■朱海明

（新疆兵团勘测设计院（集团） 有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

煤矸石常采用露天堆放等处理方式，对场地土壤和水体造成污染威胁，不规范的堆放处理方式易发生自燃事件，从而引发火灾，造成空气污染[1]。公路建设过程中亟需寻找天然集料的替代性材料，因此可考虑将煤矸石应用于高速公路路基建设填筑材料，在实现资源有效再生利用、降低环境污染的同时，为公路建设材料及其技术革新提供新的思路。

在应用煤矸石填筑路基前，须解决其作为路基填筑材料的压实问题。 目前已有部分专家学者就有关各类路基填料压实特性方面展开过探究，但在研究及应用时，往往采用参照常规路基填筑的机械设备及压实方案[2]；吴红权等[3]依托多项高速公路建设工程，设计多种机械压实工艺组合，选取不同液限填筑材料，根据填筑层位分布控制松铺厚度等压实指标展开压实试验，得出不同层位的各类填筑材料在不同松铺厚度条件下对应的合理机械压实工艺组合；Zhang 等[4]依托戈壁滩区域新疆—兰州高铁基层建设项目，通过试验对比研究选用XSM 振动型压路机械设备，并推荐“1 次静压+1 次弱振+2 次强振+1 次弱振+1 次静压”的机械压实工艺组合，经现场实测数据表明该种施工方案可确保基层填料压实度满足设计要求；严筱等[5]认为较小颗粒无法充分填充低液限粉土较大颗粒间空隙，针对低液限粉土基层填料的压实特性展开研究，依托华宁高速施工项目，研究结果表明低液限粉土压实度指标与松铺厚度间呈负相关关系，提出30 cm 的最佳松铺厚度，并推荐“先强振后弱振，4～5 次碾压次数”的压实施工原则。 在将煤矸石用作路基填筑材料方面：王继伦[6]对煤矸石基本性能指标及工程应用特性进行分析， 对将其应用于路基填料的可行性展开分析，并利用灰色关联数学模型对其工后沉降进行了预估；周大全等[7]则以淮南出产的煤矸石作基层填筑材料，依托蚌淮高速建设工程对其施工工艺节点和质量控制进行了论述。

综上所述，现阶段随施工机械设备革新，大吨位强激振力压路机设备得到广泛推广，在此背景下，运用强激振力压路机对煤矸石填筑路基进行压实的相关技术参数仍有大量空白待填补。 本文通过试验段对比试验，针对煤矸石填筑路基的压实效果展开分析；分析煤矸石的颗粒级配分布，通过击实试验确定煤矸石的最大干密度及对应最佳含水率；选用常规压路机和强激振力压路机设备，对应2 类压实设备分别控制设计多个松铺厚度试验段，以同等碾压组合方式进行分层压实；对比分析试验段不同松铺厚度及碾压设备对应的各层次分层压实度指标，并以加权累加方式获取并对比分析各层次总体压实度指标与碾压次数间相关关系；提出沉降比指标，分析不同松铺厚度及碾压设备对应的总体沉降比数据，选择最佳控制松铺厚度；在此基础上设计6 类碾压组合方式分别进行压实， 分析总体压实度数据，最终优选分别适用于上路堤及下路堤应用的碾压组合方案，为类似工程提供参考。

1 煤矸石指标检测

煤矸石是在煤炭开采及清洗时，获取煤炭及相关工业产品的同时生成的渣状固态废弃物，成分中包含大量硫酸根、碳酸氢根等酸根离子，具备可燃性，燃烧时会释放氮氧化物及二氧化硫等。

根据国家能源局颁布的《煤矸石综合利用管理办法》， 煤矸石在符合有关环境标准的条件下可用作道路工程材料，且在厦蓉高速公路、蚌淮高速公路等建设工程项目中已取得较好的应用效果，因此可考虑将其广泛用作路基填料。

将其用作路基填料时应遵照现行JTG D30-2015《公路路基设计规范》以及JTG/T3610-2019《公路路基施工技术规范》中相关要求验证其级配以及力学指标。 考虑到煤矸石开采的地质条件差异，可采用重锤式及颚式粉碎机对其进行破碎，直至满足级配要求。 用作路基填料的煤矸石压碎值应小于30%，膨胀不稳定性不得超过40%，着火损失应在20%以下，有机物含量应小于15%。 确定破碎后煤矸石相关指标参数， 分析煤矸石的颗粒级配分布，通过击实试验确定煤矸石的最大干密度及对应最佳含水率。

1.1 颗粒级配分析

按照JTG E40-2007《公路土工试验规程》中的规范要求开展试验，确定所选煤矸石的颗粒级配分布情况，试验结果见表1。 颗粒级配分析结果表明，煤矸石填筑材料中粒径在0.075 mm 以上的颗粒质量比达到95%以上。通过对煤矸石填筑材料进行筛分，筛分结果见图1。所选煤矸石填筑料的强度和硬度水平均较高， 但存在颗粒级配不均匀的情况，大粒径煤矸石颗粒比例较高。

表1 煤矸石颗粒级配分析结果

图1 煤矸石级配曲线图

1.2 击实特性分析

开展重型Ⅱ-2 击实试验，试验结果见图2。 根据试验结果可以发现， 煤矸石的最大干密度为2.11 g/cm3，对应的最佳含水率为8.0%。

图2 煤矸石击实试验曲线图

2 最佳松铺厚度分析

2.1 碾压机械设备

为与常规压路机做对比，试验段施工时选用20 t常规压路机和36 t 强激振力压路机设备，以同等碾压组合方式进行分层压实，从而对比碾压机械设备带来的压实效果差异，2 种设备的相关参数及图片分别见表2、图3～4。

图3 20 t 常规压路机

表2 碾压机械设备参数对比

2.2 试验方案

共设计了6 个试验段，宽度和长度分别设置为5 m 和30 m。针对20 t 常规压路机作为对比项设置了2 种松铺厚度试验段，分别为40 cm 和50 cm。针对36 t 强激振力碾压设备设置了4 种松铺厚度试验段，分别为40、50、60、70 cm；其中，40 cm 松铺厚度分为上下2 层各20 cm，50 cm 松铺厚度分为上下2 层各25 cm，60 cm 松铺厚度分为上中下3 层各20 cm，70 cm 松铺厚度分为上中下3 层20、20、30 cm。

图4 36 t 强激振力压路机

碾压时按照“由慢到快、由轻到重、由边缘到中间”的原则，相邻轮迹重叠宽度为轮款的1/3 倍，压实过程中严格控制，确保不出现漏压现象。 各试验段以同等碾压组合方式进行分层压实，均为“1 次静压+4 次强振”，每次压实完成后进行沉降监测，待最后一次强振完成后计算各试验段沉降差。 压实度采用灌砂法进行检测，为充分对比20 t 常规压路机和36 t 强激振力压路机的压实效果，选取碾压组合中的第1 次强振和第4 次强振后各压实层进行压实度检测。

2.3 试验数据分析

2.3.1 压实度分析

图6 第4 次强振各层压实度

第1 次强振和第4 次强振后各压实层的压实度检测数据分别见图5～6。分析图中可发现，随碾压强振次数从1 次增长到4 次，不同压实机械、不同松铺厚度对应的各压实层的压实度均有提升效果。在完成1 次强振时， 无论是20 t 常规压路机还是36 t 强激振力压路机均无法达到高速公路路基93%压实度的要求，但在完成4 次强振后则有显著提升。 对比40 cm 和50 cm 松铺厚度的各压实层，第1 次强振和第4 次强振中采用36 t 强激振力压路机的试验段压实度均高于采用20 t 常规压路机的试验段，其中第1 次强振后平均各压实层高2.03%，第4 次强振后平均各压实层高1.78%。

图5 第1 次强振各层压实度

根据常规路基填筑的施工经验， 煤矸石因粒径分布较粗， 在填筑压实过程中利用20 t 常规压路机的压实效果并不理想， 难以满足规范中的压实度要求。 而新型强激振力压实设备能将大粒径煤矸石填料通过激振作用进行一定程度的破碎，从而改善煤矸石级配状况，压缩颗粒间的孔隙，提升密实度，最终实现压实度的提升。 强激振力压实设备的压实效果优于常规压路机源于其更高强度的激振力，能提升煤矸石路基的碾压深度。 此外，两类压实设备在各碾压次数条件下， 压实层上层的压实度均比下层压实度更高， 这是因为各类压实设备的振动源与上层压实层距离更近， 产生的压实功也更高。

以加权累加方式获取并对比分析各层次总体压实度指标与碾压次数间相关关系，即同一松铺厚度各层（上、中、下层）压实度与对应层厚的乘积除以总松铺厚度，计算结果见图7～8。 可以发现，两类压实设备对应的各试验段煤矸石填筑路基压实度均随松铺厚度的提升而降低，这是因为较薄的松铺厚度更易压实，煤矸石颗粒间的嵌挤作用更紧密。 强振次数达到4 次时，当松铺厚度在60 cm及以下可确保煤矸石填筑路基压实度能满足规范要求。

图7 第1 次强振压实度

图8 第4 次强振压实度

2.3.2 沉降分析

取40、50、60 cm 松铺厚度试验组展开后续试验，对压实后的试验段进行1 次静压，通过水准仪测试其沉降差值。 要注意的是，对于同等松铺厚度的压实段落，沉降差值可直接反应其压实效果对比情况。 而在研究过程中设定的松铺厚度存在差异，不宜直接对比沉降值， 因此提出了沉降比指标，即各试验段经碾压后的沉降值与松铺厚度的比值，对比不同松铺厚度及碾压设备对应试验段沉降比数据，结果见图9。

图9 沉降比曲线图

可以发现，沉降比随强振次数的变化曲线能较好地反应压实变化规律，同种碾压机械和相同碾压次数条件下，36 t 强激振力压路机对应的3 个试验段中，60 cm 松铺厚度试验组沉降比相对最高；同种碾压机械和相同松铺厚度条件下，沉降比与碾压次数呈线形增长趋势。 沉降比越高，说明该试验段的压实效果和经济合理性更佳， 结合图中分析数据，最终确定了60 cm 最佳控制松铺厚度。

3 最佳碾压组合方式分析

3.1 试验方案

在上文确定的60 cm 最佳松铺厚度基础上，进一步明确最佳碾压组合方式。选用36 t 强激振力压路机开展试验段压实试验，设计了6 类碾压组合方式进行压实，如表3 所示。

表3 6 类碾压组合方式

3.2 试验数据分析

对60 cm 松铺厚度的各分层压实度及总体压实度数值进行统计，结果见图10。可以发现，强振次数与各层次压实度基本呈正相关关系。 各试验段煤矸石填筑路基的上层20 cm 填筑层压实度水平最高，中层20 cm 填筑层次之，下层20 cm 填筑层最低。 各分层的加权平均压实度在强振次数达到3 次及以上时即可满足规范要求，工况3～6 对应的值分别为93.5%、94.3%、96.2%及95.4%。 考虑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，结合考虑经济适用性及规范中94%和93%的压实度要求，上路堤及下路堤对应的最佳碾压组合方式分别为工况4 及工况3。

图10 各工况沉降比曲线图

4 结语

针对煤矸石填筑路基的压实效果展开探讨，通过击实试验确定煤矸石最大干密度及对应最佳含水率，设计多个松铺厚度试验段，对比分析试验段不同松铺厚度及碾压设备对应的各层次分层压实度指标，以加权累加方式获取并对比分析各层次总体压实度指标与碾压次数间相关关系；提出沉降比指标，分析不同松铺厚度及碾压设备对应的总体沉降比数据，设计6 类碾压组合方式分析总体压实度数据，最终优选分别适用于上路堤及下路堤应用的碾压组合方案，得出以下结论：（1）沉降比可反映试验段的压实效果和经济合理性， 结合压实度数据，确定了60 cm 最佳控制松铺厚度；（2）最佳松铺厚度条件下的各分层压实度及总体压实度数值与强振次数呈正相关关系；（3）适用于上路堤及下路堤应用的碾压组合方案分别为“1 次静压+1 次弱振+4 次强振+1 次静压”和“1 次静压+1 次弱振+3 次强振+1 次静压”。