省內(nèi)高速煤矸石路基填筑施工技術(shù)研究

羅 鋒

(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 大同 037000)

1 概述

煤矸石是伴隨煤炭開(kāi)采過(guò)程中被同時(shí)開(kāi)采出的一種煤炭副產(chǎn)品，其煤炭含量低于20%且質(zhì)地堅(jiān)硬，不具備繼續(xù)提煉價(jià)值。我省煤炭資源豐富，煤炭開(kāi)采規(guī)模較大，煤矸石產(chǎn)量驚人，自從20世紀(jì)90年代末期，省內(nèi)部分公路路基項(xiàng)目施工就使用煤矸石作為主要路基填筑料，并取得較好的工程應(yīng)用效果。采用煤矸石作為公路路基填筑材料具有以下優(yōu)勢(shì)，即：目前成型的施工規(guī)范中關(guān)于路基填筑材料工程特性的規(guī)定較少，對(duì)于煤矸石的各項(xiàng)性能及有害成分的限定條件較低，大部分煤矸石均可不經(jīng)任何處理直接用作路基填筑料；此外，公路路基填筑用料消耗量驚人，可以在短期內(nèi)快速消化大量的庫(kù)存。為了提升省內(nèi)高速公路建設(shè)的低碳性和可持續(xù)發(fā)展能力，應(yīng)進(jìn)一步推廣煤矸石在高速公路路基填筑施工中的應(yīng)用程度。

2 高速公路煤矸石填筑路基相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及承載性能指標(biāo)分析

煤矸石作為一種性質(zhì)特殊的填筑材料，其抗壓強(qiáng)度及剛度值均高于一般的土體填筑料，但又普遍低于巖質(zhì)填筑材料，相較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圍大，其中粗集料與細(xì)集料的含量均較高，所以，煤矸石填筑材料具備粗粒徑土體和細(xì)粒徑土體的雙重特點(diǎn)，反映在混合料中，表現(xiàn)為較高的集料粘聚力，但土體內(nèi)摩擦角低于粗粒徑土的摩擦角，煤矸石中土體顆粒的抗壓強(qiáng)度較低，在沖擊荷載的作用下很容易出現(xiàn)瞬間失穩(wěn)破損，所以，煤矸石材料指標(biāo)及性能不能完全參照粗粒土。

2.1 煤矸石路基填筑材料的技術(shù)指標(biāo)

作為高速公路路基填筑材料，為了保證路基結(jié)構(gòu)層的承載能力及變形要求，煤矸石路基填筑材料的設(shè)計(jì)及施工必須滿(mǎn)足JTG D30—2015公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范及SL 264—2016水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程中的相關(guān)要求。綜合分析以上規(guī)范要求并參照省內(nèi)外成熟的高速公路路基煤矸石填筑施工項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，得到以下煤矸石填筑材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。具體如表1所示。

2.2 煤矸石路基填筑材料承載性能指標(biāo)分析

涉及到煤矸石路基填筑材料的承載性能主要有：壓實(shí)特性和承載能力兩種。煤矸石室內(nèi)壓實(shí)特性試驗(yàn)采用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，擊實(shí)錘底部直徑值為50 mm，自重4.5 kg，走行距離為450 mm，試驗(yàn)筒內(nèi)部容積值為2 177 cm3，擊實(shí)試驗(yàn)分三步進(jìn)行，每步擊實(shí)98次，煤矸石最大粒徑值為38 mm，試驗(yàn)之前將粒徑值大于38 mm的煤矸石篩分，清洗烘干后稱(chēng)重，計(jì)算粒徑值大于38 mm的煤矸石顆粒的含水率ω，同時(shí)計(jì)算其質(zhì)量占比P；對(duì)于粒徑值小于38 mm的煤矸石采取室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，稱(chēng)取煤矸石濕重及干重，計(jì)算煤矸石密度值ρdm和最佳含水率ω0，并根據(jù)粒徑大于38 mm的煤矸石占比情況對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知，在含水率適當(dāng)?shù)臈l件下，經(jīng)擊實(shí)后的煤矸石密度值較高，擊打之前的煤矸石顆粒之間距離較大，經(jīng)擊實(shí)后顆粒間距值降低，內(nèi)部空氣被壓縮排出；繼續(xù)擊實(shí)后，顆粒間骨架結(jié)構(gòu)形成，隨著擊實(shí)荷載的增加，煤矸石顆粒被擠碎，內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)調(diào)整，填筑料的壓實(shí)度指標(biāo)繼續(xù)增長(zhǎng)。圖1為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)情況。

表1 煤矸石路基填筑材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

加州承載比(CBR)指標(biāo)是路基填筑料承載能力的重要表征指標(biāo)之一，提前打制CBR試件，選取省內(nèi)某高速公路路基標(biāo)段施工項(xiàng)目中的兩種煤矸石路基填筑材料為試驗(yàn)原料，根據(jù)壓實(shí)度指標(biāo)分為兩組，并將打制完成的試件浸泡96 h，定期觀測(cè)膨脹量，浸泡后灌入強(qiáng)度試驗(yàn)儀中測(cè)定CBR指標(biāo)。表2為兩種壓實(shí)度指標(biāo)下的CBR及膨脹量值。

表2 兩種壓實(shí)度指標(biāo)下的CBR及膨脹量值

分析本工程項(xiàng)目中使用到的兩種煤矸石填筑材料的承載性能指標(biāo)可知，兩種煤矸石對(duì)應(yīng)的CBR值均大于8，表明兩種煤矸石路基填筑材料的承載能力均滿(mǎn)足路用要求。此外，就單種煤矸石而言，其CBR指標(biāo)和壓實(shí)度指標(biāo)之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

3 高速公路煤矸石填筑路基鋪筑施工及質(zhì)量檢測(cè)

3.1 路基鋪筑施工

本文選取的研究段為L(zhǎng)1路基合同段，樁號(hào)范圍為K7+000～K7+500，總長(zhǎng)度0.5 km。施工流程如圖2所示。

煤矸石路基鋪筑施工過(guò)程中煤矸石攤鋪及碾壓質(zhì)量直接決定了煤矸石路基的承載能力、變形剛度及長(zhǎng)期服役能力。考慮到煤矸石集料的級(jí)配特點(diǎn)，由于煤矸石中大粒徑材料的占比較高，在運(yùn)輸及攤鋪過(guò)程中，很容易出現(xiàn)集料離析問(wèn)題，如果大粒徑煤矸石占比過(guò)高則不利于煤矸石路基壓實(shí)度指標(biāo)的滿(mǎn)足。為了切實(shí)降低煤矸石填筑材料的集料離析問(wèn)題，具體施工過(guò)程中應(yīng)遵循“上卸下推”的施工方法，以防止煤矸石和包邊土結(jié)合位置的大粒徑骨料集中問(wèn)題。煤矸石路基填筑料壓實(shí)施工應(yīng)分層進(jìn)行，每層壓實(shí)厚度值應(yīng)控制在250 mm～350 mm之間，對(duì)應(yīng)的松鋪系數(shù)通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得出。煤矸石路基填筑材料在攤鋪及壓實(shí)施工前先進(jìn)行高溫燜料，動(dòng)態(tài)控制煤矸石的含水率，保證煤矸石含水率維持在最佳水平。煤矸石路基壓實(shí)施工機(jī)具應(yīng)選用荷載為20 t且激振荷載不應(yīng)小于400 kN的振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備，壓實(shí)應(yīng)遵循“先動(dòng)壓再靜壓、先輕后重、先慢后快”的基本原則，煤矸石路基材料整平后使用小型壓實(shí)設(shè)備靜壓5遍～20遍后，再使用激振壓實(shí)設(shè)備碾壓3遍～5遍，達(dá)到壓實(shí)指標(biāo)后，再靜壓2遍。

3.2 路基鋪筑質(zhì)量檢測(cè)

以路基鋪筑質(zhì)量檢測(cè)中較為重要的兩個(gè)指標(biāo)為例，即：路基彎沉和壓實(shí)度指標(biāo)。本工程項(xiàng)目煤矸石路基填筑彎沉指標(biāo)驗(yàn)收采用貝克曼梁法，測(cè)點(diǎn)布設(shè)頻率為20 m/點(diǎn)，且保證一個(gè)檢測(cè)斷面上至少有兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位，為了保證煤矸石填筑路基的彎沉指標(biāo)測(cè)定準(zhǔn)確，應(yīng)在對(duì)應(yīng)檢測(cè)斷面上均勻分布3個(gè)彎沉檢測(cè)點(diǎn)。具體的煤矸石填筑路基彎沉檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖3所示。

煤矸石填筑路基壓實(shí)度指標(biāo)測(cè)定及后期施工檢查均以現(xiàn)場(chǎng)施工記錄為主，以路床層為劃定標(biāo)準(zhǔn)，路床頂部以下的0 m～1 m范圍內(nèi)，煤矸石填筑路基的壓實(shí)度指標(biāo)測(cè)定可選用水袋堆載法測(cè)定，為了保證測(cè)定精度，可以聯(lián)合煤矸石填筑路基的沉降觀測(cè)技術(shù)。壓實(shí)度指標(biāo)測(cè)定頻率為3面/100 m，其中，在0 m～1 m范圍內(nèi)的煤矸石壓實(shí)度指標(biāo)不能低于經(jīng)校正后的最大干密度值的96%。相應(yīng)的煤矸石填筑路基壓實(shí)度指標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

自從20世紀(jì)90年代末期，省內(nèi)部分公路路基項(xiàng)目施工就使用煤矸石作為主要路基填筑料，并取得較好的工程應(yīng)用效果。文章以省內(nèi)某高速公路路基施工標(biāo)段為研究案例，就煤矸石填筑路基涉及到的各項(xiàng)性能指標(biāo)、施工及檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析，工程實(shí)踐表明，省內(nèi)煤矸石基本滿(mǎn)足高速公路路基路用性能標(biāo)準(zhǔn)，施工及檢測(cè)技術(shù)符合高速公路路基設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求，在省內(nèi)新建高速公路項(xiàng)目中可繼續(xù)推廣使用。