煤矸石路基填料强度与变形特性研究

邬俊，高文华，张宗堂，唐骁宇，易梅辉

煤矸石路基填料强度与变形特性研究

邬俊，高文华，张宗堂，唐骁宇，易梅辉

(湖南科技大学 岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

煤矸石作为高速公路路基填料已得到广泛应用，但对煤矸石的研究远落后于工程实践。根据Talbot推广的级配控制方程，采用人工级配的方法，通过大型三轴试验研究煤矸石路基填料在不同围压、不同级配和不同压实度下的强度及变形特性。试验结果表明：煤矸石路基填料的轴向应变均随轴向应力的增加而增加，应力−应变曲线无明显峰值，属于应变硬化型；当围压不变时，随着值即粗颗粒含量的增加，相同轴向应变下的轴向应力呈先增后减的趋势变化；压实度达93%以后，继续提高压实度对试样强度增长作用效果不明显；煤矸石应力-应变曲线可以用邓肯-张双曲线本构模型拟合，并获得了双曲线本构模型的具体参数。

煤矸石；路基填料；应变硬化；大型三轴试验；本构模型

煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石[1]。主要包括在巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、夹层以及底板中开采出来的矸石和洗煤过程中筛选出来的洗矸石，其岩性成分由所在的含煤岩系和煤层的开采方式共同决定[2]。煤矸石如果处置不当，会对社会环境造成较大的危害，主要有以下几个方面的影响：占压土地、堆积的矸石山易引发矿山泥石流地质灾害、污染大气和地下水、破坏自然景观、自燃危害、有毒重金属污染、酸性水污染等方面，严重影响和危害人民群众的生活与健康[3−5]。因此如何解决煤矸石带来的社会环境问题，对其进行综合利用成了亟需解决的关键问题。随着我国公路的大规模兴建，煤矸石现已广泛地用于路基填料。煤矸石路基填料有以下优势，第一：规范中对于煤矸石做路基填料的要求较少、对有害成分限制不严，绝大部分都可以直接作为路基填料使用；第二：在矿山地区，煤矸石做路基填料取材方便、消耗量大，可以有效减少矿区煤矸石堆积带来的社会环境问题[6]。但煤矸石具有强度较低、容易破碎、耐水性差等特点，其粒径分布跨度较大，既有粒径大于60 mm的巨粒，也有粒径小于0.075 mm的细粒。由于煤矸石产出部位不同，其岩性特征不同；生产方式不同导致产出的煤矸石粒度分布也有差异，不同程度地存在某些粒组分布不连续，这些都会影响矸石路基的强度及变形特性。因此对煤矸石力学特性进行深入研究很有必要。国内外一些学者对煤矸石路基填料进行了大量研究。Michalski等[7−9]采用不同类型煤矸石做模拟现场碾压试验，发现煤矸石的可压密程度和颗粒分布密切相关，不均匀系数u越大，可压密程度越高，得到的最大干密度也越大。姜振泉等[10]分别对掺黏土和粉煤灰的煤矸石进行压密和渗透试验，发现影响煤矸石固结特性的主要级配缺陷是细小颗粒含量过低，认为适当提高细小颗粒的比例，能够很好地改善煤矸石的固结特性，其水稳性也有显著提高。由此可见粒度分布对煤矸石路基填料的压密性有着重要影响。邓文杰等[11]通过中型三轴试验分析了煤矸石在不同颗粒级配下的强度和变形特性，发现良好级配的煤矸石峰值强度随u和c的增加呈先减后增的抛物线变化。李永靖等[12]通过动三轴试验建立了考虑不同相对密度、动荷载幅值的轴向累积残余应变和动模量公式。贺建清等[13]通过小型三轴试验研究了掺土煤矸石路基的工程特性并认为煤矸石做路基填料满足要求。但以上关于煤矸石的三轴试验研究均是中、小型试验研究，其最大粒径小于20 mm，与实际工程填料粒径分布有较大区别。凌华等[14]通过大型三轴试验研究了级配对粗粒土颗粒破碎、强度与变形的影响，并得到了邓肯模型的主要参数。LIU等[15]利用不排水三轴剪切试验，研究了贫黏土在冻融循环和热固化循环下的力学性能。根据硬化应力−应变曲线，计算了考虑循环次数和冻结温度的抗剪强度和Duncan-Chang模型参数，目前对于煤矸石路基填料大型三轴试验方面的研究鲜见报道。本文在总结前人工作的基础上，以湘潭唐家山煤矿的煤矸石作为试验材料，将天然煤矸石进行烘干筛分，采用人工级配的方法，开展了6组不同条件下的大型三轴静态加载试验。每组为3个不同围压的试样，所对应的围压分别为100，200和300 kPa，以研究不同围压、不同级配、不同压实度下的煤矸石路基填料强度与变形特性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料的基本性质

煤矸石试验材料源自湘潭唐家山煤矿，粒径分布相对均匀，颗粒表面相对粗糙而无尖锐棱角，粗颗粒强度较低，易破碎。通过EDS能谱试验，获取了煤矸石的元素含量，其主要成分组成如表1所示。由表1可以看出，煤矸石的主要组成元素是碳、氧、镁、硅、钙等。通过液塑限联合测定仪测得煤矸石细颗粒的液性指数L=31.64，塑性指数P=20.57。

表1 煤矸石颗粒主要组成元素

1.2 试验仪器

试验采用成都东华卓越科技有限公司的DJSZ- 150型大型动、静三轴试验机(图1)，该仪器有稳压加载控制方式、等应力加载控制方式、等应变加载控制方式3种轴压加载方式；最大轴向静载1 500 kN，最大轴向动荷载700 kN，周围压力0～3 MPa，振动频率0.01～5 Hz；实验过程中具有自动采集试样轴向载荷、轴向位移、围压、孔隙压力、反向压力、体积变化等多种参数的功能；试样直径300 mm、高度600 mm，仪器可以进行固结排水(CD)、固结不排水(CU)、不固结不排水(UU)等多种剪切试验。

图1 三轴试验机

1.3 试验方法

将煤矸石材料用托盘装好放在烘箱内，把矸石中水分充分烘干，然后再将烘干的煤矸石用一套标准筛在振动筛分台上进行筛分，得到试验所需的不同粒组的试验材料。根据击实试验获得的不同级配的最大干密度按照一定的压实度和试样尺寸求得试样在不同级配下各粒组的质量，将不同粒组的矸石分成5等份并使其均匀混合。试验前清洗试验机，用乳胶管将乳胶膜绑扎在底座上，装上角柱后用螺栓把护筒固定在角柱上，将乳胶膜翻转过来套在护筒上并使护筒内乳胶膜平顺，将配置好的试验材料分5次装入护筒内，分层击实，控制每层击实后的高度为12 cm，待5层均击实后盖上顶盖、绑扎上端乳胶膜，用真空泵抽真空立样，然后拆除护筒和角柱并把底座清洗干净，制成直径300 mm，高度为600 mm的圆柱形试样，如图2所示。试样制好后盖上压力罩，将试样推入反力架中放置在基座上，往压力室内注水。压力室内的水充当围压传递媒介，围压是由围压控制器对水媒介进行加压施加在试样上。采用真空饱和法使试样完全饱和，待固结完成后，采用等应变加载控制方式进行静态加载，位移剪切速率为1.5 mm/min。当强度曲线骤降或轴向应变达到15%时，即认为试样达到剪切强度，发生剪切破坏。

图2 煤矸石试样

1.4 试验方案

三轴试样直径应大于试样材料颗粒最大粒径的4～6倍，即max=(1/4～1/6)，为试样直径。取max=/5，可知max=60 mm，根据Talbot推广的级配控制方程[16−19]：

式中：为小于粒径的累计百分含量；最大粒径max=60 mm；为级配指数。

由级配良好条件，u≥5，c=1～3，求得：0.369 = lg1.5/1g3≤≤lg6/1g5=1.113，采用等差值法取级配指数为：0.39，0.63，0.87和1.11。根据级配方程求得不同级配下各粒组的质量百分比，级配曲线如图3所示。用BZYS-4212型表面振动压实仪进行击实试验，获得4种不同级配下煤矸石的最大干密度，基本参数如表2所示。从表中可以看出最大干密度随不均匀系数u和曲率系数c的增大呈先增大后减小的趋势变化。采用一组孔径为60，40，20，10，5，2，0.5和0.075 mm的标准筛将煤矸石在振动筛分台上进行筛分，按不同级配下煤矸石试样各粒组所占的质量百分比进行人工配比，进行不同级配，不同围压，不同压实度等条件下的6组大型三轴固结排水剪切试验。根据公路路基大多埋深较浅的特点和贺建清等[2]的已有研究，选取围压分别为100，200和300 kPa，试验条件如表3所示。

图3 级配曲线

表2 煤矸石基本参数

表3 试验条件设计

2 试验结果及分析

2.1 围压、级配对煤矸石路基填料强度与变形特性的影响

图4为4种不同级配、压实度为93%，在围压分别为100，200和300 kPa试验条件下的应力−应变曲线，由图可知，煤矸石的轴向应变均随轴向应力的增加而增加，曲线均为上凸型，且无明显的峰值，属于应变硬化型。当围压不变时，随着值即粗颗粒含量的增加，相同轴向应变下的轴向应力先增后减；当值即粗颗粒含量不变时，相同轴向应变下的轴向应力随着围压的增加而增加。这主要是因为煤矸石粗颗粒表面粗糙且无尖锐棱角，颗粒间的接触面积较大，级配良好时细小颗粒很好地填充在粗颗粒之间的孔隙中，试样初始孔隙率较小。试样在加载初期的压缩变形引起煤矸石颗粒位置发生错动而重新排列，孔隙被压缩，颗粒间的排列变得更为紧密，咬合力和摩擦力也逐渐增大。此外，在剪切过程中，由于轴向应力的增加，部分煤矸石粗颗粒被剪坏，剪坏破碎的颗粒进一步填充孔隙使试样更为密实，颗粒间的咬合力和摩擦力也持续增强，因此宏观上表现为轴向应变随轴向应力的增加而增加，应力−应变曲线呈应变硬化型。且随围压的增加，试样强度大幅度增长，这是因为围压能够很好的约束试样的径向变形。围压越大，约束试样径向变形的能力也越强，相同的轴应力所引起的轴应变越小，因此表现出试样的抗剪强度随围压增大而增大。

颗粒级配的不同主要体现在不均匀系数u、曲率系数c和粗颗粒所占质量百分比等参数的不同。由表2可知随级配指数值增加，不均匀系数u和曲率系数c递减，粗颗粒的百分比含量逐渐增加，4种级配均为良好级配。由图4可知，围压相同时相同轴向应变下的轴向应力随值增加呈先增后减的趋势变化。级配=0.39时，细小颗粒含量最多而粗颗粒含量最少，颗粒间摩擦力、咬合力作用较小，表现出黏性土的某些特性。随级配指数的变化，粗细颗粒趋近于最佳配比时，细颗粒能很好的填充在粗颗粒骨架中共同承受荷载，颗粒间的摩擦力、咬合力增大。当值继续增大时，因粗颗粒含量多而细颗粒含量少，粗颗粒间的孔隙不能得到很好的填充，粗颗粒更易破碎，强度反而降低。因此随级配指数的增加，相同轴向应变下的轴向应力呈先增后减的趋势变化。

图4 不同围压、级配的煤矸石应力−应变曲线

图5为4种不同级配、压实度为93%，在围压分别为100，200和300 kPa试验条件下的轴应变−体应变曲线，由图5可知，在加载初期，试样体积应变增长速率较快，随着试验进行，轴向应力逐渐增大，体应变增长速率逐渐变慢并趋于平缓。究其原因，加载初期试样的变形主要是在轴向应力作用下煤矸石颗粒位置发生错动，孔隙被压缩，该阶段类似于岩石在加载变形过程中的孔隙压密阶段。当孔隙减小到某一值时，由颗粒错动引起的孔隙变化趋于稳定。后期煤矸石体积应变增长主要是因为在逐渐变大的轴向应力作用下粗颗粒破碎，破碎颗粒进一步填充孔隙。而由煤矸石颗粒破碎引起的体应变增长要比由孔隙压密引起的体应变增长要难得多，因此表现为体应变前期增长速率快而后期增长速率慢，并逐渐趋于平缓。

相同级配不同围压的试样，轴向应变相同时体应变随围压增大而增大；相同围压不同级配的试样，轴向应变相同时级配=0.39试样的体应变最小，主要是因为此级配细颗粒含量最多，颗粒间的孔隙小，水很难透过颗粒间的孔隙，与黏性土类似。此外级配=0.87的试样在围压为100 kPa时，试验初期为体缩，后期出现体胀，随着围压增大，逐渐由体胀向体缩过渡；其他级配的试样在试验过程中均为体缩，没有体胀现象。

图5 不同围压、级配的煤矸石轴应变-体应变曲线

图6 不同围压、压实度的煤矸石应力-应变曲线

2.2 压实度对煤矸石强度变形特性的影响

由表2可知，=0.63级配的最大干密度为4种级配的最大值，能获得较好的可压密实性，因此=0.63为4种级配的最优级配，选取此级配做不同压实度试验。图6为级配=0.63时在压实度分别为90%，93%和96%，围压分别为100，200和300 kPa试验条件下的应力−应变曲线。由图可知，相同压实度下试样强度随围压的增大而增大；相同围压下试样强度随压实度的增大而增大，且压实度由90%增长到93%时试样强度明显增长，由93%增长到96%时强度增长不明显，二者的应力−应变曲线接近重合，因此煤矸石作为路基填料压实度满足不小于93%即可。

3 煤矸石路基填料本构模型

在图4和图6的煤矸石三轴试验应力−应变曲线中，切线模量随轴向应变的增加而减小，近似双曲线形态。邓肯等人的双曲线模型可以反映变形的非线性，且模型参数及材料常数少，物理意义明确。即：

式中：d为轴向偏差应力；a为轴向剪切应变；d max为初始变形模量；(1－3)ult为双曲线的渐近线所对应的极限偏差应力。

由拟合结果可知，围压对煤矸石试样初始变形模量d max的影响显著，相同条件下d max随围压增大而增大。曲线拟合后得到的煤矸石d max如表4所示。

表4 煤矸石试样的最大变形模量Ed max

其他条件都相同时，在lg(d max/a)与lg(σ3/a)双对数坐标关系图中，dmax和围压3之间有着很好地线性关系。经验表达式：

式中：和均为试验拟合参数；a为大气压。各试样初始变形模量d max与围压3在双对数坐标中的关系曲线见图7。邓肯模型合参数见表5。试验结果可以用邓肯−张模型进行拟合。

图7 lg(Ed max/Pa)−lg(σ3/Pa)关系曲线

表5 邓肯模型参数

4 结论

1) 煤矸石路基填料的轴向应变均随着轴向应力的增加而增加，曲线均为上凸型，且无明显的峰值，属于应变硬化型，且随围压的增加，试样强度增大。

2) 在加载初期，试样体积应变增长速率较快，随着试验进行，轴向应力逐渐增大，体应变增长速率逐渐变慢并趋于平缓。

3) 相同压实度不同级配的试样，当围压不变时，随着值即粗颗粒含量的增加，相同轴向应变下的轴向应力先增后减。

4) 压实度由90%增长到93%时试样强度明显增长，由93%增长到96%时强度增长不明显，煤矸石作为路基填料压实度应满足不小于93%。

5) 煤矸石应力−应变曲线可以用邓肯−张双曲线模型拟合，得出了煤矸石双曲线模型的相关 参数。

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Study on strength and deformation characteristics of coal gangue subgrade filling

WU Jun, GAO Wenhua, ZHANG Zongtang, TANG Xiaoyu, YI Meihui

(Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

In recent years, with the rapid development of highway in China, coal gangue has been widely used as subgrade filler, but the study of coal gangue is far behind the engineering practice. In this paper, the strength and deformation characteristics of coal gangue subgrade fillings under different confining pressures, different gradations and different degree of compaction levels were studied by using artificial gradation method based on Talbot's generalized gradation control equation. The experimental results show that the axial strain of gangue subgrade filler increases with the increase of axial stress, and the stress-strain curve has no obvious peak value, which is a strain hardening type. When the confining pressure is unchanged, the axial stress under the coaxial strain increases first and then decreases with the increase ofvalue, i.e. the content of coarse particles. After the compacting degree reaches 93%, increasing the compacting degree has no obvious effect on the strength growth of the sample. The stress-strain curve of coal gangue can be fitted by Duncan-Zhang hyperbolic constitutive model, and the specific parameters of the hyperbolic constitutive model are obtained.

gangue; roadbed filling; strain hardening; large triaxial test; constitutive model

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200536

TU411

A

1672 − 7029(2021)04 − 0885 − 07

2020−06−14

湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4019)；湖南省研究生科研创新项目(CX20190790)

高文华(1962−)，男，湖南宁乡人，教授，博士，从事岩土工程和地下结构工程的研究；E−mail：wenhuagao@163.com

(编辑 涂鹏)