煤矸石浸水路堤变形稳定研究

煤矸石浸水路堤变形稳定研究孙舒1。王虹1，李福林2。黄杰1(1．泰州职业技术学院，江苏泰州225300；2．中国矿业大学，江苏徐州221116)摘要：煤矸石是煤矿建设开采加工过程中的一种工业废渣。可以用于路基或路堤的填筑。为了对荷栽作用下煤矸石路堤在浸水状态下的变形稳定影响因素进行分析．文章首先通过对泰州某电厂附近煤矸石进行室内材料试验，结果表明该煤矸石的基本性能能够满足公路路堤材料的力学性能要求。然后通过ABAQUS数值分析不同影响因素对煤矸路堤变形的影响。计算了在不同条件下路堤模型的竖向沉降、顶面不均匀沉降以及坡脚最大水平位移。并对其变化规律进行了研究，得出了影响路堤模型变形的关键因素。最后提出了做好路堤隔水排水措施、适当减缓坡度及增大其压实度等提高浸水路堤稳定性的措施。关键词：煤矸石；浸水路堤；压实度；变形Abj咖mct：Coalgangueistheindustrialw髂teresidueintheprocessofconstmctionandminingofacoalmineandprocessingofcoal，andcanbefiUinginroadbedoreIIIbankment．Materialtestingisfirsdyconducted1．orthecoalg卸gueofapowerplantinTaizhoucityanditshowsthatthecoalgaIlguecansatisfymech扑icalperfb皿ancerequirementsoft}IehighwayerIlbankmentmaterial．TheiIlfluenceofdifferentfactorsoncoalgangueembankmentdefomationisthenanalyzedbynumericalsimulationABAQus．711leVerticalsettlement，uneVensetdementoftopsurface，andthemaximumhorizontaldisplacementofslopetoeunderdifferentsituationsarecalculatedfortIIeemb觚kmentmodel，andcon．espondingkeyfactorsaredmwnthrou异Iltlleresearchonthev撕ationoftlIeabovedefomation．MeasuressuchaswaterprooCdrainage，gradeeliminationandcompactionincre鹬earefinallysuggestedtoimprovethestabilityofthesoakingg蛐gueelIlbaJlkment．Key啪rd戤coalgangue；soakingembankment；compactness；defo珊ation0引言煤矸石是指在煤矿建设开采及加工过程中排放出的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色废弃岩石．是一种多种软岩成分的混合体．属于软质粗粒土。煤矸石具有较高的强度和较好的渗水性，它不仅可以修筑高等级道路路基．而且在路基过湿地区还可以作为垫层，起到防水防冻的作用。将煤矸石用于路基或者路堤、塌方区域的填筑势必会成为今后综合处理煤矸石的一种有效手段。此项基金项目：2013年国家自然科学基金“土工格栅加筋土挡墙的加载历史效应研究”(No．51308533)；2012年泰州市科技局指导性项目“煤矸石浸水路堤稳定性研究”。施工技术研究已经在某些地方得到开展．但是对于荷载作用下煤矸石路堤在浸水状态下的变形稳定研究还不是非常充分。1材料力学性能试验所采用的煤矸石采自泰州市某电厂附近。煤矸石的化验分析成果表明．影响煤矸石强度和耐久性的碳与硫等有害物质含量较低．可以用来作为公路路基使用。对煤矸石进行筛分试验。结果见表1。粒径大于250～300mm颗粒所占比例小于10％．，J、于4．75mm的颗粒约为27．86％。参照土的工程分类．煤矸石相当于碎石土。根据筛分结果计算煤矸石的不均匀系数和曲率系数分别为C“=6．86。cc=0．85，说明煤矸‘-‘圭材垫垒墅坠塑一23— ：：：!!l●霜霍霍圈竺竺：三兰：兰兰兰：兰：兰!兰兰兰兰兰兰兰兰兰竺兰石颗粒大小不均匀，但煤矸石的中间颗粒偏少，建议通过破碎粗料来优化级配。不同压实度煤矸石混合料的力学性能的试验结果，均随压实度的增大而增大，其中压缩模量经拟合后，得到规律如表2所示。表2不同压实度煤矸石力学性能东南大学程智超【I】对徐州3矿煤矸石水稳定性进行试验．从试验结果可以看出试样强度指标与浸水时间增长而发生改变．不同压实度试样均随含水量增强度明显降低．浸水后压缩模量黏聚力与降低至原l，2．1，3左右．但内摩擦角变化不很明显．带有随机性．浸水48h后强度下降幅度明显减小并趋于稳定。2浸水路堤ABAQUS有限元模拟2．1基本假定本次研究的填方路堤由路堤填土、地基土以及路面结构层构成，假定如下：(1)考虑到路堤的纵向是足够长的，故按平面应变问题来处理：(2)填土和地基土均为均质各向同性连续介质。本构关系采用Moh卜Coulomb弹塑性模型：(3)不考虑温度变化对土石料变形的影响：(4)假设路堤与地基之间完全接触；(5)假设地基土在自重作用下变形已完成，其变形主要由内部荷载(路堤自重)和外部荷载(路面结构及行车荷载)所致，不考虑地基土应力历史，只计算地基在路堤荷载和外部荷载作用下发生的最终沉降变形：(6)不考虑基土的渗透性。2．2模型参数的取定根据室内试验的结果和相关文献资料．本模型一24一采用的地基土厚度取30m。重度取21．2，粘聚力取50kPa，内摩擦角取28o。弹性模量取30MPa，泊松比取O．35．地基的宽度取为2×100m。路堤填土采用压实度分别为90％、93％、94％和95％。压缩模量、粘聚力和内摩擦角按表1、表2取值，泊松比统一取为O．35。浸水后路堤土的c值按一半取值。网格划分及边界条件如图1所示．图1模型网格图路面结构采用普遍的半刚性沥青路面结构(15cm沥青砼层。30cm水泥稳定碎石层，15cm石灰土层)，算出路堤顶面的均布恒载：PI=lO×(o．15×2．3+0．3×2．3+0．15×1．7)=12．9kPa此外．考虑到高等级公路上的重车和超限车辆越来越多，行车荷载大大超过了标准轴载。经调查回，在高等级公路上行驶的汽车的轮胎压力最大已达到飞机的轮胎压力，即1．4MPa。按规范《公路沥青路面设计规范》(JrI’J014—97)规定，标准轴载的当量圆直径为21．3cm，取应力扩散角为45o，则路基顶面的当量圆直径为141．3cm．将路面顶面的荷载换算至路堤顶面，为简化起见。未考虑汽车荷载的动力效应，按静力加载。总的外部荷载为腭Pl+P2=44．7kPa。本次数值模拟试验采用正交试验方法．在本方案中，共有4个因素，每个因素按4水平(表3)，因此考虑选用正交表。表3正交分析表_·；囊材型垡幽 2．3数值结果分析利用ABAQUS建模计算得到的如图2所示．图2浸水路堤竖向位移云图在最不利荷载q=44．7kPa作用下，所得试验结果如表4所示：路堤最大沉降量肜。和路堤顶面不均匀沉降差△形，坡脚横向位移量以。进行结果数据分析．首先得出路堤顶面最大沉降量的直观分析。分别将第一列路堤高度日：10m对应的结果取其平均值得：Kll=(345+351．7+368．4+391．7)，4=364．2边坡角度B(33．690)对应的计算结果平均值KI乒(345+441．4+547．8+574．4)，4=477．15用同样的方法求出K叭K。。以及如、如和如之值并填入表5中。其中极差R豸瞰．堵幽襄5W。直观分析衰单位：mm所以：R岫=534．1—364．1=170．O尺∞=477．3-440．0=37．3Rfl一98．3—416．7=81．6吼一66．0-451．2=14．8同理，可得出路堤顶面最大不均匀沉降差△w和坡脚水平位移仉的直观分析表，如表6、表7所示。从以上分析可以看出：表6△W直观分析衰单位：mm_·；盔妨型垡幽一25— 表7U，直观分析表单位：mm路堤最小沉降量组合是A。B4C。D。，即路堤高度H=10m、边坡角度B=63．43o、水位高度h=O．5m，浸水粘聚力c=82．08kPa：路堤顶面最小不均匀沉降组合是A。鼠c4D4，即路堤高度日=10m、边坡角度辟63．430、水位高度．1l=6．5m、浸水粘聚力c=82．08kPa。路堤右侧坡脚最大横向位移量最小组合是A猡。C。D2，路堤高度日=12m，坡度卢=33。，水位高度^=0．5m。浸水粘聚力c=71．82kPa。4个影响因素对路堤沉降量形。、路堤顶面最大不均匀沉降差△形和坡脚水平位移玑影响程度见图3．最大沉降里不均匀沉降坡角水平位移图3形。、及仉影响因素分析图分析上述图表，对于形。来说，路堤高度日是主要影响因素，水位高度|}1次之，边坡角度口影响较小．粘聚力c影响最小。而对于不均匀沉降△形，粘聚力c是其最主要因素．而其他三个因素的影响情况十分接近。对于坡角最大水平位移，水位高度h是其最主要影响因素，边坡角度口次之，路堤高度日影响较小。粘聚力c影响最小。3结论运用ABAQUS软件通过数值模拟，并采用正一26一交方法，得出浸水路堤的结论如下：路堤顶面最大不均匀沉降差△形随着路堤高度日增高而增大，随着边坡角度口增大先增大后减少，且随着路堤高度的增加，增大边坡角度p有利于减少不均匀沉降。但是随着路堤高度的增加，增大边坡角度来减少不均匀沉降是以增大路基底部应力和降低路堤稳定安全系数为代价的．所以单靠增大路堤的坡角来减少不均匀沉降是不可取的．尤其在浸水的状态下会对边坡稳定性产生极其不利的影响。例如当水位高度为6．5m。粘聚力为51．62kPa时，路堤边坡坡脚最大位移为250mm，其c值降低．这对于道路来说已经失去了稳定。为了保证路堤边坡的稳定．必须做好浸水路堤的隔水排水工程，适当地减缓坡度。增大其压实度。参考文献[1】程智超．煤矸石在路基填筑中的应用研究[D】．南京：东南大学．2002．『21张敬．超重车载作用下填石路基压实技术研究【D】．石家庄：河北工业大学，2002．『31孙锴．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Ⅱ】．公路工程，2014，(2)：83—87．[4】隋永芹等．煤矸石在路基施工中的应用Ⅱ】．苏州城建环保学院学报，2000，13(2)：44—47．『51闰秀萍．煤矸石作为高速公路路基填料的应用D】公路交通科技，2006，(2)：5卜54．【6】钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算(第二版)【M】．北京：中国水利水电出版社。1996．第一作者：孙舒(1983一)，男，硕士，讲师，国家注册土木工程师(岩土)，国家二级注册结构工程师，国家注册试验检测工程师(水运)，岩土工程专业。主要研究方向为建筑地基新技术应用。(编辑：张岚嵘)(收稿日期：2014—9—12)咖啪m∞o