基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降与应力分析与现场测试对比研究

第39卷，第1期公路工程Vo1．39，No．12014年2月HighwayEngineeringFeb．，2014基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降与应力分析与现场测试对比研究孙锴，彭立，杜勇立，唐泉，杨果林(1．中建五局土木工程有限公司，湖南长沙410004；2．湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙410008；3．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)[摘要]以湖南某高速公路煤矸石作填筑材料的施工路段DKI27+720典型断面为工程背景，分析和模拟了三种不同压实度及3种不同填筑高度的煤矸石路堤的FLAC计算模型。计算了在不同压实度和填筑高度下路堤模型的竖向沉降、水平位移以及最大应力值，并对其变化规律进行了研究。根据不同的压实度和不同的填筑高度路堤模型的位移、应力值，分析得出了影响路堤模型的竖向沉降、水平位移以及最大应力变化的关键因素。以现场观测值为依据，对比了数值计算结果与实测结果，得出了两个结果之间的关系。[关键词】煤矸石；路堤；FLAC”；沉降；应力[中图分类号]U414．1[文献标识码】A[文章编号】1674—0610(2014)01—0083—05CoalGangueEmbankmentSettlementandStressAnalysisBasedonFLACandComparativeStudywithFieldTestIultsSUNKai，PENGLi，DUYongli，TANGQuan，YANGGuolin(1．CivilEngineeringCompanyofChinaConstructionFifthEngineeringBureau，ChangshaHunan410008，China；2．HunanProvincialCommunicationsPlanning，Survey＆DesignInstitute，ChangshaHunan410008，China；3．SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，CentralSouthUniversity，ChangshaHunan410075，China)[Abstract]BasedanalysisandsimulationofthreediferentdegreeofcompactionaswellasthreedifferentfillingheightofcoalgangueFLAC3Dcalculationmodelofhighwayconstructionsectionasafill-ingmaterialwithgangueDK127+720typicalsectionsfocusonthenexttheembankmentmodelofverti—calhei【ghtinthedifferentdegreeofcompactionandfillingsubsidence，horizontaldisplacementvaluesaswellasthemaximumstresschanges．Valueofthereferencefieldobservations，comparingthedifferencesofthenumericalresultswithexperimentalresultsandabriefdiscussionofitscauses；accordingtothedifferentcompactionandthesettlementvalueofthefillingheightofembankmentmodel，analyzedtheim—pactofembankmentmodelsubsidenceandstresschangesomeofthekeyfactorsofitsvariation．[Keywords]coalgangue；embankment；FLAC；sedimentation；stress在自然环境中，由于煤矸石日益的崩解和其有机质0引言的“灰化”，进而会对环境和人们的身体健康构成煤矸石是煤在形成过程中与煤伴生或共生的一很大的影响。因此，如何处置好量大且不易于直接种坚硬岩石，其性状类似于碎石土¨。是目前我国利用的煤矸石，成为了有重大意义的课题。最大的固体废弃物源，占全国工业废料的22％以煤矸石多与开采煤有关，大多煤矸石直接露置上。在我国被综合利用的煤矸石的数量较为有限，于矿区周围或者直接位于地表层，而现阶段我国大而且没有被综合利用的煤矸石大多以自然状态堆积力开展交通建设，高速公路和铁路建设日益兴盛，因[收稿日期]2013—06—13【基金项目]交通运输部科技项目(2010—353—343—290)；湖南省交通科技项目(200908)[作者简介]孙锴(1972一)，男，湖南隆回人．高级工程师，主要从事高速公路现场施工与项目管理工作。 84公路工程39卷此将煤矸石用于路基或者路堤、塌方区域的填筑势DK127+720断面填筑高度约为5ITI。采用FLAC必会成为今后综合处理煤矸石的一种有效手段，此软件，对该断面进行数值模拟研究，分析其沉降项施工技术研究已经在某些地方得到开展。例如：值，并与相应的现场测试值作对比。改变相应的压徐丰公路庞庄矿区段塌陷区12km长路段的路基，实度和填筑高度(3种压实度分别为：90％、92％、全部采用煤矸石填筑，使用性能良好。高速公路的95％；填筑高度分别为3、5、10m)分析其沉降值，路基是路面的基础，承受着自身及上部路面结构的并得出相应的规律、分析其影响因素。从地质勘探重力，同时还承受由路面传递下来的交通荷载，路基报告来看，现场处于较为开阔和平坦的丘陵地区，路是公路的主要荷载承担者。路基应具有足够的强度基部分的上部为4m厚的碎石土其下为16m厚的和稳定性。煤矸石虽说类似于碎石土，但是同时具固结坚硬粘土。计算范围内路基深度取20m，横截备着和碎石土不一样的工程性质：虽然煤矸石的天面宽度影响范围取90m。FLAC如是三维程序，因此然颗粒级配往往不佳，但是其中的大颗粒往往容易沿道路长度方向取长度为10m进行研究。路基两在施工中被碾压破碎，从而易于改变其颗粒级配，这侧边界条件为水平约束。下底面边界条件为水平和对于煤矸石作为土工填筑材料而言有很大的积极作竖向约束，这样该模型实质上可以由一个三维问题用。在13渐被广泛使用的煤矸石填筑工程反馈资料转变成为一个平面应变问题。建立的有限差分计算来看，除了上述卓越的工程性质之外，同样存在一些网格如图1所示。问题，比如说：煤矸石吸水性较强，煤矸石填筑的路基往往必须先解决抗渗性等耐久性问题；煤矸石填筑在路基或者路堤表面后如何解决对环境的二次影响等。路堤和路基的沉降问题，是公路和铁路等工程中研究的重点问题之一。在填筑材料满足强度要求以后，如何将其沉降值控制在一个合理的范围就变得关键了。沉降值往往和路基的材料、施工工艺、填筑的尺寸以及高度等因素有较大的关系。本文致力图1计算模型的有限差分计算网格划分Figure1Meshingoffinitediferencecalculationsforcalcula-于探讨这些因素对路基沉降的影响。tionmodel1路堤沉降的FLAC如数值计算模型建立与在路基填筑之前，考虑到地基土体在长期的地参数选取质年代中自身固结已经完成，因此地基土体和路堤正在施工的湖南某高速公路途经一煤矸石丰富的本构模型选用摩尔准则进行弹性计算(此处暂时的地区，需要大量施工填方工程，又缺少填土，因此不考虑蠕变变形的影响)，本计算的主要的参数如采用煤矸石作为填筑材料。依据施工图的标高，表1所示。表1土和煤矸石的物理力学指标Table1Physicalandmechanicalparametersofsoilandcoalgangue位移(沉降)典型云图如图2一图4所示。2数值模拟计算结果分析根据计算云图以及计算中监控点的位移可以2．1位移(沉降)计算结果分析得到各关键点的位移如表2所示。利用FLAC。建模，分别选择不同的压实度对应为得到不同压实度与不同填筑高度下，路堤沉的计算参数以及不同的填筑高度，计算得到的竖向降变形的规律，将各表中的沉降值绘制成柱状图如 第1期孙锴，等：基于FLAC如的煤矸石路堤沉降与应力分析与现场测试对比研究87表3不同压实度与路堤填筑高度下模型最大竖向和水平方向应力统计Table3Maximumverticalandhorizontalstressstatisticalofmodelondifferentembankmentheightandcompact—皇鲁、nessMPai璺嚣霞世蛙02468t0l214l6i82O22观测次数faJ路基表面中心点沉降值昌吕、△一j璺、羼霞世．K蛙堪遁0246tOlZ14l6l820222lO98765432lO32l098765432lO观测次数(b)路堤坡脚处沉降值压实度／％咖咖咖咖咖咖咖咖咖黜黜§g裟(a)最大竖向应力图8路基表面中心点和路堤坡脚处沉降值观测数据图Figure8Observationaldatagraphofsedimentationvalueofsub—gradesurfacecenterandembankmenttoeof、slopeR斗<时候的沉降值为11．21mm，路堤坡脚处观测结束时堪_叵的沉降值为10．28mm，相应的计算值分别为：—11．57nlm、10．89inm，应该来说具有较好的吻合性，说明计算是可靠的。压实度，％4结论与建议(h)最大水平方向应力+路堤填筑高度3Ill一路堤填筑高度5nl①单从沉降方面来看，煤矸石有较好的工程性十路堤填筑高度tOnl质，沉降量在合理的范围内，用煤矸石作为路基或路图7最大竖向和水平方向应力折线图堤的填筑材料是可行的，其沉降量可以满足设计指Figure7Plottingofmaximumverticalstressandhorizontal标的要求。stress②提高路堤或者路基的压实度对于改善沉降③可以看出：随着压实度的加大，水平方向的往往具有积极意义，在道路施工时，应该尽量保证施剪应力有下降的趋势。因此，增大路堤或者路基的工质量，确保达到90％以上的压实度，其次高填方压实度对于减小水平方向的剪应力、提高填筑材料工程由于其在沉降方面的不良影响以及对于环境的的水平抗剪有积极作用。较大扰动，应该在道路选线设计时尽量避免。③提高路堤的压实度，可在一定程度上减小水3数值模拟计算结果与现场测试结果对比平方向剪应力值，对于水平抗剪有积极作用。在现场施工时，在控制点位置埋设了有长沙金④尽管从设计指标的角度来看，煤矸石完全符码高科技有限公司生产的竖向土应变计观测沉降合综合利用的标准，也可以产生较大的经济利益，但值。现场施工时实际的路堤填筑高度为5m，控制是也有不少的问题存在，比如说：如何处理煤矸石作的压实度为90％，观测得到的沉降值数据整理后绘为土工填料之后对于环境的二次污染，尤其是在降制如图8所示。雨丰富的地区，因雨水的冲刷作用而使得小颗粒煤从实测的数据来看：路基表面中心点观测结束(下转第98页) 98公路工程39卷的抗剪强度参数对含水量和压实度的变化敏感性不水量宜控制在8％一12％。高。理论上，纯砂属于无粘性土，其c值应该为零，④滨海细砂D50远远大于0．05—0．09mm的但是滨海细砂具有一定的含泥量，且抗剪强度试验液化危险范围，材料本身就具有较强的抗液化的能是在一定的含水量下测得的，而水使得细砂颗粒之力。因此，在设置了良好的排水系统的前提下，滨海间具有一定的薄膜吸附能力，宏观上表现出一定的细砂发生振动液化的可能性就更小。粘聚力，实则属于假粘聚力。正是由于滨海细砂假⑤滨海细砂的CBR和回弹模量值均较高，符粘聚力的存在，使得滨海细砂路基边坡的实际安全合现行规范的相关要求；滨海细砂存在一定的粘聚系数比粘聚力为零时计算的理论安全系数大，边坡力，从而更有利于滨海细砂路基边坡的稳定。也更稳定。袭8不同成型条件的细砂的抗剪强度指标[参考文献]Table8Shearstrengthparametersoffinesandatdiferent张生辉，王新民，陈忠明．沙漠地区高速公路风积沙路基压实~rmingconditions方法研究[J]．公路交通科技，2004，21(8)：29—33．[2]王大群，吴豪，王燕，等．高速公路填砂路基的设计与应用[J]．交通科技，201I(I)：54—57．[3]张海霞，凌建明，蒋鑫，等．长江口细砂路用性能的试验研究[J]．公路工程，2008，33(3)：142—146．[4]JTGE40—2007，公路土工试验规程[s]．5结语[5]GB50007—2011，建筑地基基础设计规范[S]．[6]高大钊．土质学与土力学[M]．北京：人民交通出版社，2000．①滨海细砂的试验研究结果表明：滨海细砂的[7]GBT14684—2011，建筑用砂[S]．路用性能良好，可以作为公路路基填料。[8]JTGD30—2004，公路路基设计规范[S]．②滨海细砂虽然级配不良，但10％以内的含泥[9]凌建明．长江口细砂路堤设计与施工关键技术研究[R]．上量能有效地弥补滨海细砂因级配不良而带来的压实海：同济大学，2008．[1O]孔玉坤．风积砂CBR试验研究[J]．辽宁交通科技，2000，23困难。(2)：10—12．③滨海细砂的击实曲线呈现双峰或多峰的特JTGD50—2006，公路沥青路面设计规范[S]．征，其峰值位置表现出较大的随机性。综合考虑到地表天然含水量以及天气等因素，因此，现场施工含(上接第87页)[4]陈育民，徐鼎平．FLAC／FLAC3D基础与工程实例[M]．北京：中国水利水电出版社，2008．矸石再次流人自然环境中造成二次污染；煤矸石的[5]彭文斌．FLAC3D实用教程[M]．北京：机械工业出版社，颗粒级配十分不均匀，采用何种施工碾压施工技术2006．来改善其颗粒级配。[6]RAINBOWAKM，SKARZYNSKAKM．Minestoneimpound-⑤另外，目前国内对于煤矸石的力学性质的研mentdamsforfluidflyashstorage[C]／／RAINBOWAKM，究主要停留在静力水平的基础上，未来应该开展一ed．The2ndSymposiumontheReclamation，TreatmentandU—些煤矸石在动力荷载下，如在交通荷载下，煤矸石路tilizationofCoalMiningWastes．[S．1_]：PrintedintheNeth—eflands，1987：219—238．基或者路堤的力学行为指标研究等。[7]邱钰，缪林昌，刘松玉煤矸石在道路建设中的应用研究现状及实例[J]．公路交通科技，2002，19(2)：l一5．[参考文献][8]申文胜，王朝辉．高速公路煤矸石填筑路基路用性能控制贺建清，靳明，阳军生．掺土煤矸石的路用工程力学特性及其[M]．北京：人民交通出版社，2011．填筑技术研究[J]．土木工程学报，2008(5)：87—93．[9]姜振泉，于双忠，于震平．煤矸石的工程地质特征及在土木建[2]程红光．煤矸石在公路工程中的应用研究[D]．西安：长安大筑中的利用[J]．中国矿业大学学报，1992，21(增)：77—82．学，2009．[10]姜振泉，季梁军，左如松．煤矸石的破碎压密作用机制研究[3]SOLESBURYFW．Coalwastesincivilengineeringworks：two[J]．中国矿业大学学报，2001，30(2)：139～142．casehistoriesfromSouthAfricafC1／／RAINBOWAKM。ed．[11]靳明，阳军生．高速公路煤矸石路基填筑技术研究[R]．长The2ndSymposiumontheReclamation，TreatmentandUtiliza—沙：中南大学土木建筑学院，2006．tionofCoalMiningWastes．[S．1．]：PrintedintheNetherlands，l987：207—218．