西南山區交通工程棄渣的工程特性評價及其分類

尹小濤，楊 華，但路昭，田 明，張 朔

(1. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071；2. 中交鐵道(武漢)建設科技有限公司，湖北 武漢 430056； 3. 云南大漾云高速公路有限公司，云南 大理 671000；4. 云南省交通投資建設集團有限公司，云南 昆明 650228； 5. 安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著國家交通強國戰略的持續深入、青山綠水工程的實施和環境保護標準的提升，山區交通建設面臨棄渣中長期安全處置難題的挑戰。一般實際棄渣工程安全涉及：①場地穩定性，有沒有不良地質和軟弱地層；②棄渣自身強度對棄渣邊坡穩定性的支撐，一般隧道棄渣性質要好于路塹開挖棄渣；③人為控制堆積過程的安全性，如將差的棄渣放在底部或者表層，會造成安全隱患，應該用好的棄渣包裹差的棄渣；④主體結構的合理規范性，如攔渣墻設置合理，上部來水截排，坡面來水截排，那么棄渣邊坡的中長期安全就有保證。

國內山區交通工程棄渣的工程特性研究多集中在：①棄渣的基本物理力學性質，服務于棄渣場邊坡穩定性評價[1-6]；②棄渣的粒徑分布規律，服務于棄渣級配和土體穩定性評價[7-11]；③棄渣的水穩特性，服務于水土保持控制目標[12-18]；④棄渣的工程特性，服務于綜合多元利用[19-26]。國外對于棄渣的研究多集中在礦山棄渣大剪試驗[27]、災變機理[28]和穩定性評價[29]方面。綜上所述，棄渣的工程特性研究總體上是服務于水土保持工作這個總目標，但對方法的試驗測試、適用性和穩定性評價研究不多。

課題團隊近些年在西南山區做了大量的公路和鐵路棄渣場穩定性評價項目。本文基于西南山區交通工程棄渣的行業特征和認識積累，在實際工程棄渣場運行條件下，針對棄渣土石混合特點和廢棄特征，探討其固體廢棄物造成的工程復雜性，設法解決棄渣性質難以準確測定的問題，并揭示棄渣物理力學性質復雜的本質，尋找解決工程難題的技術路線和方案，為類似工程棄渣物理力學特性的科學評價提供技術支撐。

1 棄渣場運行特征

1.1 運行特征

山區交通工程建設不可避免地會產生不同量的工程棄渣，需要就近堆放。棄渣場的運行一般包括選址、堆放和整形封閉等階段。棄渣場邊坡安全控制措施一般采用坡率+臺階組合方法進行，棄渣的廢棄特點使得其很少采取其他造價相對較高的邊坡加固措施。自然排放堆積過程和整形封閉過程概化見圖1。

圖1 典型山區交通工程棄渣場運行過程概化圖Fig.1 Conceptual Working Processes of Traffic EngineeringSpoil Ground in Typical Mountainous Area

交通工程棄渣場的工程特征主要包括：①不再破碎處理，即挖方形成的超量部分直接運來堆積；②不再碾壓處理，直接坡頂排放；③極限排放，即坡頂重車直接傾倒，利用勢能轉化的動能運動堆積；④整形，根據設計坡率和臺階由上而下施工；⑤主體結構分階段實施，采用攔渣墻、環向截排水措施和坡面截排水措施。

1.2 運行特征造成的獨特屬性

棄渣的固體廢棄特點決定了實際工程中開挖形成的棄渣一般不再進行破碎處理，實際堆積過程一般不做碾壓處理，這是山區交通工程棄渣分選性差、磨圓差、級配不良和欠固結等工程特性的根本原因。分選性差和磨圓差又進一步加劇了級配不良和欠固結的程度；分選性差、級配不良和欠固結又會造成水穩性差，即容易造成局部細顆粒的流失導致大顆粒骨架坍塌。邊坡局部坍滑或下沉、坡面水土流失形成不同規模沖溝、渠道系統開裂的本質在于上述棄渣工程特性，其不同破壞特征見圖2。

圖2 山區交通工程棄渣場的典型破壞Fig.2 Typical Damages of Traffic Engineering SpoilGround in Mountainous Area

2 棄渣的工程特性

2.1 高速公路棄渣粒組特征

實際工程中，多數進行現場灌砂法試驗測定棄渣密度；取擾動樣進行顆粒分析試驗，了解級配特征；取擾動樣進行室內直接剪切試驗，測定強度參數。密度和級配特征可用于定性評價棄土密實程度和水穩特性，密度和強度參數用于棄渣邊坡穩定性評價(圖3)。這些局部有限尺寸試驗受限于表觀取樣、尺寸和數量，造成代表性難題。

圖3 山區高速公路棄渣常規試驗Fig.3 Common Tests of Waste Slags in Moutainous Highway

根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[30]對于公路土粒組的規定和命名，粒徑大于60.000 mm屬于巨粒組，粒徑為0.075～60.000 mm屬于粗粒組，粒徑小于0.075 mm屬于細粒組。為探討西南山區交通工程棄渣的工程特性，對某高速公路棄渣粒組進行統計(表1、圖4)。

從表1可知，多數棄渣級配不良，個別良好數據是剔除超大粒徑造成的，即多數屬于粗粒土類型，個

表1 山區某高速公路棄渣顆粒分析結果

別屬于巨粒土，大部分缺失細粒土。實際工程中，大顆粒尺寸最大可達數米，最小可接近毫米。一般，粉、黏粒肉眼很難分辨。西南山區殘積土一般由于地質成因、母巖特性、地形、遇水淋濾的長期作用，多數缺乏粉粒和黏粒。因此，本文追蹤到的西南山區交通工程棄渣多屬于粗粒土、巨粒土，較少出現細粒土，后續研究主要針對此類進行。限于篇幅，未增列其他西南山區交通工程棄渣數據。

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2.2 棄渣的工程特性評價難題

交通工程棄渣的穩定性評價是水土保持評估的重要內容之一，一般要依據棄渣工程特性，采用試驗或者經驗確定棄渣的容重和強度。容重經常采用灌砂法或灌水法現場測定，強度一般需要取擾動樣室內恢復天然密度進行剪切試驗確定。土工試驗規程和混凝土試驗規程等規范和標準規定了試件尺寸一般不能小于最大粒徑的10倍，對這類人工堆積的欠固結棄渣，由于其顆?？臻g分布不均勻和粒徑范圍寬大，使得試驗和取樣的代表性是個難題。試驗和取樣的問題會造成棄渣參數難以準確測定。

山區交通工程棄渣的工程特性評價難題主要表現在代表性差，具體表現和根源如下：①粒徑范圍差異較大，最大、最小粒徑尺寸相差太大，且不同工程之間可能都不一樣，但是考慮到運送堆積方式類似，最大粒組范圍不會有太大的差異，這種尺寸范圍的不確定性使得取樣和試驗難度加大。②顆?？臻g分布不均勻，最大、最小粒徑相差懸殊；在坡頂排放條件下，大顆粒在勢能作用下一般運動較遠，小顆粒相對運動距離短，造成坡腳一般大顆粒多，這一點有利于邊坡整體穩定性；后期整形時，由高到低刷坡，會在坡面覆蓋一層相對較細的坡頂物質；表觀取樣和試驗難以具備代表性。③取樣和試驗的代表性難題，工程排放堆積的過程會造成由高到低、由表及里的大小顆?？臻g分布不均，這種空間分布不均又會極大地激發取樣和試驗的代表性難題。④棄渣來源的復雜性，實際中一般不會控制棄渣的來源，堆積的管理很難做到精細化，只能確定一個大原則，即差的棄渣不能堆放在底部和坡腳。

圖5(a)是依托工程實際棄渣過程及由此造成的運動分選性差和帶狀差異堆積形態，呼應了上述①和②論點。圖5(b)是利用PFC軟件制作的柱狀模型去掉側向約束造成的不同隨機粒徑的運動堆積過程和帶狀堆積形態，這與實際棄渣過程吻合，說明按此堆積確實會造成圖1所示的概化剖面。對于該剖面隨時間的密實度變化規律，后期會在依托工程中利用物探方法持續追蹤固結造成剖面材料特性演化規律，支撐符合實際穩定狀態的棄渣特性評估技術和方法。

圖5 山區交通工程棄渣排放堆積形成的分選及分帶特征Fig.5 Separation and Zoning Characteristics Formed byTraffic Engineering Waste Slags in Mountainous Area

2.3 問題的根源和解決方法

棄渣工程性質測試的難度在于代表性以及實際狀態時間和空間的復雜性，而取樣和現場表觀試驗無法克服這些問題，這就說明傳統的測試方法和技術標準需要改變。棄渣的自然屬性類似于無黏性土；棄渣的堆積過程類似于松散土體的天然休止角試驗。這兩個特點決定了可以借用與其相關的試驗方法和計算方法來解決代表性差的問題和測試項目及技術難題。

棄渣的磨圓差和分選性差也會形成一定的顆粒間咬合力，一般在0到幾十千帕之間，可以考慮作為安全儲備；天然休止角代替棄渣內摩擦角，一般比材料內摩擦角小5°～10°，也可以考慮作為安全儲備。因此，利用天然休止角試驗替代常規取樣和剪切試驗是有一定安全儲備和現實支撐的。天然休止角試驗具有以下優點和支撐依據：①尺度優勢，堆積過程測量替代取樣試驗，實際過程的測量在尺度上解決了粒徑范圍過大帶來的試驗尺度和取樣的代表性難題；②多階段測量和統計優勢，多階段的天然休止角測量解決了空間分布不均和不同階段棄渣來源復雜所帶來的問題，即天然休止角測量的多階段統計可以解決時間和空間代表性難題；③測試結果保守的優勢，天然休止角測量便捷，結果相對保守，對于安全控制是有利的;此外，安全儲備也有利于抵消部分其他不利要素造成的中長期安全威脅。④無黏性土邊坡穩定性系數計算公式的優勢，棄渣咬合力可以作為安全儲備，計算公式的物理力學機制在于實際棄渣的堆放具有一定的極限排放特征，即勢能轉化動能的運動堆積使得坡體在輕微擾動下即可造成局部淺表溜滑失穩，這些破壞特征也符合無黏性土邊坡的淺表溜滑破壞模式。因此，借用該公式評價山區交通工程棄渣邊坡的穩定性具有一定的合理性和科學性。

當前，實際交通工程棄渣很少做到碾壓處理，這也是借鑒和推薦松散狀態無黏性材料天然休止角測試替代傳統測試的目的和依據，同時顆粒間5～20 kPa的咬合力可以作為安全儲備，而且現場堆積過程的多階段坡角測量有利于解決取樣代表性和室內或現場測試結果代表性問題。同時，隨著時間的增長及密實度和固結度的提升，棄渣強度得到極大提升，可以保證棄渣邊坡的整體穩定狀態是當時有保證、后期更安全、局部影響自身可承受的狀態。這樣的技術路線物理力學機制明確，方法和技術在砂土邊坡中已經得到應用檢驗，本文將其引入并應用到棄渣邊坡穩定性評估中。

3 棄渣特性評價及分類

3.1 棄渣場穩定性評價方法和指標體系

基于無黏性土邊坡穩定性系數計算公式的山區交通工程棄渣場邊坡穩定性系數計算公式為

(1)

式(1)僅有兩個角度測量，不涉及容重和其他強度參數,方法簡單易操作，且物理力學機制明確。

3.2 典型棄渣場天然休止角統計和分類

根據《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007)[31]，以0.075 mm和60.000 mm作為分界粒徑，將土石混合體分為細粒土、粗粒土、巨粒土。交通工程常以2 mm作為粗粒分界粒徑，定義粒徑大于2 mm的粗巨粒棄渣質量與粒徑小于2 mm的中細粒棄渣質量之比為棄渣粗細比。其表達式為

k=md>2/md≤2

(2)

式中：k為棄渣粗細比；md>2為粒徑(d)大于2 mm的棄渣質量；md≤2為粒徑小于2 mm的棄渣質量。

根據《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007)[31]，當粗粒棄渣的粗巨粒質量大于總質量的50%時，k>1.0；當細粒棄渣的中粗粒質量小于總質量的25%時，k<0.3；當混合型棄渣的粗細粒質量在總質量的25%～50%時，0.3≤k≤1.0。根據對云南大永高速公路37個棄渣場、勐綠高速公路進場道路27個棄渣場和景海高速公路31個棄渣場的天然休止角和現場試驗多階段追蹤，繪制出天然休止角與棄渣粒組的關系(圖6)。由圖6可知，粗粒棄渣占所有樣本的20%左右，混合型棄渣占所有樣本的76%左右，細粒棄渣占所有樣本的4%左右。這符合西南山區棄渣的區域特征，可以認為該區棄渣以土石混合型為主，細粒土占比很少?；诖说臈壴诸惡吞烊恍葜菇欠诸愐姳?。

圖6 天然休止角與棄渣粒組的關系Fig.6 Relationship Between Natural Repose Angle andGrain Group of Waste Slag

表2 基于棄渣粗細比的西南山區交通工程棄渣分類

根據棄渣分類和天然休止角界限值，利用3.1節的邊坡穩定性系數計算方法，結合四級棄渣場棄渣邊坡正常運行工況穩定性系數為1.20的安全標準，推薦了整形坡率(表3)。由表3可知，細粒棄渣建議整形坡率接近1.00∶2.00，粗粒棄渣建議整形坡率接近1.00∶1.50，與課題團隊統計得到的數據接近，即以土為主控制整形坡率為1.00∶2.00，以碎石為主控制整形坡率為1.00∶1.50，混合型棄渣整形坡率介于兩者之間。這些整形坡率在實踐中得到了很好的檢驗，調查發現很多棄渣場整形坡率為1.00∶1.30都出現不同程度的淺表變形破壞，整形坡率緩于1.00∶1.50的邊坡均保持穩定。

表3 基于天然休止角的西南山區交通工程棄渣整形坡率建議值

3.3 方法的應用和檢驗

依托某高速公路K121+900棄渣場，分別利用常規方法和本文推薦方法進行了現場試驗和室內試驗，統計結果列于表4。由表4可知，現場測量得到的天然休止角小于室內有限尺寸剪切試驗得到的棄渣內摩擦角，具有保守特征，棄渣粗細比在圖6插值得到的天然休止角為37°。依據實測天然休止角、插值天然休止角分別與整形坡角計算得到的棄渣邊坡穩定性系數為1.45、1.48，依據材料內摩擦角和整形坡角得到的棄渣邊坡穩定性系數為1.60，均大于四級棄渣場棄渣邊坡正常運行工況在穩定性系數為1.20的工程穩定性要求，棄渣邊坡穩定。天然休止角實測結果與插值結果接近，都比試驗測得的內摩擦角小，保守特征明顯，可以作為常規試驗有益補充。在積累足夠多地區經驗值的條件下，可以用于指導實際棄渣工程。

表4 西南山區某高速公路K121+900棄渣場棄渣性質測試結果

4 結 語

(1)根據西南山區多條高速公路棄渣場的長期跟蹤，山區交通工程棄渣具有分選性差、磨圓差、級配不良、欠固結、巨粗粒、缺少細粒等固體廢棄物特征。這些特征相互影響，分選性差和磨圓差加劇了級配不良和欠固結的程度，分選性差、級配不良、欠固結、粉黏粒缺失等特點又會造成水穩性差，是水土流失、差異沉降、坍滑、主體結構變形開裂的根本原因。

(2)山區交通工程棄渣測試難題的根源在于粒徑范圍差異大、顆?？臻g分布不均、渣土來源復雜。這些物質本身和松散堆積帶來的時間、空間變異特性是其取樣代表性和工程特性難以準確評價的根本原因。

(3)利用無黏性土邊坡穩定性系數計算公式，借用棄渣堆積過程的多階段天然休止角測量統計解決取樣代表性和參數準確評價的問題，基于棄渣的咬合力和天然休止角一般小于材料內摩擦角的保守特征，使得本文提出的交通工程棄渣場穩定性評價方法簡單易行，物理力學機制明確。

(4)基于棄渣粗細比可以將西南山區交通工程棄渣分為：①細粒棄渣，棄渣粗細比小于0.3，天然休止角小于31.5°,整形坡率為1.00∶2.00；②混合型棄渣，棄渣粗細比為0.3～1.0，天然休止角為31.5°～39.5°，整形坡率為1.00∶2.00～1.00∶1.50；③粗粒棄渣，棄渣粗細比大于1.0，天然休止角大于39.5°,整形坡率為1.00∶1.50。

(5)上述成果的精度有賴于地區數據的積累和繼續總結，后續有必要補充棄渣邊坡隨著固結造成的物性指標和強度指標的時間、空間演化特征。

謹以此文祝賀長安大學七十周年華誕！七十年立足西部為國育才，感謝母校為我們打下了堅實的學科基礎知識體系，塑造了我們的專業操守和人格，這些是我們走向工作崗位的立身之本！1994年，我通過高考統招來到西安地質學院水工系，進入心心念念的水文地質與工程地質專業攻讀學士學位；1998年畢業時，學校更名為西安工程學院。對于水文地質與工程地質專業，對我這樣一個農村出來、吃慣苦的孩子一點都不會覺得苦，而且學校還有豐厚的獎學金和補助，確保我們衣食無憂，專心學習。當時的水工系算是學校的重要學科，事實也證明水工系確實不凡，先有李佩成院士，后有彭建兵院士。能在這里度過四年本科時光，是我人生之大幸！想念494311班、494312班和494321班的兄弟姐妹們，想念班主任范文老師，想念帶畢業設計的李同錄老師，想念教我們高深有限元的李萍老師和王文科老師……謝謝你們的陪伴和教誨！母校的繁榮昌盛，我們與有榮焉！最后，祝愿老師們身體健康，學弟學妹們學業有成，校園越來越漂亮，母校越來越好！