煤矸石用作高速公路路基填料的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究

李承祥

摘要：在我國(guó)公路建設(shè)不斷發(fā)展的情況下，更多環(huán)保材料應(yīng)用在公路建設(shè)當(dāng)中，其中，煤矸石是目前高速公路建設(shè)當(dāng)中經(jīng)常應(yīng)用到的材料類型，在本文中，將就煤矸石用作高速公路路基填料的現(xiàn)場(chǎng)碾壓進(jìn)行一定的研究。

Abstract： In the case of continuous development of highway construction in China， more environmentally friendly materials are used in highway construction. Coal gangue is one of them. This paper studies the field rolling test of coal gangue used as expressway subgrade filling.

關(guān)鍵詞：煤矸石；高速公路；路基填料；現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

Key words： coal gangue；expressway；roadbed packing；field rolling test

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）11-0153-03

0 引言

煤矸石填筑路基不需翻曬，可大大加快路基填筑進(jìn)度，同時(shí)可以變廢為寶，減少取土占地和環(huán)境污染，用作填筑材料還可以降低施工成本，在工程中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。但是由于煤矸石礦物成份多，化學(xué)成份復(fù)雜，風(fēng)化作用又大，而且大多數(shù)煤矸石的物理化學(xué)反應(yīng)尚未完全結(jié)束，若不加選擇地用其填筑路基，極容易造成路基不穩(wěn)定，其次是煤矸石在運(yùn)輸及施工過程中粉塵對(duì)環(huán)境造成污染，因此，在路基填筑工程中需采取特殊設(shè)計(jì)，在施工方法上從選料到攤鋪碾壓，也需采取相應(yīng)的措施。

本文針對(duì)高速公路路基填筑施工要求，結(jié)合煤矸石的組成成分和工程特性，在山西省長(zhǎng)治市武鄉(xiāng)縣的紅色旅游路施工建設(shè)中，通過對(duì)煤矸石的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)探索其用作路基填筑材料的可行性，為工程實(shí)踐提供了更多具有參考價(jià)值的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 煤矸石的工程特性

1.1 煤矸石的組成

煤矸石是與煤層伴生的礦物質(zhì)，實(shí)際上是一種含炭物與巖石的混合物，它主要由易風(fēng)化的炭質(zhì)葉巖、泥質(zhì)葉巖、砂質(zhì)葉巖等軟質(zhì)巖所組成，其次含有少量的石英、云母等硬質(zhì)巖。

1.2 物理力學(xué)性質(zhì)

在煤礦生產(chǎn)中，煤矸石是其中排除的廢棄物類型，為不同類型風(fēng)化巖石以及破碎巖石的混合物。經(jīng)試驗(yàn)，它的壓碎值達(dá)30%以上，灰粉也超過40%。煤矸石具有顆粒不均勻以及變化范圍較大的的特點(diǎn)。

其在性質(zhì)方面的具體表現(xiàn)有：

第一，自然級(jí)配。其為不同粒徑的顆粒組成，在不同粒徑間，其數(shù)量比重方面并不固定。對(duì)于Cu≥5，Cc=1～3的，具有較好自然級(jí)配的煤矸石，適合應(yīng)用在路基填方工作當(dāng)中，而對(duì)于自然級(jí)配較差、大顆粒在其中占據(jù)較大比重的煤矸石則不適合應(yīng)用為路基填料，可以在經(jīng)過摻拌粉性土以及破碎處理后應(yīng)用；

第二，吸水性。根據(jù)自身致密性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的存在，煤矸石自身所具有的吸水性較低，在透水性方面具有較好的表現(xiàn)，適合應(yīng)用為路基填料。而對(duì)于部分松散結(jié)構(gòu)煤矸石，其在吸水后體積則將發(fā)生明顯的膨脹，不適合應(yīng)用為路基填料；

第三，風(fēng)化性。對(duì)于具有較高抗壓強(qiáng)度的煤矸石，其風(fēng)化速度較慢，自然風(fēng)化破碎具有較大的難度，適合應(yīng)用為路基填料。而對(duì)于較低抗壓強(qiáng)度的煤矸石，在風(fēng)化條件下則較容易風(fēng)化破碎，并不適合作為路基填料應(yīng)用；

第四，自燃性。對(duì)于經(jīng)歷過多次自燃的煤矸石，適合作為路基填料應(yīng)用，而對(duì)于自燃不徹底或者沒有自燃的煤矸石，則具有較高的揮發(fā)成分以及固定碳，在應(yīng)用當(dāng)中容易發(fā)生自燃情況而不適合作為路基填料應(yīng)用；

第五，可壓縮性。在煤矸石當(dāng)中，由于具有不同大小的顆粒級(jí)配，則適合通過機(jī)械材料的應(yīng)用做好密實(shí)以及碾壓處理，在經(jīng)過壓實(shí)處理后，其承載能力將達(dá)到50kPa左右。

2 煤矸石路基碾壓施工工藝原理及壓實(shí)效果的評(píng)價(jià)方法

2.1 碾壓施工原理

在高速公路碾壓施工中，雖然不同的工程有不同的施工要求，比如要求靜壓、振壓等，無論哪種工藝，都有一套基本的工藝流程，見圖1。

2.1.1 靜壓工藝

所謂靜壓，即通過機(jī)械重力靜滾壓力的作用，在使材料發(fā)生永久變形的情況下達(dá)到壓實(shí)目標(biāo)。對(duì)于該壓實(shí)方式而言，其具有循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)、應(yīng)力較大以及狀態(tài)變化速度不大的特征，在實(shí)際操作當(dāng)中，受到機(jī)械自重方面的影響，該方式無論在路基密實(shí)程度還是壓實(shí)深度方面都較為有限，正是該特征的存在，使得該方式適合應(yīng)用在路基施工的穩(wěn)壓以及初壓階段。

2.1.2 振壓工藝

在該方式中，即先將振動(dòng)器固定在一定質(zhì)量物體上后，通過其產(chǎn)生的激振力使被壓實(shí)材料做出垂直強(qiáng)迫振動(dòng)，以較快的速度實(shí)現(xiàn)不同顆粒間內(nèi)摩擦力的減少，在縮減顆粒間距離的情況下增加密實(shí)度，以此達(dá)到壓實(shí)目標(biāo)。通過振壓方式的應(yīng)用，則能夠在重新排列石料顆粒的情況下實(shí)現(xiàn)其中存在空隙的減少，在對(duì)孔隙比進(jìn)行降低的情況下減少路基變形、提升路基強(qiáng)度。對(duì)于該方式而言，其在處理當(dāng)中不存在較大的作用面用力，且具有較大的加載頻率以及較短的過程時(shí)間，且能夠根據(jù)壓實(shí)層厚度以及鋪筑材料的不同實(shí)現(xiàn)振幅以及頻率的科學(xué)選擇，在實(shí)現(xiàn)壓實(shí)效果提升的情況下有效減少碾壓編數(shù)。從振動(dòng)波角度看來，壓路機(jī)在振動(dòng)的情況下，則會(huì)將振動(dòng)波在實(shí)現(xiàn)向地基傳遞的情況下向四周位置傳播，并在振動(dòng)當(dāng)中由縱波起到壓密作用。通過橫波以及面波的存在，將使墊層表面發(fā)生松動(dòng)情況，而縱波傳遞深度即為振動(dòng)傳遞深度。

2.2 壓實(shí)效果評(píng)價(jià)方法

2.2.1 壓實(shí)原理

在粒度構(gòu)成方面，煤矸石屬于碎石類土，其顆粒級(jí)配是對(duì)壓密性形成制約的主要因素，具體壓實(shí)特性由細(xì)料對(duì)骨料空隙充滿程度以及骨料當(dāng)中稀料所決定。其具體級(jí)配具有細(xì)小顆粒比例低以及大塊含量比例高的特征，并在壓實(shí)過程中有效改善煤矸石的級(jí)配缺陷。具體壓實(shí)方面，其將經(jīng)歷兩個(gè)階段，在第一階段中，煤矸石整體較為疏松，在壓實(shí)當(dāng)中，主要表現(xiàn)在對(duì)顆粒接觸狀態(tài)的調(diào)整，顆粒將在不斷靠近后重新排列，當(dāng)相互位移接觸緊密、形成支撐骨架之后，在壓力不斷增加的情況下，則將在超過矸石強(qiáng)度的情況下影響到粗顆粒整體性，并因此重新調(diào)整壓力，在使其重新處于壓力過程的情況下進(jìn)一步密實(shí)。該破碎過程的目的，即改良原有級(jí)配存在的缺陷，在提升其中小顆粒比例、降低大顆粒比例的情況下逐漸實(shí)現(xiàn)整體級(jí)配的改善，并有效提升其密實(shí)性。通常情況下，當(dāng)煤矸石當(dāng)中具有較高的矸石比例時(shí)，第一階段持續(xù)時(shí)間較短，重點(diǎn)主要為第二階段，具有較高的破碎率。當(dāng)粗粒料比例下降、且粒徑逐漸豐富時(shí)，在第一階段邊長(zhǎng)的情況下影響到其破碎率。總體來說，對(duì)于煤矸石的壓實(shí)即是改良原有顆粒級(jí)配的過程，在提升細(xì)顆粒比例、降低粗大矸石比例的情況下獲得更好的壓密效果。

2.2.2 壓實(shí)效果的影響因素

煤矸石壓實(shí)性同其自身的顆粒級(jí)配以及礦物成分具有密切的關(guān)聯(lián)，且外部因素也將對(duì)其壓實(shí)程度產(chǎn)生較大的影響，如松鋪厚度、含水量以及壓實(shí)能量等：

第一，含水量。對(duì)于普通細(xì)粒土來說，在其干容重同含水量間存在二次拋物線關(guān)系，在一定壓實(shí)功下，具有最大干密度以及最優(yōu)含水量。而對(duì)于煤矸石材料來說，含水量在壓實(shí)度影響方面也具有獨(dú)特的特點(diǎn)，即由于煤矸石自身吸水量較小，則在具有較快排水速度的情況下不能夠始終保持水分，并因此難以達(dá)到最優(yōu)含水量。而當(dāng)含水量偏小時(shí)，其表面將具有松散的特點(diǎn)，在碾壓中材料可能會(huì)出現(xiàn)一定的攤移情況，并因此對(duì)壓實(shí)效果產(chǎn)生影響。此時(shí)，在碾壓時(shí)則可以保證含水量在4%以上，在該種情況下完成碾壓后，表面密實(shí)性即能夠較好的滿足要求；

第二，壓實(shí)能量影響。在煤矸石當(dāng)中，由于軟巖巖塊數(shù)量較多，在具體碾壓當(dāng)中則經(jīng)常會(huì)發(fā)生矸石破碎的情況，且其壓密效果則同碾壓當(dāng)中煤矸石的破碎情況具有密切的關(guān)系。為了能夠?qū)崿F(xiàn)破碎程度的提升，在具體施工中，使用高強(qiáng)度分層壓密方式則是較好的選擇，并按照“先靜后動(dòng)、先輕后重”的原則開展工作。

3 煤矸石路基現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

碾壓試驗(yàn)開始前，先確保所需機(jī)械設(shè)備就位（見表1）。

3.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)內(nèi)容

本文主要介紹單機(jī)碾壓和沖擊碾壓試驗(yàn)方法。

3.2.1 單機(jī)碾壓試驗(yàn)

①觀測(cè)點(diǎn)布置。

在目標(biāo)路段50m范圍，每10m對(duì)一個(gè)高程觀測(cè)試驗(yàn)斷面進(jìn)行布置，試驗(yàn)斷面數(shù)量為6個(gè)，在不同斷面上，對(duì)6個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置，高程觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量為36。

②參數(shù)控制。

單機(jī)碾壓試驗(yàn)中，需要重點(diǎn)關(guān)注以下參數(shù)：

第一，注意對(duì)碾壓技術(shù)參數(shù)的控制。初壓時(shí)，先用YJ218振動(dòng)壓路機(jī)穩(wěn)壓一遍，速度為4km/h，靜壓一遍后，開始弱振一次，振動(dòng)頻率在25～30Hz之間，振幅在0.7～1.0mm之間，速度為2.5～4km/h之間。初壓過后，調(diào)整振動(dòng)壓路機(jī)頻率在33～50Hz之間，振幅在1.0～1.8mm之間，以3～6km/h的速度強(qiáng)振三遍，碾壓時(shí)相鄰碾壓輪距要相錯(cuò)20～30cm，每次碾壓完后，技術(shù)員測(cè)出各控制點(diǎn)的高程，并做好記錄。復(fù)壓后用3Y18～21T光輪壓路機(jī)以2～3km/h的速度進(jìn)行碾壓，碾壓的路線縱向互相平行，行與行之間應(yīng)重疊后輪寬度1/2，前后相臨區(qū)段縱向重疊不小于1～2m，做到無漏壓、無死角。

第二，注意最佳松鋪厚度。在試驗(yàn)中，分別使用厚度為35、45cm的煤矸石進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，在使用18T自行壓路機(jī)碾壓8遍之后對(duì)相同碾壓方式情況下，不同松鋪厚度所具有的沉降率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)碾壓編數(shù)同沉降間的關(guān)系曲線圖進(jìn)行繪制，根據(jù)計(jì)算獲得數(shù)據(jù)對(duì)松鋪厚度同路基沉降率間的關(guān)系進(jìn)行研究，以此為后續(xù)碾壓施工提供依據(jù)。

第三，注意松鋪系數(shù)K。松鋪系數(shù)方面，可以經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)獲得，具體測(cè)試方式方面，則可以在試驗(yàn)段以分層的方式填筑厚度為35、45cm的煤矸石，并對(duì)碾壓密實(shí)后的高程進(jìn)行測(cè)量，以此實(shí)現(xiàn)松鋪系數(shù)的計(jì)算。其計(jì)算公式為：

在上式中，H0為基底高程，H1為松鋪高程，H2為壓實(shí)后高程。

3.2.2 沖擊碾壓試驗(yàn)

①試驗(yàn)方法。

在研究中，其主要內(nèi)容有：第一，通過水準(zhǔn)儀的應(yīng)用對(duì)路基頂高程隨沖壓編數(shù)的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此對(duì)沖擊碾壓路基的沉降趨勢(shì)進(jìn)行研究，在對(duì)沖壓效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)科學(xué)沖擊碾壓編數(shù)的確定；第二，通過貝克曼梁以及標(biāo)準(zhǔn)彎沉測(cè)試車方式對(duì)沖擊碾壓前后的路基彎沉值變化進(jìn)行測(cè)試，以此對(duì)沖擊壓實(shí)的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；第三，通過標(biāo)準(zhǔn)垂擊法的應(yīng)用對(duì)沖擊碾壓影響深度進(jìn)行研究。

②高程觀測(cè)及分析。

第一，在沖壓前，通過水準(zhǔn)儀對(duì)不同高程觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行觀測(cè)與記錄。在沖壓3遍之后，對(duì)不同高程觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行觀測(cè)與記錄，對(duì)不同高程觀測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行計(jì)算。如60%觀測(cè)點(diǎn)沉降在8mm以上，則需要繼續(xù)沖擊碾壓；第二，每沖擊3遍，對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行一次觀測(cè)與記錄，如最后3遍沉降量在5mm以內(nèi)，即可以視為沉降穩(wěn)定，可以停止沖壓。

3.2.3 貝克曼梁回彈完成試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器方面，為標(biāo)準(zhǔn)的彎沉測(cè)試車：雙軸、后軸兩側(cè)四輪的載重車，并保證其輪胎氣壓、標(biāo)準(zhǔn)軸荷載以及輪胎間隙等參數(shù)都能夠滿足施工要求?；貜棌澇猎囼?yàn)步驟為：第一，在測(cè)試路段做好測(cè)點(diǎn)的布置，根據(jù)需求確定測(cè)試距離，保證測(cè)點(diǎn)處于行車道輪跡帶上，通過粉筆或者白油漆的應(yīng)用做好標(biāo)記；第二，將試驗(yàn)車后輪輪隙對(duì)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)后約3-5cm處的位置；第三，在汽車后輪縫隙位置插入彎沉儀，保證其同汽車方向保持一致，在避免梁臂同輪胎觸碰的情況下將彎沉儀防置在測(cè)點(diǎn)位置，并在測(cè)定桿上做好百分表的安裝。在將百分表調(diào)零處理后，使用手指對(duì)彎沉儀進(jìn)行輕輕的叩打，以此檢查其是否能夠穩(wěn)定回零。其計(jì)算公式為：

LT=（L1-L2）×2

在上式中，LT表示當(dāng)路面溫度為T時(shí)的回彈彎沉值，L1表示車輪中心臨近彎沉儀測(cè)頭時(shí)百分表的最大讀數(shù)，L2表示汽車駛出彎沉影響半徑后百分表的終讀數(shù)。

4 壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)

壓實(shí)厚度：每層壓實(shí)厚度應(yīng)控制在30cm以內(nèi)。

壓實(shí)寬度：鋪筑寬度應(yīng)大于路基設(shè)計(jì)寬度30cm，包邊土寬度大于等于1m。

壓實(shí)度：壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)與土石路基相同。檢測(cè)方法采用沉降量控制、即同一點(diǎn)兩次碾壓后高差應(yīng)小于5mm。

5 結(jié)論

通過上文的研究，可以發(fā)現(xiàn)自然級(jí)配煤研石顆粒級(jí)配良好，壓碎值、承載比以及吸水率等都能夠?qū)β坊盍闲枨筮M(jìn)行滿足，為了保障工程質(zhì)量，需要在施工前做好振壓編數(shù)、松鋪厚度以及組合方式的科學(xué)控制，以此獲得施工的最佳值。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐康.基于磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)智能控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]丁浪.邊坡穩(wěn)定分析和抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].合肥工業(yè)大學(xué)2010.

[3]胡凱.舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層路面結(jié)構(gòu)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]尹凱.城市水泥混凝土路面瀝青混凝土罩面改造的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[5]沈丹.拱塔斜拉橋風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)分析研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[6]司義德.大跨度三塔懸索橋靜動(dòng)力分析[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.