尚曉麗

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

煤矸石是煤礦開采過程產(chǎn)生的廢棄渣料。我國是煤矸石儲量大國，每年有近億萬噸的煤矸石產(chǎn)生，占據(jù)了大量土地，同時對環(huán)境造成了較為嚴重的污染。因此，煤矸石的處治措施成為當前研究的熱門課題之一。

1 煤矸石的應(yīng)用研究

近年來，學者對煤矸石的使用進行了大量研究，并取得了較為豐碩的成果。白金玲等[1]對煤矸石粗集料混凝土的耐腐蝕進行了研究。王長龍等[2]采用粉煤灰和煤矸石作為主要材料來制備加氣混凝土，分析了煤矸石的最佳活化溫度及其對加氣混凝土力學特性的影響。李強等[3]通過對煤矸石的煅燒，研究了煤矸石的活性的內(nèi)在機理，并對煤矸石受煅燒溫度的影響進行了分析。邱繼生等[4]研究了煤矸石混凝土在凍融循環(huán)下的損傷演化規(guī)律，并建立了煤矸石混凝土的損傷演化方程。李永靖等[5]基于正交試驗對不同煤矸石摻量、粉煤灰摻量、水灰比等對混凝土的徐變性能進行了研究。

綜上分析可知，煤矸石在室內(nèi)試驗中已經(jīng)得到廣泛采用。在前人研究的基礎(chǔ)上，對煤矸石改良路基土進行了三軸固結(jié)不排水試驗，分析了煤矸石摻量對路基土力學性質(zhì)的影響，為煤矸石在公路工程中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

研究結(jié)果表明：隨著煤矸石摻量的逐漸增加，改良后的路基土的抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均得到顯著增強。其中，煤矸石摻量從0%至16%，路基土的抗剪強度提升了38.87%、黏聚力提升了26.49%、內(nèi)摩擦角提升了8.48%。隨著煤矸石摻量的增加，抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角的增長速率均逐漸趨緩。

2 試驗部分

2.1 試樣制備

試驗所使用的風積砂取自京沈客運專線阜新段，采用篩分法對選取的風積砂樣品進行顆粒級配分析，級配曲線如圖1 所示?？梢钥闯?，試驗用風積砂級配良好。

試驗用煤矸石取自阜新艾友煤礦矸石山，粒徑分布范圍較廣，最大粒徑可達到1 m 左右?？紤]到試驗用的試件尺寸，需要對煤矸石進行破碎處理。選取直徑在（0～2.36）mm 內(nèi)的煤矸石粉末備用，堆積密度約為874 kg/m3，主要化學成分為氧化硅和氧化鋁，另外還含有少量氧化鐵、氧化鈣及氧化鎂等。

圖1 風積砂的級配曲線

試驗用水泥為市面上普遍銷售的普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），其初始凝固時間約為150 min，終止凝固時間約為230 min，標準抗壓強度和抗折強度分別為51.4 MPa 和9.4 MPa（28 d）。

將風積砂、煤矸石、水泥和水按表1 配合比攪拌均勻。在攪拌過程中，加入的水量通常高于最優(yōu)含水率0.5%左右，原因是攪拌過程中會有水分蒸發(fā)?；旌狭习韬屯瓿珊蠓? 層裝入直徑39.1 mm、高80 mm 的標準土樣模具中振搗擊實，每層擊實次數(shù)不少于25 次。擊實完成后，在試樣表面進行拉毛處理，以此來緩解分層導(dǎo)致的誤差。制樣過程中，煤矸石改良土的壓實度控制為0.95。制備好的試樣采用保鮮膜包裹密實，然后放在養(yǎng)護箱中恒溫恒濕養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期分28 d。

表1 煤矸石改良路基土配合比設(shè)計

2.2 試驗方法

為研究煤矸石改良后路基土的強度特性，對養(yǎng)護完成后的路基土進行三軸固結(jié)不排水試驗，即CU 試驗。試驗設(shè)備為英國進口的GDS多功能三軸動、靜加載試驗系統(tǒng)。根據(jù)實際路基土埋深情況，取圍壓分別為20 kPa、40 kPa、60 kPa 和80 kPa，加載速率為0.5 mm/min。試樣的峰值強度取應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰值點；若無明顯峰值點，則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%時對應(yīng)的強度作為峰值強度。具體試驗方案見表2。

表2 試驗方案

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗剪強度分析

圖2 為改良路基土試樣的抗剪強度與煤矸石的摻量、圍壓之間的關(guān)系曲線。從圖2a）中可以看出，隨著煤矸石摻量的逐漸增加，不同圍壓下試樣的抗剪強度呈逐漸增大變化趨勢?？山忉尀槊喉肥瘬搅康脑黾邮乖嚇觾?nèi)部的活性氧化硅、氧化鋁的含量顯著提升，二者與水反應(yīng)后產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，致使試樣的整體抗剪強度逐漸增大。從圖2a）中還可以看出，煤矸石摻量大于一定值后，試樣的抗剪強度逐漸趨于穩(wěn)定。從圖2b）中可以看出，隨著圍壓的逐漸增大，改良路基土試樣的抗剪強度逐漸增長，且在圍壓較低時抗剪強度增長較快，此后抗剪強度的增長速率逐漸減小，二者近似滿足指數(shù)函數(shù)分布。

圖2 抗剪強度與煤矸石摻量、圍壓之間關(guān)系

3.2 抗剪強度參數(shù)分析

黏聚力和內(nèi)摩擦角作為土體抗剪強度參數(shù)，對分析土體的力學特性具有重要作用。采用繪制莫爾應(yīng)力圓的方法來計算不同摻量下煤矸石改良路基土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。圖3 為煤矸石改良路基土的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨煤矸石摻量的分布曲線。

從圖3 中可以看出，煤矸石摻量對路基土的抗剪強度參數(shù)具有顯著影響。隨著煤矸石摻量的逐漸增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均出現(xiàn)逐漸增大變化，且增長速率均逐漸趨緩。隨著養(yǎng)護齡期的逐漸增加，煤矸石改良路基土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角同樣呈逐漸遞增趨勢，且增長速率逐漸趨緩。可解釋為煤矸石的增加使改良后的土樣內(nèi)部水化反應(yīng)加劇，膠結(jié)物質(zhì)增多，抗剪強度參數(shù)增大，但水泥摻量固定，水化反應(yīng)逐漸減弱，致使抗剪強度參數(shù)逐漸穩(wěn)定。表3 為不同煤矸石摻量、不同圍壓下煤矸石改良路基土的力學參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。

圖3 抗剪強度參數(shù)與煤矸石摻量之間關(guān)系

表3 煤矸石改良路基土力學參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

由表3 可知，以圍壓20 kPa 為例，當路基土中未摻加煤矸石時，土樣的抗剪強度為762.1 kPa；當煤矸石摻量分別4%、8%、12%和16%時，路基土的抗剪強度分別為835.7 kPa、937.9 kPa、1040.3 kPa 和1058.3 kPa，與未摻加煤矸石土樣的抗剪強度相比分別提升了9.66%、23.07%、36.50%和38.87%?？梢娒喉肥牧己蟮穆坊恋目辜魪姸鹊玫搅擞行嵘τ诳辜魪姸葏?shù)，當路基土中未摻加煤矸石時，土樣的黏聚力為249.1 kPa，內(nèi)摩擦角為28.3°；當煤矸石摻量為16%時，路基土的黏聚力提升了26.49%，內(nèi)摩擦角提升了8.48%?？梢?，煤矸石的摻量對土體的黏聚力影響較大，對內(nèi)摩擦角的影響則相對較弱。

4 結(jié)束語

（1）隨著煤矸石摻量的逐漸增加，路基土試樣的抗剪強度逐漸增大，但增幅逐漸減小；隨著圍壓的逐漸增大，路基土試樣的抗剪強度逐漸增大。

（2）隨著煤矸石摻量的逐漸增加，路基土試樣的抗剪強度參數(shù)逐漸增大。其中，黏聚力增幅為26.49%，內(nèi)摩擦角增幅為8.48%。煤矸石摻量對黏聚力影響較大。

（3）煤矸石對對路基土的力學特性具有明顯的提升作用，可作為公路工程路基填料。