公路工程煤矸石路基單一平面空隙率探討*

安斌， 惠冰， 尚勇， 郭慶輝， 崔言繼， 宋海民

(1.中建八局 第一建設(shè)有限公司， 山東 濟(jì)南 250100；2.山東省交通科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250104)

煤矸石工業(yè)廢渣長(zhǎng)期堆放，不僅占用耕地，而且對(duì)周邊環(huán)境造成污染。將煤矸石作為路基填筑材料加以利用，可節(jié)約工程成本，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)和綠色發(fā)展。歐、美地區(qū)對(duì)煤矸石填筑路基的研究較多，且工程應(yīng)用廣泛。中國(guó)也取得了一定理論和實(shí)踐應(yīng)用成果，如姜振泉等研究了煤矸石的破碎壓密作用機(jī)制；劉松玉等分析了煤矸石顆粒破碎特點(diǎn)，并對(duì)其工程力學(xué)特性開展了研究；姜景山等針對(duì)粗顆粒土開展二維模型室內(nèi)試驗(yàn)，得出了一系列成果。但對(duì)煤矸石路基空隙率的研究甚少。煤矸石路基碾壓時(shí)，壓路機(jī)能量向煤矸石顆粒傳遞，強(qiáng)度低的煤矸石顆粒產(chǎn)生破碎，粗顆粒作為一種脆性非均質(zhì)材料內(nèi)部存在很多空隙，在機(jī)械強(qiáng)動(dòng)力作用下，空隙擴(kuò)展為微裂紋，將產(chǎn)生非彈性變形，經(jīng)過(guò)振壓后，能量慢慢積聚最終導(dǎo)致微裂紋向大裂紋貫通，直至發(fā)生粗顆粒破碎。針對(duì)煤矸石路基顆粒重塑的問(wèn)題，該文基于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)開展煤矸石路基單一平面空隙率研究。

1 工程概況

京滬(北京—上海)高速公路一標(biāo)段二分部位于山東省萊蕪市境內(nèi)。該項(xiàng)目屬于改擴(kuò)建工程，擴(kuò)建段采用整體式路基，寬度拓寬至42 m；新建段采用單幅分離式路基，寬度20.75 m。建設(shè)初期，由于路基填筑過(guò)程中遇到土源緊張問(wèn)題，為保障工程進(jìn)度，采用煤矸石作為路基填筑材料。

現(xiàn)場(chǎng)煤矸石堆場(chǎng)具有以下特點(diǎn)：1) 煤矸石已存放40年左右；2) 煤矸石分布較均勻；3) 料源豐富，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)探勘并粗略計(jì)算，為107萬(wàn)m3；4) 煤矸石已充分自燃；5) 煤矸石與項(xiàng)目有效距離較短，取料、運(yùn)輸方便(見圖1)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)煤矸石料場(chǎng)

2 煤矸石路基顆粒級(jí)配變化特點(diǎn)

煤矸石由于存放時(shí)間較長(zhǎng)，在暴露的空氣中會(huì)發(fā)生物理、化學(xué)及生物等作用，其物理力學(xué)特征變化顯著。煤矸石作為路基填筑材料，碾壓條件下其顆粒級(jí)配也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，不均勻系數(shù)Cu≥5且曲率系數(shù)Cc為1～3 時(shí)，煤矸石的級(jí)配良好；Cc<1或Cc>3 時(shí)，煤矸石的級(jí)配不連續(xù)。隨機(jī)選取煤矸石路基，取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取樣，對(duì)碾壓前后煤矸石路基開展顆粒級(jí)配分析，結(jié)果見圖2、表1。

圖2 碾壓后煤矸石路基顆粒分析

表1 碾壓前后煤矸石路基顆粒級(jí)配分析結(jié)果

由表1、表2可知：碾壓前煤矸石路基顆粒級(jí)配不連續(xù)，碾壓后煤矸石路基顆粒級(jí)配良好。顆粒向好的方向發(fā)展，說(shuō)明在碾壓過(guò)程中粗顆粒被壓路機(jī)振碎并補(bǔ)充到細(xì)顆粒中，粗、細(xì)顆粒存在動(dòng)態(tài)變化，發(fā)生顆粒級(jí)配重新分布現(xiàn)象。

3 煤矸石路基單一平面空隙率探討

為研究煤矸石碾壓后顆粒分布特征，揭露煤矸石顆粒重塑后的顆粒特點(diǎn)，借助現(xiàn)代拍照和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)煤矸石振壓后顆粒分布的典型區(qū)域進(jìn)行定位拍照，再運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)照片進(jìn)行處理，以圖片為函數(shù)對(duì)象導(dǎo)入計(jì)算模型中，模型寬度為3 951 px，高度為2 577 px，其中x、y坐標(biāo)范圍均為0～1 m；顏色標(biāo)定采用自動(dòng)縮放比例，線性內(nèi)插及常數(shù)外推處理。圖3為粗、細(xì)顆粒基本均勻分布狀態(tài)，圖4為以細(xì)顆粒為主的分布狀態(tài)，圖5為以粗顆粒為主的分布狀態(tài)。

圖3 粗、細(xì)顆粒均勻分布

圖3～5中，顏色比色圖中的1.0代表粗顆粒的映像函數(shù)，0.1及以下代表空隙的映像函數(shù)，其他顆粒的映像函數(shù)為由細(xì)顆粒向粗顆粒逐漸遞增的連續(xù)分布。

圖4 細(xì)顆粒為主分布

圖5 粗顆粒為主的分布

為進(jìn)一步研究煤矸石填筑路基顆粒分布特性，在圖像解析函數(shù)表達(dá)后，分別取y=0、y=0.5、y=1.03個(gè)線上顆粒空隙分布(見圖6～8)，沿x向?qū)障哆M(jìn)行積分計(jì)算。

圖6 y=0條件下顆粒空隙分布

圖7 y=0.5條件下顆粒空隙分布

圖8 y=1.0條件下顆粒空隙分布

以圖7為例，空隙率n為：

式中：f(x)為空隙率分布函數(shù)。

f(x)=1時(shí)，有：

f(x)=0時(shí)，有：

以上兩個(gè)公式滿足煤矸石填筑路基空隙率函數(shù)分布特征，f(x)=0時(shí)，顆粒之間膠結(jié)密實(shí)，不存在空隙率，n=0；f(x)=1時(shí)，不存在顆粒，全部為空隙，n=1。

依據(jù)以上公式，將微積分和有限差分相結(jié)合，計(jì)算煤矸石路基單一平面空隙率,結(jié)果如下：y=0時(shí)，n=32.8%；y=0.5時(shí)，n=34.4%；y=1.0時(shí)，n=41.9%。

表2為室內(nèi)試驗(yàn)所得煤矸石路基的空隙率。將煤矸石路基單一平面空隙率與室內(nèi)試驗(yàn)煤矸石路基空隙率進(jìn)行對(duì)比(見圖9)，兩者具有一定相關(guān)性，且數(shù)據(jù)離散性較小。可為現(xiàn)場(chǎng)碾壓后煤矸石路基空隙率提供參考。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)煤矸石路基空隙率

圖9 煤矸石路基單一平面空隙率與室內(nèi)試驗(yàn)煤矸石路基空隙率對(duì)比

4 結(jié)論

(1) 碾壓前煤矸石路基顆粒級(jí)配不連續(xù)，碾壓后煤矸石路基顆粒級(jí)配良好。顆粒向好的方向發(fā)展，說(shuō)明碾壓過(guò)程中粗顆粒被壓路機(jī)振碎并補(bǔ)充到細(xì)顆粒中，粗、細(xì)顆粒產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，發(fā)生顆粒級(jí)配重新分布現(xiàn)象。

(2) 煤矸石路基單一平面空隙率與室內(nèi)試驗(yàn)煤矸石路基空隙率具有一定相關(guān)性，且數(shù)據(jù)離散性較小。可為現(xiàn)場(chǎng)碾壓后煤矸石路基空隙率提供參考。