安斌， 惠冰， 尚勇， 郭慶輝， 崔言繼， 宋海民

(1.中建八局 第一建設(shè)有限公司， 山東 濟南 250100；2.山東省交通科學研究院， 山東 濟南 250104)

煤矸石工業(yè)廢渣長期堆放，不僅占用耕地，而且對周邊環(huán)境造成污染。將煤矸石作為路基填筑材料加以利用，可節(jié)約工程成本，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，實現(xiàn)生態(tài)保護和綠色發(fā)展。歐、美地區(qū)對煤矸石填筑路基的研究較多，且工程應用廣泛。中國也取得了一定理論和實踐應用成果，如姜振泉等研究了煤矸石的破碎壓密作用機制；劉松玉等分析了煤矸石顆粒破碎特點，并對其工程力學特性開展了研究；姜景山等針對粗顆粒土開展二維模型室內(nèi)試驗，得出了一系列成果。但對煤矸石路基空隙率的研究甚少。煤矸石路基碾壓時，壓路機能量向煤矸石顆粒傳遞，強度低的煤矸石顆粒產(chǎn)生破碎，粗顆粒作為一種脆性非均質(zhì)材料內(nèi)部存在很多空隙，在機械強動力作用下，空隙擴展為微裂紋，將產(chǎn)生非彈性變形，經(jīng)過振壓后，能量慢慢積聚最終導致微裂紋向大裂紋貫通，直至發(fā)生粗顆粒破碎。針對煤矸石路基顆粒重塑的問題，該文基于計算機圖像處理技術(shù)開展煤矸石路基單一平面空隙率研究。

1 工程概況

京滬(北京—上海)高速公路一標段二分部位于山東省萊蕪市境內(nèi)。該項目屬于改擴建工程，擴建段采用整體式路基，寬度拓寬至42 m；新建段采用單幅分離式路基，寬度20.75 m。建設(shè)初期，由于路基填筑過程中遇到土源緊張問題，為保障工程進度，采用煤矸石作為路基填筑材料。

現(xiàn)場煤矸石堆場具有以下特點：1) 煤矸石已存放40年左右；2) 煤矸石分布較均勻；3) 料源豐富，經(jīng)現(xiàn)場探勘并粗略計算，為107萬m3；4) 煤矸石已充分自燃；5) 煤矸石與項目有效距離較短，取料、運輸方便(見圖1)。

圖1 現(xiàn)場煤矸石料場

2 煤矸石路基顆粒級配變化特點

煤矸石由于存放時間較長，在暴露的空氣中會發(fā)生物理、化學及生物等作用，其物理力學特征變化顯著。煤矸石作為路基填筑材料，碾壓條件下其顆粒級配也會發(fā)生變化。根據(jù)文獻[6]，不均勻系數(shù)Cu≥5且曲率系數(shù)Cc為1～3 時，煤矸石的級配良好；Cc<1或Cc>3 時，煤矸石的級配不連續(xù)。隨機選取煤矸石路基，取3個點進行取樣，對碾壓前后煤矸石路基開展顆粒級配分析，結(jié)果見圖2、表1。

圖2 碾壓后煤矸石路基顆粒分析

表1 碾壓前后煤矸石路基顆粒級配分析結(jié)果

由表1、表2可知：碾壓前煤矸石路基顆粒級配不連續(xù)，碾壓后煤矸石路基顆粒級配良好。顆粒向好的方向發(fā)展，說明在碾壓過程中粗顆粒被壓路機振碎并補充到細顆粒中，粗、細顆粒存在動態(tài)變化，發(fā)生顆粒級配重新分布現(xiàn)象。

3 煤矸石路基單一平面空隙率探討

為研究煤矸石碾壓后顆粒分布特征，揭露煤矸石顆粒重塑后的顆粒特點，借助現(xiàn)代拍照和計算機技術(shù)，對煤矸石振壓后顆粒分布的典型區(qū)域進行定位拍照，再運用計算機技術(shù)對照片進行處理，以圖片為函數(shù)對象導入計算模型中，模型寬度為3 951 px，高度為2 577 px，其中x、y坐標范圍均為0～1 m；顏色標定采用自動縮放比例，線性內(nèi)插及常數(shù)外推處理。圖3為粗、細顆粒基本均勻分布狀態(tài)，圖4為以細顆粒為主的分布狀態(tài)，圖5為以粗顆粒為主的分布狀態(tài)。

圖3 粗、細顆粒均勻分布

圖3～5中，顏色比色圖中的1.0代表粗顆粒的映像函數(shù)，0.1及以下代表空隙的映像函數(shù)，其他顆粒的映像函數(shù)為由細顆粒向粗顆粒逐漸遞增的連續(xù)分布。

圖4 細顆粒為主分布

圖5 粗顆粒為主的分布

為進一步研究煤矸石填筑路基顆粒分布特性，在圖像解析函數(shù)表達后，分別取y=0、y=0.5、y=1.03個線上顆粒空隙分布(見圖6～8)，沿x向?qū)障哆M行積分計算。

圖6 y=0條件下顆?？障斗植?/p>

圖7 y=0.5條件下顆?？障斗植?/p>

圖8 y=1.0條件下顆?？障斗植?/p>

以圖7為例，空隙率n為：

式中：f(x)為空隙率分布函數(shù)。

f(x)=1時，有：

f(x)=0時，有：

以上兩個公式滿足煤矸石填筑路基空隙率函數(shù)分布特征，f(x)=0時，顆粒之間膠結(jié)密實，不存在空隙率，n=0；f(x)=1時，不存在顆粒，全部為空隙，n=1。

依據(jù)以上公式，將微積分和有限差分相結(jié)合，計算煤矸石路基單一平面空隙率,結(jié)果如下：y=0時，n=32.8%；y=0.5時，n=34.4%；y=1.0時，n=41.9%。

表2為室內(nèi)試驗所得煤矸石路基的空隙率。將煤矸石路基單一平面空隙率與室內(nèi)試驗煤矸石路基空隙率進行對比(見圖9)，兩者具有一定相關(guān)性，且數(shù)據(jù)離散性較小。可為現(xiàn)場碾壓后煤矸石路基空隙率提供參考。

表2 室內(nèi)試驗煤矸石路基空隙率

圖9 煤矸石路基單一平面空隙率與室內(nèi)試驗煤矸石路基空隙率對比

4 結(jié)論

(1) 碾壓前煤矸石路基顆粒級配不連續(xù)，碾壓后煤矸石路基顆粒級配良好。顆粒向好的方向發(fā)展，說明碾壓過程中粗顆粒被壓路機振碎并補充到細顆粒中，粗、細顆粒產(chǎn)生動態(tài)變化，發(fā)生顆粒級配重新分布現(xiàn)象。

(2) 煤矸石路基單一平面空隙率與室內(nèi)試驗煤矸石路基空隙率具有一定相關(guān)性，且數(shù)據(jù)離散性較小?？蔀楝F(xiàn)場碾壓后煤矸石路基空隙率提供參考。