（道路與鐵道工程專業(yè)論文）煤矸石在礦區(qū)鐵路路基中的應(yīng)用研究.pdf

垴墨壅迸 摘要 摘要：煤矸石是在煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要廢棄物，堆放煤矸石要占用大 量土地資源，而且污染環(huán)境。但作為一種路基填料，卻有著廣泛的應(yīng)用情景。由 于沒有對煤矸石的穩(wěn)定性、承載特性、水穩(wěn)性、壓實特性、工后沉降、控制標準 做深入研究，在礦區(qū)鐵路的應(yīng)用中還存在很多問題。 本文對煤矸石進行了現(xiàn)場取樣，通過級配試驗、液塑限聯(lián)合試驗、壓碎值試 驗、無側(cè)限抗拉壓試驗、直剪試驗、固結(jié)試驗和允許承載力試驗，確定煤矸石的 物理參數(shù)。 本文對路基的承載能力和穩(wěn)定性作了力學分析，對煤矸石作為礦區(qū)鐵路路基 時的壓實度進行了控制。并對道床的最小厚度作了明確要求。 本文通過數(shù)值分析法對煤矸石新填筑路基和新老路基拼接進行沉降量計算。 利用大型有限元a n s y s 軟件中的d r u c k e r - p r a g e r 彈塑性模型，分析不同壓實度、 不同填筑高度下煤矸石路基的變形沉降。分析表明，隨著壓實度的增加，路基沉 降量減小；在老路基高度不變的情況下，路基高度的增加，老路基度對新填路基 的影響越來越小。為煤矸石路基預留沉降量提供理論參考。 通過研究表明，煤矸石作為礦區(qū)鐵路路基填料，完全符合各項設(shè)計標準要求 關(guān)鍵詞：煤矸石；土工試驗；路基；a n s y s 有限元；沉降 分類號： 叢犯顯盟瑟迸 a b s t ra c t a b s t r a c t ：c o a lg a n g u ei st h em a i nd u m pw h i c hi sp r o d u c e do nt h ep r o d u c t i o no f c o a l ，a n dp i l i n gc o a ln e e d sl a r g ee a r t ha n dp o l l u t e se n v i r o n m e n t b u ra sar o a d b e df i l l e r , i t sp r o s p e c ti se x t e n s i v e a st h e r ea r ef e ws t u d yo i lt h es t a b i l i t y , b e a r i n gc a p a c i t y , w a t e r s t a b i l i t y , p r e s s i n g c h a r a c t e r i s t i c ，s e t t l e m e n t a f t e rc o n s t r u c t i o na n d c o n t r o l l i n g s t a n d a r d , t h e r ea r em a n yp r o b l e m sf o ri t sa p p l i c a t i o nt ot h er a i l w a yo nm i m n g a r e a t h i sp a p e rs a m p l e so n - s i t cc o a lg a n g u e , t e s t sg r a d a t i o n , l i q u i dl i m i ta n dp l a s t i c l i m i t ，c r u s hv a l u e ，a n t i p r e s s i n gw i t h o u tl a t e r a lc o n f i n e m e n t , s t r 3 主g h ts n i p s , c o n s o l i d a t i o n a n db e a r i n gc a p a c i t ya l l o w e d ，a n dp u t su pp h y s i c sp a r a m e t e r t m sp a p e ra n a l y s i st h eb e a r i n gc a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo fr o a d b e d , a n dg e t st h e t e q u i r e m e n to f c o m p a c t n e s sa n dh e i g h to f s 臼e mo f c o a lg a n g u er o a d b e d t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h es e t t l e m e n to fn e wc o a lg a n g u er o a d b e da n dr o a d b e d b e t w e e nn e wr o a d b e da n do l dr o a d b e d t h i sp a p e ra n a l y s i st h es e t t l e m e n to f c o a lg a n g u e r o a d b e do fd i f f e r e n t c o m p a e t n e s s a n d f i l l i n gh e i g h t ，u s i n g t h e d r u c k e r - p r a g e r e l a s t i c - p l a s t i c m o d e lo fa n s y s t h e a n a l y s i s i n d i c a t e s ：w i t ht h e c o m p a c t n e s s i n c r e a s i n g , t h es e t t l e m e n to fr o a d b e dr e d u c i n g ；o nt h ec o n d i t i o no ft h es a m eh e i g h to f o l dr o a d b e d , w i t ht h eh e i g h to fr o a d b e di n c r e a s i n g , t h ei m p a c to fo l dr o a d b e do rr l c w r o a d b e db e c o m e sl i t t l ea n dl i t t l e rc a l lb et h et h e o r e t i c a lr e f e r e n c eo fp r e f o r m e d s e t t l e m e n tf o rc o a lg a n g u er o a d b e d t h es t u d yi n d i c a t e s ：a sr a i l w a yr o a d b e df i l l i n g , t h ec o a lg a n g u e 伽f u l l ym e e t st h e n e e do f d e s i g n i n gs t a n d a r d s k e y w o r d s ：c o a lg a n g u e , g e o t e c h n i ct e s t , r o a d b e d , a n s y sf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，s e t t l e m e n t c i a s s n o ： 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國 家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學位論文作者簽名： 導師簽名： 簽字日期：年月 日 簽字日期：年月日 j t 塞窒逼太亟堂僮鹼塞 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：簽字日期：年月日 致謝 本論文的工作是在我的導師谷愛軍副教授的悉心指導下完成的，谷愛軍副教 授嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝三 年來谷老師對我的關(guān)心和指導。 魏慶朝教授、高亮教授、彭華副教授、孔永健副教授、自明州副教授、萬傳 風副教授、梁青槐教授悉心指導我完成了試驗室的科研工作，在學習上和生活上 都給予了我很大的關(guān)心和幫助，在此向各位老師表示衷心的謝意 王喜福老師對于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見，在此表示衷 心的感謝。 在試驗室工作及撰寫論文期間，張宏亮、盧光杰、梁亮、秦元營、陶凱、 馬勇、任大鵬、孫斌、徐國華、徐田坤等同學對我論文的研究工作給予了熱情幫 助，在此向他們表達我的感激之情。 十幾年寒窗苦讀，現(xiàn)在終于完成了學業(yè)。在此感謝父母、親人和朋友的理解 和支持。 另外也感謝劉久壯同學，徐州礦業(yè)大學土建實驗室的老師、同學、工作人員； 碩0 5 0 3 班全體同學和北京交通大學其他老師，他們的理解和支持使我能夠在學 校專心完成我的學業(yè)。 1 緒論 1 1 引言 煤矸石是指在煤礦建設(shè)、煤炭開采及加工過程中排放出的廢棄物，是一種多 種軟巖成分的混合體，屬于“軟質(zhì)粗粒土”。煤矸石的巖性成分是由含煤巖系與煤層 的開采方式?jīng)Q定的。含煤巖系是以灰色、灰黑色和灰綠色為主的沉積巖系，主要 由礫巖、各種粒度的砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、粘土巖、可采和不可采煤層組成， 石灰?guī)r也可能出現(xiàn)，但主要為軟巖【l 】。 我國煤矸石產(chǎn)量約為原煤總產(chǎn)量的1 5 2 0 【2 】，已累計儲存量達7 0 億噸，占 地7 0 k i n 2 ，而且以年排放量1 5 億噸的速度增長，而煤矸石的綜合利用尚達不到排放 量的1 5 ，余下煤矸石多以圓錐式或溝谷傾倒式自然松散地堆放在礦井四周，侵占 大量土地，對周圍環(huán)境造成極大污染，嚴重影響和危害人們的生活與健康。故此 應(yīng)加強對煤矸石的綜合利用，有效地減少煤矸石的積存量，己成為當務(wù)之急。 煤矸石作為一種充填材料，除可用于回填塌陷區(qū)外，國外還將其用于鐵( 公) 路( 構(gòu)筑路基、擋土墻) 、水利( 構(gòu)筑堤壩) 、工民建( 路基墊層) 等土木工程領(lǐng)域。在 我國一些煤礦地區(qū)，也進行了將煤矸石作為土工充填材料的嘗試，如填筑建筑物 路基、填筑地方公路、高速公路路基和地方鐵路路基等，但尚屬處于試驗階段。 隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，煤矸石作為路基填料有著廣泛的前景p j 。 徐州是我國著名的煤礦城市，在徐州北部的煤礦，每年產(chǎn)出大量的煤矸石， 幾十年積存的煤矸石大量堆積，侵占大量土地，給附近地區(qū)產(chǎn)生較大的環(huán)境污染。 礦區(qū)鐵路的修建，需要大量的土方，該地區(qū)的基巖很淺，路基填筑取土非常困難。 所以就在建設(shè)中大量運用煤矸石作路基填料，不僅解決了路基填料中的土方短缺 問題，同時又可以解決由于煤矸石堆積侵占大量土地及環(huán)境污染問題。 為此徐州礦務(wù)集團與北京交通大學聯(lián)合成立課題小組，對煤矸石作為礦區(qū)鐵 路路基填料進行研究試驗，從而可以充分了解徐州礦區(qū)煤矸石的物理特性、工程 力學特性及其路用特性，為煤矸石在鐵路路基工程中的應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù) 和技術(shù)控制指標，使煤矸石路基使用性能及安全性能達到礦區(qū)鐵路運輸生產(chǎn)要求。 韭塞塞煎太亟堂焦迨塞 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題 煤矸石的利用途徑可以分為資源回收利用和工程利用兩種。資源的回收利用 主要用于煤矸石發(fā)電、矸石磚、建筑陶瓷及矸石水泥生產(chǎn)、伴生礦物的提煉等。 工程利用則是將煤矸石作為充填材料進行農(nóng)田復墾和土工利用。作為資源的回收 利用，矸石需分類排放，若混合排放將增加復選工序，提高了資源回收利用的成 本。而我國大量的煤矸石是混合排放，考慮到復選的成本，進行資源回收利用已 不可能，現(xiàn)存絕大多數(shù)煤矸石只適于作為土工填科【4 】。 煤矸石的處理和利用，在國外日益受到重視i 習。特別是2 0 世紀6 0 年代以來，國 外如法國、巴西、德國、日本、美國等就已經(jīng)對煤矸石的開發(fā)利用開始了較全面 的研究，現(xiàn)已進入了成套技術(shù)的推廣應(yīng)用階段。利用煤矸石生產(chǎn)建筑材料已成為 一種趨勢，是一種成熟的利用技術(shù)，生產(chǎn)品種越來越多，生產(chǎn)規(guī)模和利用量不斷 擴大。生產(chǎn)的主要品種有：煤矸石發(fā)電、煤矸石燒結(jié)磚、煤矸石非燒結(jié)磚、煤矸石 輕骨料、煤矸石加氣混凝土、煤矸石陶瓷、煤矸石砌塊以及利用煤矸石生產(chǎn)水泥 等。許多國家利用煤矸石制磚，利用數(shù)量較大，如：前蘇聯(lián)地區(qū)、波蘭、捷克、英 國、法國、比利時、加拿大、德國和荷蘭等，均發(fā)展此產(chǎn)品【6 】。其中以法國的技術(shù) 最為先進。近年來許多國家大力發(fā)展煤矸石輕骨料，利用煤矸石生產(chǎn)水泥，前蘇 聯(lián)還利用煤矸石生產(chǎn)加氣混凝土和鑄壓，日本利用煤矸石生產(chǎn)耐火材料和陶瓷英 國利用煤矸石生產(chǎn)砌塊等。 我國在2 0 世紀5 0 年代就開始了煤矸石綜合利用的研究，并取得了一定的經(jīng)驗 和效果。近年來，煤矸石建筑材料發(fā)展相當迅速，開拓了多種應(yīng)用途徑，發(fā)展了 較成熟和較先進的技術(shù)。隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，運輸量的快速猛增，行車速 度的不斷提高，對道路的平整度有了更高的要求。為此，路基工程質(zhì)量不容忽視。 若要保證路基質(zhì)量，其填料選擇和施工質(zhì)量控制是關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。而且，近年來 人們對環(huán)境保護意識日益增強，關(guān)于各種工業(yè)廢渣的利用問題也越來越引起重視， 所以將工業(yè)廢渣應(yīng)用于路基工程已是業(yè)內(nèi)工程人員研究的重要課題。在各種工業(yè) 廢渣中，煤矸石產(chǎn)量較大，適合于用作路基填料，因此為煤矸石的再次利用找到 了一條合適的途徑。近幾年來，在我國公路工程中玎始進行了煤矸石的應(yīng)用試驗， 取得了較好的成果。我國山東省2 0 5 國道張博段全長4 0 k i n l 7 l , 1 9 9 7 年修建時由于土源 短缺，價格昂貴，而沿線附近有好多處矸石山，經(jīng)試驗采用煤矸石作為筑路材料， 試驗表明煤矸石底基層強度比1 2 5 石灰土底基層強度略高，完全滿足公路整體強度 要求，該路段至今運營情況良好另外，在該路段附近興隆莊洗煤礦廣進行了煤 矸石作路基填料的試驗段，試驗表明煤矸石路基強度在同等壓實度下遠高于土路 基，具有良好的力學性能。1 9 9 8 年修建的鶴伊嘲( 鶴崗至伊春) 高速公路，其 2 k o + o o o k 1 3 + 6 5 0 路段為平原微丘區(qū)，地表層為中液限粘土，含水量較大，地下水 位高，屬季節(jié)性凍融區(qū)。公路建成后，主要承擔鶴崗煤炭資源及林區(qū)木材的運輸 任務(wù)。通過對煤矸石的理論和實踐研究，確定采用鶴崗煤礦豐富的煤矸石作為此 路段路基填料。第一可滿足大噸位車輛荷載的作用，減少東北地區(qū)特有的凍脹現(xiàn) 象；第二可節(jié)約土地，加快工程的進度。京福國道主干線山東省境內(nèi)曲張段采用 煤矸石填筑路堤，1 9 9 8 年9 月在k 1 3 5 + 8 0 6 0 k 1 3 6 + 6 0 0 修筑了試驗路段【9 】，取得了初 步成功，后在1 0 多公里的路段中推廣使用，測試成果表明應(yīng)用效果良好。1 9 9 5 年 徐州市公路處在修建省道2 3 9 上跨龐莊煤礦專用鐵路的龐莊立交橋引道工程中，采 用煤矸石兩灰作為加筋土擋墻的填料，使用效果良好，節(jié)省了工程造價。 表i - i 國外煤矸石土工利用情況 t a b1 1t h ef o r e i g ng e o t e c h n i cu t i l i t yo fc o a lg a n g u e 工程類型用途主要工程實例 路基和路堤的填充 法國北部公路網(wǎng)、德國r u h r 地區(qū)公路 公路 網(wǎng)、英國n o t i n g h a m l i v e r p o o l 等地區(qū) 材料、承載路面 干線公路及g a t e g s h e a d 高速公路等 路基和路堤的填充 英國g l o u c e s t e r c r o y d o n 鐵路組編站、 鐵路 材料v i c t o f i a - b f i g l m e 鐵路 壩體填充材料、護攔海壩、潛壩( 荷蘭) 、海岸護堤水庫 水工建筑 層大壩、運河河堤等( 英國) 其他地基墊層停車場地基、軟弱地基處理 表1 我國煤矸石土工利用情況 利_ i j 主要項目利用規(guī)模備注 煤矸石類型 途徑及其消耗量 矸石發(fā)電廠7 2 座，總裝機 煤矸石與劣 矸石發(fā)電容量8 3 k w 單機容量 質(zhì)煤混燒 1 主要利用洗選煤矸 資源 0 1 5 - 2 2 萬k w 石2 每年洗矸消耗量 回收生產(chǎn)矸石山 磚廠2 0 0 座，年生產(chǎn)能力為o 1 萬噸，占當年 1 8 億塊，水泥廠5 0 座， 煤矸石代 洗矸產(chǎn)量的2 0 左 利用和矸石水泥替粘土 年生產(chǎn)能力2 0 0 萬噸右，約占當年煤矸石 已達產(chǎn)3 0 利用量的6 回收硫精砂 設(shè)計生產(chǎn)能力5 0 萬噸 萬噸 回填塌陷區(qū) 年復田面積0 4 6 復墾率達 1 主要利用采掘煤矸 ：j ：程 萬平方公里2 3 石2 利用煤矸石0 5 利用 少數(shù)公路基層材料、路 1 9 9 5 年萬噸，約占當年煤矸 士t = 利用堤填料、鐵路墊層、建 筑回填地基等 后開始應(yīng)j j 石的7 0 我國對煤矸石在土木工程中的利用水平與國外存在較大差距，如表1 - 1 、表 1 - 2 所示，煤矸石在土木工程中的利用，在我國具有廣闊的前景，作為一種消耗現(xiàn) 3 j e 鏖窯垣盔殛堂焦途塞 存煤矸石的一種主要手段，也需迫切加強此方面的研究工作。 1 3 本文研究的內(nèi)容及方法 雖然利用工業(yè)廢渣煤矸石來填筑路基能有效的節(jié)約資金，減小煤矸石對環(huán)境 的污染，提高土地利用，但是由于煤矸石自身的物理化學成分復雜，人們對其工 程特性和路用性能還不是很了解，譬如煤矸石路基的穩(wěn)定性，承載特性，水穩(wěn)性， 壓實特性，工后沉降，控制標準及煤矸石的自燃等等。正因為煤矸石在填筑路基 中存在著許多人們不熟悉，不了解的問題，使得煤矸石在礦區(qū)鐵路路基填料中沒 有得到應(yīng)用。目前，煤矸石作為鐵路路基填料主要是針對塌陷區(qū)回填，在我國礦 區(qū)鐵路路基填料中沒有大面積推廣。因此，本文結(jié)合徐州礦區(qū)鐵路工程實例，通 過室內(nèi)試驗和實地考察，對徐州礦區(qū)煤矸石的物理參數(shù)以及力學性能進行了詳細 的研究，并且對于其穩(wěn)定性，承載特性，壓實特性，工后沉降進行了分析。所做 的主要工作如下： ( 1 ) 2 0 0 6 年7 月，作者參與了在徐州礦業(yè)大學對煤矸石作為鐵路路基時的以 下試驗：級配試驗、液塑限聯(lián)合試驗、壓碎值試驗、無側(cè)限抗拉壓試驗、直剪試 驗、固結(jié)試驗和允許承載力試驗。得到相關(guān)物理參數(shù)及力學性能指標； ( 2 ) 根據(jù)鐵路路基設(shè)計規(guī)范( t b1 0 0 0 1 2 0 0 5j 4 4 7 2 0 0 5 ) 對不同高度的 路基采用不同的邊坡形式和坡率。本文運用鐵路路基通用理正軟件，采用瑞典條 分法，對煤矸石路基在靜力荷載作用下進行邊坡穩(wěn)定分析，判斷煤矸石路基是否 穩(wěn)定； ( 3 ) 針對徐州礦區(qū)鐵路線路的特點，為了滿足路基允許承載力的要求，通過 計算，對道床的最小厚度作了明確要求。 ( 4 ) 煤矸石屬于軟質(zhì)粘土，路基沉降主要表現(xiàn)為固結(jié)沉降，本文通過有限元 a n s y s 軟件中的d r u e k e r - p r a g e r 彈塑性模型，對各種工況下的煤矸石新填筑路基和 新老路基拼接的沉降和應(yīng)力進行數(shù)值模擬，分析計算結(jié)果，為煤矸石路基在施工 過程中的預留量提供理論指導 4 煤玨互圭墨揚堡左堂性能選驗班葒 2煤矸石主要物理力學性能試驗研究 煤矸石材料的主要物理力學性能直接影響煤矸石路基的檢算、設(shè)計、鋪設(shè)以 及日后的使用和養(yǎng)護維修。本章主要對龐莊煤礦、張小樓煤礦、鐵路路基三個地 方的試驗樣本進行相關(guān)力學試驗和數(shù)據(jù)分析，對徐州礦區(qū)煤矸石的取樣試驗情況 見表2 一l 【1 0 1 1 n 。 表p 1 煤矸石取樣情況表 編號 l23 煤矸石名稱 龐莊礦張小樓礦 鐵路路基煤矸石 分析方法定性定性定性 試樣數(shù)量 22 2 2 1 煤矸石填料的級配試驗 煤矸石粒徑的級配主要影響路基的壓實度。 煤矸石顆粒大小分析和篩分析主要用于土的工程分類及作為材料的標準。根 據(jù)土質(zhì)學的基本原理，土的顆粒級配是制約其壓密性的內(nèi)在因素。天然煤矸石由 各種粒徑的顆粒組成，從粗大矸石塊到細小顆粒，級配不良的煤矸石不利于壓密， 而粒度大小直接影響煤矸石的粘聚力、摩擦角，所以煤矸石中各組分量直接影響 其實際的壓實效果和壓實后的路基強度。 本次煤矸石填料的級配試驗樣本取自徐州礦區(qū)鐵路路基煤矸石混合料、張小 樓煤礦煤矸石混合料和龐莊煤礦煤矸石混合料。 根據(jù)鐵路路基設(shè)計規(guī)范，粒徑大于2 0 m m 顆粒超過全重的5 0 可看作是碎 石土，由表2 - 2 和表2 3 可知，鐵路路基和張小樓煤矸石樣品屬于碎石類土。碎 石類土可作為鐵路路基的a 、b 、c 類填料，但易風化的只能定為c 類填料，嚴重 風化的定為d 組填料。由于煤矸石的風化特性從粒徑級配的角度講，只能劃歸為 d 組填料。 試驗方法：采用級配篩進行篩分試驗，級配篩的孔徑為9 0 m m ，7 5 r a m ，6 5 r a m ，5 3 m m ， 3 7 5 m m ，3 1 5 m m ，2 6 5 m m ，1 9 m m ，1 6 r a m ，9 5 m m 和4 7 5 r a m 。 s 拙塞交通太硒堂焦j 金塞 l 圈2 - 1 級配篩 l 里塹至! 趔堅璺童鰱堅絲盟塑些i 表7 , - 2 鐵路路基篩分記錄表 孔徑( 加) 9 07 56 55 337 53 1 5 通過( 呦 1 0 09 7 4 79 6 4 29 3 4 88 7 ，5 48 3 ，2 6 孔徑( r a m ) 2 6 51 91 69 54 7 5o 通過( ) 7 9 0 66 7 6 66 2 ，8 5 4 5 6 6 2 7 8 6o 0 0 表2 - 3 張小樓篩分記錄表 孔徑( n n ) 9 07 56 55 33 7 53 1 5 通過( 絢 1 0 0 9 3 7 7 9 2 0 78 9 5 2 7 9 6 8 7 5 2 1 孔徑( m m ) 2 6 5t 91 69 5 4 7 5 o 通過( 呦 7 1 8 56 1 0 25 5 9 74 0 5 32 l 所0 0 0 表2 龐莊篩分記錄表 孔徑( n 蛐) 9 07 56 55 3 3 7 5 3 1 5 通過( 絢 1 0 09 8 1 79 6 4 68 9 6 7 7 6 0 56 8 2 6 孔徑( m m ) 2 6 51 91 69 5 4 7 5 o 通過 6 0 ，94 5 舭3 8 6 12 5 0 7 8 6 6o o o 6 堪玨蠆圭薹物堡左堂往能試驗班窺 粒徑m l 鼬7 0 牲驢柏鐘o0 1 0 0 帥舶7 0 舯柏l oo o | u _ z 么一 蛐芝 柏芝 辟 ? 礙 捌 蜊 印贈 孵 ， 舯 t m 圖2 - 2 路基煤礦煤矸石篩分試驗關(guān)系圖 圖2 - 3 張小摟煤礦煤矸石篩分試驗關(guān)系圖 f i g2 - 2t h er e l a t i o nd i a g r a mo f t h ef i g2 - 3t h er e l a t i o nd i a g r a mo f t h er a i l w a y r a i l w a yr o a d b e do f c o a lg a n g u e r o a d b e do f c o a lg a n g u es c r e e ns e p a r a t i o n s c r e e ns e p a r a t i o ne x o e r i m e r i t e x p e m e r i ta tz h a n g x i a o l o u 印i d 6 0 = 等舐s 6 印贏d2 = 蔫一o s s e = 羞= 麗7 函1 2 = 1 1 s 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 367 i i 3 4掩互 = ，疊 l i 樓 巳 小民 韭塞交通鑫亟堂焦儉塞 c 。= i d 6 0 = 2 ，6 。_ _ 6 ，6 = 5 ，9 ( z 5 ) c 。= 贏2 = 意吐。， 協(xié)s ， e 不均勻系數(shù) 氏限制顆粒，在顆粒大小分布曲線上小于該粒徑的土含量占土總含量的 6 0 的粒徑； d j 。限制顆粒，在顆粒大小分布曲線上小于該粒徑的土含量占土總含量的 l o 的粒徑； e 曲率系數(shù)； 以。藏顆粒大小分布曲線上小于該粒徑的土含量占土總質(zhì)量3 0 的粒徑。 表2 - s 不均勻系數(shù)c u 和曲率系數(shù)c c t a b 類型 不均勻系數(shù)g 。曲率系數(shù)c 鐵路路基煤矸石6 8 60 8 5 張小樓煤矸石7 6 31 1 5 龐莊煤矸石5 1 91 0 7 不均勻系數(shù)g 越大，表示土越不均勻，即租顆粒和細顆粒的大小相差越懸殊。 如果粒徑的級配曲線是連續(xù)的，g 越大，則曲線越平緩，表示土中含有許多粗細 不同的粒組，也即粒組的變化范圍寬。曲率系數(shù)c 5 的土稱為不均勻土，反之稱 為均勻土。 從工程的觀點看，土的級配不均勻( c 2 5 ) ，且級配曲線連續(xù)( g = l 3 ) 的 土，稱為級配良好的土，不能同時滿足上述兩個要求的土，即為級配不良的土。 g 越大，煤矸石的可壓密程度越高。 根據(jù)鐵路路基設(shè)計規(guī)范【1 2 1 ，鐵路路基填料級配良好的標準也為：c 5 ，c = l 3 ，由表2 - 5 不均勻系數(shù)g 和曲率系數(shù)c 兩個指標的試驗數(shù)據(jù)可知，本次 試驗所采樣本的鐵路路基煤矸石的粒徑，中間顆粒偏少，級配不良；而張小樓和 龐莊的煤矸石的粒徑分布不均勻，級配良好； 煤矸石在開挖、運輸和堆放過程中受到風化作用，顆粒大小不一，自然級配 一般比較好，從張小樓和龐莊的煤矸石的篩分看，煤矸石粒徑變化范圍較大，顆 3 送礁石圭銎物堡左堂世能試銎班究 粒不均勻，級配情況與碎石土較為相似，是一種良好的路基填料。 煤矸石的粒徑級配隨采樣點的不同，有一定的變化，在實際使用煤矸石作路 基填料的過程中，應(yīng)根據(jù)鐵路工程技術(shù)手冊一路基中所選用的路基填料級配 進行試驗，以找到能夠滿足要求的合理級配。 2 2 煤矸石液塑限聯(lián)合試驗 試驗方法：采用液塑限聯(lián)合測定儀測取煤矸石的液限和塑限。 液、塑限聯(lián)合測定法是根據(jù)圓錐儀的圓錐入土深度與其相應(yīng)的含水率在雙對 數(shù)坐標上具有線性關(guān)系的特性來進行的。利用圓錐質(zhì)量7 6 9 的液塑限聯(lián)合測定應(yīng) 測得在不同含水率下的圓錐入土深度，并繪制其關(guān)系直線圖，在圖上查的圓錐下 沉深度為l o m r a ( 1 7 m m ) 所對應(yīng)的含水率，即為液限，查的圓錐下沉深度為2 m m 所對應(yīng)的含水率，即為塑限， 煤矸石的液塑限聯(lián)合試驗?zāi)康氖沁M行土的工程分類，用塑性指數(shù)，劃分黏性 土，判斷土的狀態(tài)。 煤矸石由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動狀態(tài)的界限含水量叫做液限，是煤矸石處于可 塑狀態(tài)的上限含水量。從半固態(tài)進入可塑狀態(tài)的晃限含水量呢，是煤矸石成為可 塑狀態(tài)的下限含水量。 塑性指數(shù)指液限與塑限的差( j ，= 睨一) ，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變 化范圍。塑性指數(shù)j 。是黏性土塑性的量度。無凝聚性的土不具有塑性，因而j ，= 0 。 試驗結(jié)果見表2 - 6 。 i 圖2 - 5 液限塑限聯(lián)合測定儀 l i 一f i g 2 - 5l i q u i dl i m i ta n dp l a s t i cl i m i tc o n s o c i a t i o nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t i 9 j e 京鑾逼塞亟里焦監(jiān)塞 1 鐵路路基煤矸石液塑限： 鐵路路基煤矸石液限w l = 2 5 0 0 ，塑限w v = 1 9 8 4 ，塑性指數(shù)五嚴5 1 6 。 2 張雙樓煤礦煤矸石液塑限 張小樓煤礦煤矸石液限w l = 4 0 5 9 ，塑限w e = 3 4 3 6 塑性指數(shù)，_ 6 2 3 。 i 0 堪玨五圭要物理左堂掛能試驗硒冠 3 龐莊煤礦煤矸石液塑限 龐莊煤礦煤矸石液限w l = 3 3 0 6 ，塑限聊= 1 5 5 7 ，塑性指數(shù)產(chǎn)1 7 4 9 。 表2 - 6 煤矸石填料的液限、塑限和塑性指數(shù) 類型 液限睨塑限郾塑性指數(shù)厶 鐵路路基煤矸石 2 5 o1 9 8 45 1 6 張小樓煤矸石 4 0 5 93 4 3 66 2 3 龐莊煤矸石 3 3 0 61 5 5 71 7 4 9 由表2 - 6 結(jié)果數(shù)據(jù)可知： 由煤矸石樣品的液限可知鐵路路基煤矸石屬于低液限土，而張小樓煤矸 石屬于高液限土；龐莊煤矸石屬于中液限土。 由塑性指數(shù)j ，可知鐵路路基和張小樓煤矸石屬于粘砂土( 3 l7 ) ； 根據(jù)鐵路路基設(shè)計規(guī)范，粉土、黏性土應(yīng)采用液限含水率睨進行填料分 類，當q o 時，為c 組填料；當?shù)?4 0 時，為d 組填料。 2 3 煤矸石壓碎值試驗 試驗方法：采用集料在連續(xù)增加荷載的作用下，測定煤矸石粗料抵抗壓碎的 能力 煤矸石雖然是一種碎石類土，但由于其中含有一部分泥質(zhì)頁巖。在分層碾壓 和強夯施工過程中這一部分煤矸石會被壓碎，壓碎多少會改變填筑材料的粗細料 j b 塞鑾逼太亟堂僮i 僉窯 比例，從而改變煤矸石填筑路基的壓實特性和其他物理力學特性。通過壓碎值試 驗可以得到煤矸石的壓碎值。 壓碎值按下面公式計算： q d = m ix 1 0 0 ( 2 7 ) 式中；g 壓碎值； 試驗前試樣質(zhì)量，毋 礙試驗后通過2 3 6 n u n 篩孔細料質(zhì)量，g 試驗結(jié)果見表2 7 表2 1 7 煤矸石壓碎試驗值 試驗次數(shù) 試樣總重( g )通過2 3 6 n u n 篩孔質(zhì)量( g ) 壓碎值( 幻 1 3 0 0 0 9 3 03 1 0 0 2 8 2 8 23 0 0 0 7 6 72 5 5 7 所以本試驗中的煤矸石租料的壓碎值為2 8 2 8 。說明在大型壓實機具碾壓下， 材料易于粉碎，碾壓表面較為平整密實，可使煤矸石路基填料級配更為良好。 2 4 煤矸石標準擊實試驗 擊實試驗就是模擬施工現(xiàn)場壓實條件，采用錘擊方法使土體密度增大、強度 提高、剛度增高、沉降變小的一種方法。在一定的擊實效應(yīng)下，如果含水量不同， 則所得的密度也不同，擊實試驗的目的就是測定煤矸石試樣在一定擊實次數(shù)下或 某種壓實功能下含水量與干密度之間的關(guān)系，從而確定煤矸石的最大干密度和最 優(yōu)含水率，為施工控制填料提供設(shè)計依據(jù)。 擊實就是指土體在擊實能量作用下，土顆?？朔w粒間阻力，產(chǎn)生位移，使 土中的孔隙減小，密度增加。由于煤矸石的土質(zhì)、含水量及壓實方法不同，對煤 矸石土的壓實效果也很不一樣，所以，在實際工程中，需要知道在什么樣的含水 量情況下，或什么樣的壓實度情況下，才能將煤矸石的工程性質(zhì)改善到滿足設(shè)計 要求。 壓實度是填土工程的質(zhì)量控制指標，土的壓實度等于士的控制干密度與最大 1 2 堪班五圭要物理左堂性能試驗班宜 于密度的比值。 試驗方法：采用標準重型擊實試驗方法。 圖2 - 9 擊實儀 f i g2 - 9s l u 9 2 i n ga p p a r a t u s 煤矸石混合料在不同的細粗比下得到不同的干密度，見表2 - 8 ，依據(jù)表2 8 的 數(shù)據(jù)繪制煤矸石粗細混合料擊實試驗曲線見圖2 1 0 。 表2 - 8 煤矸石混合料擊實試驗結(jié)果 含水量( ) 9 7 9 1 0 0 7 1 0 6 21 1 2 21 1 7 3 干密度( g e r a 3 ) 1 8 3 1 8 61 9 0 1 8 6 1 8 4 1 9 2 1 9 芒1 8 8 趟1 8 6 街 h - 1 8 4 1 8 2 ，。、 f。 ， f 99 5 1 01 0 5 l l 含水量吖 圖2 - 1 0 煤矸石混合料的擊實曲線 f i g2 - 1 0t h es l u g g i n gs o l i dc u r v eo f c o a lg a n g u em i x t u r e s 依據(jù)圖2 1 0 得出混合料的擊實曲線，求得煤矸石混合料的最佳細粗比為o 5 0 ， 對應(yīng)的最大干密度為2 0 7 9 c r a 3 。 j b 塞鑾遵叁埂堂焦監(jiān)塞 在煤矸石路基施工中，含水量的大小直接影響著壓實度，所以路基材料中應(yīng) 檢測煤矸石含水量的大小。所檢測到的含水量值應(yīng)在最佳含水量士3 范圍內(nèi)，否 則應(yīng)對煤矸石進行加水或晾曬處理。 2 5 煤矸石無側(cè)限抗拉、壓試驗 無側(cè)限抗拉壓強度，是指試樣在無側(cè)向壓力條件下，抵抗軸向拉壓力的極限 應(yīng)力。無側(cè)限抗壓試驗的強度值常作為土體( 特別是軟粘土) 的天然強度值，也 是確定土體靈敏度s t 指標( 土的靈敏度是指原狀土的無側(cè)限抗壓強度與重塑后的 無側(cè)艱抗壓強度之比值) 的主要方法。 無側(cè)限抗壓強度試驗是三軸試驗的一種特殊情況，即周圍壓力仉= 0 的三軸 試驗，所以又稱為單軸試驗，在一般情況下適用于測定飽和粘性土的無側(cè)限抗壓 強度及靈敏度。 試驗方法：在室內(nèi)按一定的壓實度制作好試件，采用路面材料強度試驗儀測 定煤矸石混合料試件的抗壓強度。由于煤矸石試件的抗拉強度很低，故采用劈裂 試驗測其抗拉強度。 圖2 - 1 1 路面材料強度試驗儀圖2 1 2 反力框架機、脫模器 f i g2 - 1 1r o a dp a v e m e n tm a t e r i a l sf i g2 - 1 2a n , i - d i n tf r a m em a c h i n e ， s t r e n g t he x v e r i m e n t a la p p a r a t u s d e m o u l dm a c h i n e 煤矸石混合料的抗拉、壓試驗結(jié)果見表2 - 9 ，根據(jù)表2 - 9 中的無側(cè)限抗壓強度 和抗拉( 劈裂) 強度求得煤矸石混合料在不同壓實度條件下的粘聚力和內(nèi)摩擦角 見表2 1 0 。 堪玨石圭要物理力堂縫能這墜蛆究 表2 - 9 煤矸石混合料抗壓、拉試驗結(jié)果 壓實度( 的 無側(cè)限抗壓強度k p a 抗拉( 劈裂) 強度k p a 9 03 8 2 3 35 9 8 2 9 24 9 9 5 06 5 9 8 9 36 6 6 0 07 5 2 3 9 47 7 0 8 37 4 6 2 9 57 9 5 5 08 8 8 0 表2 - 1 0 煤矸石混合料粘聚力和內(nèi)摩擦角 壓實度( ) 粘聚力c , k p a摩擦角曠 9 07 5 6 24 6 8 4 9 29 0 7 75 0 0 5 9 31 1 1 9 25 2 8 5 9 41 1 9 9 25 5 4 3 9 5 1 3 2 8 95 3 0 5 2 6 煤矸石混合料直剪試驗 煤矸石直剪試驗的目的是測試不同壓實度情況下，煤矸石土的抗剪強度、粘 乏 聚力和內(nèi)摩擦角，用于分析煤矸石路基強度和穩(wěn)定性或其擋土墻的穩(wěn)定性字 土的抗剪強度是指土體對于外荷載所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力。在外荷 載作用下，土體中將產(chǎn)生剪應(yīng)力和剪切變形，當土中某點由外力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力 達到土的抗剪強度時，土就沿著剪應(yīng)力作用方向產(chǎn)生相對滑動，該點便發(fā)生剪切 破壞。工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體 強度破壞的重要特點，因此，土的強度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題。 目前比較簡單而又比較符合實際的是摩爾一庫侖強度理論。庫侖公式表達了 土的抗剪強度f ，。 ，2 c + o t a n q 式中：f ，士的抗剪強度( k p a ) ； c 土的粘聚力( ”a ) ； o r 作用在剪切面上的有效法向應(yīng)力( 1 ( p a ) ； 礦土的內(nèi)摩擦角( 。) 。 韭京套適太亟堂魚j 盒童 從上式中可以看出，抗剪強度數(shù)值取決于煤矸石的性質(zhì)，與土中應(yīng)力狀態(tài)無 關(guān)，一般通過試驗直接確定。最普遍的方法是直接剪切試驗、單軸壓力試驗和三 軸壓力試驗。本文采用直接剪切試驗測定煤矸石混合料的抗剪強度，抗剪強度指 標包括內(nèi)摩擦角與粘聚力兩項，是煤矸石路基設(shè)計的重要指標。 圖2 - 1 3 應(yīng)變控制式直剪儀 f i g2 - 1 3s t r a i nu n d e r c o n t r o ls t r a i g h ts n i p sm a c h i n e 煤矸石混合料直剪試驗結(jié)果見表2 1 l ，根據(jù)試驗得不同壓實度條件下煤矸石 混合料粘聚力和內(nèi)摩擦角見表2 1 2 。 表2 - 1 1 煤矸石混合料直剪試驗結(jié)果 壓實度，壓力p 胭a讀數(shù)o 0 1 m m剪切力s k p a 5 05 21 0 4 1 0 07 8 21 5 6 4 9 02 0 01 0 7 - 32 1 4 6 3 0 01 4 2 32 8 4 6 4 0 01 7 03 4 0 5 05 61 1 2 1 0 08 31 6 6 9 2 2 0 01 1 4 52 2 9 3 0 0 1 6 1 23 2 2 4 4 0 01 9 3 3 8 6 9 35 0 7 6 4 1 5 2 8 l 7 6 41 5 2 8 2 1 3 1 22 6 2 4 縫班石圭墓翅堡左堂往篚試笙班塞 3 0 01 6 2 33 2 4 6 4 0 01 9 93 9 8 r 5 0 6 5 1 3 0 1 0 08 7 1 7 4 9 4 2 0 01 3 8 92 7 7 8 3 0 01 6 23 2 4 4 0 02 0 94 1 8 5 06 5 31 3 0 6 1 0 09 51 9 0 9 52 0 01 3 22 6 4 3 0 0 1 7 4 3 4 8 4 0 0 2 1 04 2 0 表2 4 2 不同壓實度條件下煤矸石混合料粘聚力和內(nèi)摩擦角 壹 t a b2 - 1 2t h ec o h e s i v es t r e n g t ha n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l eo f c o a lg a n g u em i x m r e su n d e r 壓實度粘聚力e k p a內(nèi)摩擦角夠，o 9 07 4 2 53 4 2 2 ” 9 27 9 , 4 73 7 9 2 9 38 53 8 5 8 9 4 9 6 0 93 8 7 7 9 59 9 7 43 9 ，1 2 2 7 煤矸石固結(jié)試驗 土體的變形是孔隙水的流失及氣體體積的減小，顆粒重新排列，顆粒間距離 縮短，骨架體發(fā)生錯動的結(jié)果，而這一過程稱為“固結(jié)”。隨著土體的固結(jié)，土體 的壓縮變形和強度逐漸增長。 用固結(jié)儀測定煤矸石的單位沉降量、壓縮系數(shù)、壓縮摸量、壓縮指數(shù)等。所 得試驗參數(shù)，可用于不同工況的煤矸石路基的沉降量蕷測。 1 7 j e 瘟變運盤亟堂焦i 盆塞 i 圖2 - 1 4 固結(jié)儀 l i旦g 塾豎塑! 塑! 垡! 堂! 墅! 生i 塑 i ( 1 ) 依據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)求得壓實度為9 0 的煤矸石混合料每級荷載下的固結(jié) 參數(shù)見表2 1 3 。 表2 - 1 3 壓實度為帥煤矸石混合科固結(jié)參數(shù) t a b2 - 1 3t h ec o n s o l i d a t i o np a r a m e t e ro f c o a lg a n g u em i x t u r e s 壓力( i d p a )單位沉降量( r a m m ) 壓縮模量( m p a )壓縮系數(shù)( a 1 )壓縮指數(shù) 0 5 2 00 2 6 1 l o o 1 8 9 6 2 1 6 1 8 0 0 8 5 0 ，0 2 8 2 0 0 2 5 0 2 6 2 5 8 20 0 5 30 0 3 0 3 0 0 2 8 8 0 6 3 3 7 5o _ 0 4 lo 0 3 2 4 0 03 1 6 9 3 ( 2 ) 依據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)求得壓實度為9 2 的煤矸石混合料每級荷載下的固結(jié) 參數(shù)見表2 1 4 。 1 3 堪班五圭要物理左堂性能達驗班葒 表2 - 1 4 壓實度為9 2 媒矸石混合科固結(jié)參數(shù) t a b2 - 1 4t h ec o n s o l i d a t i o np a r a m e t e ro f c o a lg a n g a em i x t u r e s 壓力a )單位沉降量( r a m m )壓縮模量( m p a )壓縮系數(shù)( 伊a 1 ) 壓縮指數(shù) o 5 7 2o 2 3 3 l o o3 3 8 8 0 2 0 4 5o 0 6 7 o 0 2 2 2 0 04 3 6 2 5 2 8 6 20 塒70 0 2 7 3 0 0 5 0 4 3 l 3 4 4 20 0 3 8o 0 3 1 4 0 0 5 6 0 0 0 ( 3 ) 依據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)求得壓實度為9 3 的煤矸石混合料每級荷載下的固結(jié) 參數(shù)見表2 1 5 。 表2 - 1 5 壓實度為9 3 煤矸石混合料固結(jié)參數(shù) t a b2 - 1 5t h ec o n s o l i d a t i o np a r a m e t e ro f c o a lg a n g u em i x t u r e s 壓力( k p a ) 單位沉降量( r a m m ) 壓縮模量( m p a )壓縮系數(shù)( m p a 1 )壓縮指數(shù) o 7 1 6o 1 8 2 1 0 01 3 3 7 5 1 8 5 3o d o 0 2 3 2 0 01 8 5 1 4 2 9 9 00 0 4 30 0 2 4 3 0 02 1 6 9 1 3 5 6 7 o 0 3 60 0 2 9 4 0 02 4 3 5 0 1 9 j e 廛窯亟太亟堂僮i 金塞 ( 4 ) 依據(jù)試驗記錄數(shù)據(jù)求得壓實度為9 4 的煤矸石混合料每級荷