煤矸石填筑路基壓實參數的影響規律分析

■朱海明

（新疆兵團勘測設計院（集團） 有限責任公司，烏魯木齊 830000）

煤矸石常采用露天堆放等處理方式，對場地土壤和水體造成污染威脅，不規范的堆放處理方式易發生自燃事件，從而引發火災，造成空氣污染[1]。公路建設過程中亟需尋找天然集料的替代性材料，因此可考慮將煤矸石應用于高速公路路基建設填筑材料，在實現資源有效再生利用、降低環境污染的同時，為公路建設材料及其技術革新提供新的思路。

在應用煤矸石填筑路基前，須解決其作為路基填筑材料的壓實問題。 目前已有部分專家學者就有關各類路基填料壓實特性方面展開過探究，但在研究及應用時，往往采用參照常規路基填筑的機械設備及壓實方案[2]；吳紅權等[3]依托多項高速公路建設工程，設計多種機械壓實工藝組合，選取不同液限填筑材料，根據填筑層位分布控制松鋪厚度等壓實指標展開壓實試驗，得出不同層位的各類填筑材料在不同松鋪厚度條件下對應的合理機械壓實工藝組合；Zhang 等[4]依托戈壁灘區域新疆—蘭州高鐵基層建設項目，通過試驗對比研究選用XSM 振動型壓路機械設備，并推薦“1 次靜壓+1 次弱振+2 次強振+1 次弱振+1 次靜壓”的機械壓實工藝組合，經現場實測數據表明該種施工方案可確保基層填料壓實度滿足設計要求；嚴筱等[5]認為較小顆粒無法充分填充低液限粉土較大顆粒間空隙，針對低液限粉土基層填料的壓實特性展開研究，依托華寧高速施工項目，研究結果表明低液限粉土壓實度指標與松鋪厚度間呈負相關關系，提出30 cm 的最佳松鋪厚度，并推薦“先強振后弱振，4～5 次碾壓次數”的壓實施工原則。 在將煤矸石用作路基填筑材料方面：王繼倫[6]對煤矸石基本性能指標及工程應用特性進行分析， 對將其應用于路基填料的可行性展開分析，并利用灰色關聯數學模型對其工后沉降進行了預估；周大全等[7]則以淮南出產的煤矸石作基層填筑材料，依托蚌淮高速建設工程對其施工工藝節點和質量控制進行了論述。

綜上所述，現階段隨施工機械設備革新，大噸位強激振力壓路機設備得到廣泛推廣，在此背景下，運用強激振力壓路機對煤矸石填筑路基進行壓實的相關技術參數仍有大量空白待填補。 本文通過試驗段對比試驗，針對煤矸石填筑路基的壓實效果展開分析；分析煤矸石的顆粒級配分布，通過擊實試驗確定煤矸石的最大干密度及對應最佳含水率；選用常規壓路機和強激振力壓路機設備，對應2 類壓實設備分別控制設計多個松鋪厚度試驗段，以同等碾壓組合方式進行分層壓實；對比分析試驗段不同松鋪厚度及碾壓設備對應的各層次分層壓實度指標，并以加權累加方式獲取并對比分析各層次總體壓實度指標與碾壓次數間相關關系；提出沉降比指標，分析不同松鋪厚度及碾壓設備對應的總體沉降比數據，選擇最佳控制松鋪厚度；在此基礎上設計6 類碾壓組合方式分別進行壓實， 分析總體壓實度數據，最終優選分別適用于上路堤及下路堤應用的碾壓組合方案，為類似工程提供參考。

1 煤矸石指標檢測

煤矸石是在煤炭開采及清洗時，獲取煤炭及相關工業產品的同時生成的渣狀固態廢棄物，成分中包含大量硫酸根、碳酸氫根等酸根離子，具備可燃性，燃燒時會釋放氮氧化物及二氧化硫等。

根據國家能源局頒布的《煤矸石綜合利用管理辦法》， 煤矸石在符合有關環境標準的條件下可用作道路工程材料，且在廈蓉高速公路、蚌淮高速公路等建設工程項目中已取得較好的應用效果，因此可考慮將其廣泛用作路基填料。

將其用作路基填料時應遵照現行JTG D30-2015《公路路基設計規范》以及JTG/T3610-2019《公路路基施工技術規范》中相關要求驗證其級配以及力學指標。 考慮到煤矸石開采的地質條件差異，可采用重錘式及顎式粉碎機對其進行破碎，直至滿足級配要求。 用作路基填料的煤矸石壓碎值應小于30%，膨脹不穩定性不得超過40%，著火損失應在20%以下，有機物含量應小于15%。 確定破碎后煤矸石相關指標參數， 分析煤矸石的顆粒級配分布，通過擊實試驗確定煤矸石的最大干密度及對應最佳含水率。

1.1 顆粒級配分析

按照JTG E40-2007《公路土工試驗規程》中的規范要求開展試驗，確定所選煤矸石的顆粒級配分布情況，試驗結果見表1。 顆粒級配分析結果表明，煤矸石填筑材料中粒徑在0.075 mm 以上的顆粒質量比達到95%以上。通過對煤矸石填筑材料進行篩分，篩分結果見圖1。所選煤矸石填筑料的強度和硬度水平均較高， 但存在顆粒級配不均勻的情況，大粒徑煤矸石顆粒比例較高。

表1 煤矸石顆粒級配分析結果

圖1 煤矸石級配曲線圖

1.2 擊實特性分析

開展重型Ⅱ-2 擊實試驗，試驗結果見圖2。 根據試驗結果可以發現， 煤矸石的最大干密度為2.11 g/cm3，對應的最佳含水率為8.0%。

圖2 煤矸石擊實試驗曲線圖

2 最佳松鋪厚度分析

2.1 碾壓機械設備

為與常規壓路機做對比，試驗段施工時選用20 t常規壓路機和36 t 強激振力壓路機設備，以同等碾壓組合方式進行分層壓實，從而對比碾壓機械設備帶來的壓實效果差異，2 種設備的相關參數及圖片分別見表2、圖3～4。

圖3 20 t 常規壓路機

表2 碾壓機械設備參數對比

2.2 試驗方案

共設計了6 個試驗段，寬度和長度分別設置為5 m 和30 m。針對20 t 常規壓路機作為對比項設置了2 種松鋪厚度試驗段，分別為40 cm 和50 cm。針對36 t 強激振力碾壓設備設置了4 種松鋪厚度試驗段，分別為40、50、60、70 cm；其中，40 cm 松鋪厚度分為上下2 層各20 cm，50 cm 松鋪厚度分為上下2 層各25 cm，60 cm 松鋪厚度分為上中下3 層各20 cm，70 cm 松鋪厚度分為上中下3 層20、20、30 cm。

圖4 36 t 強激振力壓路機

碾壓時按照“由慢到快、由輕到重、由邊緣到中間”的原則，相鄰輪跡重疊寬度為輪款的1/3 倍，壓實過程中嚴格控制，確保不出現漏壓現象。 各試驗段以同等碾壓組合方式進行分層壓實，均為“1 次靜壓+4 次強振”，每次壓實完成后進行沉降監測，待最后一次強振完成后計算各試驗段沉降差。 壓實度采用灌砂法進行檢測，為充分對比20 t 常規壓路機和36 t 強激振力壓路機的壓實效果，選取碾壓組合中的第1 次強振和第4 次強振后各壓實層進行壓實度檢測。

2.3 試驗數據分析

2.3.1 壓實度分析

圖6 第4 次強振各層壓實度

第1 次強振和第4 次強振后各壓實層的壓實度檢測數據分別見圖5～6。分析圖中可發現，隨碾壓強振次數從1 次增長到4 次，不同壓實機械、不同松鋪厚度對應的各壓實層的壓實度均有提升效果。在完成1 次強振時， 無論是20 t 常規壓路機還是36 t 強激振力壓路機均無法達到高速公路路基93%壓實度的要求，但在完成4 次強振后則有顯著提升。 對比40 cm 和50 cm 松鋪厚度的各壓實層，第1 次強振和第4 次強振中采用36 t 強激振力壓路機的試驗段壓實度均高于采用20 t 常規壓路機的試驗段，其中第1 次強振后平均各壓實層高2.03%，第4 次強振后平均各壓實層高1.78%。

圖5 第1 次強振各層壓實度

根據常規路基填筑的施工經驗， 煤矸石因粒徑分布較粗， 在填筑壓實過程中利用20 t 常規壓路機的壓實效果并不理想， 難以滿足規范中的壓實度要求。 而新型強激振力壓實設備能將大粒徑煤矸石填料通過激振作用進行一定程度的破碎，從而改善煤矸石級配狀況，壓縮顆粒間的孔隙，提升密實度，最終實現壓實度的提升。 強激振力壓實設備的壓實效果優于常規壓路機源于其更高強度的激振力，能提升煤矸石路基的碾壓深度。 此外，兩類壓實設備在各碾壓次數條件下， 壓實層上層的壓實度均比下層壓實度更高， 這是因為各類壓實設備的振動源與上層壓實層距離更近， 產生的壓實功也更高。

以加權累加方式獲取并對比分析各層次總體壓實度指標與碾壓次數間相關關系，即同一松鋪厚度各層（上、中、下層）壓實度與對應層厚的乘積除以總松鋪厚度，計算結果見圖7～8。 可以發現，兩類壓實設備對應的各試驗段煤矸石填筑路基壓實度均隨松鋪厚度的提升而降低，這是因為較薄的松鋪厚度更易壓實，煤矸石顆粒間的嵌擠作用更緊密。 強振次數達到4 次時，當松鋪厚度在60 cm及以下可確保煤矸石填筑路基壓實度能滿足規范要求。

圖7 第1 次強振壓實度

圖8 第4 次強振壓實度

2.3.2 沉降分析

取40、50、60 cm 松鋪厚度試驗組展開后續試驗，對壓實后的試驗段進行1 次靜壓，通過水準儀測試其沉降差值。 要注意的是，對于同等松鋪厚度的壓實段落，沉降差值可直接反應其壓實效果對比情況。 而在研究過程中設定的松鋪厚度存在差異，不宜直接對比沉降值， 因此提出了沉降比指標，即各試驗段經碾壓后的沉降值與松鋪厚度的比值，對比不同松鋪厚度及碾壓設備對應試驗段沉降比數據，結果見圖9。

圖9 沉降比曲線圖

可以發現，沉降比隨強振次數的變化曲線能較好地反應壓實變化規律，同種碾壓機械和相同碾壓次數條件下，36 t 強激振力壓路機對應的3 個試驗段中，60 cm 松鋪厚度試驗組沉降比相對最高；同種碾壓機械和相同松鋪厚度條件下，沉降比與碾壓次數呈線形增長趨勢。 沉降比越高，說明該試驗段的壓實效果和經濟合理性更佳， 結合圖中分析數據，最終確定了60 cm 最佳控制松鋪厚度。

3 最佳碾壓組合方式分析

3.1 試驗方案

在上文確定的60 cm 最佳松鋪厚度基礎上，進一步明確最佳碾壓組合方式。選用36 t 強激振力壓路機開展試驗段壓實試驗，設計了6 類碾壓組合方式進行壓實，如表3 所示。

表3 6 類碾壓組合方式

3.2 試驗數據分析

對60 cm 松鋪厚度的各分層壓實度及總體壓實度數值進行統計，結果見圖10。可以發現，強振次數與各層次壓實度基本呈正相關關系。 各試驗段煤矸石填筑路基的上層20 cm 填筑層壓實度水平最高，中層20 cm 填筑層次之，下層20 cm 填筑層最低。 各分層的加權平均壓實度在強振次數達到3 次及以上時即可滿足規范要求，工況3～6 對應的值分別為93.5%、94.3%、96.2%及95.4%。 考慮到煤矸石填筑路堤一般不用于路床填筑，而是用于上路堤及下路堤，結合考慮經濟適用性及規范中94%和93%的壓實度要求，上路堤及下路堤對應的最佳碾壓組合方式分別為工況4 及工況3。

圖10 各工況沉降比曲線圖

4 結語

針對煤矸石填筑路基的壓實效果展開探討，通過擊實試驗確定煤矸石最大干密度及對應最佳含水率，設計多個松鋪厚度試驗段，對比分析試驗段不同松鋪厚度及碾壓設備對應的各層次分層壓實度指標，以加權累加方式獲取并對比分析各層次總體壓實度指標與碾壓次數間相關關系；提出沉降比指標，分析不同松鋪厚度及碾壓設備對應的總體沉降比數據，設計6 類碾壓組合方式分析總體壓實度數據，最終優選分別適用于上路堤及下路堤應用的碾壓組合方案，得出以下結論：（1）沉降比可反映試驗段的壓實效果和經濟合理性， 結合壓實度數據，確定了60 cm 最佳控制松鋪厚度；（2）最佳松鋪厚度條件下的各分層壓實度及總體壓實度數值與強振次數呈正相關關系；（3）適用于上路堤及下路堤應用的碾壓組合方案分別為“1 次靜壓+1 次弱振+4 次強振+1 次靜壓”和“1 次靜壓+1 次弱振+3 次強振+1 次靜壓”。