基于煤矸石填料的路基结构体受力性能分析

王 辉

(郑州路桥建设投资集团有限公司，郑州 450000)

近年来，煤矸石作为煤矿生产排放废弃物，大部分堆积如山，不但占用大量土地，而且对环境存在潜在污染风险，急需处理。煤矸石是多种软岩的混合体，在一定条件下可满足再利用的价值[1,2]。目前，关于煤矸石综合利用的研究较多。其中，闫广宇等[3]研究了煤矸石集料路面基层材料的应用，分析了煤矸石集料路面基层材料的力学性能影响因素。王长龙等[4]以煤矸石和铁尾矿为主要材料制备加气混凝土，并做了相关试验，结果表明煤矸石制备加气混凝土制品能够满足相关规范要求。白国良等[5]采用煤矸石制作混凝土梁并进行受剪试验，分析了煤矸石混凝土梁斜截面破坏形态、开裂荷载和受剪承载力。李光辉等[6]和冯新军等[7]将煤矸石破碎加工成煤矸石粉，然后再经过燃烧制成煤矸石粉填料，结果发现制作的混凝土具有高温稳定性和较高的回弹模量，体现出了煤矸石良好的利用价值。LI等[8]研究了煤矸石集料在铁路路基中的应用，发现煤矸石在铁路沿线应用不仅可解决工程建设中骨料短缺问题，还可消耗煤矸石废弃物，产生巨大的社会效益。耿琳等[9]通过自行研制的单向冻胀试验系统，对掺煤矸石的高速铁路路基填料进行了冻胀试验，并经过验证发现掺煤矸石的高速铁路路基填料可满足高速路基的冻胀稳定性要求。周大全等[10]通过蚌淮高速公路第6标段K37+340+490试验段施工实际工程，研究确定煤矸石填筑路基的适用性、施工工艺及质量控制标准。目前的研究主要集中于将煤矸石骨料制作混凝土和煤矸石作为路基的某一结构部分方面，缺乏对煤矸石成分和力学性质进行全面的分析及在工程路堤填筑中的应用研究，并未考虑煤矸石堆场的自燃情况。煤矸石作为路基填料可有两种形式，分别是燃烧后的煤矸石和未燃烧煤矸石。其中燃烧后的煤矸石结构松散、易破碎、力学不稳定，未燃烧的煤矸石结晶结构稳定、石块大、硬度大、较难破碎，有良好的坚固性。经过长期堆积的大多数煤矸石，已基本发生了充分的物理和化学变化，结构较为稳定，可作为路基填料进行填筑[11，12]。

为了进一步研究煤矸石作为路基填料的适用性，本文选取黄陵煤矿二号矿区堆场煤矸石进行力学试验，分析煤矸石块体的强度值，并通过击实试验和CBR试验对煤矸石路基填料性能进行分析，通过煤矸石路堤填料的实际应用观测其沉降量变化，并对煤矸石路堤填料效果做出评价。研究结果可为煤矸石用于工程路基填筑提供参考。

1 试验

1.1 煤矸石性质

黄岭煤矿二号矿区煤矸石大部分没有发生自燃现象，在堆积和受雨淋过程中已排放有害物质，外观呈黑色或黑灰色，呈块状结构，结构完整，坚硬无夹杂泥土，块体长度为95～140 mm、宽度为65～90 mm、高度为35～60 mm，每个试样均满足长>宽>高，如图1所示。燃烧煤矸石的平均密度为1.42 g/cm3，未燃煤矸石的平均密度为2.54 g/cm3，主要化学成分见表1。

图1 矿区堆场采集的煤矸石块体Fig.1 Coal gangue blocks collected from the mine yard

表1 煤矸石的主要化学成分

1.2 点荷载试验

根据《工程岩体试验方法标准(GB/T 50266—2013)》点荷载试验要求，采用上海雨秀仪器设备有限公司的数显式点荷载仪(型号为STDZ)对煤矸石进行点荷载力学试验，压力为100 kN，测件范围为0～120 mm。对现场采集的煤矸石试样进行整理分组，共分三组，每组15个试样，并对每个试样进行点荷载试验，当每组有效数据超过10个时，舍去前两个高值和后两个低值，再计算其余数的平均值得到有关岩石力学参数[13，14]。按公式1计算岩石点荷载强度。

(1)

式中，Is为未经修正的岩石点荷载强度，MPa；p为破坏荷载，N；De为等价岩心直径，mm。

不规则块体试验时，应按公式2计算等价岩心直径De。

(2)

式中，D为加荷点间距，mm；W为两加荷点最小截面的宽度，mm。

点荷载指数和抗拉强度σt的关系见式3。

σt=k1×Is

(3)

式中，k1为比例系数，对于岩心试样，k1值为0.79，对于球形试样，k1值为0.95，对于不规则样，k1值为0.90～0.96。

点荷载指数和抗压强度σc的关系见式4。

σc=k2×Is

(4)

式中，比例系数k2和试样尺寸有关，当D分别为54、50、42、21.5 mm时，相应的k2值为24.0、23.5、21.0、18.0。

1.3 击实试验和室内CBR试验

混合填料掺和用土取自陕西省旬邑县职田镇红黏土，液限为26.9，塑限为20.2，塑限指数为6.7。将煤矸石与土进行等量混合，并对其进行路基填料性能分析。击实仪选用河北沧州有限公司生产的SCK-VI型多功能电动击实仪，煤矸石粒径不超过25 mm，锤重2.5 kg、落距300 mm、试筒直径100 mm、锤击速度37～39次/min，通过一定击实次数测得混合料的干密度与含水量之间的关系，从而确定其最大干密度及最佳含水量，为工程施工提供参考依据。根据《公路土工试验规程(JTG 3430—2020)》设计燃烧煤矸石、燃烧煤矸石和土、未燃煤矸石、未燃煤矸石和土四种情况并进行试验。

在击实试验基础上对燃烧煤矸石和未燃煤矸石进行室内CBR试验，并掺入质量分数为3%的水泥作对比试验，从而获得煤矸石路基填料的基本性能。混合填料的煤矸石∶土∶水泥配比为1∶1∶0.3。水泥选用重庆富丰水泥厂生产的32.5级普通硅酸盐水泥。依据击实试验结果制备试样，其中试样高为120 mm、直径为150 mm，并把制备好的试样在水中浸泡4 d后取出，测算试样的膨胀量，静置15 min后进行贯入试验。试样承载比计算公式见式5或式6。

(5)

(6)

式中，P为单位压力，N；L为贯入量，mm。

根据计算结果绘制承载比和干密度关系曲线，并根据2019年12月实施的《公路路基施工技术规范(JTG/T 3610—2019)》判断不同煤矸石、土和水泥设计比例混合填料的适用性。

2 结果与讨论

2.1 点荷载试验

点荷载试验及计算结果如图2所示。从图2可以发现，第一组试样编号为2、10、13、15的数据偏离较大，为无效数据；第二组试样编号为1、4、7、12数据偏离较大，为无效数据；第三组试样编号为3、4、6、14数据偏离较大，为无效数据。对三组剩下点荷载强度数据进行计算其平均值，第一组平均点荷载强度指数为2.79 MPa、抗压强度为65.65 MPa、抗拉强度为2.6 MPa；第二组平均点荷载强度指数为2.66 MPa；抗压强度为62.49 MPa；抗拉强度为2.47 MPa；第三组平均点荷载强度指数为3.67 MPa、抗压强度为86.22 MPa、抗拉强度为3.41 MPa。煤矸石点荷载强度指数大约为2.8 MPa、抗压强度为65 MPa、抗拉强度为2.8 MPa。说明，煤矸石在轴向压应力作用下，在横向产生拉应力，其破坏形态主要为拉伸破坏。这种类型的破坏是横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。

图2 三组试样点荷载试验结果图Fig.2 Point load test results of three groups of samples

2.2 击实试验

击实试验结果如图3所示。从图3可以看出，燃烧后的煤矸石最大干密度为1.95 g/cm3，燃烧后的煤矸石和土混合物的最大干密度为1.69 g/cm3，未燃烧煤矸石的最大干密度为2.18 g/cm3，未燃烧的煤矸石和土混合物的最大干密度为1.88 g/cm3。掺土煤矸石填料承载能力比无土煤矸石填料承载能力低，这是因为煤矸石强度高于土。燃烧前的煤矸石强度高于燃烧后的煤矸石，说明燃烧后煤矸石结构发生了弱化，而未燃烧煤矸石结构致密，密度偏大。从图3还可以看出，燃烧后煤矸石最佳含水率为12.7%，燃烧后的煤矸石和土混合物的最佳含水率为16.4%，未燃煤矸石的最佳含水率为10.8%，未燃煤矸石和土混合物的最佳含水率为14.8%。说明燃烧后的煤矸石比未燃煤矸石的吸水性强，且掺土后的煤矸石吸水性增强。在实际路基填筑过程中要检测现场煤矸石含水率大小，对不在最佳含水率范围内的煤矸石应进行加水或晾晒处理。

图3 四种情况下的击实试验曲线Fig.3 Compaction test curves under four conditions

2.3 CBR试验

对不同配比混合填料的膨胀量和CBR试验结果进行计算分析，如图4所示。从图4可以看出，a组(燃烧煤矸石)和b组(燃烧煤矸石+土)填料的CBR值超过了规范规定值，作为路基填料的承载力满足各种等级公路要求，且未燃煤矸石土CBR高于燃烧煤矸石土，原因主要是煤矸石燃烧后结构致密性降低，形状和表面发生了破坏，从而致使燃烧煤矸石内摩擦力降低。燃烧煤矸石+土和未燃煤矸石+土填料的膨胀量相差不大，都能满足规范中填方路基要求。水泥能够显著增大填料的CBR值，在路基填料效果中使用明显，且水泥的增加能够明显降低试样膨胀量。

a-电燃烧煤矸石；b-燃烧煤矸石和土；c-未燃煤矸砂；d-未燃煤矸石和土图4 不同配比混合填料膨胀量和CBR试验结果Fig.4 Expanding capacity and CBR test results of mixed packing with different ratio

2.4 煤矸石路基沉降变化

根据煤矸石的物理力学性质，结合以上煤矸石击实试验和CRB试验结果，为了验证黄陵二号矿区煤矸石在路基填料中的应用情况，进一步通过对黄陵二号矿区煤矸石应用于陕西省某公路路堤填筑，观测该公路路堤一定时间内的沉降变化情况，并通过指数曲线对观测值进行拟合，结果如图5所示。从图5可以看出，拟合曲线和实际观测数据一致，R2值为0.983 36，路基沉降最终达到稳定，沉降最大值为18.2 mm，进一步说明将煤矸石用在路基填料工程中是可行的。

图5 煤矸石路堤沉降观测结果Fig.5 Observation results of coal gangue embankment settlement

3 结论

1)煤矸石用于路基混合填料不但节约资源、保护环境、变废为宝，缓解矿山煤矸石堆积压力，而且还能满足路基混合填料的强度要求，可以代替天然土层作为路基的底基层部分。其形状规则，结构致密性好，作为路基填料安全稳定，用于路基填料工程可行，有助于增加路基的强度。

2)燃烧后煤矸石的最佳含水率为12.7%，燃烧后的煤矸石和土混合物的最佳含水率为16.4%，未燃煤矸石的最佳含水率为10.8%，未燃煤矸石和土混合物的最佳含水率为14.8%，燃烧后的煤矸石强度低于未燃烧的煤矸石强度，掺土的煤矸石强度低于无土煤矸石强度，该试验结果有利于更好地指导施工。

3)煤矸石填料的室内CBR试验值和实际沉降观测值满足相应公路等级规范要求，煤矸石可用于路基或者房建等的基础工程。