基于FLAC3D的煤矸石填筑路基沉降及邊坡穩(wěn)定性研究

楊 洋，雒力成，張宗堂

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，甘肅 平川 730913；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

煤矸石是煤礦建設(shè)和煤炭生產(chǎn)過程中所排放出的固體廢棄物總稱，是碳質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)頁巖的混合物、煤炭生產(chǎn)中的副產(chǎn)品[1]。隨著煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展，我國煤矸石年排放量不斷增加，是我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物[1]。鐵路、公路的修建需要大量的填筑材料，若將煤矸石用于路基的修筑，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

在煤矸石路基填料方面，賀建清等[2]研究了摻土煤矸石的擊實(shí)、固結(jié)壓縮、滲透、承載比、抗剪強(qiáng)度性能，并分析了填筑工藝。張宗堂等[3]研究了級(jí)配對(duì)煤矸石路基填料壓實(shí)與強(qiáng)度特性的影響。胡雪松等[4]研究了煤矸石換填膨脹土路基的沉降。楊果林等[5]開展了煤矸石組合式加筋擋土墻現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

由此可見，在煤矸石路基填料方面已取得比較豐富的成果，但對(duì)于煤矸石填筑路基坡角、距離道路中心線遠(yuǎn)近及填筑高度對(duì)其沉降與穩(wěn)定性影響的研究較少。因此，本文結(jié)合煤矸石填筑煤海路實(shí)際工程，基于FLAC3D對(duì)其進(jìn)行簡化建模，并研究坡角與填筑高度對(duì)煤矸石路基沉降與穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

甘肅省白銀地區(qū)濕陷性黃土分布廣泛，其在一定壓力下受水浸濕時(shí)，土的結(jié)構(gòu)會(huì)迅速破壞從而產(chǎn)生較大沉陷。所建工程為王家山煤海路工程，其主要用于礦區(qū)采煤的運(yùn)輸及附近居民的交通出行，具有重要的交通價(jià)值。為確保路基的長期穩(wěn)定性，對(duì)工程范圍內(nèi)的濕陷性黃土進(jìn)行換填處理。由于煤海路靠近白銀市平川區(qū)王家山煤礦，故采用王家山煤礦的煤矸石填筑路基。建筑場地單元屬于黃土丘陵地貌，場地地勢(shì)平坦，分布土層主要有人工填土、黃土狀粉土、角礫層等，且場地內(nèi)無地下水賦存，僅有大氣降水及綠化澆水下滲。

2 煤矸石路基有限元模型

本文依據(jù)煤海路的實(shí)際工況，對(duì)其進(jìn)行簡化建模。煤矸石路基常采用黏土為包肩土進(jìn)行包邊處理，以防止雨水滲入可能造成的煤矸石二次污染問題，包肩土厚度取為0.1 m。采用有限差分法FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)煤矸石填筑路基沉降及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。根據(jù)該路基實(shí)際所處的位置與規(guī)模大小，結(jié)合研究的目標(biāo)確立模擬的范圍，建立路基三維模型如下：為了在簡化模型的同時(shí)減少邊界條件的影響，在模型中用Fix命令定義路基模型底面、后面、左右面位移及速度，將邊坡的底面、后面、左右面都固定，只留坡面為自由面。計(jì)算模型由實(shí)體單元數(shù)7 200個(gè)、網(wǎng)格點(diǎn)8 678個(gè)組成，建立的計(jì)算模型如圖1所示。參考已有的研究成果[6-7]，數(shù)值模擬采用的參數(shù)如表1所示。

車輛荷載是影響煤矸石路基沉降與穩(wěn)定性的重要因素，本文參考已有成果[8]，將車輛荷載換算成相當(dāng)于路基的巖土層厚度，計(jì)入路基的重力之中，本模型取該土層為1 m。結(jié)合實(shí)際工況，路基模型采用雙向車道，路肩寬度為2 m，車道寬度為3.7 m，車輛輪距為2.4 m。

圖1 煤矸石填筑路基計(jì)算模型

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

3 煤矸石填筑路基數(shù)值模擬分析

3.1 坡角對(duì)煤矸石路基沉降與穩(wěn)定性的影響

填筑高度在1.5～18 m的路基為一般路基，大于18 m或20 m屬于高路基[8]。本文采用1.5 m與20 m填筑高度的路基進(jìn)行數(shù)值模擬研究，路基邊坡角度取30°，45°，60°，75°，80°，路基沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)取車輛剛好行駛在道路中間時(shí)車輪所處的位置，即距離道路中心線0.65 m的A點(diǎn)和距離道路中心線4.35 m的B點(diǎn)。

圖2和圖3分別為煤矸石路基填筑高度為1.5 m和20 m時(shí)坡角對(duì)路基沉降的影響曲線。由圖2和圖3可知，隨著煤矸石路基坡角的增大，其沉降逐漸減小。圖4為坡角對(duì)路基邊坡安全系數(shù)的影響曲線，由圖4可知，隨著坡角的增大，路基邊坡安全系數(shù)逐漸減小。這表明在煤矸石路基填筑過程中要綜合考慮坡角對(duì)沉降和邊坡穩(wěn)定性的影響，在確保邊坡穩(wěn)定的前提下，盡可能選擇較大的坡角，從而減輕路基的沉降。

圖2 坡角對(duì)路基沉降的影響曲線(1.5 m)

圖3 坡角對(duì)路基沉降的影響曲線(20 m)

3.2 距道路中心線遠(yuǎn)近對(duì)煤矸石路基沉降的影響

由圖2和圖3可知：對(duì)于1.5 m填筑高度的煤矸石路基而言，B點(diǎn)的沉降明顯大于A點(diǎn)，這說明煤矸石填筑一般路基距離道路中心線越遠(yuǎn)，其沉降越大；而對(duì)于20 m填筑高度煤矸石路基，B點(diǎn)的沉降則稍小于A點(diǎn)，這說明煤矸石填筑高路基距離道路中心線越遠(yuǎn)，其沉降反而越小。

3.3 填筑高度對(duì)煤矸石路基沉降與穩(wěn)定性的影響

由圖2和圖3可知，對(duì)于1.5 m填筑高度的煤矸石路基，其沉降小于0.20 cm，而對(duì)于20 m填筑高度的煤矸石路基，其沉降則在11.46～39.76 cm。由此可見，煤矸石填筑路基高度越大，其沉降變形則越大。由圖4可知，煤矸石填筑路基高度越大，其邊坡安全系數(shù)越小。

圖4 坡角對(duì)路基邊坡安全系數(shù)的影響曲線

4 結(jié)語

(1)隨著煤矸石路基坡角的增大，其沉降逐漸減小，路基邊坡安全系數(shù)也逐漸減小，這表明在煤矸石路基填筑過程中要綜合考慮坡角對(duì)沉降和邊坡穩(wěn)定性的影響，在確保邊坡穩(wěn)定的前提下，盡可能選擇較大的坡角，從而減輕路基的沉降。

(2)煤矸石填筑一般路基距離道路中心線越遠(yuǎn)，其沉降越大；而對(duì)于煤矸石填筑高路基距離道路中心線越遠(yuǎn)，其沉降反而越小。

(3)煤矸石填筑路基高度越大，其沉降變形越大，邊坡安全系數(shù)越小。