攀钢高炉渣岩土工程特性研究

陆得志秦勇光

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南省昆明市650000）

1特性

攀钢高炉渣呈灰透浅兰灰色、褐灰、深灰、灰黄等色，局部岩芯夹淡黄—黄色薄膜，主要成分由炉渣及炉灰组成，系高炉渣高温状态下堆积冷却形成，具有一定胶结作用。渣体在钻探机械破碎作用下，岩芯中粒径2—18cm的炉渣碎块约占50—70％（局部仅达30—40％），其余呈砾砂、粉沫状，干燥，中密～密实。部分炉渣碎块可见气孔发育，气孔直径一般0.1—1.5cm，大者可达3.0cm。在攀钢巴关河渣场、西渣场一带广泛分布。

建筑上炉渣常用作混凝土骨料和换填材料，但由于其化学成分复杂、性质特殊，把炉渣做为一种地基土使用尚处于探索阶段，无可借鉴的成功建设经验，也无规范可循，国内对炉渣地基的岩土整治、利用程度低。

2勘察及研究成果

高炉渣为杂填土，属于特殊性岩土，鉴于渣场地基土的特殊性、复杂性，针对具体的工程实际问题和关键技术难题，勘察中开展了《攀钢高炉渣高温碳化生产碳化渣中试线工程高炉渣杂填土特性研究》课题，对渣场温度进行了探测，对渣体物理性质进行了系统实验研究，对场地温度、应力应变、位移进行三维模拟计算分析，并提出了安全可靠、切实可行的设计、施工建议。

2.1查明渣体岩土力学性质

渣体属于工业废料，为杂填土，属于特殊性岩土，作为地基土需要掌握其岩土物理力学性质，这方面无工程经验可借鉴。

为查明渣体岩土力学性质，勘察做了以下试验：

2.1.2现场大单容试验

现场采用水充法进行了大单容试验，胶结炉渣①层天然密ρ=2.67×103kg/m3。表明炉渣比普通碎石土、强风化岩层重度大。

2.1.3载荷试验

我院前期场地上做过载荷试验，承载力特征值fak=243.2—364.8kPa，平均值334.4kPa，其承载力与中密碎石土较为接近。

2.1.4注水试验

胶结炉渣①层渗透系数k介于3.38×10-3—5.48×10-2cm/s之间，属于中等～强透水层，炉渣孔隙发育、孔隙间联通性良好。

通过上述试验结果可知，胶结炉渣是一种呈碎石状、重度较大、承载力较高、渗透性较强的人工土。

2.2能谱及X射线衍射分析

取ZK6、ZK7、ZK8、侧上、侧中、侧底渣样，测定渣体中所含矿物元素的质量和原子比，判断其矿物组成。渣场炉渣为五元（CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2）渣系，属高钛渣(>20%)。其熔体主要由基本离子Ca2+，Mg2+，O2-，Ti2+，Ti3+和复合阴离子SiO42-，AlO4-，TiO32-组成。其中Ca2+的存在方式对矿渣性能具有明显的影响。由于TiO2是一种很好的晶核形成剂，在此类渣中Ca2+主要与TiO32-形成钙钛矿。钙钛矿的生成一面降低了渣中活性成分CaO进入玻璃体形成逆性玻璃的能力，另一方面提高了渣的结晶性能，使矿渣结构更加致密，降低矿渣的水化活性。

2.3数值模拟

本工程计算主要采用有限单元法。计算场地按相邻三个地勘钻孔的连线构成一个三角形，全场共划分为20个三角形区域。根据地勘资料，场地大致有炉渣层、填土层（粘土层、碎石杂填土层等，为方便计算并为一个中间层）、岩层三个地基层。再把20个三角形区域各分为三层，共60个三棱柱体。地层间的分界面为三个地勘钻孔中土层变化点连线所围成的面。整个地基划分为1,172,983个有限元网格，单元尺寸最长为1.5米，渣体深度方向最大网格长度0.8米。热学计算与结构计算均采用国际上著名CAE软件-ANSYS。

计算分析结果：

（1）温度方面

温度分析预测，模拟显示从现在开始的2年内，虽然温度场最高温度基本相等，但高温区域面积已扩大很多，各钻孔的高温带基本向上移至渣体表层，至第5年和第10年，无论按哪种生热率计算，地基最高温度都明显提高，高温区也多接近地表。

（2）应力应变方面

计算结果显示，无论在自重应力下还是温度应力下，渣体层与中间层交接面的斜坡上方，应力均可能出现异常，Z向应力接近零或出现拉应力。

图10Z向位移与沉降

2.4解决的岩土工程问题、难题

基于上述勘察、试验、数值模拟，解决了以下岩土工程问题、难题：

（1）由于桩长差异、桩周渣体温度差异因素，各桩的热膨胀与冷收缩量不同，易造成厂房上部结构倾斜，影响吊车运行、造成受力结构的开裂，研究报告提出了适合本场地桩体热膨胀伸长量的

计算公式，得出本场地线膨胀系数取值范围为4.

928~5.867×10-6的重要参数。

（2）针对桩基热膨胀时基础差异沉降可形成上部超静定梁、板、柱构建中产生附加应力的问题，提出了“采取增强上部结构的整体性的构造措施，加大梁、屋架的刚度、加大桩帽间的连续梁，以抵消桩不均匀沉降所产生的附加弯矩”等切实可行的处理建议。

（3）针对高温场地桩基施工安全问题，提出了桩基施工通气降温、监控检测安全的建议。

（4）提出较长的桩受渣内温度的影响相对较大，应先行施工的建议，确定了长短桩施工顺序原则。

基于温度场模拟计算、预测评价及Z方向（垂向）位移计算，本次勘察研究还解决了浅基础、室内首层地坪设计的关键技术难题：

（1）针对渣体力学指标、热学指标、化学成分等指标离散性较大、地基均匀性差的问题，提出不宜采用独立基础，对筏板基础、条形基础及上部结构加强刚度的建议。

（2）针对渣体热量在基础板下长期累积可造成基础、地坪开裂，并影响室内工作环境的问题，提出采取散热、隔热和采取换填处理的综合建议。

（3）针对首层地板受热易开裂问题，提出“设置施工缝，把上部有设备或承受较大竖向力的地板与周围受竖向力小的地板分隔开；地板与外墙分隔开；受力变化较大或板下渣的温度变化较大的地板分隔开，使其独立变形，不出现大面积相连的地板，以免出现裂缝，可在板下设隔热、散热层或将首层地板架空，或在板内配筋等以消除下部热量的影响”的建议。

（4）针对渣体受水浸泡强度大幅降低并易释放大量溶解热问题，提出生产、生活用水、雨水合理排放，建筑物周围散水面积应比一般建筑物的散水面积要大的设计建议。

3效果

通过对场地及工程边坡稳定性进行精心计算、评价，得出场地及西南侧边坡处于稳定状态、安全储备略有不足重要结论，建议荷重较大的主厂房、电炉采用桩基础将主要竖向荷载传递到深层稳定基岩中，增加边坡的稳定性，而对边坡只进行坡面挂网喷浆的简单处治措施，避免了边坡采用锚索、桩板挡墙进行治理发生巨大投资费用，节省投资约1000万元，显著缩短了建设工期。

同时项目运用科学研究方法，针对关键的工程实际问题开展专题研究，取得了较好的经济效益。本项目通过对高炉渣地基土物理力学特性的全面研究，有效掌握了攀钢高炉渣化学成分、地基强度、腐蚀性、膨胀性、热传导性、渗透性、可击实性等工程特性，提出并解决了主厂房、电炉桩基础设计、施工中关键技术难题，解决了高炉渣用作一般性建（构）筑物持力层时浅基础、室内首层地坪设计的关键技术难题，节约工程投资500万元以上。