沉陷區(qū)煤矸石路堤水穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

張清峰 王東權(quán) 于廣云 楊 晴

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

1 概述

煤矸石作為煤礦開采后的廢棄物，長(zhǎng)年累月地堆積在地表既占用大量耕地還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞[1]。因此，如何綜合利用煤矸石，使之變廢為寶，正越來越得到人們的重視。研究表明：煤矸石可用在土木建筑材料方面：如用作道路路基填料、路面基層材料摻合料等。但是煤矸石是一種較為特殊的散體材料，穩(wěn)定性不好，極易受到外界因素的不利影響，造成工程力學(xué)特性的改變。用煤矸石填筑的路堤經(jīng)過動(dòng)力破碎密實(shí)后雖可以達(dá)到規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定性要求，但是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的與外界接觸，如浸水，其物理力學(xué)特性會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)由于采動(dòng)過程中地基土受到擾動(dòng)，用其填筑的路堤的穩(wěn)定性會(huì)變差。如何保證沉陷區(qū)煤矸石路堤的水穩(wěn)定性是要考慮的一個(gè)重要工程問題。

目前，研究路堤邊坡穩(wěn)定性的理論主要有兩種：一種是基于飽和土力學(xué)理論的極限平衡法；一種是基于非飽和土力學(xué)理論的分析方法。文獻(xiàn)[2]提出非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論，文獻(xiàn)[3]最早提出強(qiáng)度折減有限元法的概念。李兆平等[4]認(rèn)為降雨引起邊坡失穩(wěn)的原因?yàn)榻涤晔雇馏w含水量增加，飽和度增加，基質(zhì)吸力降低，黏聚力降低，抗剪強(qiáng)度降低。王義川[5]進(jìn)行了采煤沉陷區(qū)煤矸石鐵路路堤水穩(wěn)定性研究。

本文擬采用FLAC3D軟件對(duì)沉陷區(qū)不同飽水時(shí)間兩種不同地基的公路煤矸石路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本文的研究可為沉陷區(qū)煤矸石路堤的加固設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)確保沉陷區(qū)浸水煤矸石路堤的穩(wěn)定性，有一定的工程意義。

2 不同飽水條件下煤矸石路堤穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

2.1 計(jì)算模型

依據(jù)JTG D20—2017公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范，本文數(shù)值模擬選擇公路等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，設(shè)計(jì)車道數(shù)2，路基頂面寬度一般值為12 m。選取煤矸石路堤高12 m，浸水路堤通常采用上陡下緩的折線形邊坡，上面6 m邊坡坡度為1∶1.5，下面6 m邊坡坡度為1∶1.75。所建模型為全路堤，地基土厚度取40 m。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立路堤模型，通過強(qiáng)度折減法計(jì)算路堤邊坡安全系數(shù)。采用Mohr-Coulomb彈塑性模型來模擬煤矸石的本構(gòu)關(guān)系，計(jì)算中采用相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則[6]。

2.2 計(jì)算參數(shù)

1)荷載參數(shù)。

行車荷載是邊坡穩(wěn)定性分析的主要作用力之一，換算時(shí)按荷載的最不利布置條件，取單位長(zhǎng)度路段計(jì)算，并考慮超載的影響，經(jīng)計(jì)算荷載值為18.0 kPa[7]。

2)煤矸石參數(shù)。

根據(jù)課題組已有研究成果[5]，利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算時(shí)，不同飽水時(shí)間的煤矸石參數(shù)如表1所示。

表1 不同飽水時(shí)間煤矸石參數(shù)

3)地基土參數(shù)。

模擬兩種地基條件，一種是正常地基，其參數(shù)如表2所示；一種是含淤泥層的軟弱地基，其參數(shù)如表3所示。

表2 地基土參數(shù)(不含淤泥質(zhì)黏土層)

表3 地基土參數(shù)(含淤泥質(zhì)黏土層)

正常地基土的體積模量為33.3 MPa，剪切模量為26.0 MPa，淤泥質(zhì)黏土的體積模量為12.0 MPa，剪切模量為3.0 MPa。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

正常地基和軟弱地基在飽水24 h,48 h的剪應(yīng)變?cè)隽繄D分別如圖1～圖4所示。

從圖1和圖2可以看出，正常地基在不同飽水時(shí)間剪應(yīng)變?cè)隽孔畲笾党霈F(xiàn)在坡腳，在坡腳出現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，即邊坡存在潛在滑動(dòng)面。從圖3和圖4可以看出，當(dāng)存在軟弱地基時(shí)，不同飽水時(shí)間塑性貫通區(qū)出現(xiàn)在軟弱地基上，而不是出現(xiàn)在坡腳位置處，對(duì)含有淤泥質(zhì)黏土層的軟弱地基，煤矸石路堤失穩(wěn)破壞時(shí)滑動(dòng)面出現(xiàn)在軟弱地層處。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同飽水時(shí)間兩種不同地基條件的安全系數(shù)分別如表4所示。

表4 不同飽水時(shí)間兩種不同地基條件的安全系數(shù)

從表4可以看出，對(duì)正常和含有淤泥質(zhì)黏土層的軟弱地基，隨著煤矸石填料飽水時(shí)間的增加，路堤安全系數(shù)逐漸降低，說明路堤穩(wěn)定性逐漸變差。煤矸石填料飽水時(shí)間相同，在邊坡坡度、高度、行車荷載相同的條件下，軟弱地基的安全系數(shù)比正常地基的有明顯下降。飽水時(shí)間0 h,24 h,48 h,72 h，軟弱地基的安全系數(shù)分別為正常地基的0.54倍,0.60倍,0.61倍,0.63倍。

3 結(jié)語

本文主要利用FLAC3D軟件對(duì)沉陷區(qū)不同飽水時(shí)間兩種不同地基的煤矸石路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到的主要結(jié)論如下：

1)對(duì)正常地基，煤矸石路堤失穩(wěn)破壞時(shí)滑動(dòng)面出現(xiàn)在坡腳，對(duì)含有淤泥質(zhì)黏土層的軟弱地基，煤矸石路堤失穩(wěn)破壞時(shí)滑動(dòng)面出現(xiàn)在軟弱地層處。

2)對(duì)正常地基，隨著飽水時(shí)間的增加，安全系數(shù)逐漸降低，說明穩(wěn)定性變差。在相同的飽水時(shí)間，在邊坡坡度、高度、荷載相同的條件下，軟弱地基的安全系數(shù)比正常地基明顯下降。

3)本文在數(shù)值模擬時(shí)整個(gè)路堤高度范圍內(nèi)都是按照飽水煤矸石的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行的，沒有考慮路基斷面不同深度剖面的煤矸石填料的物理力學(xué)性狀的變化特性。模擬結(jié)果可能和實(shí)際有一定的差距，但是，模擬結(jié)果可為沉陷區(qū)煤矸石路堤穩(wěn)定性加固治理提供參考。