矿山岩土工程勘察中填土的勘察与评价

2022-11-22郭广献王立强

中国金属通报 2022年10期

郭广献，王立强

为持续强化填土处置能力，科学应对填土固有属性，构建更为科学、更为高效的矿山岩土工程勘察与施工模式，越来越多的技术团队突出填土特征，采取有效性举措，结合技术要素、管理要素，改进创新矿山岩土工程勘察中填土勘察的具体方式，健全评价方法，根据地基检测报告，综合分析评价其填料成分、均匀性和密实度等工程性质，论证填土施工可行性，完善施工体系。旨在通过技术要素合理化应用，实现对填土有效处置，为后续施工活动稳步有序开展奠定坚实基础。

1 填土的分类及性质

填土系指人类活动而堆填形成的无规则的无序堆积体，一般由一种或多种不同类型的土或材料混合而成，往往位于矿层的顶部。根据其物质组成及堆填方式分为素填土、杂填土和冲填土三类。根据填土堆填的时间，可以划分为古填土、老填土、新填土三种类别，其中古填土的堆填时间超过50 年，老填土的堆填时间在15 年～50 年之间，新填土的堆填时间在15 年之内。

从土壤性质来看，填土湿陷性较为明显，结构强度较低，压缩性较强，其中不均匀性包括其组成成分的不均一及工程性质的不均一性。

1.1 不均匀性

矿山岩土工程填土施工受到堆填时间、土壤种类、地形条件等因素影响，使得填土组成、区域分布、土层厚度、渗透属性等属性表现出较为明显的不均匀性。

1.2 自重压密性及低强度

填土层由于堆积周期相对较短，使得填土内部之间的空隙较大，孔隙发育明显，没有达到自然状态下的固结程度，总体强度要低于天然土层，使得填土在实践施工中表现出较强的压缩性。如果未经人工干预（通常为压实、夯实或采用其他地基处理手段进行处理），填土层堆填时间越短，密实度越差，强度越低，压缩性越高。堆积时间超过10 年的黏性素填土，超过5 年的砂性素填土，在其自重固结作用下能达到一定的密实度和强度，可以作为一般的天然地基施工工程。

1.3 湿陷性

填土密实性不佳，在自身重力影响下，无法达到固结状态，土层强度较低，在水体作用下，容易引发湿陷性问题，造成填土层坍塌等系列问题，影响施工效果。

1.4 腐蚀变质性

填土中一旦含有生活垃圾或者有机物时，在微生物作用下，垃圾不断分解，垃圾持续性消解，使得土壤中会形成一定规模的孔洞，影响整个填土层结构强度。

2 填土的勘察内容及重点

填土勘察过程中，矿山岩土工程技术人员应当率先明确填土来源，测定填土堆积时间，评估填土分布空间范围、土层厚度、土壤类别、结构密实度以及湿陷性等参数。同时在部分场景下，还需要根据任务要求，测定填土排水能力与固结水平。考虑到实际施工要求，填土勘察环节，需要采取更为灵活、更为多元的手段，确保勘察任务顺利完成。

2.1 地基与桩基础工程

在组织开展地基与桩基础施工活动之前，施工团队需要组织人员开展填土勘察等系列工作，根据勘察结果，定向调整矿山岩土工程施工结构、基础形态、标高、变形体量等，实现设计方案的有效调整。地基勘察环节，要探测填土区域是否存在古河道、渗井等，对于填土的物质组成、土壤粒径，也需要开展做好勘察分析，尤其注重做好区域填土层内生活垃圾、有害气体勘察工作。通过上述总体分析与评估，掌握填土形态，为地基、桩基础施工提供方向性引导，确保施工方案选择有效性与施工技术应用精准性。例如当矿山岩土工程施工基底所处区域的标高低于填土层底面，技术团队可以采取地基土换填等方式，将标高保持在合理区间范围。在这一过程中，需要综合评估填土空间分布、物质构成以及地下水文特征。

2.2 基坑边坡工程

当基础开挖深度范围内存在较厚填土，对基坑边坡稳定有影响时，勘察前应掌握或了解基坑开挖深度、基坑周边管线、建（构）筑物等环境条件。勘察时应主要查明基坑开挖深度影响范围内填土的空间分布、厚度、密实度（容重）、抗剪强度、湿陷性、均匀性；查明填土的物质成分，特别是大块建筑垃圾含量、块体大小等；查明地下水类型、水位、含水层厚度，与相邻地表（下）水体的联系等。

3 填土的勘察方法

3.1 调查搜集

对填土的勘察应从填土的形成过程开始，通过调查访问、搜集资料，调查地形和地物的变迁，填土的来源、堆积年限和堆填方式。近年来，随着科技的不断进步，信息技术的不断发展，遥感解译在工程建设中应用也越来越广泛。在矿山岩土工程勘察中，借助谷歌地球软件，回看勘察场地近几年或十几年内的地形地貌及地物变化情况，从而了解场地填土的形成时间、过程、堆积年限，推测其原始地貌类型及特征。

其次，通过搜集勘察场地前期场平或地基处理、地基检测相关成果，分析填土的堆填方式（如吹填、一次性回填或分层碾压方式回填等）、地基处理情况，同时根据地基检测报告，综合分析评价其填料成分、均匀性和密实度等工程性质。

3.2 勘探与测试

填土的勘探方法应根据填土性质确定，对以粉土、黏性土为主的填土，可采用钻探取样、轻型钻具与原位测试相结合的方法，轻型钻具包括小口径螺纹钻、洛阳铲等。填土的均匀性及密实度宜用触探测定，辅以室内试验。轻型动力触探适用于黏性、粉性素填土，静力触探适用于冲填土和黏性素填土，重型动力触探适用于粗粒填土。

近年来，物探方法发展很快，探地雷达、面波测试、剪切波速测试等方法均可定性地进行填土的均匀性评价，特别是需对填土的地基处理效果进行全面评价时应用较为广泛和全面。

填土的压缩性可采用室内固结试验、浸水固结试验或载荷试验、浸水载荷试验确定。对细粒土可采用室内试验而对于粗粒土可采用矿山施工现场试验。

4 填土的评价

填土的评价主要包括填土的成分、分布和堆积年代，判定地基的均匀性、压缩性和密实度。必要时应按厚度、强度和变形特征分层或分区进行评价。

填土由于堆填物来源、时间、方式等不同，即使相邻很近，其特性也可能差别极大，一般难以根据经验判断其特性。现场勘察对填土特性有着最直观的感受、最深刻的认识，因而，填土的分析和评价应在充分调查、现场勘察、现场测试并结合试验成果的基础上进行。评价的内容要结合当下矿山岩土工程特点、填土的可能利用方式和使用要求，以便满足矿山岩土工程设计的需要，主要内容如下：

（1）物质组成：物质成分与其物理力学性质直接相关，也直接影响到矿山岩土工程设计、处理方法的选择；应分析和评价填土的可利用性及可能对工程施工的影响。

（2）堆填时间与方式：应分析和评价堆填时间与方式对填土的密实度、强度、均匀性、湿陷性、压缩性等的影响。

（3）均匀性：应分析和评价填土物质组成的差异性、填土分布范围与堆填厚度等的变化，可通过平面分布图、剖面图、等值线图等形式表示。

（4）湿陷性：应根据室内和现场试验结果，分析和评价填土是否具有湿陷性、湿陷程度等。

（5）压缩性：根据压缩试验或载荷试验结果，结合工程经验，分析和评价填土的压缩特性，提出填土的压缩系数、压缩模量或变形模量等参数。

（6）地基承载能力：为基础结构设计、地基处理、桩基础设计提供参考依据。

（7）抗剪强度：主要是为基坑边坡支护设计计算提供依据，对以黏性土和粉土等为主的填土，应进行取样试验，结合工程经验提供c、φ 值等参数。

（8）地基与基础方案：根据勘察成果，分析和评价填土特性及利用填土进行地基处理的可能性，提出地基处理、桩基础设计与施工应注意的问题和建议措施。

（9）地下水：应分析评价对基础材料的腐蚀性，对地基处理、桩基础施工及基坑开挖的影响。考虑到填土的变异性大，填土特性应尽可能分层、分区评价。

5 矿山岩土工程项目填土的勘察与评价实例

5.1 调查及搜集资料

根据某地区矿山岩土工程勘察场地为例，详勘阶段场地有大面积填土分布，根据调查、搜集资料，并结合谷歌地球及奥维地图软件，获得了以下主要资料：

（1）场地及周边区域近15 年的地形地貌及地物变迁相关的影像资料，可还原场地原始地貌形态，了解开挖回填的大致时间节点，其中部分区域影像中显示为红色的区域，后经调查了解，该区域回填土为褐红色含砂黏土，而影像中显示为深灰色的区域，回填土为湛江组灰色黏土，这对下一步勘察过程中回填材料的大致分布有了宏观的印象。

（2）搜集到了本矿山场地场平及地基预处理范围分布图，以此划分出场地勘察范围内填、挖方区的界限，对下一步勘察方案的编写和勘察方法的优化提供了有利依据和指导。

（3）搜集到了本矿山场地地基检测报告，经分析了解，本场地填土的回填包括吹填、人工回填并分层碾压，至设计竖向标高后，采用插塑料板排水及强夯处理，强夯能级根据回填材料和厚度的不同采用2000KN·m ～8000KN·m 能级。预处理完成后进行了地基检测，检测采用静力触探、浅层平板载荷试验、标准贯入试验等手段，并从填土的组成成份、密实度、均匀性、地基承载力、压缩模量等方面对其进行了评价；这对了解研究区域场地内填土的形成过程、堆填时间、组成成份、人工处理方式及效果等有了很大的帮助。

（4）搜集到了矿山勘查场地回填过程中填土的密实度检测报告等相关资料，由此分析得知本场地某些范围内填土采用每米回填并分层碾压，经密实度检测，压实系数达设计要求后回填上层，直至设计竖向标高。其中以湛江组灰色黏土为回填材料的填土，其压实系数最大为0.8，而以褐红色含砂黏土或含黏性土砂为回填材料时，其压实系数可达0.95 以上。这可以帮助分析评价不同回填材料，填土的密实度及均匀性、承载力及压缩模量等工程特性的特点。

（5）搜集到场地前期勘察成果，充分分析其与现有场地地形地貌的不同，对现阶段场地填土的分布、厚度变化进行定量分析，以综合确定详勘阶段勘察方案的调整。

5.2 勘探测试方法

基于对所搜集资料的分析，对场地填土的堆填方式、堆积时间、分布范围、厚度、回填材料及不同材料的性质等有了初步的了解和认识，结合设计提供的勘察技术要求，本次勘察对场地填土的勘察方法进行了针对性的优化，重点查明其密实度、均匀性、地基承载力及压缩性，分析评价大面积填土的地基处理方式。本次勘察主要采用以下勘探测试方法：

（1）钻探：主要手段之一，确定填土的厚度、回填材料类型及特征。钻探采用泥浆护壁或跟管回转钻进，全孔取芯进行地质编录描述。

（2）标准贯入试验：主要手段之一，原位测试的一种，用于评价填土的密实度及均匀性，同时也是作为确定地基承载力的一种方法之一。

（3）静力触探试验：主要手段之一，静力触探具有连续测试土层力学性质的特点，可用于评价填土的成分、密实度、均匀性、地基承载力及压缩性等工程特性。

（4）螺旋板载荷试验：确定地基承载力及变形缩模量最可靠的手段。螺旋板载荷试验需首先判定其属于正常固结、不存在场地稳定性问题的前提下，基于对填土的类型、均匀性的初步分析，并结合拟建建构筑物特点及设计要求，建议在可能采用填土作为基础持力层的场地或区域进行。本次勘察经初步分析，某矿山区域拟建建（构）筑物具以填土作为基础持力层的可能性，场地为大面积深厚填土（层厚一般6.0m ～15.0m），经过地基预处理，且地基检测结果反映地基承载力及压缩模量均满足设计要求，同时静力触探试验成果亦显示填土的密实度较好，因此在该区域布置几个螺旋板载荷试验点。

（6）轻型动力触探试验：确定填土地基承载力的主要手段之一，同时能够反映填土的均匀性。一般适用于黏性素填土和粉性素填土，人工测试深度一般为6.0m 以内，本次勘察属于辅助手段之一。主要布置在素填土分布较浅区域，试图建立与静力触探指标的对应关系，综合分析和评价填土的力学性质及均匀性。

（7）对矿山区域大面积填土进行勘察时，除以上各勘察方法外，尚需在填土分布区布置一定数量的波速测试孔、视电阻率测试点等，综合评价填土场地的工程地质及岩土工程条件。

采用以上勘察方法获取相关测试数据，对填土进行评价，需保证测试点布置的均匀性，测试点数量具有一定的密度，可根据规范规定、设计要求及地貌单元等分区进行布置。

5.3 数据分析与评价

（1）地层划分：以填土的物质组成划分为黏性素填土和砂性素填土，若无明显界限或垂向分布无规律，无法划分时，则以某一类型为主，次要类型进行重点描述。在按组成成分划分后，根据原位测试成果，重点从力学性质方面对已划分的土层进行细化。

（2）数据统计：统计各层土的物理、力学性质指标，在统计时应考虑其不均匀性特点，尤其是静力触探成果统计时，对单个孔数据，不得盲目取平均值作为该孔的静探成果，应竖向分析其数值变化，以主要数据为主导，例如，锥尖阻力中的大值对平均值的影响很大，统计不合理会造成单孔数据偏大而失真。

（3）填土分析评价相关的图表：一般需绘制填土的平面分布图、等厚度图、分区图（一般包含处理及未处理分区、填料分区等）、原位测试数据统计表等。

（4）填土的评价：根据分层编号，可分别按已完成相关地基处理和未经地基处理、均匀性好坏、密实度好坏等方面进行分区评价。评价时首先判定是否存在场地稳定性问题，其次评价均匀性和密实度，最后评价其作为地基基础持力层（天然或换填后）的可能性，给出基坑开挖相关岩土参数，并提出相关地基处理建议。本矿山岩土工程勘察场地某装置分区场地填土的评价如下：

本场地普遍分布有素填土，褐黄色、灰白色、灰色，颜色较杂，主要以黏性土为主，含少量砂，成分杂乱，部分区域以砂土为主，局部夹有铁质淋滤块（铁皮块），回填时间约5 年，土质结构松散，填料及工程性质均匀性均差。

根据搜集到的本项目《场平预处理区域分布图》、《场地强夯及软基处理检测报告》，本场地部分区域经过地基预处理。本次对素填土的评价分为预处理后的素填土和未经任何处理的素填土。

经预处理的素填土，在预处理时采用插塑料板排水法，并分别进行了6000KN·m（插板平均深度15.0m）、4000KN·m（插板平均深度9.0m）、2000KN·m 强夯处理。该区域素填土经本次勘探，其静探锥尖阻力qc=0.85MPa ～2.68MPa，平均值为1.31MPa。实测标贯击数N=3.0 击～21.0 击，平均值为8.4 击。根据以上数据可以判断，该层素填土目前均匀性较差，同时又根据静探和标贯最小值，本次经预处理后的素填土可不考虑欠固结对工程的影响。

未经地基预处理的素填土，其在回填过程中采用分层碾压的方式回填至设计竖向标高。经本次勘察，其静探锥尖阻力一般为qc=0.79MPa ～1.65MPa，平均值为1.03MPa。实测标贯击数N=3.0 击～16.0 击，平均值为7.0 击。因此该层素填土可不考虑欠固结对工程的影响。但本次勘察钻孔0657B、0659B、0660B、0584B、F054 位置处的静力触探锥尖阻力其qc=0.50MPa ～0.72MPa，表明其均匀性差，局部压实效果不明显，在施工期间及施工完成后应进行沉降监测。

综上所述，对场地素填土，可根据拟建建（构）筑物具体特性，并结合该层素填土厚度，合理采取换填、低能级强夯或采用复合地基方案，以消除对矿山岩土工程的影响。素填土的分布范围、厚度及预处理范围以素填土平面分布图及等厚度图进行附图说明。