省内高速煤矸石路基填筑施工技术研究

罗 锋

(山西远方路桥(集团)有限责任公司，山西 大同 037000)

1 概述

煤矸石是伴随煤炭开采过程中被同时开采出的一种煤炭副产品，其煤炭含量低于20%且质地坚硬，不具备继续提炼价值。我省煤炭资源丰富，煤炭开采规模较大，煤矸石产量惊人，自从20世纪90年代末期，省内部分公路路基项目施工就使用煤矸石作为主要路基填筑料，并取得较好的工程应用效果。采用煤矸石作为公路路基填筑材料具有以下优势，即：目前成型的施工规范中关于路基填筑材料工程特性的规定较少，对于煤矸石的各项性能及有害成分的限定条件较低，大部分煤矸石均可不经任何处理直接用作路基填筑料；此外，公路路基填筑用料消耗量惊人，可以在短期内快速消化大量的库存。为了提升省内高速公路建设的低碳性和可持续发展能力，应进一步推广煤矸石在高速公路路基填筑施工中的应用程度。

2 高速公路煤矸石填筑路基相关技术指标及承载性能指标分析

煤矸石作为一种性质特殊的填筑材料，其抗压强度及刚度值均高于一般的土体填筑料，但又普遍低于岩质填筑材料，相较于填土路基或者填石路基而言，煤矸石填筑路基材料的粒度分布特征跨度范围大，其中粗集料与细集料的含量均较高，所以，煤矸石填筑材料具备粗粒径土体和细粒径土体的双重特点，反映在混合料中，表现为较高的集料粘聚力，但土体内摩擦角低于粗粒径土的摩擦角，煤矸石中土体颗粒的抗压强度较低，在冲击荷载的作用下很容易出现瞬间失稳破损，所以，煤矸石材料指标及性能不能完全参照粗粒土。

2.1 煤矸石路基填筑材料的技术指标

作为高速公路路基填筑材料，为了保证路基结构层的承载能力及变形要求，煤矸石路基填筑材料的设计及施工必须满足JTG D30—2015公路路基设计规范及SL 264—2016水利水电工程岩石试验规程中的相关要求。综合分析以上规范要求并参照省内外成熟的高速公路路基煤矸石填筑施工项目经验，得到以下煤矸石填筑材料的各项技术指标。具体如表1所示。

2.2 煤矸石路基填筑材料承载性能指标分析

涉及到煤矸石路基填筑材料的承载性能主要有：压实特性和承载能力两种。煤矸石室内压实特性试验采用重型击实标准，击实锤底部直径值为50 mm，自重4.5 kg，走行距离为450 mm，试验筒内部容积值为2 177 cm3，击实试验分三步进行，每步击实98次，煤矸石最大粒径值为38 mm，试验之前将粒径值大于38 mm的煤矸石筛分，清洗烘干后称重，计算粒径值大于38 mm的煤矸石颗粒的含水率ω，同时计算其质量占比P；对于粒径值小于38 mm的煤矸石采取室内击实试验，称取煤矸石湿重及干重，计算煤矸石密度值ρdm和最佳含水率ω0，并根据粒径大于38 mm的煤矸石占比情况对试验结果进行校正。经现场击实试验结果可知，在含水率适当的条件下，经击实后的煤矸石密度值较高，击打之前的煤矸石颗粒之间距离较大，经击实后颗粒间距值降低，内部空气被压缩排出；继续击实后，颗粒间骨架结构形成，随着击实荷载的增加，煤矸石颗粒被挤碎，内部骨架结构出现调整，填筑料的压实度指标继续增长。图1为现场压实试验情况。

表1 煤矸石路基填筑材料的各项技术指标

加州承载比(CBR)指标是路基填筑料承载能力的重要表征指标之一，提前打制CBR试件，选取省内某高速公路路基标段施工项目中的两种煤矸石路基填筑材料为试验原料，根据压实度指标分为两组，并将打制完成的试件浸泡96 h，定期观测膨胀量，浸泡后灌入强度试验仪中测定CBR指标。表2为两种压实度指标下的CBR及膨胀量值。

表2 两种压实度指标下的CBR及膨胀量值

分析本工程项目中使用到的两种煤矸石填筑材料的承载性能指标可知，两种煤矸石对应的CBR值均大于8，表明两种煤矸石路基填筑材料的承载能力均满足路用要求。此外，就单种煤矸石而言，其CBR指标和压实度指标之间呈显著的正相关关系。

3 高速公路煤矸石填筑路基铺筑施工及质量检测

3.1 路基铺筑施工

本文选取的研究段为L1路基合同段，桩号范围为K7+000～K7+500，总长度0.5 km。施工流程如图2所示。

煤矸石路基铺筑施工过程中煤矸石摊铺及碾压质量直接决定了煤矸石路基的承载能力、变形刚度及长期服役能力。考虑到煤矸石集料的级配特点，由于煤矸石中大粒径材料的占比较高，在运输及摊铺过程中，很容易出现集料离析问题，如果大粒径煤矸石占比过高则不利于煤矸石路基压实度指标的满足。为了切实降低煤矸石填筑材料的集料离析问题，具体施工过程中应遵循“上卸下推”的施工方法，以防止煤矸石和包边土结合位置的大粒径骨料集中问题。煤矸石路基填筑料压实施工应分层进行，每层压实厚度值应控制在250 mm～350 mm之间，对应的松铺系数通过试验计算得出。煤矸石路基填筑材料在摊铺及压实施工前先进行高温焖料，动态控制煤矸石的含水率，保证煤矸石含水率维持在最佳水平。煤矸石路基压实施工机具应选用荷载为20 t且激振荷载不应小于400 kN的振动压实设备，压实应遵循“先动压再静压、先轻后重、先慢后快”的基本原则，煤矸石路基材料整平后使用小型压实设备静压5遍～20遍后，再使用激振压实设备碾压3遍～5遍，达到压实指标后，再静压2遍。

3.2 路基铺筑质量检测

以路基铺筑质量检测中较为重要的两个指标为例，即：路基弯沉和压实度指标。本工程项目煤矸石路基填筑弯沉指标验收采用贝克曼梁法，测点布设频率为20 m/点，且保证一个检测断面上至少有两个检测点位，为了保证煤矸石填筑路基的弯沉指标测定准确，应在对应检测断面上均匀分布3个弯沉检测点。具体的煤矸石填筑路基弯沉检测点布设情况如图3所示。

煤矸石填筑路基压实度指标测定及后期施工检查均以现场施工记录为主，以路床层为划定标准，路床顶部以下的0 m～1 m范围内，煤矸石填筑路基的压实度指标测定可选用水袋堆载法测定，为了保证测定精度，可以联合煤矸石填筑路基的沉降观测技术。压实度指标测定频率为3面/100 m，其中，在0 m～1 m范围内的煤矸石压实度指标不能低于经校正后的最大干密度值的96%。相应的煤矸石填筑路基压实度指标检测点布设情况如图4所示。

4 结语

自从20世纪90年代末期，省内部分公路路基项目施工就使用煤矸石作为主要路基填筑料，并取得较好的工程应用效果。文章以省内某高速公路路基施工标段为研究案例，就煤矸石填筑路基涉及到的各项性能指标、施工及检测关键技术进行深入分析，工程实践表明，省内煤矸石基本满足高速公路路基路用性能标准，施工及检测技术符合高速公路路基设计及施工规范要求，在省内新建高速公路项目中可继续推广使用。