煤矸石路基填料的筛分与渗透分析

2024（4）总第1497期
引言
长期以来，煤矸石一直被视为污染源和废弃物，被忽略和遗忘。

然而，随着科技的不断进步以及对环境可持续性的更高关注，人们开始重新审视煤矸石，并认识到其潜在的再利用价值。

煤矸石作为路基填料的概念引发了广泛兴趣，这种做法不仅有助于减少煤矿废物的积累，还可以降低道路建设的成本，同时减少对自然资源的依赖。

然而，要成功将煤矸石用于道路建设，必须经过严格的实验研究，以充分了解其物理和工程性质[1]。

本研究的目标在于深入探讨煤矸石作为铁路路基填料的性能。

通过筛分试验，测定级配煤矸石的性能指标，确定煤矸石中各粒组颗粒的相对含量，得出煤矸石的级配特点，并提出改善级配便于压实的措施。

通过渗透试验，测试煤矸石在最佳击实状态下的渗透性能。

通过筛分试验和渗透试验，我们将研究煤矸石的工程特性，以揭示其在道路建设中的潜在应用价值。

这两项关键实验将为我们提供深刻的洞察，使我们更好地理解煤矸石在道路建设领域的角色和潜力，进一步促进可持续基础设施建设的实现[2]。

一、筛分试验
在筛分试验中共取三组煤矸石样品。

分别记为：煤矸石1号、煤矸石2号、煤矸石3号。

将各材料放入电热干燥箱，控制温度在105℃~110℃，进行烘干。

选用干筛法开展筛分实验。

根据实验结果按下式
计算不均匀系数：
C u =d 60/d 10
（1）
式中：C u ———不均匀系数；
d 60———限制粒径，即土中小于该粒径的颗粒质量为60％的粒径，mm；
d 10———有效粒径，即土中小于该粒径的颗粒质量为10％的粒径，mm。

图1煤矸石级配曲线
煤矸石级配曲线如图1，通过分析三组煤矸石图表数据，都是连续级配[3]。

煤矸石1号的不均匀系数平均值为C u =10.3，曲率系数=1.3，为良好级配，按工程性能和级配特征定名该煤矸石为良好级配粗角砾，填料组别为A1。

该组
应用技术交流
煤矸石路基填料的筛分与渗透分析
李兴虎
中铁四局集团第六工程有限公司
摘
要：筛分试验及级配曲线能直观反映煤矸石作为路基填料可以达到的密实程度，本文通过渗透试验
对煤矸石的渗透系数进行了分析，且定性分析最佳压实状态下煤矸石填料的空隙率，
也通过分析煤矸石填料作路基的渗透系数，从而达到指导路基分层铺筑压实工序的效果。

并且通过分析筛分与渗透数据，比较了3种不同煤矸石作路基填料的差异。

并引入分形级配曲线图与不均匀系数的对比，
从两个角度说明三种煤矸石填料是优秀级配。

关键词：煤矸石；筛分试验；渗透试验；分形级配；不均匀系数
·
·
2024（4）总第1497期
煤矸石颗粒尺寸在10mm~60mm 区间内所占质量比重最大；其次是处于2mm~5mm 区间内的质量比重；最后是尺寸大于60mm 及小于2mm 的质量比重。

煤矸石2号的不均匀系数平均值为C u =5.1，曲率系数=1.2，为均匀级配，按工程性能和级配特征定名该煤矸石为均匀级配中角砾，填料组别为B2。

该组煤矸石颗粒尺寸在5mm~40mm 区间内所占质量比重最大；其次是处于40mm~60mm 及2mm~5mm 区间内的质量比重；最后是大于60mm 及小于2mm 的质量比重。

与1号煤矸石相比，粗粒径含量相对较少，细粒径含量较少，不均匀系数较小。

煤矸石3号的不均匀系数C u =6.4，曲率系数=1.4，为均匀级配，按工程性能和级配特征定名该煤矸石为均匀级配粗角砾，填料组别B2。

该组煤矸石颗粒尺寸在10mm~40mm 区间内所占质量比重最大；其次是处于2mm、5mm、40mm 筛孔尺寸上的质量比重；最后是小于2mm 及大于60mm 的质量比重。

相对于1号煤矸石和2号煤矸石，其小于10mm 孔径土占总质量的百分比最小，即小于10mm 的细粒土含量相对较少。

通过对比三组煤矸石发现，其中煤矸石1号的不均匀系数最大，即在成型密实的情况下，其空隙率最小。

煤矸石3号相对于1号、2号，其小于10mm 的细粒土含量较少，在相同成型的条件下，其粗颗粒之间形成的空隙只有较少的细粒土填充，空隙率较大。

在以煤矸石作为路基填料，对空隙率有一定要求的铁路路基工程中可以考虑煤矸石3号，如图2所示。

图2不同粒径区间及分形维数对应的分形级配曲线
二、煤矸石的渗透试验（一）试验过程1.试验主要仪器及方法
使用常水头渗透系数测试仪来测试煤矸石的渗
透系数（如图3）。

由于煤矸石要作为路基填料，应测试最佳击实状态下的渗透系数。

故初步计划定制内径为10cm，高为40cm 的钢桶作为击实桶，通过重型击实试验获取煤矸石的击实曲线，然后控制最佳含水率进行重型击实，获取最大干密度的煤矸石试样，然后直接用该金属封底圆筒进行渗透试验[4]。

由于现场采集的煤矸石块很多都是大粒径，根据级配可知粗集料大约占90%~95%，细集料大约占10%~5%，所以在渗透试验中选取约95%的粗集料，5%的细集料进行试验，并得出相关渗透系数。

图3常水头渗透仪
2.试验指标
由于材料粒径较大，渗透系数较大，故计划采用常水头法测定渗透系数k ，按下式计算煤矸石散体渗透系数：
k =Ql
Aht
（2）
式中：k —渗透系数，cm/s；
A —试样横截面积，cm 2；l —渗流路径（即试样高度）
cm；
h —常水头，cm；t —渗流时间，s；
Q —t 时间内的渗透水量，cm 3。

·
·
2024（4）总第1497期
应用技术交流
（二）试验分析
由本试验采用常水头渗透试验法，测定了三种不同的煤矸石的渗透系数。

试验过程中，分别在三个不同的水力坡降下，测量了三种煤矸石的渗透流量，然后根据达西定律，计算了每种煤矸石在每个水力坡降下的渗透系数，最后取三个渗透系数的平均值作为该种煤矸石的渗透系数[5]。

试验结果如表1和图4所示。

表1煤矸石渗透记录表
根据表1的数据，煤矸石3号的试样具有最高的密度，为1.85g/cm 3，表明在相同的击实功下，煤矸石3号的压实度优于其他两种煤矸石，其次是煤矸石1号，而煤矸石2号的压实度最低。

同时，煤矸石3号的渗透系数也最高，为1.5cm/s，表明煤矸石3号的渗透性最好，其次是煤矸石1号，而煤矸石2号的渗透性最差。

由此可见，煤矸石的密度和渗透系数之间存在着一定的正相关关系，即密度越高，渗透系数越大，渗透性越好。

三种煤矸石的密度和渗透系数之间存在着正相关关系，密度越高，渗透系数越高，渗透性越好。

此外，三组煤矸石的透水程度均为高渗透性，排水性好。

图4不同水力坡降下20℃时煤矸石渗透系数
三、结论
筛分试验及级配曲线较为直观反映煤矸石作为路基填料可以达到的密实程度，在此次试验中通过渗透试验测得煤矸石的渗透系数，以此来定性分析在最佳压实状态下煤矸石填料的空隙率。

通过颗粒级配具有分形特征这一特点，根据已有研究所得的分形级配曲线图与筛分级配曲线图对比，表明三种煤矸石的级配都是优秀的设计级配。

与不均匀系数量化法所确定的级配类型相一致。

从级配类型上看，该类煤矸石作为路基填料合格。

良好和均匀的级配保证其在作为路基填料时成型密实均匀且空隙率较小，路基稳定。

根据常水头法测定出来的该材料的渗透系数都大于1，表明该类煤矸石击实成型后透水性好，在铁路路基工程中，可根据降雨量选择该类煤矸石作路基填料，但也要关注煤矸石本身的抗冲刷及崩解，以防在雨水冲刷作用下造成路基强度降低。

由筛分试验和渗透试验所得的数据分析，在路基成型工序中，可以适当增加压实功。

在分层击实时，可以在不同击实层处采用不同煤矸石铺筑。

其中，由于煤矸石3号细颗粒较少，空隙率较大，渗透系数较大，因此在排水性能上要优于煤矸石1号和煤矸石2号铺筑的铁路路基，当铁路路基经过降雨量较大的地区及对排水有要求的地区时，宜选用煤矸石3号作为路基填料。

且煤矸石3号的压实度最好，更易密实成型。

参考文献：
[1]周楠,姚依南,宋卫剑,等.煤矿矸石处理技术现状与展望[J].采矿与安全工程学报,2020,37(01):136-146.
[2]张华林,滕泽栋,江晓亮,等.废弃煤矸石资源化利用研究进展[J].环境化学，2024，43（06）：
1-14.
[3]张宗堂,高文华,刘昌平,等.级配对煤矸石路基填料压实与强度特性的影响试验研究[J].工程地质学报，2023，31（05）
：1-8.
[4]程朝伟.高速铁路基床表层级配碎石渗透特性试验研究[D].石家庄：石家庄铁道大学,2021.
[5]袁伟涛.强降雨复杂填料路基稳定性研究[D].石家庄：河北科技大学,2019.
·
·。