煤矸石浸水路堤變形穩(wěn)定研究

孫舒，王虹，李福林，黃杰

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

煤矸石浸水路堤變形穩(wěn)定研究

孫舒1，王虹1，李福林2，黃杰1

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

煤矸石是煤礦建設(shè)開(kāi)采加工過(guò)程中的一種工業(yè)廢渣，可以用于路基或路堤的填筑。為了對(duì)荷載作用下煤矸石路堤在浸水狀態(tài)下的變形穩(wěn)定影響因素進(jìn)行分析，文章首先通過(guò)對(duì)泰州某電廠附近煤矸石進(jìn)行室內(nèi)材料試驗(yàn)，結(jié)果表明該煤矸石的基本性能能夠滿足公路路堤材料的力學(xué)性能要求。然后通過(guò)ABAQUS數(shù)值分析不同影響因素對(duì)煤矸路堤變形的影響，計(jì)算了在不同條件下路堤模型的豎向沉降、頂面不均勻沉降以及坡腳最大水平位移，并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了影響路堤模型變形的關(guān)鍵因素。最后提出了做好路堤隔水排水措施、適當(dāng)減緩坡度及增大其壓實(shí)度等提高浸水路堤穩(wěn)定性的措施。

煤矸石；浸水路堤；壓實(shí)度；變形

0 引言

煤矸石是指在煤礦建設(shè)開(kāi)采及加工過(guò)程中排放出的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色廢棄巖石，是一種多種軟巖成分的混合體，屬于軟質(zhì)粗粒土。煤矸石具有較高的強(qiáng)度和較好的滲水性，它不僅可以修筑高等級(jí)道路路基，而且在路基過(guò)濕地區(qū)還可以作為墊層，起到防水防凍的作用。將煤矸石用于路基或者路堤、塌方區(qū)域的填筑勢(shì)必會(huì)成為今后綜合處理煤矸石的一種有效手段。此項(xiàng)施工技術(shù)研究已經(jīng)在某些地方得到開(kāi)展，但是對(duì)于荷載作用下煤矸石路堤在浸水狀態(tài)下的變形穩(wěn)定研究還不是非常充分。

1 材料力學(xué)性能

試驗(yàn)所采用的煤矸石采自泰州市某電廠附近。

煤矸石的化驗(yàn)分析成果表明，影響煤矸石強(qiáng)度和耐久性的碳與硫等有害物質(zhì)含量較低，可以用來(lái)作為公路路基使用。

對(duì)煤矸石進(jìn)行篩分試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。粒徑大于250～300 mm顆粒所占比例小于10%，小于4.75 mm的顆粒約為27.86%。參照土的工程分類，煤矸石相當(dāng)于碎石土。根據(jù)篩分結(jié)果計(jì)算煤矸石的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為Cu=6.86，Cc=0.85，說(shuō)明煤矸石顆粒大小不均勻，但煤矸石的中間顆粒偏少，建議通過(guò)破碎粗料來(lái)優(yōu)化級(jí)配。

表1 煤矸石篩分記錄表

不同壓實(shí)度煤矸石混合料的力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果，均隨壓實(shí)度的增大而增大，其中壓縮模量經(jīng)擬合后，得到規(guī)律如表2所示。

表2 不同壓實(shí)度煤矸石力學(xué)性能

東南大學(xué)程智超[1]對(duì)徐州3礦煤矸石水穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出試樣強(qiáng)度指標(biāo)與浸水時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生改變，不同壓實(shí)度試樣均隨含水量增強(qiáng)度明顯降低，浸水后壓縮模量黏聚力與降低至原1/2～1/3左右，但內(nèi)摩擦角變化不很明顯，帶有隨機(jī)性，浸水48 h后強(qiáng)度下降幅度明顯減小并趨于穩(wěn)定。

2 浸水路堤ABAQUS有限元模擬

2.1 基本假定

本次研究的填方路堤由路堤填土、地基土以及路面結(jié)構(gòu)層構(gòu)成，假定如下：

（1）考慮到路堤的縱向是足夠長(zhǎng)的，故按平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)處理；

（2）填土和地基土均為均質(zhì)各向同性連續(xù)介質(zhì)，本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb彈塑性模型；

（3）不考慮溫度變化對(duì)土石料變形的影響；

（4）假設(shè)路堤與地基之間完全接觸；

（5）假設(shè)地基土在自重作用下變形已完成，其變形主要由內(nèi)部荷載（路堤自重）和外部荷載（路面結(jié)構(gòu)及行車(chē)荷載）所致，不考慮地基土應(yīng)力歷史，只計(jì)算地基在路堤荷載和外部荷載作用下發(fā)生的最終沉降變形；

（6）不考慮基土的滲透性。

2.2 模型參數(shù)的取定

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)資料，本模型采用的地基土厚度取30 m，重度取21.2，粘聚力取50 kPa，內(nèi)摩擦角取28°，彈性模量取30 MPa，泊松比取0.35，地基的寬度取為2×100 m。路堤填土采用壓實(shí)度分別為90%、93%、94%和95%，壓縮模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角按表1、表2取值，泊松比統(tǒng)一取為0.35。浸水后路堤土的c值按一半取值。網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格圖

路面結(jié)構(gòu)采用普遍的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)（15cm瀝青砼層，30 cm水泥穩(wěn)定碎石層，15 cm石灰土層），算出路堤頂面的均布恒載：

此外，考慮到高等級(jí)公路上的重車(chē)和超限車(chē)輛越來(lái)越多，行車(chē)荷載大大超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)軸載。經(jīng)調(diào)查[2]，在高等級(jí)公路上行駛的汽車(chē)的輪胎壓力最大已達(dá)到飛機(jī)的輪胎壓力，即1.4 MPa。按規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ014-97）規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量圓直徑為21.3 cm，取應(yīng)力擴(kuò)散角為45°，則路基頂面的當(dāng)量圓直徑為141.3 cm，將路面頂面的荷載換算至路堤頂面，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，未考慮汽車(chē)荷載的動(dòng)力效應(yīng)，按靜力加載?？偟耐獠亢奢d為P=P1+P2= 44.7 kPa。

本次數(shù)值模擬試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法，在本方案中，共有4個(gè)因素，每個(gè)因素按4水平（表3），因此考慮選用正交表。

表3 正交分析表

表4 正交計(jì)劃與結(jié)果

2.3 數(shù)值結(jié)果分析

利用ABAQUS建模計(jì)算得到的如圖2所示。

圖2 浸水路堤豎向位移云圖

在最不利荷載q=44.7 kPa作用下，所得試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：路堤最大沉降量Wmax和路堤頂面不均勻沉降差△W，坡腳橫向位移量U1。

進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)分析，首先得出路堤頂面最大沉降量的直觀分析。分別將第一列路堤高度H＝10 m對(duì)應(yīng)的結(jié)果取其平均值得：

邊坡角度β(33.69°)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果平均值

用同樣的方法求出K13、K14以及K2i、K3i和K4i之值并填入表5中。

其中極差R=Xmax-Xmin,

表5 Wmax直觀分析表 單位：mm

所以：R(H)=534.1-364.1=170.0

同理，可得出路堤頂面最大不均勻沉降差△W和坡腳水平位移U1的直觀分析表，如表6、表7所示。

從以上分析可以看出：

表6 △W直觀分析表 單位：mm

表7 U1直觀分析表 單位：mm

路堤最小沉降量組合是A1B4C1D4，即路堤高度H=10 m、邊坡角度β=63.43°、水位高度h=0.5 m,浸水粘聚力c=82.08 kPa；

路堤頂面最小不均勻沉降組合是A1B4C4D4，即路堤高度H=10 m、邊坡角度β=63.43°、水位高度h=6.5 m、浸水粘聚力c=82.08 kPa。

路堤右側(cè)坡腳最大橫向位移量最小組合是A2B1C1D2，路堤高度H=12 m，坡度β=33°，水位高度h=0.5 m，浸水粘聚力c=71.82 kPa。

4個(gè)影響因素對(duì)路堤沉降量Wmax、路堤頂面最大不均勻沉降差△W和坡腳水平位移U1影響程度見(jiàn)圖3。

圖3 Wmax、及U1影響因素分析圖

分析上述圖表，對(duì)于Wmax來(lái)說(shuō)，路堤高度H是主要影響因素，水位高度h次之，邊坡角度β影響較小，粘聚力c影響最小。而對(duì)于不均勻沉降△W，粘聚力c是其最主要因素，而其他三個(gè)因素的影響情況十分接近。對(duì)于坡角最大水平位移，水位高度h是其最主要影響因素，邊坡角度β次之，路堤高度H影響較小，粘聚力c影響最小。

3 結(jié)論

運(yùn)用ABAQUS軟件通過(guò)數(shù)值模擬，并采用正交方法，得出浸水路堤的結(jié)論如下：

路堤頂面最大不均勻沉降差△W隨著路堤高度H增高而增大，隨著邊坡角度β增大先增大后減少，且隨著路堤高度的增加，增大邊坡角度β有利于減少不均勻沉降。但是隨著路堤高度的增加，增大邊坡角度來(lái)減少不均勻沉降是以增大路基底部應(yīng)力和降低路堤穩(wěn)定安全系數(shù)為代價(jià)的，所以單靠增大路堤的坡角來(lái)減少不均勻沉降是不可取的，尤其在浸水的狀態(tài)下會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生極其不利的影響，例如當(dāng)水位高度為6.5 m，粘聚力為51.62 kPa時(shí)，路堤邊坡坡腳最大位移為250 mm，其c值降低，這對(duì)于道路來(lái)說(shuō)已經(jīng)失去了穩(wěn)定。為了保證路堤邊坡的穩(wěn)定，必須做好浸水路堤的隔水排水工程，適當(dāng)?shù)販p緩坡度，增大其壓實(shí)度。

[1]程智超.煤矸石在路基填筑中的應(yīng)用研究[D].南京:東南大學(xué)，2002.

[2]張敬.超重車(chē)載作用下填石路基壓實(shí)技術(shù)研究[D].石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2002.

[3]孫鍇.基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降與應(yīng)力分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比研究[J].公路工程，2014，（2）：83-87.

[4]隋永芹等.煤矸石在路基施工中的應(yīng)用[J].蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào),2000,13(2):44-47.

[5]閏秀萍.煤矸石作為高速公路路基填料的應(yīng)用[J]公路交通科技,2006，(2):51-54.

[6]錢(qián)家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

Coal gangue is the industrial waste residue in the process of construction and mining of a coal mine and processing of coal，and can be filling in roadbed or embankment.Material testing is firstly conducted for the coal gangue of a power plant in Taizhou city and it shows that the coal gangue can satisfy mechanical performance requirements of the highway embankment material.The influence of different factors on coal gangue embankment deformation is then analyzed by numerical simulation ABAQUS.The vertical settlement,uneven settlement of top surface,and the maximum horizontal displacement of slope toe under different situations are calculated for the embankment model,and corresponding key factors are drawn through the research on the variation of the above deformation.Measures such as waterproof,drainage,grade elimination and compaction increase are finally suggested to improve the stability of the soaking gangue embankment.

coal gangue;soaking embankment;compactness;deformation

孫舒（1983-），男，碩士，講師，國(guó)家注冊(cè)土木工程師 （巖土），國(guó)家二級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，國(guó)家注冊(cè)試驗(yàn)檢測(cè)工程師（水運(yùn)），巖土工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)榻ㄖ鼗录夹g(shù)應(yīng)用。

嵐嶸）（

2014-9-12）

2013年國(guó)家自然科學(xué)基金 “土工格柵加筋土擋墻的加載歷史效應(yīng)研究”（No.51308533)；2012年泰州市科技局指導(dǎo)性項(xiàng)目“煤矸石浸水路堤穩(wěn)定性研究”。