煤矸石路用性質(zhì)及其在填筑路基中的應(yīng)用研究

侯亞輝　李陽(yáng)　曹景磊　連光煒　張銳

摘要 煤矸石填筑路基既可實(shí)現(xiàn)廢棄煤矸石的合理利用，又可以減少修路時(shí)的建造成本，已逐步被應(yīng)用于道路工程中。文章分析煤矸石在碾壓過(guò)程中的受力特性對(duì)道路施工碾壓的影響，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)碾壓采用普通振動(dòng)壓實(shí)后沖擊增強(qiáng)補(bǔ)壓的碾壓方式，通過(guò)碾壓沉降量、壓實(shí)度等對(duì)碾壓過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行分析，確定合理的碾壓方案。

關(guān)鍵詞 煤矸石;路用性質(zhì);路基

中圖分類號(hào) X752文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0073-03

引言

原煤開采后需經(jīng)選煤工藝進(jìn)行篩洗，在成煤過(guò)程中產(chǎn)生的伴生巖石即煤矸石，通常被作為固體廢棄物篩出[1]。這類煤矸石常堆放于礦區(qū)附近形成煤矸石山。大量煤矸石的堆積為周邊人民的生活帶來(lái)一系列不利的影響，且污染當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)大氣—水文環(huán)境，造成滑坡、泥石流等眾多自然災(zāi)害隱患[2]。如何提高煤矸石的綜合利用水平，減少煤矸石堆積量，從而達(dá)到整治礦區(qū)生態(tài)污染的目標(biāo)需要進(jìn)一步探索。

道路工程建設(shè)中，利用煤矸石填筑路基成為國(guó)內(nèi)消耗煤矸石的一類途徑。煤矸石作為填料應(yīng)用于土木工程中既解決了工程取土困難問(wèn)題，又解決了產(chǎn)煤區(qū)土地資源緊張的難題。然而，不同地區(qū)煤矸石筑路的設(shè)計(jì)及施工方法更多基于經(jīng)驗(yàn)，還未形成統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，開展煤矸石填筑路基施工方法研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。該文依托山東省公路橋梁建設(shè)有限公司濟(jì)南至微山公路濟(jì)寧新機(jī)場(chǎng)至棗菏高速段實(shí)際工程，通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)煤矸石的工程特性及其在填筑路基過(guò)程中的施工方法進(jìn)行研究。

1 煤矸石路用物理-化學(xué)性質(zhì)

1.1 煤矸石物理特性

現(xiàn)場(chǎng)取樣過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)煤矸石質(zhì)輕，顆粒強(qiáng)度低，部分煤矸石可用手碾碎，因此在路基施工碾壓及夯實(shí)過(guò)程中極易被粉碎實(shí)現(xiàn)自我改良結(jié)構(gòu)。不同擊實(shí)試驗(yàn)下煤矸石的顆粒組成分析對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，擊實(shí)后的煤矸石級(jí)配可得到較為明顯的改良。擊實(shí)后2 cm以上的顆粒含量明顯減少，5 mm以下顆粒含量顯著增加，而中間粒組（5 mm～2 cm）含量基本不變。這一級(jí)配結(jié)構(gòu)的改變有利于后期的路基碾壓密實(shí)。作為路基填料的煤矸石其最大粒徑與壓實(shí)度相關(guān)。當(dāng)壓實(shí)度>96%時(shí)，煤矸石最大粒徑應(yīng)小于10 cm。當(dāng)路基壓實(shí)度>93%時(shí)，煤矸石最大粒徑應(yīng)小于20 cm，且應(yīng)小于攤鋪層厚的2/3。施工前應(yīng)對(duì)煤矸石中的超粒徑大顆粒進(jìn)行剔除或破碎后方可用于路基施工。

目前針對(duì)煤矸石的施工技術(shù)規(guī)范還未頒布，因此可借鑒《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F10—2006）對(duì)煤矸石液塑限進(jìn)行控制。煤矸石液塑限同樣可參考《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。

1.2 煤矸石化學(xué)特性

煤矸石化學(xué)成分相對(duì)復(fù)雜，主要成分為含有SiO2，Al2O3，除此之外還含有少量的Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、FeS及微量的Mn、Cu、As和Cr6+。煤矸石主要礦物成分含有石英、長(zhǎng)石、蒙脫石、高嶺石、伊利石等。根據(jù)煤矸石內(nèi)所含黏土礦物比例可將煤矸石分為蒙脫石質(zhì)煤矸石、伊利石質(zhì)煤矸石、高嶺土質(zhì)煤矸石及其他煤矸石[3]。

由于煤矸石內(nèi)含有較多的黏土礦物，因此具有一定的膨脹性。為消除煤矸石潛在的膨脹性，須將多種氧化物含量控制在70%以上，且室內(nèi)自由膨脹率應(yīng)小于40%，耐崩解指數(shù)不應(yīng)大于30%。除此之外，煤矸石在一定溫度下可發(fā)生自燃，路用煤矸石燒失量應(yīng)低于20%。

2 煤矸石路用力學(xué)性質(zhì)

煤矸石壓實(shí)性須通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)前須將粒徑大于4 cm的粗顆粒剔除。根據(jù)規(guī)范控制一定的擊實(shí)功，即控制相同擊實(shí)錘質(zhì)量與落距，結(jié)合不同含水率可得出相同擊實(shí)功下含水率與干密度曲線，由峰值點(diǎn)得出最優(yōu)含水率。

CBR試驗(yàn)，又名加州承載比試驗(yàn)，是檢測(cè)煤矸石強(qiáng)度及水穩(wěn)定性是否滿足填筑路基要求的室內(nèi)試驗(yàn)。作為路床的煤矸石填料，其下路床CBR不應(yīng)低于5%，下路堤CBR不得低于3%。煤矸石作為填筑路基材料，其單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及回彈模量應(yīng)根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程明確測(cè)出。

3 填筑路基碾壓施工方式及壓實(shí)機(jī)理

3.1 填筑路基碾壓方式

碾壓作業(yè)的最終目的是通過(guò)外界荷載作用使顆粒由松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)。工程中常用的碾壓方法有靜壓法、振動(dòng)壓實(shí)法和沖擊壓實(shí)法。

靜壓法依靠機(jī)械的自重使得路基填料達(dá)到密實(shí)，工作效率相對(duì)較低，且壓實(shí)功固定，可在有限深度內(nèi)施加靜線壓力。振動(dòng)壓實(shí)利用滾輪內(nèi)激振器振動(dòng)產(chǎn)生激振力，使壓實(shí)材料振動(dòng)，顆粒間相對(duì)摩擦力和黏聚力不斷減小，從而達(dá)到密實(shí)的目的。沖擊壓實(shí)則是將壓實(shí)重物自一定高度向下做自由落體運(yùn)動(dòng)，將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能實(shí)現(xiàn)壓實(shí)，該方法壓實(shí)功較大，且影響范圍更深，然而由于其可能破壞填料中的骨料結(jié)構(gòu)，過(guò)度的沖擊壓實(shí)甚至?xí)p弱路基壓實(shí)效果。

3.2 路基填料壓實(shí)機(jī)理及顆粒接觸模型

路基填料壓實(shí)機(jī)理理論可分為三類：顆粒破碎理論、反復(fù)荷載理論和振動(dòng)沖擊理論。顆粒破碎理論強(qiáng)調(diào)壓實(shí)過(guò)程中顆粒的自破碎性，顆粒形狀與受力狀態(tài)均影響顆粒的最終組成，填料在壓實(shí)機(jī)械的作用下變得更為緊密，提高壓實(shí)功和振動(dòng)幅度均能提高壓實(shí)效果。反復(fù)荷載理論為顆粒在反復(fù)荷載作用下，其內(nèi)部的氣體與水可以充分排出，顆粒間接觸面積增大，承載能力增強(qiáng)。振動(dòng)沖擊理論考慮了顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，外荷載作用下，顆粒間摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力，顆粒間相互接觸的位置增多，承載能力得到提高。以上三類壓實(shí)機(jī)理理論可概化為路基填料力學(xué)接觸模型進(jìn)行分析。

路基填料力學(xué)接觸模型可概化為滑塊-彈簧-阻尼模型（圖1），其中，顆粒接觸力分為法向接觸力與切向接觸力。接觸剛度模型采用Hertz-Mindin非線性模型，即接觸剛度與顆粒重疊程度呈非線性關(guān)系[4]。Hertz接觸模型假設(shè)顆粒均質(zhì)且表面光滑，接觸面上僅產(chǎn)生彈性形變，接觸力垂直于接觸面切線方向。切向力采用Mindin-Deresiewicz接觸理論進(jìn)行計(jì)算。法向接觸力與切向接觸力的變形與接觸量微量進(jìn)行疊加計(jì)算。其中，法向接觸力Fn可表示為：BAAD8876-DD12-41F3-93D0-669D613B6B1A

（1）

式中，σ——法向重疊量;E*——楊氏模量當(dāng)量;R*——顆粒等效半徑。

楊氏模量當(dāng)量可表示為：

（2）

顆粒等效半徑為：

（3）

式中，E1，E2分別為顆粒1，2的彈性模量;υ1，υ2為顆粒1，2的泊松比。

（a）法向接觸模型（b）切向接觸模型

顆粒發(fā)生彈性變形時(shí)，其應(yīng)力分布為：

（4）

式中，r——接觸點(diǎn)距離接觸中心的直線距離;pm——最大應(yīng)力，即：

（5）

式中，a——接觸面半徑，即：

（6）

單位時(shí)間內(nèi)，法向接觸力增量為：

（7）

切向力增量為：

（8）

式中，G*——剪切模量當(dāng)量，即：

（9）

式中，Δζ——切向位移增量;?——顆粒摩擦系數(shù);θk——接觸力系數(shù)，k值于加載情況時(shí)取0，卸載情況取1，重新加載取值為2。

基于上式，可將顆粒間法向接觸力、切向接觸力與法向應(yīng)變與切向應(yīng)變相連接，進(jìn)而求得單位荷載增量下的顆粒變形。

4 煤矸石填筑路基碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)

在填筑路基之前，基底應(yīng)先進(jìn)行整平壓實(shí)，且壓實(shí)度不應(yīng)小于90%，當(dāng)路堤填土高度小于路床厚度時(shí)，基底壓實(shí)度不應(yīng)小于路床壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。路基壓實(shí)要求采用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，煤矸石路基最小填料應(yīng)滿足表1要求。

煤矸石路基碾壓施工時(shí)，在煤矸石路堤邊坡兩側(cè)采用素土包邊，包邊土厚度1.0 m。路基清表20 cm碾壓后，直接填筑煤矸石。邊坡坡率及防護(hù)排水設(shè)置原則與一般填方路基一致，防護(hù)形式主要采用植草及拱形骨架種植草，排水主要采用矩形預(yù)制溝。

5 煤矸石填筑路基碾壓工程應(yīng)用

棗菏高速段試驗(yàn)段為K25+

110.0～K25+310.0路段。應(yīng)用16 t沖擊式壓路機(jī)及8 t振動(dòng)壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)沖擊壓實(shí)與路基普通振動(dòng)壓實(shí)后沖擊增強(qiáng)補(bǔ)壓兩種碾壓方式的對(duì)比試驗(yàn)。為檢測(cè)路基碾壓沉降以水準(zhǔn)儀測(cè)量路基頂部高程，研究沖擊輾壓路基沉降趨勢(shì)，以評(píng)價(jià)沖壓效果及確定沖擊輾壓遍數(shù)。通過(guò)壓實(shí)度檢測(cè)研究碾壓遍數(shù)隨壓實(shí)度的關(guān)系，確定合理碾壓遍數(shù)。

5.1 高程觀測(cè)及沉降量檢測(cè)

沖壓試驗(yàn)段200 m范圍內(nèi)每20 m進(jìn)行高程觀測(cè)，共10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)沿道路橫截面布置7個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)。

在沖擊碾壓前用水準(zhǔn)儀觀測(cè)并記錄各高程觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)高，煤矸石路基普通振動(dòng)壓實(shí)后沖擊增強(qiáng)補(bǔ)壓，沖擊壓實(shí)擬碾壓30遍，在沖擊碾壓前和當(dāng)碾壓到10遍、15遍、20遍、25遍、30遍時(shí)分別進(jìn)行沉降量、壓實(shí)度、篩分、壓碎值試驗(yàn)。

5.2 沖壓前后壓密度測(cè)試

采用沉降量檢測(cè)與壓實(shí)度結(jié)合的檢測(cè)方式。壓實(shí)度采用灌砂法試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[5]執(zhí)行，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最大干密度來(lái)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)煤矸石的壓實(shí)度。選取代表點(diǎn)運(yùn)用灌砂法進(jìn)行干密度試驗(yàn)，以檢測(cè)壓實(shí)效果。用灌砂法測(cè)定密度和壓實(shí)度時(shí)，應(yīng)符合《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》要求。

5.3 沉降法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度結(jié)果及分析

普通碾壓后對(duì)路段進(jìn)行沖擊補(bǔ)壓，每隔5遍進(jìn)行一次壓實(shí)度檢測(cè)。圖2為壓實(shí)度隨沖擊碾壓遍數(shù)的變化，當(dāng)沖擊補(bǔ)壓到15遍時(shí)壓實(shí)度增長(zhǎng)較快，15遍以后沉降趨于平緩。15遍時(shí)壓實(shí)度均達(dá)到96%以上，可達(dá)到規(guī)范要求。當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到25遍時(shí)，壓實(shí)度可達(dá)到98%以上，繼續(xù)碾壓后壓實(shí)度幾乎不增長(zhǎng)，因此就壓實(shí)度而言，當(dāng)沖擊補(bǔ)壓達(dá)到25遍時(shí)可達(dá)到強(qiáng)度要求。同時(shí)沖擊補(bǔ)壓到15遍時(shí)，沉降量（圖3）增大明顯，此后盡管沉降量隨碾壓遍數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但增加較小。碾壓25遍時(shí)，碾壓已趨于穩(wěn)定，碾壓25遍和碾壓30遍的相對(duì)沉降量差值已經(jīng)小于2 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足碾壓沉降量要求，在道路路基施工中碾壓30遍已經(jīng)沒(méi)有必要。

6 結(jié)論

煤矸石填筑路基對(duì)于緩解生態(tài)環(huán)境壓力具有一定的積極作用。由于煤矸石物理-化學(xué)性質(zhì)的特殊性，作為路基填料時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。煤矸石填筑路基施工方法中沖擊碾壓補(bǔ)壓對(duì)于壓實(shí)度的改善效果較為明顯，普通的振動(dòng)壓實(shí)往往僅滿足于路基設(shè)計(jì)要求，且需大量碾壓遍數(shù)，耗費(fèi)大量財(cái)力與物力，沖擊補(bǔ)壓不僅可提高路基壓實(shí)度與碾壓沉降量，還可使路基在一定碾壓遍數(shù)后達(dá)到更高的強(qiáng)度。因此，在煤矸石路基填筑中，為達(dá)到更高的道路要求標(biāo)準(zhǔn)，普通振動(dòng)壓實(shí)后的沖擊補(bǔ)壓尤為重要。

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收稿日期：2022-04-08

作者簡(jiǎn)介：侯亞輝（1981—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：道路與橋梁施工技術(shù)應(yīng)用。

通信作者：張銳（1996—），男，碩士研究生，研究方向：道路與巖土工程。BAAD8876-DD12-41F3-93D0-669D613B6B1A