張清峰

(江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇無錫 214122)

0 引言

煤矸石是煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物,煤矸石每年的排放量相當(dāng)于當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的 15%～20%,全國每年產(chǎn)生的煤矸石約 1.5～2.0億 t。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國煤礦目前已累計煤矸石山1 500多座,堆存量達(dá) 40多億 t,占地 1.33萬 h m2,而且每年還以約 1億 t的速度遞增,新增占地約 400 h m2。而煤矸石的綜合利用率尚不到 15%,數(shù)量眾多的矸石山不僅侵占大量耕地,而且還會產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題[1]。采用強(qiáng)夯法對結(jié)構(gòu)松散的煤矸石場地進(jìn)行加固密實處理,然后用作建筑用地,現(xiàn)已在全國多個礦區(qū)推廣應(yīng)用,取得了大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。國內(nèi)的一些學(xué)者通過試驗手段,研究了煤矸石地基的強(qiáng)度特性、動力特性、破碎特性和分層振動碾壓特性,為煤矸石在地基中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

由于目前沒有用強(qiáng)夯法加固煤矸石地基的整套理論和計算公式,有關(guān)強(qiáng)夯加固煤矸石地基可檢索到的文獻(xiàn)主要集中于工程實例,機(jī)理研究很少。通常是參考強(qiáng)夯法處理碎石土場地地基的經(jīng)驗。但是,煤矸石是一種松散堆積物,在顆粒結(jié)構(gòu)和巖性組成上有特殊性,使其在物理力學(xué)性質(zhì)、壓密性等方面與其它松散介質(zhì)相比有明顯差異。破碎壓密是土的工程壓密研究中比較特殊的問題,盡管國外在煤矸石工程利用的實踐中已積累了不少成功的經(jīng)驗,但關(guān)于矸塊破碎程度與壓密效果關(guān)系問題目前仍有各種不同的觀點。這個問題涉及到施工設(shè)計和施工質(zhì)量控制,是煤矸石破碎壓密處理技術(shù)中的關(guān)鍵理論問題。

強(qiáng)夯法加固地基的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明,由于強(qiáng)夯機(jī)理的復(fù)雜性,到目前為止,不論國內(nèi)或國外,強(qiáng)夯法仍停留在經(jīng)驗設(shè)計階段,嚴(yán)格的強(qiáng)夯模型和理論計算分析并不多。強(qiáng)夯法的理論研究正處于發(fā)展階段,而且研究主要是針對不同性狀的土進(jìn)行的,對煤矸石地基的加固機(jī)理的研究較少,可以說強(qiáng)夯加固煤矸石地基理論研究遠(yuǎn)落后于工程實踐。因此,本文通過物理模型試驗對強(qiáng)夯過程中的矸塊破碎特點、動力壓密機(jī)制、強(qiáng)夯后煤矸石地基的承載力等做進(jìn)一步研究,以推進(jìn)強(qiáng)夯加固煤矸石地基廣泛應(yīng)用。

1 物理模型試驗設(shè)計

根據(jù)相似理論,推導(dǎo)相似準(zhǔn)則,為簡化模型試驗條件,模型試驗采用與原型相同的材料,綜合考慮模型試驗臺的規(guī)模,煤矸石的顆粒組成特點,測量系統(tǒng)的精度等因素,確定模型試驗的幾何縮比為 CL=10。對夯錘質(zhì)量為 25 t,夯擊能分別為 2 000 k N·m、2 500 k N·m、3 000 k N·m、3 500 k N·m、4 000 k N·m分別做模型試驗,根據(jù)相似準(zhǔn)則和模化設(shè)計,最后確定模型試驗的夯錘為 0.025 t,落距分別為 0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和 1.6 m。試驗臺高1 000 mm,它由兩個兩塊直徑為φ 410 mm、高 500 mm、厚 10 mm半圓弧板和厚 10 mm的底板通過 M16螺栓聯(lián)結(jié)組成,在半圓弧板外部焊有加固筋板。與地震或機(jī)器振動的周期性循環(huán)荷載不同,強(qiáng)夯是間歇性沖擊荷載。因此,為模擬沖擊荷載作用下煤矸石地基的動力學(xué)特征,需采用落錘加載。用吊車將夯錘提到預(yù)定的高度,然后使其做自由落體運動。重錘為鋼筋混凝土錘,外殼為鋼管,鋼管厚度為10 mm,頂面鋼板厚 10 mm,底面鋼板厚 10 mm,頂面與底面鋼板和鋼管采用焊縫連接。鋼管內(nèi)澆筑混凝土,混凝土等級為 C 30。為了使重錘落下時不發(fā)生偏斜,設(shè)計成孔半徑為 12 mm的穿心錘,使重錘從導(dǎo)桿上落下。

模型試驗整個過程為:①先測定夯前煤矸石的級配情況、干密度、含水量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和承載力。②為了模擬現(xiàn)場實際情況,分層填煤矸石,人工分層夯實,分層夯實后的厚度除最底層控制在200 mm,其余各層均控制在 150 mm。③調(diào)試儀器,使落錘從預(yù)定高處自由落下,每夯一擊后,用直尺量其夯沉量,當(dāng)最后兩擊的平均夯沉量 ＜5 mm時,即停止夯擊。④停止夯擊后,拆卸煤矸石,量測各層夯錘下煤矸石移動變形量以求干密度。⑤取樣的位置如圖1所示:測定夯后煤矸石的級配情況、干密度、黏聚力、彈性模量、承載力。⑥改變夯擊能,重復(fù)操作②～⑤。

圖1 取樣位置(單位:mm)

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 強(qiáng)夯前后級配曲線的變化

強(qiáng)夯前,大顆粒之間架空的空洞很多,結(jié)構(gòu)松散而不均勻。強(qiáng)夯以后煤矸石經(jīng)過沖擊和破碎,原大顆粒之間架空的空隙被破碎顆粒和小顆粒充填和壓實。粗大矸塊被破碎,煤矸石粗顆粒減少,細(xì)顆粒增加,矸石地基由松散變得均勻密實。夯坑形狀為橢球形,且有一定隆起,夯坑體積隨夯擊能、夯擊次數(shù)的增大而增大。由級配曲線變化可以看出,強(qiáng)夯導(dǎo)致大粒徑矸塊的破碎效果明顯,細(xì)小顆粒含量比例的增大幅度較大,級配狀況得到明顯改善,強(qiáng)夯加固效果明顯。強(qiáng)夯前,不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)的平均值分別為 5.47和 0.83,表明夯前煤矸石級配較差。強(qiáng)夯后,不均勻系數(shù)、級配系數(shù)的范圍分別為 5.23～7.20及0.83～1.35,平均值分別為 6.11和 1.07,表明夯后煤矸石級配有了顯著的改善,達(dá)到了良好級配的要求。粒徑 ＞26.5 mm的矸塊含量明顯減小,粒徑 ＜26.5 mm以下的各粒組含量有不同程度的增加,細(xì)料與粗料的重量比 km隨夯擊能的增大而增大,對同一夯擊能,細(xì)料與粗料重量比km隨深度的增大而減少,說明強(qiáng)夯對煤矸石粗大顆粒的破碎程度隨夯擊能的增大而增大,而同一夯擊能隨深度的增大而減少。

2.2 強(qiáng)夯后干密度與深度的關(guān)系

隨著深度的增加,強(qiáng)夯作用下煤矸石的豎向變形量也隨之減少,表明夯擊能的傳遞,隨深度的增加而逐漸減弱。根據(jù)夯錘下各層煤矸石的豎向變形量,計算出不同位置的不同夯擊能的干密度(見圖2)。由圖2可以看出,強(qiáng)夯前,煤矸石的干密度平均值為 1.60 g/cm3。強(qiáng)夯后,煤矸石的干密度有了較大的增長,增長幅度隨單擊夯擊能的增大而增大。且同一夯擊能作用下,干密度的增長幅度隨深度的增加而逐漸減小,近似按負(fù)冪指數(shù)規(guī)律變化。具體如表1所示。

圖2 干密度隨深度變化曲線

表1 強(qiáng)夯后不同夯擊能作用下的煤矸石干密度

2.3 黏聚力的變化

強(qiáng)夯前后的不同位置不同夯擊能的煤矸石的黏聚力見圖3。

由圖3可看出,不同的夯擊能作用下,強(qiáng)夯后煤矸石的黏聚力有了較大的提高。強(qiáng)夯前煤矸石的黏聚力為 14.05 k P a,強(qiáng)夯后黏聚力提高的幅度隨夯擊能的增加而增加,在同一夯擊能作用下,提高的幅度隨深度的增加而減小。具體見表2。

表2 強(qiáng)夯后不同夯擊能作用下的煤矸石黏聚力

2.4 彈性模量的變化

強(qiáng)夯前后的不同位置的不同夯擊能的煤矸石的彈性模量見圖4。由圖4可看出,強(qiáng)夯前,煤矸石的彈性模量平均值為 22.43 MPa。強(qiáng)夯后,煤矸石的彈性模量有了較大增長,且彈性模量的增長幅度隨深度的增加而逐漸減小,近似按負(fù)冪指數(shù)規(guī)律變化。根據(jù)強(qiáng)夯前后不同夯擊能作用下的矸石地基的平均壓實度可推算其彈性模量。具體見表3。

圖4 不同取樣位置的彈性模量

表3 強(qiáng)夯后不同夯擊能作用下的煤矸石彈性模量

2.5 夯后煤矸石地基承載力評定

天然煤矸石結(jié)構(gòu)松散,空隙率大,承載力低,不能滿足設(shè)計要求。對其進(jìn)行強(qiáng)夯加固,主要是提高其承載能力。因此,承載能力是評價加固處理效果的一個重要指標(biāo)。強(qiáng)夯后不同壓實度的煤矸石地基的 P—S曲線見圖5。

圖5 不同壓實度 K的煤矸石地基 P—S曲線

強(qiáng)夯后煤矸石地基的承載力隨著夯擊能的增大而顯著增大,根據(jù)強(qiáng)夯前后不同夯擊能作用的煤矸石地基的平均壓實度可推算其容許承載力。具體見表4。

表4 強(qiáng)夯后不同夯擊能作用下的煤矸石容許承載力

3 結(jié)論

強(qiáng)夯后煤矸石地基的物理力學(xué)性質(zhì)較夯前有較大改善,加固效果明顯。強(qiáng)夯加固范圍內(nèi),煤矸石的密實度、彈性模量、黏聚力、承載力有了較大的增長,其增長的幅度隨夯擊能的增加而增加,在同一夯擊能作用下,隨深度的增加而逐漸減小,近似按負(fù)冪指數(shù)規(guī)律變化。彈性模量、黏聚力、密實度與承載能力有較好的相關(guān)性,即在強(qiáng)夯沖擊荷載作用下,隨著彈性模量、黏聚力、密實度的提高,承載能力也相應(yīng)地提高。

采用室內(nèi)物理模擬試驗研究強(qiáng)夯作用下煤矸石地基的有效加固范圍和夯后地基承載性能,優(yōu)化設(shè)計指導(dǎo)施工是一種嘗試,由于受試驗條件的限制,必須對煤矸石作必要的處理(去除粗大矸塊和采用相似級配進(jìn)行縮尺),使試驗中所用的矸石試樣與天然狀態(tài)的煤矸石在粒度構(gòu)成上存在一定差別。這些環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)由人為和設(shè)備因素引起的誤差。盡管如此,作為一種模擬性質(zhì)的試驗,試驗的結(jié)果能夠反映煤矸石工程性質(zhì)的基本特征,對于認(rèn)識和了解煤矸石在不同夯擊能條件下的破碎密實情況和加固范圍具有一定的意義。

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