省內高速煤矸石路基填筑施工技術研究

羅 鋒

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司，山西 大同 037000)

1 概述

煤矸石是伴隨煤炭開采過程中被同時開采出的一種煤炭副產品，其煤炭含量低于20%且質地堅硬，不具備繼續提煉價值。我省煤炭資源豐富，煤炭開采規模較大，煤矸石產量驚人，自從20世紀90年代末期，省內部分公路路基項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用效果。采用煤矸石作為公路路基填筑材料具有以下優勢，即：目前成型的施工規范中關于路基填筑材料工程特性的規定較少，對于煤矸石的各項性能及有害成分的限定條件較低，大部分煤矸石均可不經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，可以在短期內快速消化大量的庫存。為了提升省內高速公路建設的低碳性和可持續發展能力，應進一步推廣煤矸石在高速公路路基填筑施工中的應用程度。

2 高速公路煤矸石填筑路基相關技術指標及承載性能指標分析

煤矸石作為一種性質特殊的填筑材料，其抗壓強度及剛度值均高于一般的土體填筑料，但又普遍低于巖質填筑材料，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粒徑土體的雙重特點，反映在混合料中，表現為較高的集料粘聚力，但土體內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度較低，在沖擊荷載的作用下很容易出現瞬間失穩破損，所以，煤矸石材料指標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指標

作為高速公路路基填筑材料，為了保證路基結構層的承載能力及變形要求，煤矸石路基填筑材料的設計及施工必須滿足JTG D30—2015公路路基設計規范及SL 264—2016水利水電工程巖石試驗規程中的相關要求。綜合分析以上規范要求并參照省內外成熟的高速公路路基煤矸石填筑施工項目經驗，得到以下煤矸石填筑材料的各項技術指標。具體如表1所示。

2.2 煤矸石路基填筑材料承載性能指標分析

涉及到煤矸石路基填筑材料的承載性能主要有：壓實特性和承載能力兩種。煤矸石室內壓實特性試驗采用重型擊實標準，擊實錘底部直徑值為50 mm，自重4.5 kg，走行距離為450 mm，試驗筒內部容積值為2 177 cm3，擊實試驗分三步進行，每步擊實98次，煤矸石最大粒徑值為38 mm，試驗之前將粒徑值大于38 mm的煤矸石篩分，清洗烘干后稱重，計算粒徑值大于38 mm的煤矸石顆粒的含水率ω，同時計算其質量占比P；對于粒徑值小于38 mm的煤矸石采取室內擊實試驗，稱取煤矸石濕重及干重，計算煤矸石密度值ρdm和最佳含水率ω0，并根據粒徑大于38 mm的煤矸石占比情況對試驗結果進行校正。經現場擊實試驗結果可知，在含水率適當的條件下，經擊實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，經擊實后顆粒間距值降低，內部空氣被壓縮排出；繼續擊實后，顆粒間骨架結構形成，隨著擊實荷載的增加，煤矸石顆粒被擠碎，內部骨架結構出現調整，填筑料的壓實度指標繼續增長。圖1為現場壓實試驗情況。

表1 煤矸石路基填筑材料的各項技術指標

加州承載比(CBR)指標是路基填筑料承載能力的重要表征指標之一，提前打制CBR試件，選取省內某高速公路路基標段施工項目中的兩種煤矸石路基填筑材料為試驗原料，根據壓實度指標分為兩組，并將打制完成的試件浸泡96 h，定期觀測膨脹量，浸泡后灌入強度試驗儀中測定CBR指標。表2為兩種壓實度指標下的CBR及膨脹量值。

表2 兩種壓實度指標下的CBR及膨脹量值

分析本工程項目中使用到的兩種煤矸石填筑材料的承載性能指標可知，兩種煤矸石對應的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足路用要求。此外，就單種煤矸石而言，其CBR指標和壓實度指標之間呈顯著的正相關關系。

3 高速公路煤矸石填筑路基鋪筑施工及質量檢測

3.1 路基鋪筑施工

本文選取的研究段為L1路基合同段，樁號范圍為K7+000～K7+500，總長度0.5 km。施工流程如圖2所示。

煤矸石路基鋪筑施工過程中煤矸石攤鋪及碾壓質量直接決定了煤矸石路基的承載能力、變形剛度及長期服役能力。考慮到煤矸石集料的級配特點，由于煤矸石中大粒徑材料的占比較高，在運輸及攤鋪過程中，很容易出現集料離析問題，如果大粒徑煤矸石占比過高則不利于煤矸石路基壓實度指標的滿足。為了切實降低煤矸石填筑材料的集料離析問題，具體施工過程中應遵循“上卸下推”的施工方法，以防止煤矸石和包邊土結合位置的大粒徑骨料集中問題。煤矸石路基填筑料壓實施工應分層進行，每層壓實厚度值應控制在250 mm～350 mm之間，對應的松鋪系數通過試驗計算得出。煤矸石路基填筑材料在攤鋪及壓實施工前先進行高溫燜料，動態控制煤矸石的含水率，保證煤矸石含水率維持在最佳水平。煤矸石路基壓實施工機具應選用荷載為20 t且激振荷載不應小于400 kN的振動壓實設備，壓實應遵循“先動壓再靜壓、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設備靜壓5遍～20遍后，再使用激振壓實設備碾壓3遍～5遍，達到壓實指標后，再靜壓2遍。

3.2 路基鋪筑質量檢測

以路基鋪筑質量檢測中較為重要的兩個指標為例，即：路基彎沉和壓實度指標。本工程項目煤矸石路基填筑彎沉指標驗收采用貝克曼梁法，測點布設頻率為20 m/點，且保證一個檢測斷面上至少有兩個檢測點位，為了保證煤矸石填筑路基的彎沉指標測定準確，應在對應檢測斷面上均勻分布3個彎沉檢測點。具體的煤矸石填筑路基彎沉檢測點布設情況如圖3所示。

煤矸石填筑路基壓實度指標測定及后期施工檢查均以現場施工記錄為主，以路床層為劃定標準，路床頂部以下的0 m～1 m范圍內，煤矸石填筑路基的壓實度指標測定可選用水袋堆載法測定，為了保證測定精度，可以聯合煤矸石填筑路基的沉降觀測技術。壓實度指標測定頻率為3面/100 m，其中，在0 m～1 m范圍內的煤矸石壓實度指標不能低于經校正后的最大干密度值的96%。相應的煤矸石填筑路基壓實度指標檢測點布設情況如圖4所示。

4 結語

自從20世紀90年代末期，省內部分公路路基項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用效果。文章以省內某高速公路路基施工標段為研究案例，就煤矸石填筑路基涉及到的各項性能指標、施工及檢測關鍵技術進行深入分析，工程實踐表明，省內煤矸石基本滿足高速公路路基路用性能標準，施工及檢測技術符合高速公路路基設計及施工規范要求，在省內新建高速公路項目中可繼續推廣使用。