基于煤矸石填料的路基結構體受力性能分析

王 輝

(鄭州路橋建設投資集團有限公司，鄭州 450000)

近年來，煤矸石作為煤礦生產(chǎn)排放廢棄物，大部分堆積如山，不但占用大量土地，而且對環(huán)境存在潛在污染風險，急需處理。煤矸石是多種軟巖的混合體，在一定條件下可滿足再利用的價值[1,2]。目前，關于煤矸石綜合利用的研究較多。其中，閆廣宇等[3]研究了煤矸石集料路面基層材料的應用，分析了煤矸石集料路面基層材料的力學性能影響因素。王長龍等[4]以煤矸石和鐵尾礦為主要材料制備加氣混凝土，并做了相關試驗，結果表明煤矸石制備加氣混凝土制品能夠滿足相關規(guī)范要求。白國良等[5]采用煤矸石制作混凝土梁并進行受剪試驗，分析了煤矸石混凝土梁斜截面破壞形態(tài)、開裂荷載和受剪承載力。李光輝等[6]和馮新軍等[7]將煤矸石破碎加工成煤矸石粉，然后再經(jīng)過燃燒制成煤矸石粉填料，結果發(fā)現(xiàn)制作的混凝土具有高溫穩(wěn)定性和較高的回彈模量，體現(xiàn)出了煤矸石良好的利用價值。LI等[8]研究了煤矸石集料在鐵路路基中的應用，發(fā)現(xiàn)煤矸石在鐵路沿線應用不僅可解決工程建設中骨料短缺問題，還可消耗煤矸石廢棄物，產(chǎn)生巨大的社會效益。耿琳等[9]通過自行研制的單向凍脹試驗系統(tǒng)，對摻煤矸石的高速鐵路路基填料進行了凍脹試驗，并經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)摻煤矸石的高速鐵路路基填料可滿足高速路基的凍脹穩(wěn)定性要求。周大全等[10]通過蚌淮高速公路第6標段K37+340+490試驗段施工實際工程，研究確定煤矸石填筑路基的適用性、施工工藝及質量控制標準。目前的研究主要集中于將煤矸石骨料制作混凝土和煤矸石作為路基的某一結構部分方面，缺乏對煤矸石成分和力學性質進行全面的分析及在工程路堤填筑中的應用研究，并未考慮煤矸石堆場的自燃情況。煤矸石作為路基填料可有兩種形式，分別是燃燒后的煤矸石和未燃燒煤矸石。其中燃燒后的煤矸石結構松散、易破碎、力學不穩(wěn)定，未燃燒的煤矸石結晶結構穩(wěn)定、石塊大、硬度大、較難破碎，有良好的堅固性。經(jīng)過長期堆積的大多數(shù)煤矸石，已基本發(fā)生了充分的物理和化學變化，結構較為穩(wěn)定，可作為路基填料進行填筑[11，12]。

為了進一步研究煤矸石作為路基填料的適用性，本文選取黃陵煤礦二號礦區(qū)堆場煤矸石進行力學試驗，分析煤矸石塊體的強度值，并通過擊實試驗和CBR試驗對煤矸石路基填料性能進行分析，通過煤矸石路堤填料的實際應用觀測其沉降量變化，并對煤矸石路堤填料效果做出評價。研究結果可為煤矸石用于工程路基填筑提供參考。

1 試驗

1.1 煤矸石性質

黃嶺煤礦二號礦區(qū)煤矸石大部分沒有發(fā)生自燃現(xiàn)象，在堆積和受雨淋過程中已排放有害物質，外觀呈黑色或黑灰色，呈塊狀結構，結構完整，堅硬無夾雜泥土，塊體長度為95～140 mm、寬度為65～90 mm、高度為35～60 mm，每個試樣均滿足長>寬>高，如圖1所示。燃燒煤矸石的平均密度為1.42 g/cm3，未燃煤矸石的平均密度為2.54 g/cm3，主要化學成分見表1。

圖1 礦區(qū)堆場采集的煤矸石塊體Fig.1 Coal gangue blocks collected from the mine yard

表1 煤矸石的主要化學成分

1.2 點荷載試驗

根據(jù)《工程巖體試驗方法標準(GB/T 50266—2013)》點荷載試驗要求，采用上海雨秀儀器設備有限公司的數(shù)顯式點荷載儀(型號為STDZ)對煤矸石進行點荷載力學試驗，壓力為100 kN，測件范圍為0～120 mm。對現(xiàn)場采集的煤矸石試樣進行整理分組，共分三組，每組15個試樣，并對每個試樣進行點荷載試驗，當每組有效數(shù)據(jù)超過10個時，舍去前兩個高值和后兩個低值，再計算其余數(shù)的平均值得到有關巖石力學參數(shù)[13，14]。按公式1計算巖石點荷載強度。

(1)

式中，Is為未經(jīng)修正的巖石點荷載強度，MPa；p為破壞荷載，N；De為等價巖心直徑，mm。

不規(guī)則塊體試驗時，應按公式2計算等價巖心直徑De。

(2)

式中，D為加荷點間距，mm；W為兩加荷點最小截面的寬度，mm。

點荷載指數(shù)和抗拉強度σt的關系見式3。

σt=k1×Is

(3)

式中，k1為比例系數(shù)，對于巖心試樣，k1值為0.79，對于球形試樣，k1值為0.95，對于不規(guī)則樣，k1值為0.90～0.96。

點荷載指數(shù)和抗壓強度σc的關系見式4。

σc=k2×Is

(4)

式中，比例系數(shù)k2和試樣尺寸有關，當D分別為54、50、42、21.5 mm時，相應的k2值為24.0、23.5、21.0、18.0。

1.3 擊實試驗和室內(nèi)CBR試驗

混合填料摻和用土取自陜西省旬邑縣職田鎮(zhèn)紅黏土，液限為26.9，塑限為20.2，塑限指數(shù)為6.7。將煤矸石與土進行等量混合，并對其進行路基填料性能分析。擊實儀選用河北滄州有限公司生產(chǎn)的SCK-VI型多功能電動擊實儀，煤矸石粒徑不超過25 mm，錘重2.5 kg、落距300 mm、試筒直徑100 mm、錘擊速度37～39次/min，通過一定擊實次數(shù)測得混合料的干密度與含水量之間的關系，從而確定其最大干密度及最佳含水量，為工程施工提供參考依據(jù)。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程(JTG 3430—2020)》設計燃燒煤矸石、燃燒煤矸石和土、未燃煤矸石、未燃煤矸石和土四種情況并進行試驗。

在擊實試驗基礎上對燃燒煤矸石和未燃煤矸石進行室內(nèi)CBR試驗，并摻入質量分數(shù)為3%的水泥作對比試驗，從而獲得煤矸石路基填料的基本性能?；旌咸盍系拿喉肥猛痢盟嗯浔葹?∶1∶0.3。水泥選用重慶富豐水泥廠生產(chǎn)的32.5級普通硅酸鹽水泥。依據(jù)擊實試驗結果制備試樣，其中試樣高為120 mm、直徑為150 mm，并把制備好的試樣在水中浸泡4 d后取出，測算試樣的膨脹量，靜置15 min后進行貫入試驗。試樣承載比計算公式見式5或式6。

(5)

(6)

式中，P為單位壓力，N；L為貫入量，mm。

根據(jù)計算結果繪制承載比和干密度關系曲線，并根據(jù)2019年12月實施的《公路路基施工技術規(guī)范(JTG/T 3610—2019)》判斷不同煤矸石、土和水泥設計比例混合填料的適用性。

2 結果與討論

2.1 點荷載試驗

點荷載試驗及計算結果如圖2所示。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，第一組試樣編號為2、10、13、15的數(shù)據(jù)偏離較大，為無效數(shù)據(jù)；第二組試樣編號為1、4、7、12數(shù)據(jù)偏離較大，為無效數(shù)據(jù)；第三組試樣編號為3、4、6、14數(shù)據(jù)偏離較大，為無效數(shù)據(jù)。對三組剩下點荷載強度數(shù)據(jù)進行計算其平均值，第一組平均點荷載強度指數(shù)為2.79 MPa、抗壓強度為65.65 MPa、抗拉強度為2.6 MPa；第二組平均點荷載強度指數(shù)為2.66 MPa；抗壓強度為62.49 MPa；抗拉強度為2.47 MPa；第三組平均點荷載強度指數(shù)為3.67 MPa、抗壓強度為86.22 MPa、抗拉強度為3.41 MPa。煤矸石點荷載強度指數(shù)大約為2.8 MPa、抗壓強度為65 MPa、抗拉強度為2.8 MPa。說明，煤矸石在軸向壓應力作用下，在橫向產(chǎn)生拉應力，其破壞形態(tài)主要為拉伸破壞。這種類型的破壞是橫向拉應力超過巖石抗拉極限引起的。

圖2 三組試樣點荷載試驗結果圖Fig.2 Point load test results of three groups of samples

2.2 擊實試驗

擊實試驗結果如圖3所示。從圖3可以看出，燃燒后的煤矸石最大干密度為1.95 g/cm3，燃燒后的煤矸石和土混合物的最大干密度為1.69 g/cm3，未燃燒煤矸石的最大干密度為2.18 g/cm3，未燃燒的煤矸石和土混合物的最大干密度為1.88 g/cm3。摻土煤矸石填料承載能力比無土煤矸石填料承載能力低，這是因為煤矸石強度高于土。燃燒前的煤矸石強度高于燃燒后的煤矸石，說明燃燒后煤矸石結構發(fā)生了弱化，而未燃燒煤矸石結構致密，密度偏大。從圖3還可以看出，燃燒后煤矸石最佳含水率為12.7%，燃燒后的煤矸石和土混合物的最佳含水率為16.4%，未燃煤矸石的最佳含水率為10.8%，未燃煤矸石和土混合物的最佳含水率為14.8%。說明燃燒后的煤矸石比未燃煤矸石的吸水性強，且摻土后的煤矸石吸水性增強。在實際路基填筑過程中要檢測現(xiàn)場煤矸石含水率大小，對不在最佳含水率范圍內(nèi)的煤矸石應進行加水或晾曬處理。

圖3 四種情況下的擊實試驗曲線Fig.3 Compaction test curves under four conditions

2.3 CBR試驗

對不同配比混合填料的膨脹量和CBR試驗結果進行計算分析，如圖4所示。從圖4可以看出，a組(燃燒煤矸石)和b組(燃燒煤矸石+土)填料的CBR值超過了規(guī)范規(guī)定值，作為路基填料的承載力滿足各種等級公路要求，且未燃煤矸石土CBR高于燃燒煤矸石土，原因主要是煤矸石燃燒后結構致密性降低，形狀和表面發(fā)生了破壞，從而致使燃燒煤矸石內(nèi)摩擦力降低。燃燒煤矸石+土和未燃煤矸石+土填料的膨脹量相差不大，都能滿足規(guī)范中填方路基要求。水泥能夠顯著增大填料的CBR值，在路基填料效果中使用明顯，且水泥的增加能夠明顯降低試樣膨脹量。

a-電燃燒煤矸石；b-燃燒煤矸石和土；c-未燃煤矸砂；d-未燃煤矸石和土圖4 不同配比混合填料膨脹量和CBR試驗結果Fig.4 Expanding capacity and CBR test results of mixed packing with different ratio

2.4 煤矸石路基沉降變化

根據(jù)煤矸石的物理力學性質，結合以上煤矸石擊實試驗和CRB試驗結果，為了驗證黃陵二號礦區(qū)煤矸石在路基填料中的應用情況，進一步通過對黃陵二號礦區(qū)煤矸石應用于陜西省某公路路堤填筑，觀測該公路路堤一定時間內(nèi)的沉降變化情況，并通過指數(shù)曲線對觀測值進行擬合，結果如圖5所示。從圖5可以看出，擬合曲線和實際觀測數(shù)據(jù)一致，R2值為0.983 36，路基沉降最終達到穩(wěn)定，沉降最大值為18.2 mm，進一步說明將煤矸石用在路基填料工程中是可行的。

圖5 煤矸石路堤沉降觀測結果Fig.5 Observation results of coal gangue embankment settlement

3 結論

1)煤矸石用于路基混合填料不但節(jié)約資源、保護環(huán)境、變廢為寶，緩解礦山煤矸石堆積壓力，而且還能滿足路基混合填料的強度要求，可以代替天然土層作為路基的底基層部分。其形狀規(guī)則，結構致密性好，作為路基填料安全穩(wěn)定，用于路基填料工程可行，有助于增加路基的強度。

2)燃燒后煤矸石的最佳含水率為12.7%，燃燒后的煤矸石和土混合物的最佳含水率為16.4%，未燃煤矸石的最佳含水率為10.8%，未燃煤矸石和土混合物的最佳含水率為14.8%，燃燒后的煤矸石強度低于未燃燒的煤矸石強度，摻土的煤矸石強度低于無土煤矸石強度，該試驗結果有利于更好地指導施工。

3)煤矸石填料的室內(nèi)CBR試驗值和實際沉降觀測值滿足相應公路等級規(guī)范要求，煤矸石可用于路基或者房建等的基礎工程。