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摘要：針對(duì)采用煤矸石作路基填料可能存在的路基病害，采用篩分試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，深入研究了摻土對(duì)煤矸石工程力學(xué)特性的影響。...

摻土煤矸石的路用工程力學(xué)特性及其填筑技術(shù)研究

賀建清 靳明 陽軍生

湖南科技大學(xué) 湖南湘潭  411201 中南大學(xué) 湖南長(zhǎng)沙  410075

引言

    煤矸石是煤在形成過程中與煤伴生或共生的一種堅(jiān)硬巖石，主要有掘進(jìn)井巷時(shí)排出的煤矸石、選煤排出的煤矸石和露天采煤產(chǎn)生的剝離矸石，是目前我國最大的固體廢棄物源，占全國工業(yè)廢料的20％以上。全國每年除綜合利用約6000萬元外，余下矸石多采用圓錐式或溝谷傾倒式自然松散地堆放在礦井四周，侵占大量土地，對(duì)周圍環(huán)境造成極大污染，嚴(yán)重影響和危害人們的生活與健康。

    煤矸石作為土工充填材料在國外已得到了廣泛應(yīng)用，已成為消耗煤矸石的主要途徑。近年來，隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展，需要大量的路基填料，煤矸石作為路用填料有著廣闊的應(yīng)用前景。但其大規(guī)模應(yīng)用尚需解決如下幾個(gè)關(guān)鍵問題：①煤矸石作為路基填料的壓實(shí)及其質(zhì)量控制與檢測(cè)問題；②煤矸石路基隔水、排水問題；③煤矸石作為路基填料的承載力與變形問題。

    煤矸石的粒度構(gòu)成和物質(zhì)組成有其自身的特點(diǎn)，所含有的殘留煤、有機(jī)質(zhì)及軟巖等成分對(duì)其工程性能具有較大影響，氧化環(huán)境下軟巖的風(fēng)化崩解、殘留煤的自燃、有機(jī)質(zhì)的“灰化”，或浸水后軟巖的泥化、殘留煤和有機(jī)質(zhì)的化學(xué)分解等作用都會(huì)改變矸石的密度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而導(dǎo)致過量的壓縮變形，并引起抗剪強(qiáng)度和承載力的降低。因此，將煤矸石作為高速公路路基填料對(duì)防風(fēng)化和防滲處理有較高的要求，如何有效防止矸石中不穩(wěn)定成分發(fā)生物理或化學(xué)作用，使煤矸石的工程性質(zhì)保持穩(wěn)定，是上述三個(gè)問題中首要解決的問題。

    根據(jù)Michalski等用不同類型煤矸石所作的現(xiàn)場(chǎng)模擬碾壓試驗(yàn)結(jié)果，煤矸石可壓密程度與粒度分布特點(diǎn)密切相關(guān)。煤矸石的可壓密程度與矸石粒度不均勻系數(shù)Cl之間在量值上表現(xiàn)出很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，Cu越大，矸石的可壓密的程度就越高。姜振泉等人在 Michalski等人的研究基礎(chǔ)上，在煤矸石中分別摻人粉煤灰和黏土，對(duì)其進(jìn)行壓密和滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響煤矸石固結(jié)特性的主要級(jí)配缺陷不是粒度的均勻程度，而在于細(xì)小顆粒的含量，認(rèn)為通過適當(dāng)提高煤矸石中細(xì)小顆粒的含量，可以有效提高煤矸石的固結(jié)特性，使其在較低的壓密能量作用下取得較高的固結(jié)壓密度，使煤矸石的水穩(wěn)性得到明顯改善，因此，粒度成分是影響煤矸石壓密性的重要因素。

    本文以河南焦作地區(qū)煤矸石為例，在煤矸石中摻入一定比例的黏土，通過一系列試驗(yàn)，對(duì)摻土煤矸石的基本物理力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度變形特性，尤其是隔水特性進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)路堤對(duì)煤矸石路堤填筑技術(shù)、施工工藝及其質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法進(jìn)行了探討，以解決煤矸石作為路用填筑材料的實(shí)用關(guān)鍵技術(shù)。

1、煤矸石的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成特征

    1.1煤矸石的結(jié)構(gòu)特征

    煤矸石的天然結(jié)構(gòu)主要有粒狀碎屑結(jié)構(gòu)與層狀致密結(jié)構(gòu)。若按巖石學(xué)分類，一類為砂質(zhì)頁巖型煤矸石，另一類為碳質(zhì)頁巖型煤矸石。砂質(zhì)頁巖型煤矸石的新鮮面為黑褐色，風(fēng)化面呈灰白色，結(jié)構(gòu)粗糙堅(jiān)硬，組成均一，沿層理有草葉狀條痕，極不完全解理，滴人稀鹽酸有氣泡放出，還有鐵銹斑點(diǎn)。碳質(zhì)頁巖型煤矸石的新鮮面為黑色，風(fēng)化面為灰白色，層狀結(jié)構(gòu)，表面有油脂光澤，不完全解理，不規(guī)則塊狀，斷面參差，易碎，滴入稀鹽酸有小氣泡緩慢放出。

    1.2煤矸石的礦物化學(xué)成分

    煤矸石中礦物成分復(fù)雜，主要由石英、云母類礦物、黏土礦物和褐鐵礦組成。其中石英含量一般為55％～70％，云母類礦物含量為20％～25％，黏土礦物的含量一般為4％。l0％，褐鐵礦為l％～l5％。黏土礦物根據(jù)x光粉晶衍射分析主要由高嶺石、白云母、蒙脫石等石構(gòu)成。因煤矸石中均含蒙脫石，理論上煤矸石將會(huì)出現(xiàn)一定的膨脹性和崩解性。

    表1給出了焦作地區(qū)四種煤矸石的主要化學(xué)成分比仍l。

 

    從表l可以看出，煤矸石的活性含量(Si0：+A12O3+Fe203+CaO+MgO)超過了70％，是一種典型的堿性礦渣，經(jīng)水解碾壓后，在一定溫度下，可產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，產(chǎn)生部分碳酸鈣并形成板體，燒失量除焦作l#煤矸石外，均低于20％。

    1.3煤矸石的顆粒構(gòu)成及級(jí)配特征

    煤矸石的粒度分布有其自身的特點(diǎn)。首先，其粒度分布范圍較廣，既有粒徑小于0.1mm的細(xì)顆粒，又有粒徑達(dá)幾十厘米的巨粒，并普遍含有一定量的膠體成分。其次，由于其粗顆粒強(qiáng)度低，顆粒容易破碎。圖1反映了四種煤礦煤矸石的顆粒級(jí)配構(gòu)成。

    與其他地區(qū)大多數(shù)煤矸石一樣，焦作地區(qū)煤矸石粒度分布的級(jí)配較差，大粒徑的矸石塊占有相當(dāng)高的比例，粒徑大于5mm的顆粒含量一般在50％以上，個(gè)別樣甚至達(dá)60％以上，但也有的樣小于5mm的顆粒含量在50％以上，主要與煤矸石的巖性、生產(chǎn)工藝、風(fēng)化程度等因素有關(guān)，粒徑小于0.1mm的顆粒含量一般在5％以下，粒度分布極不均勻；各試樣不同程度存在某些粒組分布不連續(xù)問題，其中0.5～2mm范圍的粒組分布不連續(xù)比較明顯。因?yàn)榱�徑大�?/span>2mm的顆粒含量超過煤矸石全部質(zhì)量的50％，根據(jù)現(xiàn)行的《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051—93)，該地區(qū)煤矸石屬碎石類土。

2、摻土煤矸石路用工程特性的試驗(yàn)研究2．1試樣制備及試驗(yàn)方法

    從程村、焦作l”、李固、吳村四礦矸石山選取具有代表性煤矸石樣，剔除粒徑大于38mm的煤矸石顆粒，按煤矸石與風(fēng)干土的干重量比分別為2：1、3：1、4：1進(jìn)行配料。其中土樣取自濟(jì)東高速 K45+1 70附近樊莊取土場(chǎng)，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

 

    煤矸石與土拌和均勻后，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、承載比(CBR)試驗(yàn)。擊實(shí)試驗(yàn)完畢，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，將擊實(shí)后的試樣烘干，過5 mm篩，按要求的壓實(shí)度制樣，進(jìn)行壓縮、滲透及直剪試驗(yàn)。煤矸石摻土后的顆粒分布如圖2所示。

    摻土后的煤矸石在細(xì)小顆粒含量增加的同時(shí)，各試樣不同程度地存在粒組不連續(xù)分布程度加劇的現(xiàn)象。

 

    2.2試驗(yàn)成果及分析

    (1)擊實(shí)特性

    由含水量和干密度的關(guān)系可以看出，與天然煤矸石相比，摻入一定比例的土后，煤矸石的最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最優(yōu)含水量隨著摻土量的增加而增大，擊實(shí)曲線變得相對(duì)平緩，其物理狀態(tài)對(duì)含水量變化的敏感性降低。

    (2)壓縮特性

    固結(jié)壓縮試驗(yàn)結(jié)果，制樣時(shí)試樣壓實(shí)度為0.94。從孔隙比與固結(jié)壓力的關(guān)系可以看出，在同等壓實(shí)狀態(tài)下，煤矸石中摻人一定比例的土后，煤矸石的壓縮模量不同程度地均有增加，其中尤以4：1摻土煤矸石的增加幅度最為顯著；壓縮系數(shù)變化不是很大，均小于0.1，仍屬于低壓縮性土，與壓縮模量相對(duì)應(yīng)，4：1摻土煤矸石的壓縮系數(shù)最小。

    (3)滲透特性

    各種配比摻土煤矸石在壓實(shí)度分別為0.9和0.94時(shí)的滲透系數(shù)見表4，表中A代表壓實(shí)系數(shù)。煤矸石的滲透系數(shù)在5.6 X 10-8～5.22×10-5之間變化，屬于弱透水性。壓實(shí)度越高，滲透系數(shù)越小，隔水性與壓實(shí)密度成正比，摻土煤矸石在壓實(shí)度為0.9時(shí)的滲透系數(shù)明顯大于壓實(shí)度為0.94時(shí)的滲透系數(shù)。增加摻土量，煤矸石的滲透系數(shù)隨之減少，其中程村、焦作1”兩礦煤矸石尤為突出，但在摻土比為2：1時(shí)效果不是很顯著，個(gè)別煤矸石樣的滲透系數(shù)甚至略有增大。這可能與土本身的滲透性有關(guān)，因?yàn)樵谙嗤�的壓�?shí)狀態(tài)下，其滲透系數(shù)甚至大于部分煤矸石。

    (4)承載比(CBR)

    摻土煤矸石在同等壓實(shí)狀態(tài)下的CBR值隨摻土量的增加有顯著增長(zhǎng)。摻土煤矸石作為路基填料，其  承載力不受影響，完全符合公路填料的要求。

    (5)抗剪強(qiáng)度

    各種配比煤矸石在壓實(shí)度為0.94時(shí)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，表中C、χ分別代表黏聚力和內(nèi)摩擦角。

    在煤矸石中摻人一定比例的黏土，其內(nèi)摩擦角隨摻入量的增加逐漸減小，這是因?yàn)樵诿喉肥�中摻土后，顆粒間孔隙增大，相互咬合不再那么緊密，接觸面粗糙度降低，由于土的“潤滑”作用，導(dǎo)致剪切面上摩擦作用減弱。煤矸石的黏聚力在未加土?xí)r很大，摻土后隨之減小，當(dāng)煤矸石與土的質(zhì)量比達(dá)3：1時(shí)又明顯增加，接著又逐漸減小，呈波浪式變化，主要是因?yàn)槊喉肥�在比較密實(shí)的狀態(tài)下，顆粒間相互咬合，在剪切過程中既要克服顆粒之間本身的咬合力，又要“剪斷”位于剪切面上的粗顆粒，導(dǎo)致黏聚力增  大。隨著摻土量的增加，咬合作用減弱，剪切面上的粗顆粒減少，黏聚力隨之相應(yīng)減少；但隨著摻土量的  進(jìn)一步增加，土中微小顆粒與煤矸石中的較大顆粒之間的物理化學(xué)作用加強(qiáng)，相互之間產(chǎn)生“板結(jié)”，造成黏聚力不降反升，顯然，要取得這種效果，必須保證必要的黏土顆粒含量比例，比例較低的情況下，所產(chǎn)生的“板結(jié)”效果極為有限；但摻土過多，煤矸石就會(huì)呈現(xiàn)黏性土的某些特征，其黏聚力更接近于黏土。

3、煤矸石路堤填筑技術(shù)試驗(yàn)研究

    3.1用煤矸石填筑路堤需要解決的關(guān)鍵問題

    (1)煤矸石可能含有殘留煤、有機(jī)質(zhì)以及部分軟巖。在氧化環(huán)境下殘留煤可能自燃，有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)灰化或浸水后軟化，導(dǎo)致過量的壓縮變形與強(qiáng)度降低。防止煤矸石的氧化、水化是煤矸石作為路堤填料所必須解決的問題。

    (2)在現(xiàn)場(chǎng)施工中，如何保證對(duì)煤矸石充分壓密，是否需要摻入一定的細(xì)顆粒、摻人比、路堤填筑松鋪厚度及碾壓工藝等尚需通過現(xiàn)場(chǎng)來解決。

    (3)土包邊路堤不僅給施工帶來困難，在高路堤使用時(shí)還存在安全隱患，尋找施工方便快捷、容易保證工程質(zhì)量的路堤結(jié)構(gòu)形式也是煤矸石路堤填筑過程中需要解決的問題。

    (4)煤矸石的巖石組成并非單一巖石，是多種巖石的混合體，不僅現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)困難，且檢測(cè)結(jié)果比較離散，給施工質(zhì)量的控制帶來困難，尋求一種方便快捷的檢驗(yàn)方法，勢(shì)在必行。

    3.2煤矸石路堤填筑施工工藝研究

    針對(duì)上述需要解決的關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)了如下4種路堤結(jié)構(gòu)形式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案：

    (1)全煤矸石碾壓密實(shí)型路堤

    試驗(yàn)路堤按一定松鋪厚度全部用煤矸石分層填筑，通過推土機(jī)耙壓處理后，采用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓成型。

    (2)黏土封閉型路堤(又稱土包邊路堤)

    路堤中部用煤矸石填筑，兩側(cè)路肩處l.5m寬的范圍內(nèi)由低液限土封閉，路堤頂l.0m厚也用同樣類  型的黏土封閉，從而形成對(duì)煤矸石填料層的全封閉，以防止中部煤矸石填料受到水的侵蝕，確保路堤的強(qiáng)度和水穩(wěn)性。

    (3)成層碾壓型路堤(又稱夾層路堤)

    路堤采用煤矸石與低液限土隔層填筑。填筑低液限黏土層的目的在于防止水分進(jìn)入煤矸石填料層，并對(duì)煤矸石的水平變形起緩沖作用。煤矸石填料的施工工藝及要求與碾壓密實(shí)型路堤相同，黏土的施工工藝與普通黏土的施工工藝及要求相同。

    (4)摻土煤矸石路堤

    在級(jí)配較差的煤矸石填料中，摻入一定比例的低液限黏土，使煤矸石路堤充分壓實(shí)，以有效降低它的滲透性與防止煤矸石風(fēng)化。碾壓工藝及要求與其他力案相同。

    考慮到試驗(yàn)路是實(shí)體工程的一部分，且土包邊路堤工藝復(fù)雜并可能存在質(zhì)量隱患，為不影響施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，土包邊路堤方案僅作為試驗(yàn)路研究中的對(duì)比方案。

    為確保試驗(yàn)路研究工作的順利進(jìn)行，同時(shí)又不影響濟(jì)東高速公路項(xiàng)目的施工和管理，試驗(yàn)路主要選擇在濟(jì)東高速公路新鄉(xiāng)境內(nèi)獲嘉互通A、B匝道上進(jìn)行。試驗(yàn)段劃分為3段，分別按3種路堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行填筑和施工，其中以碾壓密實(shí)型為研究重點(diǎn)。松鋪厚度分別為40、50cm，形成3種路堤結(jié)構(gòu)形式共6種填筑方案。

試驗(yàn)結(jié)果表明，碾壓密實(shí)型方案最好。其施工工藝簡(jiǎn)單易行，易為人接受。對(duì)機(jī)械設(shè)備、施工操作也無特殊要求。松鋪厚度宜控制在40cm以內(nèi)，最大粒徑不得超過25cm。

    3.3煤矸石路堤填筑質(zhì)量控制

    煤矸石路基的施工質(zhì)量控制是保證煤矸石作為路堤填料成功與否的關(guān)鍵。由于煤矸石具有其獨(dú)特的工程特性，其施工質(zhì)量控制方法與一般路基施工質(zhì)量控制有所不同，除保證壓實(shí)質(zhì)量外，還需控制外觀質(zhì)量。

    (1)外觀質(zhì)量

    合格的煤矸石碾壓層必須碾壓泥化，以形成密實(shí)的不透水結(jié)構(gòu)自行封閉水分。因而碾壓泥化是煤矸石碾壓層壓實(shí)合格的必要條件。合格的煤矸石碾壓層外觀必須是：平整光滑、碾壓前后無明顯輪跡且泥化了的煤矸石密實(shí)體與低液限黏土的碾壓密實(shí)層外表相似。只有外觀合格的煤矸石碾壓層才能進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量的其他控制檢測(cè)。

    (2)壓實(shí)質(zhì)量

    煤矸石路基碾壓累積沉降量與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線。每遍沉降量隨碾壓遍數(shù)Ⅳ的增加而減小。碾壓5～6遍后，碾壓沉降量幾乎為零。

    煤矸石路堤壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)原則為“碾壓沉降控制為主，試坑取樣為輔”，即在施工中采用碾壓沉降量、沉降率控制，灌砂法或水袋法作為施工最終控制。施工碾壓的終壓標(biāo)準(zhǔn)為：碾壓到基本不再沉降為止。在實(shí)際施工中，碾壓遍數(shù)通過碾壓試驗(yàn)確定后，對(duì)于前面幾次碾壓可不進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)碾壓到了最后2至1遍時(shí)再測(cè)量，用碾壓沉降差作為壓實(shí)質(zhì)量的控制指標(biāo)，以碾壓一遍后沉降量控制在0～3mm之內(nèi)認(rèn)為壓實(shí)質(zhì)量合格。

    3.4煤矸石路堤填筑質(zhì)量檢測(cè)

    (1)隔水特性

    為了確切掌握煤矸石路堤暴雨前后的滲水情況及路堤內(nèi)部大顆粒的壓碎情況，在2006年3月7日～2006年3月9日連降暴雨的情況下，用挖掘機(jī)在碾壓成型的B匝道煤矸石路堤BK0+260處挖了一1.5m×1.5m左右的深坑，通過測(cè)定坑內(nèi)不同深度處的含水量，并與壓實(shí)施工時(shí)的含水量進(jìn)行比較，用以檢查暴雨后是否有水滲入路堤內(nèi)，同時(shí)觀察坑內(nèi)壓實(shí)情況。

    檢測(cè)結(jié)果表明，路面0.2m以下的碾壓層，暴雨后的含水量與施工時(shí)的含水量比較接近，即使在沒有鋪設(shè)路面的情況下，在暴雨時(shí)，雨水也很難滲入碾壓成型的煤矸石路堤體內(nèi)。

    此外，還通過浸泡試驗(yàn)?zāi)�擬了洪水期間煤矸石路堤遭積水浸泡的情形，觀察煤矸石路堤內(nèi)部含水量的變化情況和路堤沉降。于2006年3月11日，在已經(jīng)碾壓成型的B匝道煤矸石路堤外側(cè)BK0+230～BK0+270處修筑了一條幾乎與路面齊平的集水坑，坑寬、深約1m。當(dāng)日下午開始浸泡，水深一直保持在80cm左右，至3月19日浸泡結(jié)束，共計(jì)浸泡8d。浸泡結(jié)束當(dāng)天，先放干集水坑，然后在BK0+160、BK0+175兩處從浸泡側(cè)垂直路堤開挖檢查槽，測(cè)定煤矸石路堤內(nèi)含水量，觀察浸泡8d后是否有水滲入路堤內(nèi)，同時(shí)觀察坑內(nèi)壓實(shí)情況。浸泡后，路堤碾壓層的含水量與浸泡前很接近。同時(shí)，通過肉眼觀察，除在路邊坡腳處，因超填部分未壓實(shí)，有水滲入顯得比較濕外，看不到有水滲入堤內(nèi)的痕跡。檢測(cè)結(jié)果表明：只要保證路堤壓實(shí)質(zhì)量，煤矸石路堤能有效阻止水的滲入，保證今后營運(yùn)過程中路堤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

    (2)路基強(qiáng)度

    為了研究煤矸石路基強(qiáng)度是否能滿足工程要求，分別在碾壓成型的各種路基上進(jìn)行彎沉值測(cè)定。

    實(shí)測(cè)結(jié)果表明，煤矸石路堤的彎沉值與摻土煤矸石路堤的彎沉值很接近，且均小于土路堤，煤矸石路堤及摻土煤矸石路堤的整體強(qiáng)度高于土路堤，滿足中國高速公路要求。

4、結(jié)論與建議

    (1)在煤矸石中摻入一定比例的黏土，不僅煤矸石的隔水效果明顯改善，而且其壓縮模量及CBR值均有不同程度的提高。采用摻土煤矸石作路基填料，其強(qiáng)度完全滿足路基設(shè)計(jì)要求。

    (2)經(jīng)過振動(dòng)壓實(shí)，碾壓層中的部分煤矸石顆粒形成泥狀物或粉狀物，它們和其他煤矸石顆粒構(gòu)成粗細(xì)骨料級(jí)配良好、嵌鎖密實(shí)的煤矸石壓實(shí)體，只要保證碾壓質(zhì)量，煤矸石路堤具有很好的隔水效果，煤矸石是一種很好的路基填料。

    (3)摻土煤矸石路堤的承載力和全煤矸石碾壓密實(shí)型路堤很接近，具有良好的不透水性，然而施工工藝復(fù)雜，工程造價(jià)較高，全斷面使用既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。但如果將其作為包邊材料，則既可避免因采用土包邊造成的路堤軟硬不均而可能帶來的路基病害，又可使煤矸石路堤具有很好的隔水效果，同時(shí)也便于路堤的防護(hù)。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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