未燃煤矸石路基施工及温度变化监测与分析

'公路２０１２年３月第３期ＨＩＧＨＷＡＹＭａｒ．２０１２Ｎｏ．３文章编号：０４５１－０７１２（２０１２）０３－０１２２－０３中图分类号：Ｕ４１６．１文献标识码：Ｂ未燃煤矸石路基施工及温度变化监测与分析姜利１，董建勋１，张锦生２（１．东北林业大学土木工程学院哈尔滨市１５００４０；２．东北林业大学工程勘察设计院哈尔滨市１５００４０）摘要：在对未燃煤矸石进行室内试验和方案设计的基础上，将其作为路基填筑材料应用到改扩建公路路基填筑中去。考虑未燃煤矸石容易发生自燃，为进一步掌握未燃煤矸石路基温度变化，在试验路段埋设了测温元件并定期进行监测。监测结果表明，未燃煤矸石路基未发生明显的温度上升现象，验证了设计方案的科学性和路基的稳定性。最后通过采用数理统计方法分析了未燃煤矸石路基不同季节下温度与深度变化之间的关系，建立了未燃煤矸石路基温度－深度数学模型，通过采用未燃煤矸石进行路基填筑，为进一步利用未燃煤矸石进行路基填筑提供科学依据和技术指导。关键词：未燃煤矸石；施工要点；温度监测；数学模型煤矸石是煤矿开采、煤炭洗选过程中排放的一严重污染了当地环境。为了进一步促进当地煤矸石种黑色固体废弃物，由于长时间的堆积，不但占用了的回收利用，市政府研究决定采用就近的未燃煤矸大量土地，同时污染了当地环境，如何充分利用煤矸石作为路基填筑材料，实现当地经济和环境可持续［１］石，是解决煤矸石堆积的有效途径。随着我国高发展战略的双重需求。速公路的建设，已燃煤矸石作为一种路基填筑材料得到了应用研究；由于未燃煤矸石含有较多的有机２未燃煤矸石路基填筑设计技术要点［２－３］质成分，在堆积过程中容易引起自燃，未燃煤矸石作２．１未燃煤矸石指标控制为路基填筑的应用还处在初步研究阶段。煤矸石作为路基填筑材料应首先选择硬度较大本研究以黑龙江省交通运输厅重点科技项目为的材料。通过对七台河新兴矿煤矸石原材料天然含依托工程，拟对烧失量较大的未燃煤矸石各项力学水率、堆积密度、压碎值、烧失量、承载比、击实等物性能在满足路基施工规范要求的前提下进行路堤填理性质和力学性质进行试验得出：该矿区煤矸石为筑。为了防止未燃煤矸石自燃，同时检验设计方案黑色，５ｍｍ以下细颗粒含量在１０％以下，天然含水的合理性，对未燃煤矸石路基进行了长期温度监测。量为２．０６％，烧失量为２１．６％，自然堆积密度为监测结果表明，煤矸石路基填筑方案能有效防止煤３，压碎值为２８．７％，压实度为９３％的１．３６ｇ／ｃｍ矸石自燃，确保了煤矸石路基稳定性的同时，为未燃ＣＢＲ值为２０．９％、膨胀量为０．１４％，最大干密度为煤矸石进行路基填筑提供科学依据和技术指导。３，最佳含水量为６．７％。１．８９ｇ／ｃｍ试验结果表明：取样的煤矸石存在吸水率较低、１工程概况压碎值较小、强度较高、稳定性高的特点，各项性能七勃公路大个岭～万宝河段改扩建工程是七台均满足施工规范要求。但由于煤矸石烧失量较高，河市“十一五”重点建设项目。其是沟通依兰～七台在堆积过程中可能引起自燃，如何防止煤矸石自燃，河、勃利～七台河两条干线公路的重要通道，也是七是利用煤矸石进行路基填筑的关键。台河市环线的重要组成部分。２．２未燃煤矸石路基设计要点七台河地区煤矸石年平均排放量为２８０万ｔ，累计由于未燃煤矸石堆积过程中容易发生自燃，作贮存总量为３０００万ｔ，占地总面积约为１．３×１０５２，ｍ为路基填筑材料，煤矸石化学成分和性质容易发生基金项目：黑龙江省交通运输厅科技项目，项目编号２００９０２３收稿日期：２０１１－０９－０１ ２０１２年第３期姜利等：未燃煤矸石路基施工及温度变化监测与分析—１２３—［４］改变。为了防止由于外界温度和物理化学作用燃，在综合考虑各种因素的影响后，初步提出了未燃导致的煤矸石强度降低和路基稳定性破坏，同时为煤矸石路基横断面设计方案，见图１。其中设计图了避免煤矸石内部在空气对流作用下会发生氧化自上的测温元件用来监测温度变化。单位：ｃｍ图１未燃煤矸石路基横断面３路基填筑煤矸石现场施工工艺质量控制面平整。未燃煤矸石作为路基填筑材料关键是控制好包（３）路基施工质量检验。边土填筑、现场摊铺碾压和后期质量检测。本研究为了验证煤矸石路基施工质量，对压实后的煤［５－７］结合国内相关研究成果和现场试验路施工，采矸石路段采用贝克曼梁进行了弯沉检测。由表１可取以下几点进行现场施工质量控制。知，未燃煤矸石路基弯沉值明显小于土路基，表明采（１）包边土填筑。用未燃煤矸石进行填筑的路基，其整体强度和稳定包边土填筑的目的是为了防止路基冲刷和煤矸性较好。石风化导致路基稳定性降低。根据设计要求包边土表１不同路基弯沉检测结果厚度在１．０ｍ～２．０ｍ之间，实际填筑过程中采用路基实测弯沉值设计弯沉值压实合格率１．２ｍ的包边土。为了保证包边土与煤矸石得到很类别０．０１ｍｍ０．０１ｍｍ％好的压实，提高路肩与路基之间的衔接效果，根据试土１８７．５６１００验路得出，包边土摊铺厚度比煤矸石大１０％～２２０．１４煤矸石９８．７３１００１５％，待包边土和煤矸石分层填筑整平后方可同步碾压。（２）未燃煤矸石摊铺和压实。４未燃煤矸石路基温度变化监测与分析由于煤矸石存在粗颗粒含量较多和细颗粒含量４．１测温元件的埋设较少的特点，在摊铺过程中要采用机械摊铺以确保考虑煤矸石填筑高度在５．０ｍ以上，为了能全路基整体平整性，以利于煤矸石压实。在碾压过程面监测煤矸石路基内部温度变化状况，通过机械成中为了避免出现压实不均的现象，首先采用静压孔的方式，在距地表分别为０．５ｍ、１．５ｍ、２．５ｍ、２遍，然后根据试验路确定的４～６遍的振动碾压进３．５ｍ和４．５ｍ不同深度处埋设测温元件。同时在行现场压实。当最后２遍振动碾压后的路基沉降差旧路同一横断面土路基部位按同样深度埋设了测温小于３ｍｍ时，路基压实度即基本满足要求。在振元件，用于对比分析未燃煤矸石是否发生温度升高，动碾压完成后需进行１～２遍的静压，以确保路基表评价施工方法的可行性。当测温元件埋入孔内后用 —１２４—公路２０１２年第３期细砂将管孔密封填实。具体测温元件埋设位置见首先在实测的不同季节下煤矸石路基温度－深图１所示的未燃煤矸石路基横断面图中的温度元件度之间建立关系曲线，如图４所示。布设。４．２温度观测结果整理通过对填筑的未燃煤矸石路基进行长达１年的温度监测，得到了未燃煤矸石路基和同一横断面土路基温度变化结果，如图２和图３所示。图４煤矸石路基温度—深度变化曲线由图４可以看出：煤矸石内部温度随深度变化为非线性变化趋势。对于这种非线性关系首先建立数学模型，如公式（１）所示。２Ｑ＝ａＨ＋ｂＨ＋ｃ（１）式中：Ｑ为煤矸石路基不同深度下的温度，℃；ａ、ｂ、ｃ为公式修正参数；Ｈ为距地表深度，ｍ。４．３．２数学模型合理性验证从建立的公式（１）模型可知，煤矸石路基温度—深度曲线呈现出二次曲线变化规律。首先要将实测数据通过数理统计方法代入公式（１），求得深度与温度之间的曲线关系，然后计算相关系数验证两者之间的线性关系。代入公式（１）后的计算结果如表２从实测结果可以看出：未燃煤矸石路基温度与所示。土路基温度一样，随季节温度降低而降低，随季节温度升高而升高；测温元件埋设越浅，温度随季节变化表２温度－深度拟合公式及相关系数统计越明显。时间／（年－月－日）拟合公式相关系数Ｒ２未燃煤矸石路基温度和土路基温度相比没有明２２０１０－１０－０９Ｃ＝－０．４４３ｈ＋２．１４ｈ＋１４．３４０．９９３５显的升温现象，未燃煤矸石路基内部最高温度仅为２０１０－１０－２３Ｃ＝－０．８８６ｈ２＋５．２３ｈ＋８．２４０．９８５４ｏ２７．８Ｃ，远小于大气温度。通过对路面进行调查未２０１０－１１－１８Ｃ＝－０．８７９ｈ２＋６．４８ｈ＋１．５６０．９９８２发现破坏现象，表明采用未燃煤矸石进行路基填筑２０１０－１２－２０Ｃ＝－０．７７９ｈ２＋６．９６ｈ－４．７５０．９９９采取的施工工艺不但能有效防止煤矸石氧化自燃，２０１１－０２－２２Ｃ＝－０．２ｈ２＋４．１ｈ－６．６８０．９８６２２０１１－０４－０６Ｃ＝０．２９３ｈ２－０．１９ｈ－０．８２０．９６２５同时有利于路基整体稳定性。２０１１－０５－０２Ｃ＝０．６０７ｈ２－３．０９ｈ＋５．７１０．９７８４４．３煤矸石路基温度与深度变化规律研究２０１１－０６－０１Ｃ＝１．４ｈ２－９．３２ｈ＋１８．２１０．９７３３由于未燃煤矸石作为一种路基填筑材料，其温２０１１－０７－０１Ｃ＝０．９８６ｈ２－７．８５ｈ＋２２．６１０．９６１５度的变化直接影响到路基内部含水量和路基的稳定２０１１－０７－２５Ｃ＝１．０３６ｈ２－８．８５ｈ＋２９．２６０．９８８９性。为进一步研究煤矸石路基内部温度随深度变化２０１１－０８－２８Ｃ＝０．０３６ｈ２－３．１７ｈ＋２４．７５０．９９６８的规律，需要对实测温度数据建立数学模型然后采用数理统计方法进行相关性分析。通过将实测数据代入数学模型后的计算结果可４．３．１煤矸石路基温度－深度变化曲线分析知：不同季节下通过实测温度建立的温度—深度二 公路２０１２年３月第３期ＨＩＧＨＷＡＹＭａｒ．２０１２Ｎｏ．３文章编号：０４５１－０７１２（２０１２）０３－０１２５－０３中图分类号：Ｕ４１６．１文献标识码：Ｂ粉煤灰路堤稳定性对比分析魏建明，翟林（重庆交通大学土木建筑学院重庆市４０００７４）摘要：利用传统极限平衡法分析路堤稳定性时需要预先假定路堤的潜在滑动面。为确定粉煤灰路堤的破坏形式，首先以平面滑动面为假设，在此假设下求出路堤安全系数的一般解，再结合依托工程对特定粉煤灰路堤进行分析计算，并和同济曙光、ＳＬＯＰＥ、ＰＬＡＸＩＳ、ＦＬＡＣ等基于平衡理论或数值模拟的岩土软件的计算结果进行对比，结果表明粉煤灰路堤的破坏形式为近似圆弧滑动破坏，进行稳定性分析时采用简化毕肖普法是合适的，而用平面滑动面作为稳定性分析的假设，分析结果的误差很大。关键词：稳定性；粉煤灰路堤；圆弧滑动面；平面滑动面［１］路基稳定性分析，是路基设计的重要部分，是路步。其常假设滑动面为平面或圆弧面。对粉煤灰基设计的基础。路基的稳定，涉及到岩土工程性质路堤稳定性的验算而言，《公路粉煤灰路堤设计与施与结构，边坡高度与坡度，施工质量和工程经济性等工技术规范》（ＪＴＪ０１６－９３）规定采用平面滑动面或［２］多方面因素。目前的路堤稳定验算方式主要分为极圆弧滑动面进行验算均可。本文就两种假设下的限平衡法和数值分析法两种。极限平衡法在计算路粉煤灰路堤进行验算，并且和同济曙光、ＳＬＯＰＥ、堤稳定性时需预先假定路堤的潜在滑动面形式，路ＰＬＡＸＩＳ、ＦＬＡＣ等知名岩土软件的计算结果进行堤究竟以什么形态破坏是进行稳定性分析的第一对比，以期确定合理滑动面形式。基金项目：贵州省交通运输厅科技项目收稿日期：２０１１－０９－２３檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿次曲线模型具有较高的相关性。公式中的参数ａ、填筑施工质量的前提下，防止了未燃煤矸石氧化自ｂ、ｃ随外界温度变化而变化，除４月份和７月份采用燃的发生，为未燃煤矸石的合理利用提供了科学依公式（１）计算的结果相关系数在０．９７以下，其他结据和技术指导。果均在０．９７以上，具有较高的相关性。这说明建立的温度－深度二次曲线模型能很好地反映未燃煤矸参考文献：石路基内部温度随深度变化的关系。通过两者之间［１］邱钰，缪林昌，刘松玉．煤矸石在道路建设中的应用研关系的建立，为以后进一步研究未燃煤矸石温度变究现状及实例［Ｊ］．公路交通科技，２００２，１９（２）：１－５．［２］ＪＴＧＥ４０—２００７公路土工试验规程［Ｓ］．化对路基稳定性的影响提供科学依据。［３］ＪＴＧＦ１０—２００６公路路基施工技术规范［Ｓ］．［４］李宗耀．寒冷地区综合利用煤矸石筑路技术研究５结语［Ｄ］．长安大学，２００８．未燃煤矸石是一种工业固体废弃物，如果将其［５］李秀莲，吴盛伟．煤矸石在高速公路路基中的应用应用到路基填筑中，不但可以解决路基填筑取土难［Ｊ］．路基工程，２００９，（４）：１８７－１８９．的问题，同时有利于降低工程造价和减少煤矸石对［６］刘元泉等．用煤矸石填筑高速公路路基［Ｊ］．公路，环境的污染。２００５，（１０）：８２－８５．通过对未燃煤矸石采用分层碾压、包边土防止［７］周勇，吴立坚，刘传生，等．新建高速公路高填石路基煤矸石与气体的对流氧化自燃等措施，在确保路基碾压试验研究［Ｊ］．公路，２０１０，（２）：７１－７４．'