煤矸石填筑路基壓實(shí)參數(shù)的影響規(guī)律分析

■朱海明

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000）

煤矸石常采用露天堆放等處理方式，對場地土壤和水體造成污染威脅，不規(guī)范的堆放處理方式易發(fā)生自燃事件，從而引發(fā)火災(zāi)，造成空氣污染[1]。公路建設(shè)過程中亟需尋找天然集料的替代性材料，因此可考慮將煤矸石應(yīng)用于高速公路路基建設(shè)填筑材料，在實(shí)現(xiàn)資源有效再生利用、降低環(huán)境污染的同時，為公路建設(shè)材料及其技術(shù)革新提供新的思路。

在應(yīng)用煤矸石填筑路基前，須解決其作為路基填筑材料的壓實(shí)問題。 目前已有部分專家學(xué)者就有關(guān)各類路基填料壓實(shí)特性方面展開過探究，但在研究及應(yīng)用時，往往采用參照常規(guī)路基填筑的機(jī)械設(shè)備及壓實(shí)方案[2]；吳紅權(quán)等[3]依托多項(xiàng)高速公路建設(shè)工程，設(shè)計多種機(jī)械壓實(shí)工藝組合，選取不同液限填筑材料，根據(jù)填筑層位分布控制松鋪厚度等壓實(shí)指標(biāo)展開壓實(shí)試驗(yàn)，得出不同層位的各類填筑材料在不同松鋪厚度條件下對應(yīng)的合理機(jī)械壓實(shí)工藝組合；Zhang 等[4]依托戈壁灘區(qū)域新疆—蘭州高鐵基層建設(shè)項(xiàng)目，通過試驗(yàn)對比研究選用XSM 振動型壓路機(jī)械設(shè)備，并推薦“1 次靜壓+1 次弱振+2 次強(qiáng)振+1 次弱振+1 次靜壓”的機(jī)械壓實(shí)工藝組合，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明該種施工方案可確?；鶎犹盍蠅簩?shí)度滿足設(shè)計要求；嚴(yán)筱等[5]認(rèn)為較小顆粒無法充分填充低液限粉土較大顆粒間空隙，針對低液限粉土基層填料的壓實(shí)特性展開研究，依托華寧高速施工項(xiàng)目，研究結(jié)果表明低液限粉土壓實(shí)度指標(biāo)與松鋪厚度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，提出30 cm 的最佳松鋪厚度，并推薦“先強(qiáng)振后弱振，4～5 次碾壓次數(shù)”的壓實(shí)施工原則。 在將煤矸石用作路基填筑材料方面：王繼倫[6]對煤矸石基本性能指標(biāo)及工程應(yīng)用特性進(jìn)行分析， 對將其應(yīng)用于路基填料的可行性展開分析，并利用灰色關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型對其工后沉降進(jìn)行了預(yù)估；周大全等[7]則以淮南出產(chǎn)的煤矸石作基層填筑材料，依托蚌淮高速建設(shè)工程對其施工工藝節(jié)點(diǎn)和質(zhì)量控制進(jìn)行了論述。

綜上所述，現(xiàn)階段隨施工機(jī)械設(shè)備革新，大噸位強(qiáng)激振力壓路機(jī)設(shè)備得到廣泛推廣，在此背景下，運(yùn)用強(qiáng)激振力壓路機(jī)對煤矸石填筑路基進(jìn)行壓實(shí)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)仍有大量空白待填補(bǔ)。 本文通過試驗(yàn)段對比試驗(yàn)，針對煤矸石填筑路基的壓實(shí)效果展開分析；分析煤矸石的顆粒級配分布，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定煤矸石的最大干密度及對應(yīng)最佳含水率；選用常規(guī)壓路機(jī)和強(qiáng)激振力壓路機(jī)設(shè)備，對應(yīng)2 類壓實(shí)設(shè)備分別控制設(shè)計多個松鋪厚度試驗(yàn)段，以同等碾壓組合方式進(jìn)行分層壓實(shí)；對比分析試驗(yàn)段不同松鋪厚度及碾壓設(shè)備對應(yīng)的各層次分層壓實(shí)度指標(biāo)，并以加權(quán)累加方式獲取并對比分析各層次總體壓實(shí)度指標(biāo)與碾壓次數(shù)間相關(guān)關(guān)系；提出沉降比指標(biāo)，分析不同松鋪厚度及碾壓設(shè)備對應(yīng)的總體沉降比數(shù)據(jù)，選擇最佳控制松鋪厚度；在此基礎(chǔ)上設(shè)計6 類碾壓組合方式分別進(jìn)行壓實(shí)， 分析總體壓實(shí)度數(shù)據(jù)，最終優(yōu)選分別適用于上路堤及下路堤應(yīng)用的碾壓組合方案，為類似工程提供參考。

1 煤矸石指標(biāo)檢測

煤矸石是在煤炭開采及清洗時，獲取煤炭及相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的同時生成的渣狀固態(tài)廢棄物，成分中包含大量硫酸根、碳酸氫根等酸根離子，具備可燃性，燃燒時會釋放氮氧化物及二氧化硫等。

根據(jù)國家能源局頒布的《煤矸石綜合利用管理辦法》， 煤矸石在符合有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的條件下可用作道路工程材料，且在廈蓉高速公路、蚌淮高速公路等建設(shè)工程項(xiàng)目中已取得較好的應(yīng)用效果，因此可考慮將其廣泛用作路基填料。

將其用作路基填料時應(yīng)遵照現(xiàn)行JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》以及JTG/T3610-2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)要求驗(yàn)證其級配以及力學(xué)指標(biāo)。 考慮到煤矸石開采的地質(zhì)條件差異，可采用重錘式及顎式粉碎機(jī)對其進(jìn)行破碎，直至滿足級配要求。 用作路基填料的煤矸石壓碎值應(yīng)小于30%，膨脹不穩(wěn)定性不得超過40%，著火損失應(yīng)在20%以下，有機(jī)物含量應(yīng)小于15%。 確定破碎后煤矸石相關(guān)指標(biāo)參數(shù)， 分析煤矸石的顆粒級配分布，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定煤矸石的最大干密度及對應(yīng)最佳含水率。

1.1 顆粒級配分析

按照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)范要求開展試驗(yàn)，確定所選煤矸石的顆粒級配分布情況，試驗(yàn)結(jié)果見表1。 顆粒級配分析結(jié)果表明，煤矸石填筑材料中粒徑在0.075 mm 以上的顆粒質(zhì)量比達(dá)到95%以上。通過對煤矸石填筑材料進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果見圖1。所選煤矸石填筑料的強(qiáng)度和硬度水平均較高， 但存在顆粒級配不均勻的情況，大粒徑煤矸石顆粒比例較高。

表1 煤矸石顆粒級配分析結(jié)果

圖1 煤矸石級配曲線圖

1.2 擊實(shí)特性分析

開展重型Ⅱ-2 擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 煤矸石的最大干密度為2.11 g/cm3，對應(yīng)的最佳含水率為8.0%。

圖2 煤矸石擊實(shí)試驗(yàn)曲線圖

2 最佳松鋪厚度分析

2.1 碾壓機(jī)械設(shè)備

為與常規(guī)壓路機(jī)做對比，試驗(yàn)段施工時選用20 t常規(guī)壓路機(jī)和36 t 強(qiáng)激振力壓路機(jī)設(shè)備，以同等碾壓組合方式進(jìn)行分層壓實(shí)，從而對比碾壓機(jī)械設(shè)備帶來的壓實(shí)效果差異，2 種設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及圖片分別見表2、圖3～4。

圖3 20 t 常規(guī)壓路機(jī)

表2 碾壓機(jī)械設(shè)備參數(shù)對比

2.2 試驗(yàn)方案

共設(shè)計了6 個試驗(yàn)段，寬度和長度分別設(shè)置為5 m 和30 m。針對20 t 常規(guī)壓路機(jī)作為對比項(xiàng)設(shè)置了2 種松鋪厚度試驗(yàn)段，分別為40 cm 和50 cm。針對36 t 強(qiáng)激振力碾壓設(shè)備設(shè)置了4 種松鋪厚度試驗(yàn)段，分別為40、50、60、70 cm；其中，40 cm 松鋪厚度分為上下2 層各20 cm，50 cm 松鋪厚度分為上下2 層各25 cm，60 cm 松鋪厚度分為上中下3 層各20 cm，70 cm 松鋪厚度分為上中下3 層20、20、30 cm。

圖4 36 t 強(qiáng)激振力壓路機(jī)

碾壓時按照“由慢到快、由輕到重、由邊緣到中間”的原則，相鄰輪跡重疊寬度為輪款的1/3 倍，壓實(shí)過程中嚴(yán)格控制，確保不出現(xiàn)漏壓現(xiàn)象。 各試驗(yàn)段以同等碾壓組合方式進(jìn)行分層壓實(shí)，均為“1 次靜壓+4 次強(qiáng)振”，每次壓實(shí)完成后進(jìn)行沉降監(jiān)測，待最后一次強(qiáng)振完成后計算各試驗(yàn)段沉降差。 壓實(shí)度采用灌砂法進(jìn)行檢測，為充分對比20 t 常規(guī)壓路機(jī)和36 t 強(qiáng)激振力壓路機(jī)的壓實(shí)效果，選取碾壓組合中的第1 次強(qiáng)振和第4 次強(qiáng)振后各壓實(shí)層進(jìn)行壓實(shí)度檢測。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 壓實(shí)度分析

圖6 第4 次強(qiáng)振各層壓實(shí)度

第1 次強(qiáng)振和第4 次強(qiáng)振后各壓實(shí)層的壓實(shí)度檢測數(shù)據(jù)分別見圖5～6。分析圖中可發(fā)現(xiàn)，隨碾壓強(qiáng)振次數(shù)從1 次增長到4 次，不同壓實(shí)機(jī)械、不同松鋪厚度對應(yīng)的各壓實(shí)層的壓實(shí)度均有提升效果。在完成1 次強(qiáng)振時， 無論是20 t 常規(guī)壓路機(jī)還是36 t 強(qiáng)激振力壓路機(jī)均無法達(dá)到高速公路路基93%壓實(shí)度的要求，但在完成4 次強(qiáng)振后則有顯著提升。 對比40 cm 和50 cm 松鋪厚度的各壓實(shí)層，第1 次強(qiáng)振和第4 次強(qiáng)振中采用36 t 強(qiáng)激振力壓路機(jī)的試驗(yàn)段壓實(shí)度均高于采用20 t 常規(guī)壓路機(jī)的試驗(yàn)段，其中第1 次強(qiáng)振后平均各壓實(shí)層高2.03%，第4 次強(qiáng)振后平均各壓實(shí)層高1.78%。

圖5 第1 次強(qiáng)振各層壓實(shí)度

根據(jù)常規(guī)路基填筑的施工經(jīng)驗(yàn)， 煤矸石因粒徑分布較粗， 在填筑壓實(shí)過程中利用20 t 常規(guī)壓路機(jī)的壓實(shí)效果并不理想， 難以滿足規(guī)范中的壓實(shí)度要求。 而新型強(qiáng)激振力壓實(shí)設(shè)備能將大粒徑煤矸石填料通過激振作用進(jìn)行一定程度的破碎，從而改善煤矸石級配狀況，壓縮顆粒間的孔隙，提升密實(shí)度，最終實(shí)現(xiàn)壓實(shí)度的提升。 強(qiáng)激振力壓實(shí)設(shè)備的壓實(shí)效果優(yōu)于常規(guī)壓路機(jī)源于其更高強(qiáng)度的激振力，能提升煤矸石路基的碾壓深度。 此外，兩類壓實(shí)設(shè)備在各碾壓次數(shù)條件下， 壓實(shí)層上層的壓實(shí)度均比下層壓實(shí)度更高， 這是因?yàn)楦黝悏簩?shí)設(shè)備的振動源與上層壓實(shí)層距離更近， 產(chǎn)生的壓實(shí)功也更高。

以加權(quán)累加方式獲取并對比分析各層次總體壓實(shí)度指標(biāo)與碾壓次數(shù)間相關(guān)關(guān)系，即同一松鋪厚度各層（上、中、下層）壓實(shí)度與對應(yīng)層厚的乘積除以總松鋪厚度，計算結(jié)果見圖7～8。 可以發(fā)現(xiàn)，兩類壓實(shí)設(shè)備對應(yīng)的各試驗(yàn)段煤矸石填筑路基壓實(shí)度均隨松鋪厚度的提升而降低，這是因?yàn)檩^薄的松鋪厚度更易壓實(shí)，煤矸石顆粒間的嵌擠作用更緊密。 強(qiáng)振次數(shù)達(dá)到4 次時，當(dāng)松鋪厚度在60 cm及以下可確保煤矸石填筑路基壓實(shí)度能滿足規(guī)范要求。

圖7 第1 次強(qiáng)振壓實(shí)度

圖8 第4 次強(qiáng)振壓實(shí)度

2.3.2 沉降分析

取40、50、60 cm 松鋪厚度試驗(yàn)組展開后續(xù)試驗(yàn)，對壓實(shí)后的試驗(yàn)段進(jìn)行1 次靜壓，通過水準(zhǔn)儀測試其沉降差值。 要注意的是，對于同等松鋪厚度的壓實(shí)段落，沉降差值可直接反應(yīng)其壓實(shí)效果對比情況。 而在研究過程中設(shè)定的松鋪厚度存在差異，不宜直接對比沉降值， 因此提出了沉降比指標(biāo)，即各試驗(yàn)段經(jīng)碾壓后的沉降值與松鋪厚度的比值，對比不同松鋪厚度及碾壓設(shè)備對應(yīng)試驗(yàn)段沉降比數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖9。

圖9 沉降比曲線圖

可以發(fā)現(xiàn)，沉降比隨強(qiáng)振次數(shù)的變化曲線能較好地反應(yīng)壓實(shí)變化規(guī)律，同種碾壓機(jī)械和相同碾壓次數(shù)條件下，36 t 強(qiáng)激振力壓路機(jī)對應(yīng)的3 個試驗(yàn)段中，60 cm 松鋪厚度試驗(yàn)組沉降比相對最高；同種碾壓機(jī)械和相同松鋪厚度條件下，沉降比與碾壓次數(shù)呈線形增長趨勢。 沉降比越高，說明該試驗(yàn)段的壓實(shí)效果和經(jīng)濟(jì)合理性更佳， 結(jié)合圖中分析數(shù)據(jù)，最終確定了60 cm 最佳控制松鋪厚度。

3 最佳碾壓組合方式分析

3.1 試驗(yàn)方案

在上文確定的60 cm 最佳松鋪厚度基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確最佳碾壓組合方式。選用36 t 強(qiáng)激振力壓路機(jī)開展試驗(yàn)段壓實(shí)試驗(yàn)，設(shè)計了6 類碾壓組合方式進(jìn)行壓實(shí)，如表3 所示。

表3 6 類碾壓組合方式

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對60 cm 松鋪厚度的各分層壓實(shí)度及總體壓實(shí)度數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖10?？梢园l(fā)現(xiàn)，強(qiáng)振次數(shù)與各層次壓實(shí)度基本呈正相關(guān)關(guān)系。 各試驗(yàn)段煤矸石填筑路基的上層20 cm 填筑層壓實(shí)度水平最高，中層20 cm 填筑層次之，下層20 cm 填筑層最低。 各分層的加權(quán)平均壓實(shí)度在強(qiáng)振次數(shù)達(dá)到3 次及以上時即可滿足規(guī)范要求，工況3～6 對應(yīng)的值分別為93.5%、94.3%、96.2%及95.4%。 考慮到煤矸石填筑路堤一般不用于路床填筑，而是用于上路堤及下路堤，結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)適用性及規(guī)范中94%和93%的壓實(shí)度要求，上路堤及下路堤對應(yīng)的最佳碾壓組合方式分別為工況4 及工況3。

圖10 各工況沉降比曲線圖

4 結(jié)語

針對煤矸石填筑路基的壓實(shí)效果展開探討，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定煤矸石最大干密度及對應(yīng)最佳含水率，設(shè)計多個松鋪厚度試驗(yàn)段，對比分析試驗(yàn)段不同松鋪厚度及碾壓設(shè)備對應(yīng)的各層次分層壓實(shí)度指標(biāo)，以加權(quán)累加方式獲取并對比分析各層次總體壓實(shí)度指標(biāo)與碾壓次數(shù)間相關(guān)關(guān)系；提出沉降比指標(biāo)，分析不同松鋪厚度及碾壓設(shè)備對應(yīng)的總體沉降比數(shù)據(jù)，設(shè)計6 類碾壓組合方式分析總體壓實(shí)度數(shù)據(jù)，最終優(yōu)選分別適用于上路堤及下路堤應(yīng)用的碾壓組合方案，得出以下結(jié)論：（1）沉降比可反映試驗(yàn)段的壓實(shí)效果和經(jīng)濟(jì)合理性， 結(jié)合壓實(shí)度數(shù)據(jù)，確定了60 cm 最佳控制松鋪厚度；（2）最佳松鋪厚度條件下的各分層壓實(shí)度及總體壓實(shí)度數(shù)值與強(qiáng)振次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；（3）適用于上路堤及下路堤應(yīng)用的碾壓組合方案分別為“1 次靜壓+1 次弱振+4 次強(qiáng)振+1 次靜壓”和“1 次靜壓+1 次弱振+3 次強(qiáng)振+1 次靜壓”。