輕型鉆具包括小口徑螺紋鉆、洛陽鏟等。填土的均勻性及密實度宜用觸探測定,輔以室內(nèi)試驗。輕型動力觸探適用于黏性、粉性素填土,靜力觸探適用于沖填土和黏性素填土,重型動力觸探適用于粗粒填土。

        近年來,物探方法發(fā)展很快,探地雷達(dá)、面波測試、剪切波速測試等方法均可定性地進(jìn)行填土的均勻性評價,特別是需對填土的地基處理效果進(jìn)行全面評價時應(yīng)用較為廣泛和全面。

        填土的壓縮性可采用室內(nèi)固結(jié)試驗、浸水固結(jié)試驗或載荷試驗、浸水載荷試驗確定。對細(xì)粒土可采用室內(nèi)試驗而對于粗粒土可采用礦山施工現(xiàn)場試驗。

        4 填土的評價

        填土的評價主要包括填土的成分、分布和堆積年代,判定地基的均勻性、壓縮性和密實度。必要時應(yīng)按厚度、強(qiáng)度和變形特征分層或分區(qū)進(jìn)行評價。

        填土由于堆填物來源、時間、方式等不同,即使相鄰很近,其特性也可能差別極大,一般難以根據(jù)經(jīng)驗判斷其特性?,F(xiàn)場勘察對填土特性有著最直觀的感受、最深刻的認(rèn)識,因而,填土的分析和評價應(yīng)在充分調(diào)查、現(xiàn)場勘察、現(xiàn)場測試并結(jié)合試驗成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行。評價的內(nèi)容要結(jié)合當(dāng)下礦山巖土工程特點、填土的可能利用方式和使用要求,以便滿足礦山巖土工程設(shè)計的需要,主要內(nèi)容如下:

        (1)物質(zhì)組成:物質(zhì)成分與其物理力學(xué)性質(zhì)直接相關(guān),也直接影響到礦山巖土工程設(shè)計、處理方法的選擇;應(yīng)分析和評價填土的可利用性及可能對工程施工的影響。

        (2)堆填時間與方式:應(yīng)分析和評價堆填時間與方式對填土的密實度、強(qiáng)度、均勻性、濕陷性、壓縮性等的影響。

        (3)均勻性:應(yīng)分析和評價填土物質(zhì)組成的差異性、填土分布范圍與堆填厚度等的變化,可通過平面分布圖、剖面圖、等值線圖等形式表示。

        (4)濕陷性:應(yīng)根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗結(jié)果,分析和評價填土是否具有濕陷性、濕陷程度等。

        (5)壓縮性:根據(jù)壓縮試驗或載荷試驗結(jié)果,結(jié)合工程經(jīng)驗,分析和評價填土的壓縮特性,提出填土的壓縮系數(shù)、壓縮模量或變形模量等參數(shù)。

        (6)地基承載能力:為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、地基處理、樁基礎(chǔ)設(shè)計提供參考依據(jù)。

        (7)抗剪強(qiáng)度:主要是為基坑邊坡支護(hù)設(shè)計計算提供依據(jù),對以黏性土和粉土等為主的填土,應(yīng)進(jìn)行取樣試驗,結(jié)合工程經(jīng)驗提供c、φ 值等參數(shù)。

        (8)地基與基礎(chǔ)方案:根據(jù)勘察成果,分析和評價填土特性及利用填土進(jìn)行地基處理的可能性,提出地基處理、樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工應(yīng)注意的問題和建議措施。

        (9)地下水:應(yīng)分析評價對基礎(chǔ)材料的腐蝕性,對地基處理、樁基礎(chǔ)施工及基坑開挖的影響??紤]到填土的變異性大,填土特性應(yīng)盡可能分層、分區(qū)評價。

        5 礦山巖土工程項目填土的勘察與評價實例

        5.1 調(diào)查及搜集資料

        根據(jù)某地區(qū)礦山巖土工程勘察場地為例,詳勘階段場地有大面積填土分布,根據(jù)調(diào)查、搜集資料,并結(jié)合谷歌地球及奧維地圖軟件,獲得了以下主要資料:

        (1)場地及周邊區(qū)域近15 年的地形地貌及地物變遷相關(guān)的影像資料,可還原場地原始地貌形態(tài),了解開挖回填的大致時間節(jié)點,其中部分區(qū)域影像中顯示為紅色的區(qū)域,后經(jīng)調(diào)查了解,該區(qū)域回填土為褐紅色含砂黏土,而影像中顯示為深灰色的區(qū)域,回填土為湛江組灰色黏土,這對下一步勘察過程中回填材料的大致分布有了宏觀的印象。

        (2)搜集到了本礦山場地場平及地基預(yù)處理范圍分布圖,以此劃分出場地勘察范圍內(nèi)填、挖方區(qū)的界限,對下一步勘察方案的編寫和勘察方法的優(yōu)化提供了有利依據(jù)和指導(dǎo)。

        (3)搜集到了本礦山場地地基檢測報告,經(jīng)分析了解,本場地填土的回填包括吹填、人工回填并分層碾壓,至設(shè)計豎向標(biāo)高后,采用插塑料板排水及強(qiáng)夯處理,強(qiáng)夯能級根據(jù)回填材料和厚度的不同采用2000KN·m ~8000KN·m 能級。預(yù)處理完成后進(jìn)行了地基檢測,檢測采用靜力觸探、淺層平板載荷試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗等手段,并從填土的組成成份、密實度、均勻性、地基承載力、壓縮模量等方面對其進(jìn)行了評價;這對了解研究區(qū)域場地內(nèi)填土的形成過程、堆填時間、組成成份、人工處理方式及效果等有了很大的幫助。

        (4)搜集到了礦山勘查場地回填過程中填土的密實度檢測報告等相關(guān)資料,由此分析得知本場地某些范圍內(nèi)填土采用每米回填并分層碾壓,經(jīng)密實度檢測,壓實系數(shù)達(dá)設(shè)計要求后回填上層,直至設(shè)計豎向標(biāo)高。其中以湛江組灰色黏土為回填材料的填土,其壓實系數(shù)最大為0.8,而以褐紅色含砂黏土或含黏性土砂為回填材料時,其壓實系數(shù)可達(dá)0.95 以上。這可以幫助分析評價不同回填材料,填土的密實度及均勻性、承載力及壓縮模量等工程特性的特點。

        (5)搜集到場地前期勘察成果,充分分析其與現(xiàn)有場地地形地貌的不同,對現(xiàn)階段場地填土的分布、厚度變化進(jìn)行定量分析,以綜合確定詳勘階段勘察方案的調(diào)整。

        5.2 勘探測試方法

        基于對所搜集資料的分析,對場地填土的堆填方式、堆積時間、分布范圍、厚度、回填材料及不同材料的性質(zhì)等有了初步的了解和認(rèn)識,結(jié)合設(shè)計提供的勘察技術(shù)要求,本次勘察對場地填土的勘察方法進(jìn)行了針對性的優(yōu)化,重點查明其密實度、均勻性、地基承載力及壓縮性,分析評價大面積填土的地基處理方式。本次勘察主要采用以下勘探測試方法:

        (1)鉆探:主要手段之一,確定填土的厚度、回填材料類型及特征。鉆探采用泥漿護(hù)壁或跟管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),全孔取芯進(jìn)行地質(zhì)編錄描述。

        (2)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗:主要手段之一,原位測試的一種,用于評價填土的密實度及均勻性,同時也是作為確定地基承載力的一種方法之一。

        (3)靜力觸探試驗:主要手段之一,靜力觸探具有連續(xù)測試土層力學(xué)性質(zhì)的特點,可用于評價填土的成分、密實度、均勻性、地基承載力及壓縮性等工程特性。

        (4)螺旋板載荷試驗:確定地基承載力及變形縮模量最可靠的手段。螺旋板載荷試驗需首先判定其屬于正常固結(jié)、不存在場地穩(wěn)定性問題的前提下,基于對填土的類型、均勻性的初步分析,并結(jié)合擬建建構(gòu)筑物特點及設(shè)計要求,建議在可能采用填土作為基礎(chǔ)持力層的場地或區(qū)域進(jìn)行。本次勘察經(jīng)初步分析,某礦山區(qū)域擬建建(構(gòu))筑物具以填土作為基礎(chǔ)持力層的可能性,場地為大面積深厚填土(層厚一般6.0m ~15.0m),經(jīng)過地基預(yù)處理,且地基檢測結(jié)果反映地基承載力及壓縮模量均滿足設(shè)計要求,同時靜力觸探試驗成果亦顯示填土的密實度較好,因此在該區(qū)域布置幾個螺旋板載荷試驗點。

        (6)輕型動力觸探試驗:確定填土地基承載力的主要手段之一,同時能夠反映填土的均勻性。一般適用于黏性素填土和粉性素填土,人工測試深度一般為6.0m 以內(nèi),本次勘察屬于輔助手段之一。主要布置在素填土分布較淺區(qū)域,試圖建立與靜力觸探指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系,綜合分析和評價填土的力學(xué)性質(zhì)及均勻性。

        (7)對礦山區(qū)域大面積填土進(jìn)行勘察時,除以上各勘察方法外,尚需在填土分布區(qū)布置一定數(shù)量的波速測試孔、視電阻率測試點等,綜合評價填土場地的工程地質(zhì)及巖土工程條件。

        采用以上勘察方法獲取相關(guān)測試數(shù)據(jù),對填土進(jìn)行評價,需保證測試點布置的均勻性,測試點數(shù)量具有一定的密度,可根據(jù)規(guī)范規(guī)定、設(shè)計要求及地貌單元等分區(qū)進(jìn)行布置。

        5.3 數(shù)據(jù)分析與評價

        (1)地層劃分:以填土的物質(zhì)組成劃分為黏性素填土和砂性素填土,若無明顯界限或垂向分布無規(guī)律,無法劃分時,則以某一類型為主,次要類型進(jìn)行重點描述。在按組成成分劃分后,根據(jù)原位測試成果,重點從力學(xué)性質(zhì)方面對已劃分的土層進(jìn)行細(xì)化。

        (2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計:統(tǒng)計各層土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),在統(tǒng)計時應(yīng)考慮其不均勻性特點,尤其是靜力觸探成果統(tǒng)計時,對單個孔數(shù)據(jù),不得盲目取平均值作為該孔的靜探成果,應(yīng)豎向分析其數(shù)值變化,以主要數(shù)據(jù)為主導(dǎo),例如,錐尖阻力中的大值對平均值的影響很大,統(tǒng)計不合理會造成單孔數(shù)據(jù)偏大而失真。

        (3)填土分析評價相關(guān)的圖表:一般需繪制填土的平面分布圖、等厚度圖、分區(qū)圖(一般包含處理及未處理分區(qū)、填料分區(qū)等)、原位測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表等。

        (4)填土的評價:根據(jù)分層編號,可分別按已完成相關(guān)地基處理和未經(jīng)地基處理、均勻性好壞、密實度好壞等方面進(jìn)行分區(qū)評價。評價時首先判定是否存在場地穩(wěn)定性問題,其次評價均勻性和密實度,最后評價其作為地基基礎(chǔ)持力層(天然或換填后)的可能性,給出基坑開挖相關(guān)巖土參數(shù),并提出相關(guān)地基處理建議。本礦山巖土工程勘察場地某裝置分區(qū)場地填土的評價如下:

        本場地普遍分布有素填土,褐黃色、灰白色、灰色,顏色較雜,主要以黏性土為主,含少量砂,成分雜亂,部分區(qū)域以砂土為主,局部夾有鐵質(zhì)淋濾塊(鐵皮塊),回填時間約5 年,土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散,填料及工程性質(zhì)均勻性均差。

        根據(jù)搜集到的本項目《場平預(yù)處理區(qū)域分布圖》、《場地強(qiáng)夯及軟基處理檢測報告》,本場地部分區(qū)域經(jīng)過地基預(yù)處理。本次對素填土的評價分為預(yù)處理后的素填土和未經(jīng)任何處理的素填土。

        經(jīng)預(yù)處理的素填土,在預(yù)處理時采用插塑料板排水法,并分別進(jìn)行了6000KN·m(插板平均深度15.0m)、4000KN·m(插板平均深度9.0m)、2000KN·m 強(qiáng)夯處理。該區(qū)域素填土經(jīng)本次勘探,其靜探錐尖阻力qc=0.85MPa ~2.68MPa,平均值為1.31MPa。實測標(biāo)貫擊數(shù)N=3.0 擊~21.0 擊,平均值為8.4 擊。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以判斷,該層素填土目前均勻性較差,同時又根據(jù)靜探和標(biāo)貫最小值,本次經(jīng)預(yù)處理后的素填土可不考慮欠固結(jié)對工程的影響。

        未經(jīng)地基預(yù)處理的素填土,其在回填過程中采用分層碾壓的方式回填至設(shè)計豎向標(biāo)高。經(jīng)本次勘察,其靜探錐尖阻力一般為qc=0.79MPa ~1.65MPa,平均值為1.03MPa。實測標(biāo)貫擊數(shù)N=3.0 擊~16.0 擊,平均值為7.0 擊。因此該層素填土可不考慮欠固結(jié)對工程的影響。但本次勘察鉆孔0657B、0659B、0660B、0584B、F054 位置處的靜力觸探錐尖阻力其qc=0.50MPa ~0.72MPa,表明其均勻性差,局部壓實效果不明顯,在施工期間及施工完成后應(yīng)進(jìn)行沉降監(jiān)測。

        綜上所述,對場地素填土,可根據(jù)擬建建(構(gòu))筑物具體特性,并結(jié)合該層素填土厚度,合理采取換填、低能級強(qiáng)夯或采用復(fù)合地基方案,以消除對礦山巖土工程的影響。素填土的分布范圍、厚度及預(yù)處理范圍以素填土平面分布圖及等厚度圖進(jìn)行附圖說明。

        6 結(jié)語

        (1)礦山巖土工程勘察中應(yīng)重視填土的勘察,勘察時應(yīng)根據(jù)實際工程特點,有目的性、針對性進(jìn)行,勘察手段的選擇應(yīng)確保適用;

        (2)填土的勘察應(yīng)以調(diào)查、搜集資料為主要手段之一。

        (3)填土的勘察需查明其分布、厚度、組成成份及工程性質(zhì),為分析、評價和利用填土提供可靠的依據(jù)。

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