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　曹景磊　連光煒　張銳

摘要 煤矸石填筑路基既可實現(xiàn)廢棄煤矸石的合理利用，又可以減少修路時的建造成本，已逐步被應(yīng)用于道路工程中。文章分析煤矸石在碾壓過程中的受力特性對道路施工碾壓的影響，并進行現(xiàn)場碾壓試驗。現(xiàn)場碾壓采用普通振動壓實后沖擊增強補壓的碾壓方式，通過碾壓沉降量、壓實度等對碾壓過程及結(jié)果進行分析，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 X752文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2022）11-0073-03

引言

原煤開采后需經(jīng)選煤工藝進行篩洗，在成煤過程中產(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，從而達到整治礦區(qū)生態(tài)污染的目標(biāo)需要進一步探索。

道路工程建設(shè)中，利用煤矸石填筑路基成為國內(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)計及施工方法更多基于經(jīng)驗，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)實意義。該文依托山東省公路橋梁建設(shè)有限公司濟南至微山公路濟寧新機場至棗菏高速段實際工程，通過理論分析、現(xiàn)場試驗對煤矸石的工程特性及其在填筑路基過程中的施工方法進行研究。

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)場取樣過程中可發(fā)現(xiàn)煤矸石質(zhì)輕，顆粒強度低，部分煤矸石可用手碾碎，因此在路基施工碾壓及夯實過程中極易被粉碎實現(xiàn)自我改良結(jié)構(gòu)。不同擊實試驗下煤矸石的顆粒組成分析對比數(shù)據(jù)顯示，擊實后的煤矸石級配可得到較為明顯的改良。擊實后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。這一級配結(jié)構(gòu)的改變有利于后期的路基碾壓密實。作為路基填料的煤矸石其最大粒徑與壓實度相關(guān)。當(dāng)壓實度>96%時，煤矸石最大粒徑應(yīng)小于10 cm。當(dāng)路基壓實度>93%時，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)對煤矸石中的超粒徑大顆粒進行剔除或破碎后方可用于路基施工。

目前針對煤矸石的施工技術(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）對煤矸石液塑限進行控制。煤矸石液塑限同樣可參考《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）采用液塑限聯(lián)合測定儀進行測定。

1.2 煤矸石化學(xué)特性

煤矸石化學(xué)成分相對復(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)

煤矸石壓實性須通過擊實試驗進行評價，試驗前須將粒徑大于4 cm的粗顆粒剔除。根據(jù)規(guī)范控制一定的擊實功，即控制相同擊實錘質(zhì)量與落距，結(jié)合不同含水率可得出相同擊實功下含水率與干密度曲線，由峰值點得出最優(yōu)含水率。

CBR試驗，又名加州承載比試驗，是檢測煤矸石強度及水穩(wěn)定性是否滿足填筑路基要求的室內(nèi)試驗。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，其單軸抗壓強度、抗剪強度、無側(cè)限抗壓強度及回彈模量應(yīng)根據(jù)土工試驗規(guī)程明確測出。

3 填筑路基碾壓施工方式及壓實機理

3.1 填筑路基碾壓方式

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

靜壓法依靠機械的自重使得路基填料達到密實，工作效率相對較低，且壓實功固定，可在有限深度內(nèi)施加靜線壓力。振動壓實利用滾輪內(nèi)激振器振動產(chǎn)生激振力，使壓實材料振動，顆粒間相對摩擦力和黏聚力不斷減小，從而達到密實的目的。沖擊壓實則是將壓實重物自一定高度向下做自由落體運動，將勢能轉(zhuǎn)換為動能實現(xiàn)壓實，該方法壓實功較大，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)，過度的沖擊壓實甚至?xí)p弱路基壓實效果。

3.2 路基填料壓實機理及顆粒接觸模型

路基填料壓實機理理論可分為三類：顆粒破碎理論、反復(fù)荷載理論和振動沖擊理論。顆粒破碎理論強調(diào)壓實過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，填料在壓實機械的作用下變得更為緊密，提高壓實功和振動幅度均能提高壓實效果。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。振動沖擊理論考慮了顆粒的運動狀態(tài)，外荷載作用下，顆粒間摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮Γw粒間相互接觸的位置增多，承載能力得到提高。以上三類壓實機理理論可概化為路基填料力學(xué)接觸模型進行分析。

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接觸理論進行計算。法向接觸力與切向接觸力的變形與接觸量微量進行疊加計算。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，其應(yīng)力分布為：

（4）

式中，r——接觸點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)先進行整平壓實，且壓實度不應(yīng)小于90%，當(dāng)路堤填土高度小于路床厚度時，基底壓實度不應(yīng)小于路床壓實度標(biāo)準(zhǔn)。路基壓實要求采用重型擊實標(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，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。邊坡坡率及防護排水設(shè)置原則與一般填方路基一致，防護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

棗菏高速段試驗段為K25+

110.0～K25+310.0路段。應(yīng)用16 t沖擊式壓路機及8 t振動壓路機實現(xiàn)沖擊壓實與路基普通振動壓實后沖擊增強補壓兩種碾壓方式的對比試驗。為檢測路基碾壓沉降以水準(zhǔn)儀測量路基頂部高程，研究沖擊輾壓路基沉降趨勢，以評價沖壓效果及確定沖擊輾壓遍數(shù)。通過壓實度檢測研究碾壓遍數(shù)隨壓實度的關(guān)系，確定合理碾壓遍數(shù)。

5.1 高程觀測及沉降量檢測

沖壓試驗段200 m范圍內(nèi)每20 m進行高程觀測，共10個觀測點，每個點沿道路橫截面布置7個高程觀測點。

在沖擊碾壓前用水準(zhǔn)儀觀測并記錄各高程觀測點標(biāo)高，煤矸石路基普通振動壓實后沖擊增強補壓，沖擊壓實擬碾壓30遍，在沖擊碾壓前和當(dāng)碾壓到10遍、15遍、20遍、25遍、30遍時分別進行沉降量、壓實度、篩分、壓碎值試驗。

5.2 沖壓前后壓密度測試

采用沉降量檢測與壓實度結(jié)合的檢測方式。壓實度采用灌砂法試驗進行檢測，按照《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》[5]執(zhí)行，通過擊實試驗所得的最大干密度來計算現(xiàn)場煤矸石的壓實度。選取代表點運用灌砂法進行干密度試驗，以檢測壓實效果。用灌砂法測定密度和壓實度時，應(yīng)符合《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》要求。

5.3 沉降法現(xiàn)場檢測壓實度結(jié)果及分析

普通碾壓后對路段進行沖擊補壓，每隔5遍進行一次壓實度檢測。圖2為壓實度隨沖擊碾壓遍數(shù)的變化，當(dāng)沖擊補壓到15遍時壓實度增長較快，15遍以后沉降趨于平緩。15遍時壓實度均達到96%以上，可達到規(guī)范要求。當(dāng)碾壓遍數(shù)達到25遍時，壓實度可達到98%以上，繼續(xù)碾壓后壓實度幾乎不增長，因此就壓實度而言，當(dāng)沖擊補壓達到25遍時可達到強度要求。同時沖擊補壓到15遍時，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，但增加較小。碾壓25遍時，碾壓已趨于穩(wěn)定，碾壓25遍和碾壓30遍的相對沉降量差值已經(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)沒有必要。

6 結(jié)論

煤矸石填筑路基對于緩解生態(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，作為路基填料時應(yīng)當(dāng)對其質(zhì)量進行嚴(yán)格控制。煤矸石填筑路基施工方法中沖擊碾壓補壓對于壓實度的改善效果較為明顯，普通的振動壓實往往僅滿足于路基設(shè)計要求，且需大量碾壓遍數(shù)，耗費大量財力與物力，沖擊補壓不僅可提高路基壓實度與碾壓沉降量，還可使路基在一定碾壓遍數(shù)后達到更高的強度。因此，在煤矸石路基填筑中，為達到更高的道路要求標(biāo)準(zhǔn)，普通振動壓實后的沖擊補壓尤為重要。

參考文獻

[1]申文勝， 王朝輝. 高速公路煤矸石填筑路基路用性能控制[M]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[1]李俠. 煤矸石對環(huán)境的影響及再利用研究[D]. 西安：長安大學(xué)， 2005.

[3]李化建. 煤矸石的綜合利用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2010.

[4]孫其誠， 王光謙. 顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2009.

[5]公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)： JTG F80/1—2017[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2017.

收稿日期：2022-04-08

作者簡介：侯亞輝（1981—），男，本科，高級工程師，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