基于FLAC3D的左涉一級公路厚層煤矸石棄渣地基處治方法研究

宋竹兵，張 毅，趙云海，劉瑞瑞，3

（1.山西路橋集團 左涉公路有限公司，山西 左權 032600；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.陜西土地工程建設集團 咸陽分公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

左權至涉縣某新建一級公路工程需要穿越厚層煤矸石廢渣區域，由于該煤矸石區域未固結，故選擇合適的地基處理方法是首要任務。

席培勝等[1]通過現場載荷試驗和數值模擬計算分析，對不同的擴大頭高度和上下樁徑比下的釘形雙向水泥攪拌樁進行單樁承載力進行計算分析，得到了最佳擴大頭高度為1 m，最佳樁徑比為2的結論。魏國安等[2]通過實驗和數值模擬兩方面對預應力混凝土管樁進行計算分析，管樁破壞的原因是因為混凝土達到了極限受壓承載力，可以通過提升混凝土強度提高單樁極限承載力。王常明等[3]通過樁的載荷試驗和數值模擬方法進行計算分析，根據樁端阻力在單樁豎向承載力的占比下降的規律進行分析，提出了靜壓管樁單樁承載力特征值的計算方法。李金良等[4]通過ABAQUS軟件對不同溶洞頂板厚度的單樁承載特性進行分析，計算結果說明了隨著溶洞頂板厚度的增大，單樁極限承載力也增大。

譚鑫等[5]采用有限差分法對軟土地基中碎石樁單樁進行數值模擬分析，推導了軟土地基中碎石樁單樁承載力計算公式。江杰等[6]推導并驗算了膨脹土剪切模量隨深度變化的單樁荷載傳遞的公式，并提出了膨脹作用對單樁承載力影響的計算方法，對膨脹作用對單樁特性的影響進行解釋。

金繼偉等[7]對SDDC法加固濕陷性黃土的加固機理以及性能特點進行分析，為類似工程提供相關經驗參考。霍保東等[8]通過結合實際工程分析SDDC樁處理地基，結果表明復合地基承載力得到顯著提高以及樁間土的性能得到改善。

張清峰等[9-10]通過ANSYS軟件計算分析煤矸石地基在夯擊能作用下的位移沉降規律，豎向位移隨地基深度增加而減小；通過物理模型試驗研究強夯法加固煤矸石地基的物理力學參數變化，確定了不同夯擊能下煤矸石地基承載力，為強夯法處理煤矸石地基提供參考依據。

本文依托左權至涉縣某新建一級公路工程，通過現場和室內試驗，得到煤矸石物理力學指標，并使用FLAC3D軟件對孔內深層強夯法處理煤矸石地基的可行性進行驗證，并對工后土體沉降進行計算分析。

1 工程概況

左權至涉縣新建一級公路工程（以下簡稱“左涉一級公路”），起點位于山西省晉中市左權縣遼陽鎮東北，終點位于長治市黎城縣黃崖洞鎮下清泉村南部S322公路K0+000處。路線方案起點位于左權縣，接陽左高速左權連接線，終點位于黎城縣黃崖洞鎮清泉村南。在左涉一級公路LJ1標段需要經過煤矸石棄渣堆填區，樁號范圍為DK1+705—DK1+880。在線路兩側大量的人工堆積物主要是煤矸石，最大的堆積高度已經超過19 m，總體積約40萬m3，并且處于疏松狀態，對公路路基穩定造成嚴重危害。

2 工程地質概況

穿越煤矸石棄渣堆填區的地層從上到下依次為人工填土、卵石、粉質黏土、強風化巖和中風化巖，未加固的人工填土地層地基承載力為85 kPa。該地區地下水位埋深在地下2.1～16.2 m，標高為1 088.97～1 091.06 m，水位受季節影響較大，在汛期地表水位有明顯的上漲，水流平時較緩，總體流向由北向南。

3 煤矸石基本物理力學試驗

在煤矸石棄渣堆填區進行現場取土，對每個取土點設置2～3組平行試驗，開展煤矸石基本物理力學試驗，采用烘干法、大比尺環刀法、直接剪切試驗法、三軸壓縮試驗法，分別測定土樣含水率、天然密度、彈性模量以及抗剪強度指標。

如圖1、圖2所示，在煤矸石棄渣堆填區，從3個不同的斷面處取土，相鄰斷面處間隔50 m，每個斷面依次在2 m、3 m、4 m深的位置取試樣進行試驗。

圖1 煤矸石現場取樣

圖2 煤矸石試樣

通過基本物理力學試驗，測得煤矸石棄渣的密度變化區間在1.55～1.79 g/cm3，平均值為1.70 g/cm3，天然含水率變化區間在4.16%～5.61%，平均值為5.01%.通過直接剪切試驗得到煤矸石的彈性模量結果變化區間在19.57～20.45 MPa，取其平均值20 MPa。煤矸石內摩擦角和黏聚力試驗結果變化區間在22.485°～23.224°、7.65～7.72 kPa，分別取平均值 為 22.82°和7.69 kPa。

4 FLAC3D本構模型和參數的選取

在進行本構模型選取時，合適的本構模型能夠更好地反映實際地基沉降量。故土體選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，樁體選用Elastic彈性模型。FLAC3D模型中各個土層參數如表1所示。

表1 夯擊能4 000 kN·m下FLAC3D模型參數

5 計算結果分析

在進行數值分析計算過程中，為了能夠更加準確真實地反映實際情況，需要構建合適的模型。通過使用Midas軟件建模能夠節約建模時間，再導入到FLAC3D軟件進行數值分析。

高速公路斷面具有對稱性，只需建立一半模型進行數值計算，建立尺寸為30 m×30 m×30 m的地基和頂長10 m底長13 m厚度2 m的路堤模型。地基土層從上到下分別為厚度16 m的煤矸石地層、厚度4 m的卵石地層、厚度10 m的強風化巖地層。建立模型后，對路堤頂部施加均布荷載16.936 kPa作為工后荷載，對地基頂部沉降進行監測。

擬采用SDDC法加固煤矸石地基，對夯擊能4 000 kN·m工況下樁徑為1.2 m的6 m、8 m、10 m樁長復合地基進行數值模擬計算，并與未加固煤矸石地基進行工后沉降量對比分析。

5.1 未處理煤矸石地基承載力及沉降分析

建立未處理煤矸石地基模型，限制側面水平位移、限制底部豎向位移，然后進行初始自重應力平衡，并對地基承載力、地基頂部工后沉降進行監測，監測結果如圖5～圖7所示。

圖3 未處理煤矸石地基

圖4 未處理煤矸石地基初始自重應力平衡

圖5 未處理煤矸石地基承載力

圖6 未處理煤矸石地基頂面距路堤中心距離變化沉降

圖7 未處理煤矸石地基工后沉降

由圖5可知，未處理煤矸石地基承載力為90 kPa，與工程地質資料提供的85 kPa大致吻合，說明未處理煤矸石地基承載力較低。由圖6可知，未處理煤矸石地基頂面沉降隨距路堤中心距離增加而減小，路堤中心沉降量為35.38 cm，路肩位置沉降量為8.14 cm，工后沉降量未能達到設計施工要求。未處理煤矸石地基工后沉降量大，路堤中心與路肩處沉降相差27.24 cm，較大的不均勻沉降將會對公路施工以及使用造成巨大危害。由圖7可知，未處理復合地基工后沉降穩定時間較長。未處理煤矸石地基工后沉降量一直增大，直到工后65個月沉降速度減小，但工后沉降量并不趨于穩定，說明未處理煤矸石地基具有不穩定性。

通過數值計算分析，發現未處理的煤矸石地基承載力低、工后沉降量大、不均勻沉降差較大、工后沉降穩定時間長，故有必要對地基處理加固。

5.2 單樁數值模型建立及結果分析

建立樁徑1.2 m樁長為10 m單樁地基數值模型，將模型的側面限制水平位移，模型的底部限制豎向位移，輸入各土層以及樁體參數，進行自重應力平衡。對4 000 kN·m樁長10 m的單樁復合地基承載力進行監測，監測結果如圖10所示。

圖8 單樁復合地基

圖9 單樁復合地基初始自重應力平衡

圖10 單樁復合地基承載力

由圖10可知，荷載與位移曲線是一條平緩且光滑的曲線。10 m長的單樁復合地基承載力為246.5 kPa，與規范法計算出來的承載力結果相接近，說明單樁模型參數選取較為合理，可以進行后續的群樁復合地基數值模擬計算。

未加固時煤矸石復合地基承載力為85 kPa，加固后單樁復合地基承載力為246.5 kPa，地基處理后承載力顯著提升約1.9倍，故孔內深層強夯法可以顯著提高煤矸石地基的承載力。

5.3 群樁數值模型建立及結果分析

建立夯擊能4 000 kN·m工況下樁徑為1.2 m的6 m、8 m、10 m的群樁模型，限制模型側面的水平位移、模型底部的豎向位移，輸入各土層以及樁體參數，進行自重應力平衡。對不同樁長的群樁復合地基頂面路堤中心工后沉降進行監測，監測結果如圖13所示。

圖11 樁長10 m群樁復合地基剖面

圖12 群樁復合地基初始自重應力平衡

圖13 不同樁長復合地基樁頂工后沉降變化曲線

由圖13可知，在工后荷載作用下，不同樁長下的地基樁頂沉降變化規律是一致的。在夯擊能4 000 kN·m工況下，6 m、8 m、10 m樁長復合地基樁頂工后沉降曲線均呈現前期沉降迅速后期沉降減緩趨于穩定。

隨著樁長增加復合地基樁頂工后沉降逐漸減小，6 m、8 m、10 m樁長復合地基樁頂工后沉降量為44.5 mm、32.33 mm、24.17 mm。8 m和10 m樁長復合地基相對于6 m樁長復合地基樁頂工后沉降減少27.35%、45.69%，說明通過增加樁長能夠有效降低工后沉降量。10 m樁長復合地基較8 m樁長復合地基樁頂工后沉降量減少25%，說明10 m樁長復合地基工后沉降量減少更加明顯。

隨著樁長增加復合地基樁頂工后沉降速率降低，6 m、8 m、10 m樁長復合地基樁頂工后沉降速率為0.041 mm/d、0.03 mm/d、0.022 mm/d。8 m和10 m樁長復合地基相對于6 m樁長復合地基樁頂工后沉降速率降低26.83%、46.34%，說明通過增加樁長能夠有效降低工后沉降速率。10 m樁長復合地基較8 m樁長復合地基樁頂工后沉降速率降低26.67%，說明10 m樁長復合地基工后沉降速率降低更加明顯。

隨著樁長增加復合地基樁頂工后沉降穩定時間縮短，6 m、8 m、10 m樁長復合地基工后沉降穩定時間為33個月、30個月、27個月。8 m和10 m樁長復合地基相對于6 m樁長復合地基樁頂工后沉降穩定時間縮短約9%、18.18%，說明通過增加樁長能夠有效縮短工后沉降穩定時間。10 m樁長復合地基較8 m樁長復合地基樁頂工后沉降穩定時間縮短10%，說明10 m樁長復合地基穩定性更好。

夯擊能4 000 kN·m樁長10 m復合地基與未處理煤矸石地基相比，樁頂工后沉降量減少32.963 cm，降低約93%，樁頂沉降速率降低為0.022 mm/d，樁頂工后沉降穩定時間縮短為27個月。

6 結語

a）本文通過左權至涉縣新建一級公路工程，簡述了地基處理的數值分析模型的步驟，利用Midas軟件建模簡單快捷，節約建模時間。

b）未處理煤矸石地基承載力為85 kPa、工后沉降量為35.38 cm、不均勻沉降差為27.24 cm，在工后階段不具有穩定性。

c）在夯擊能4 000 kN·m工況下不同樁長處理加固煤矸石地基，復合地基樁頂工后沉降量均呈現前期沉降迅速后期趨于平緩穩定。隨著樁長增加，地基樁頂工后沉降量減小、沉降速率降低、沉降穩定時間縮短。

d）夯擊能4 000 kN·m樁長10 m復合地基承載力為246.5 kN，地基承載力提升約1.9倍，樁頂工后沉降量減少至24.17 mm，沉降速率降為0.022 mm/d、沉降穩定時間縮短為27個月，滿足工后階段安全要求。