1 工程概况
淮北市东外环路位于淮北市东北部, 是淮北市的重点公路工程之一, 它是联系徐州、宿州以及合肥等周边大中城市的主要通道, 也是淮北市城乡连接的重要交通纽带。
本工程按照双向四车道城市快速路标准设计, 全长5505m, 路基总宽度25m, 红线宽度45m。路面结构形式为:上面层3cm细粒式沥青砼, 中面层8cm粗粒式沥青砼, 下面层6cm黑色碎石;基层20cm二灰结碎石, 底基层25cm二灰土。第一标段起止桩号为K+000～K2+891.5, 工程范围为路基路面工程、排水工程、桩号K0+652.50处的涵洞工程。公路穿过淮北市几个较大的煤矿塌陷区, 塌陷区路基坑深在2m～10m不等, 局部路基填方工程量较大。
公路沿线有淮北矿业集团朱庄煤矿、岱河煤矿和朔里煤矿等大中小多个煤矿, 而且在公路施工地区周围分布有数座矸石山, 煤矸石储藏量也因煤矿规模大小而不同, 大的上百万方, 小的几万方。
淮北市政府结合当地煤矿众多, 煤矸石储量巨大的实际, 决定采用煤矸石作为路基填筑材料, 这样既解决了当地土石料场匮乏, 运距离调土不经济的问题, 又能减少煤矸石的堆料占地, 美化当地的环境, 具有较好的社会效益和经济效益。
2 煤矸石的材质特性
煤矸石是煤在形成过程中与煤共生或者伴生的一种岩石, 是采煤过程中分离出的副产品, 由无机物和少量的有机物混合组成。
2.1 煤矸石的矿物成分
煤矸石主要由砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、炭质泥岩、石灰岩等组成, 还夹有少量的煤块、煤粉和有机物。
砂岩多属于硅质砂岩, 只有很少一部分属于铁质、钙质和泥质砂岩。硅质砂岩颜色浅、强度高、抗风化能力强;砂质泥岩属于粘土岩类, 以高岭石为主要成份的泥岩, 吸水性强, 遇水后易软化, 胶结物多为硅质、钙质和铁质, 强度较高;粉砂岩为粉砂质结构, 矿物成分与砂岩近似, 单粘土含量高, 主要由粉砂胶结而成, 粉砂岩结构较疏表1煤矸石筛分 (通过率) 及天然含水量、液塑限试验结果松, 强度和稳定性不高, 它在煤矸石中的比例也相当大;炭质泥岩强度低, 岩性较弱, 易风化成碎片, 与水作用易软化而丧失稳定性;石灰岩, 软化系数在0.58～0.94, 极限抗压强度80MPa～100MPa, 属于硬质岩, 它在矸石中的比例为10%～30%;煤块、煤粉和有机物在煤矸石中所占比例很小。
2.2 煤矸石的水稳性
主要由结构致密的砂岩、粉砂岩、石灰岩等矿物成分组成的煤矸石, 质地比较坚硬, 抗压强度较高, 自身吸水性低, 并且由这种煤矸石颗粒组成的填料具有较好的透水性, 可以防止填料因为吸水膨胀、崩解等造成路基变形, 具有较好的水稳性, 选用此种煤矸石材料可以作为高等级公路路基的填筑材料。
2.3 煤矸石的风化性
由于煤矸石的矿物成分主要由砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、炭质泥岩、石灰岩等组成, 这些矿物成分在风吹、日晒、温度变化以及雨雪天气、水流作用等情况下易风化、崩解, 造成路基边坡表面的冲刷和路基边坡的不稳定性。
3 煤矸石的路用特性
为了验证煤矸石的路用性能, 根据《公路工程集料试验规程 (JTJ 058—94) 》和《公路路基设计规范JTJ013—95》规范要求, 选择有代表性的煤矸石材料, 进行了路用特征指标的试验。本次取样重点对朱庄煤矿、岱河煤矿和朔里煤矿的三种典型煤矸石进行试验。
3.1 天然级配及液塑限
由于用于路基填筑的煤矸石材料要求具有较好的自然级配, 使用前应取样检出个别大块后进行筛分试验, 计算各筛孔的累计筛余百分率, 得出煤矸石的颗粒级配。同时试验要求测定煤矸石土样的天然含水量、液塑限和塑性指数, 以了解煤矸石土样的界限含水量, 从而可以知道填料中粘粒含量的高低, 筛分结果见表1所示。
从以上筛分试验结果可以看出, 各煤矿的煤矸石土样的天然级配都在《公路工程集料试验规程 (JTJ 058—94) 》标准范围内, 均能够满足施工要求。
从土的工程分类来说:所取三种煤矸石均为砾类土, 以《公路工程集料试验规程 (JTJ 058—94) 》命名土样1、土样2和土样3均为含细粒土砾 (GF) , 从三种土样的液限、塑限和塑性指数来看, 均属于低液限粉土。三种细粒土填隙在煤矸石中, 使压实的煤矸石路基更加密实, 而且由于三种土的塑性指数较小, 受水的影响就不大, 故对煤矸石路基的压实是有利的。施工中只要采用必要的压实工艺和切实可行的检测方法, 在满足路基压实度的情况下, 路基将处于稳定的运行状态。
3.2 击实试验
为了在填筑压实前有效的控制煤矸石的含水量以及在压实成型后准确地控制煤矸石填筑层的压实度, 施工前应取煤矸石材料进行重型击实试验, 根据实验结果, 确定煤矸石的最优含水量ω和最大干密度ρd。
按重型击实试验方法, 控制每层以30、50、98次分别制件, 浸水四昼夜后测其最大干密度、最优含水量、压实度、压碎值及承载比 (CBR) 值及自由膨胀率δ, 结果如表2所示。
根据1996年10月11日施行的《公路路基设计规范JTJ013—95》及以上的试验数据可知:土样1、土样2和土样3均具有较好的压实性能和较高的水稳定强度, 重型击实每层击实30次便可达到最低91.1%的压实度, 其压碎值及承载比 (CBR) 值也随着压实度的增加由31增加到超过100。
《公路路基设计规范JTJ013—95》规定了高等级公路路基的路基用土的CBR值指标:路槽底以下0cm～30cm, CBR>8;30cm～80cm, CBR>5;80cm～150cm, CBR>4;路槽150cm以下, CBR>3。从试验数据可以看出, 以上三种土样均能满足规范要求。
从试验数据看出, 三种土样的自由膨胀率较小, 均小于0.2%, 说明浸水前后的膨胀量不会对路基产生影响。
通过以上试验, 数据证明淮北市东外环路北段第一标段工程附近所存储的煤矸石的各项主要性能指标都符合高等级公路路基填料的要求, 具有良好的路用性能, 用作高等级公路的路基填料是完全可行的。安徽淮北市东外环路北段第一标段工程最终采用了附近煤矿的煤矸石, 既节约了资源, 保护了环境, 又加快了施工进度, 具有一举数得之功。
4 煤矸石路基的施工
4.1 施工工艺
煤矸石路基的施工基本工序如下:煤矸石的开采、运输、包边土施工、摊铺、洒水、碾压和检测等, 其中重点要抓好煤矸石原料的质量检测和煤矸石的现场压实两个环节, 这是保证路基施工质量的关键工序。
4.2 煤矸石路基施工特点
煤矸石的施工工艺和普通土石方的施工工艺基本相同, 这里主要谈谈煤矸石路基的施工特点。
(1) 矸石山一般经过多年积累, 堆积的高度较高, 内部的温度较热, 而且松散容易坍塌, 在底部装车时容易发生滑塌事故, 因此, 开采时首先采用挖掘机将煤矸石从矸石山上部倒运到底部, 然后采用挖掘机或者装载机装车的方法进行开采。
(2) 采用自卸车进行煤矸石运输时, 由于煤矸石本身的温度较高, 运输时不要采用帆布进行覆盖, 要采取运输前在车厢煤矸石顶面洒水的方式进行运输, 这样既减少扬尘, 又防止煤矸石本身自燃的风险。同时要加强运输车辆的防火, 每台车必须配备灭火器, 以防不测。
(3) 由于煤矸石自身具有风化性, 且黏结性较差, 因此, 为了隔绝煤矸石与外界的直接接触, 避免干湿循环, 保证路基边坡的稳定性, 在煤矸石运送到路基施工现场进行摊铺前, 首先要对路基边坡进行包边土施工, 对于路基填方边坡较高较陡的路段, 必要时可以采取砖石砌筑或其他防护措施进行施工。包边土一般采用粘土, 不能使用膨胀土, 施工时提前沿路边进行摊铺, 整平, 同煤矸石同时进行洒水压实。
(4) 运送到施工现场的煤矸石进行摊铺时, 要用人工进行辅助摊平, 捡除超粒径的大块煤矸石;由于煤矸石施工现场灰尘大、温度高, 要定期给施工人员发放口罩或者湿毛巾, 定时送水, 同时定期配发鞋底耐高温的劳保鞋, 保证施工人员的身体健康;由于煤矸石自身温度较高, 采用一般的挂线法施工, 线绳容易烧断, 所以主要根据包边土的高度和定额卸料的办法来控制煤矸石的摊铺厚度;煤矸石的摊铺长度以当时当日能够完成压实作业为准, 防止煤矸石摊铺面积过大, 造成水分的流失;煤矸石摊铺时要注意和路边的包边土结合密实, 路基摊铺宽度一般比设计宽度超出20cm, 保证煤矸石的压实宽度;摊铺时, 煤矸石的松铺系数一般控制在1.2～1.3, 比一般土方略高些。
(5) 由于煤矸石自身具有水稳性, 因此煤矸石摊铺后应及时进行洒水, 使煤矸石进行充分吸水, 风化, 然后进行压实。若采用水冲法开采的煤矸石或运输时充分洒水的煤矸石可不必考虑洒水。
(6) 煤矸石压实要求采用中型或者重型振动式钢轮压路机进行碾压, 它能通过共振进行压实, 使煤矸石中的大小颗粒充分结合, 有效的减少煤矸石颗粒间残留空隙, 增加煤矸石的密实度, 不宜采用静态碾进行碾压施工;煤矸石路基碾压后以表面煤矸石粉碎、有沫状物出现、没有缝隙、光洁无轮迹为准。
(7) 煤矸石路基要严格按照路基施工技术规范控制压实度, 采用灌砂法或核子密度仪进行检测;检测合格后, 进行上层填料施工前, 应在煤矸石表面进行适量洒水, 防止煤矸石路基的分层。
4.3 煤矸石路基施工需注意的问题
(1) 煤矸石填料的选择。
煤矸石填料应尽量选择存放时间较长、经过自燃后的煤矸石;这样的煤矸石含遇水易崩裂的石质煤或者煤粉少, 有利于路基的长期稳定。尽量选用粒度均匀, 便于回填的煤矸石, 煤矸石粒径不宜大于60cm, 必要时可进行适当的破碎、筛选;同时应优先选用红色的或灰色的煤矸石 (岩性为砂岩、粉砂岩、石灰岩等) , 避免使用灰黑色煤矸石 (岩性为砂质泥岩、炭质泥岩等) 。
(2) 压实度超百现象。
压实度超百现象是煤矸石填筑施工中的一个非常普遍的现象, 原因分析如下。
①击实试验取样与路基施工填料取样存在差异。填料中粒径大于40mm的煤矸石石块含量过多, 而击实试验采用40mm以内的煤矸石, 最大干密度相对偏低, 击实试验的击实标准不能体现实际填料的击实标准, 按此击实标准计算压实度肯定有超百现象。
②由于击实过程中将大颗粒煤矸石击碎, 故击实后比击实前5mm～40mm颗粒含量变少, 试验最大干密度相对偏低, 颗粒校正后还有可能出现超百现象, 但其影响不大, 可采用校正后的最大干密度通过灌砂法或者核子密度仪进行煤矸石成型路基压实度的检测。
③煤矸石摊铺后, 局部级配较差, 细料少, 骨料集中, 碾压后表面不密实, 松散, 或者细料多, 骨料少, 碾压后表面浮灰多, 平整度差。
(3) 煤矸石填料的及时检测。
由于一般施工时采用的填料质量不均匀, 含水量也经常变化, 因此要根据现场煤矸石填筑材料的变化经常取样进行检测, 及时重新做击实试验, 取得符合实际的有效数据。
(4) 煤矸石路基结构物的设置。
为了防止温度变化和水化作用等引起路基中煤矸石的风化、崩解, 保证煤矸石路基的稳定性, 煤矸石路基需要设置土质路拱、碎石盲沟和排水沟等结构物, 以保证路基的长期稳定性。
5 结语
(1) 煤矸石作为一种路基填筑新材料, 用来填筑高等级公路路基是完全可行的, 其材质特征完全符合路基填料路用特性的要求。
(2) 作为高等级公路路基填筑的新材料, 在具体工程施工应用中也要注意煤矸石填料的选用, 填料使用前要严格按照试验规范进行检测, 不能随便使用。
(3) 利用煤矸石进行路基填筑, 不但可以节约资源, 而且可以根治环境污染, 真正实现变废为宝、可持续发展, 有着良好的应用前景。
摘要：作者根据在安徽淮北市煤矿塌陷区修筑高等级公路时采用煤矸石进行路基填筑的施工实践, 分析了利用煤矸石作公路路基填料的可行性, 并对煤矸石路基的具体填筑方法和施工过程作了较详细的介绍, 阐述了煤矸石填筑路基的经济社会效益和发展前景。
关键词：公路,煤矸石,击实试验,路基,填筑
参考文献
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[3] 焦玉麟, 巩玉发.阜新煤矸石用作路基材料的可行性分析.