煤矸石路用性质及其在填筑路基中的应用研究

侯亚辉　李阳　曹景磊　连光炜　张锐

摘要 煤矸石填筑路基既可实现废弃煤矸石的合理利用，又可以减少修路时的建造成本，已逐步被应用于道路工程中。文章分析煤矸石在碾压过程中的受力特性对道路施工碾压的影响，并进行现场碾压试验。现场碾压采用普通振动压实后冲击增强补压的碾压方式，通过碾压沉降量、压实度等对碾压过程及结果进行分析，确定合理的碾压方案。

关键词 煤矸石;路用性质;路基

中图分类号 X752文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）11-0073-03

引言

原煤开采后需经选煤工艺进行筛洗，在成煤过程中产生的伴生岩石即煤矸石，通常被作为固体废弃物筛出[1]。这类煤矸石常堆放于矿区附近形成煤矸石山。大量煤矸石的堆积为周边人民的生活带来一系列不利的影响，且污染当地生态大气—水文环境，造成滑坡、泥石流等众多自然灾害隐患[2]。如何提高煤矸石的综合利用水平，减少煤矸石堆积量，从而达到整治矿区生态污染的目标需要进一步探索。

道路工程建设中，利用煤矸石填筑路基成为国内消耗煤矸石的一类途径。煤矸石作为填料应用于土木工程中既解决了工程取土困难问题，又解决了产煤区土地资源紧张的难题。然而，不同地区煤矸石筑路的设计及施工方法更多基于经验，还未形成统一的规范标准。因此，开展煤矸石填筑路基施工方法研究具有重要的现实意义。该文依托山东省公路桥梁建设有限公司济南至微山公路济宁新机场至枣菏高速段实际工程，通过理论分析、现场试验对煤矸石的工程特性及其在填筑路基过程中的施工方法进行研究。

1 煤矸石路用物理-化学性质

1.1 煤矸石物理特性

现场取样过程中可发现煤矸石质轻，颗粒强度低，部分煤矸石可用手碾碎，因此在路基施工碾压及夯实过程中极易被粉碎实现自我改良结构。不同击实试验下煤矸石的颗粒组成分析对比数据显示，击实后的煤矸石级配可得到较为明显的改良。击实后2 cm以上的颗粒含量明显减少，5 mm以下颗粒含量显著增加，而中间粒组（5 mm～2 cm）含量基本不变。这一级配结构的改变有利于后期的路基碾压密实。作为路基填料的煤矸石其最大粒径与压实度相关。当压实度>96%时，煤矸石最大粒径应小于10 cm。当路基压实度>93%时，煤矸石最大粒径应小于20 cm，且应小于摊铺层厚的2/3。施工前应对煤矸石中的超粒径大颗粒进行剔除或破碎后方可用于路基施工。

目前针对煤矸石的施工技术规范还未颁布，因此可借鉴《公路路基施工技术规范》（JTG F10—2006）对煤矸石液塑限进行控制。煤矸石液塑限同样可参考《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）采用液塑限联合测定仪进行测定。

1.2 煤矸石化学特性

煤矸石化学成分相对复杂，主要成分为含有SiO2，Al2O3，除此之外还含有少量的Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、FeS及微量的Mn、Cu、As和Cr6+。煤矸石主要矿物成分含有石英、长石、蒙脱石、高岭石、伊利石等。根据煤矸石内所含黏土矿物比例可将煤矸石分为蒙脱石质煤矸石、伊利石質煤矸石、高岭土质煤矸石及其他煤矸石[3]。

由于煤矸石内含有较多的黏土矿物，因此具有一定的膨胀性。为消除煤矸石潜在的膨胀性，须将多种氧化物含量控制在70%以上，且室内自由膨胀率应小于40%，耐崩解指数不应大于30%。除此之外，煤矸石在一定温度下可发生自燃，路用煤矸石烧失量应低于20%。

2 煤矸石路用力学性质

煤矸石压实性须通过击实试验进行评价，试验前须将粒径大于4 cm的粗颗粒剔除。根据规范控制一定的击实功，即控制相同击实锤质量与落距，结合不同含水率可得出相同击实功下含水率与干密度曲线，由峰值点得出最优含水率。

CBR试验，又名加州承载比试验，是检测煤矸石强度及水稳定性是否满足填筑路基要求的室内试验。作为路床的煤矸石填料，其下路床CBR不应低于5%，下路堤CBR不得低于3%。煤矸石作为填筑路基材料，其单轴抗压强度、抗剪强度、无侧限抗压强度及回弹模量应根据土工试验规程明确测出。

3 填筑路基碾压施工方式及压实机理

3.1 填筑路基碾压方式

碾压作业的最终目的是通过外界荷载作用使颗粒由松散状态转变为密实状态。工程中常用的碾压方法有静压法、振动压实法和冲击压实法。

静压法依靠机械的自重使得路基填料达到密实，工作效率相对较低，且压实功固定，可在有限深度内施加静线压力。振动压实利用滚轮内激振器振动产生激振力，使压实材料振动，颗粒间相对摩擦力和黏聚力不断减小，从而达到密实的目的。冲击压实则是将压实重物自一定高度向下做自由落体运动，将势能转换为动能实现压实，该方法压实功较大，且影响范围更深，然而由于其可能破坏填料中的骨料结构，过度的冲击压实甚至会减弱路基压实效果。

3.2 路基填料压实机理及颗粒接触模型

路基填料压实机理理论可分为三类：颗粒破碎理论、反复荷载理论和振动冲击理论。颗粒破碎理论强调压实过程中颗粒的自破碎性，颗粒形状与受力状态均影响颗粒的最终组成，填料在压实机械的作用下变得更为紧密，提高压实功和振动幅度均能提高压实效果。反复荷载理论为颗粒在反复荷载作用下，其内部的气体与水可以充分排出，颗粒间接触面积增大，承载能力增强。振动冲击理论考虑了颗粒的运动状态，外荷载作用下，颗粒间摩擦力转变为动摩擦力，颗粒间相互接触的位置增多，承载能力得到提高。以上三类压实机理理论可概化为路基填料力学接触模型进行分析。

路基填料力学接触模型可概化为滑块-弹簧-阻尼模型（图1），其中，颗粒接触力分为法向接触力与切向接触力。接触刚度模型采用Hertz-Mindin非线性模型，即接触刚度与颗粒重叠程度呈非线性关系[4]。Hertz接触模型假设颗粒均质且表面光滑，接触面上仅产生弹性形变，接触力垂直于接触面切线方向。切向力采用Mindin-Deresiewicz接触理论进行计算。法向接触力与切向接触力的变形与接触量微量进行叠加计算。其中，法向接触力Fn可表示为：BAAD8876-DD12-41F3-93D0-669D613B6B1A

（1）

式中，σ——法向重叠量;E*——杨氏模量当量;R*——颗粒等效半径。

杨氏模量当量可表示为：

（2）

颗粒等效半径为：

（3）

式中，E1，E2分别为颗粒1，2的弹性模量;υ1，υ2为颗粒1，2的泊松比。

（a）法向接触模型（b）切向接触模型

颗粒发生弹性变形时，其应力分布为：

（4）

式中，r——接触点距离接触中心的直线距离;pm——最大应力，即：

（5）

式中，a——接触面半径，即：

（6）

单位时间内，法向接触力增量为：

（7）

切向力增量为：

（8）

式中，G*——剪切模量当量，即：

（9）

式中，Δζ——切向位移增量;?——颗粒摩擦系数;θk——接触力系数，k值于加载情况时取0，卸载情况取1，重新加载取值为2。

基于上式，可将颗粒间法向接触力、切向接触力与法向应变与切向应变相连接，进而求得单位荷载增量下的颗粒变形。

4 煤矸石填筑路基碾压控制标准

在填筑路基之前，基底应先进行整平压实，且压实度不应小于90%，当路堤填土高度小于路床厚度时，基底压实度不应小于路床压实度标准。路基压实要求采用重型击实标准，煤矸石路基最小填料应满足表1要求。

煤矸石路基碾压施工时，在煤矸石路堤边坡两侧采用素土包边，包边土厚度1.0 m。路基清表20 cm碾压后，直接填筑煤矸石。边坡坡率及防护排水设置原则与一般填方路基一致，防护形式主要采用植草及拱形骨架种植草，排水主要采用矩形预制沟。

5 煤矸石填筑路基碾压工程应用

枣菏高速段试验段为K25+

110.0～K25+310.0路段。应用16 t冲击式压路机及8 t振动压路机实现冲击压实与路基普通振动压实后冲击增强补压两种碾压方式的对比试验。为检测路基碾压沉降以水准仪测量路基顶部高程，研究冲击辗压路基沉降趋势，以评价冲压效果及确定冲击辗压遍数。通过压实度检测研究碾压遍数随压实度的关系，确定合理碾压遍数。

5.1 高程观测及沉降量检测

冲压试验段200 m范围内每20 m进行高程观测，共10个观测点，每个点沿道路横截面布置7个高程观测点。

在冲击碾压前用水准仪观测并记录各高程观测点标高，煤矸石路基普通振动压实后冲击增强补压，冲击压实拟碾压30遍，在冲击碾压前和当碾压到10遍、15遍、20遍、25遍、30遍时分别进行沉降量、压实度、筛分、压碎值试验。

5.2 冲压前后压密度测试

采用沉降量检测与压实度结合的检测方式。压实度采用灌砂法试验进行检测，按照《公路工程质量检验评定标准》[5]执行，通过击实试验所得的最大干密度来计算现场煤矸石的压实度。选取代表点运用灌砂法进行干密度试验，以检测压实效果。用灌砂法测定密度和压实度时，应符合《公路工程质量检验评定标准》要求。

5.3 沉降法现场检测压实度结果及分析

普通碾压后对路段进行冲击补压，每隔5遍进行一次压实度检测。图2为压实度随冲击碾压遍数的变化，当冲击补压到15遍时压实度增长较快，15遍以后沉降趋于平缓。15遍时压实度均达到96%以上，可达到规范要求。当碾压遍数达到25遍时，压实度可达到98%以上，继续碾压后压实度几乎不增长，因此就压实度而言，当冲击补压达到25遍时可达到强度要求。同时冲击补压到15遍时，沉降量（图3）增大明顯，此后尽管沉降量随碾压遍数呈现增大趋势，但增加较小。碾压25遍时，碾压已趋于稳定，碾压25遍和碾压30遍的相对沉降量差值已经小于2 mm，远远满足碾压沉降量要求，在道路路基施工中碾压30遍已经没有必要。

6 结论

煤矸石填筑路基对于缓解生态环境压力具有一定的积极作用。由于煤矸石物理-化学性质的特殊性，作为路基填料时应当对其质量进行严格控制。煤矸石填筑路基施工方法中冲击碾压补压对于压实度的改善效果较为明显，普通的振动压实往往仅满足于路基设计要求，且需大量碾压遍数，耗费大量财力与物力，冲击补压不仅可提高路基压实度与碾压沉降量，还可使路基在一定碾压遍数后达到更高的强度。因此，在煤矸石路基填筑中，为达到更高的道路要求标准，普通振动压实后的冲击补压尤为重要。

参考文献

[1]申文胜， 王朝辉. 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]李侠. 煤矸石对环境的影响及再利用研究[D]. 西安：长安大学， 2005.

[3]李化建. 煤矸石的综合利用[M]. 北京：化学工业出版社， 2010.

[4]孙其诚， 王光谦. 颗粒物质力学导论[M]. 北京：科学出版社， 2009.

[5]公路工程质量检验评定标准： 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

作者简介：侯亚辉（1981—），男，本科，高级工程师，研究方向：道路与桥梁施工技术应用。

通信作者：张锐（1996—），男，硕士研究生，研究方向：道路与岩土工程。BAAD8876-DD12-41F3-93D0-669D613B6B1A