煤矸石浸水路堤变形稳定研究

孙舒，王虹，李福林，黄杰

(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）

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）

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。为了对荷载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。

煤矸石；浸水路堤；压实度；变形

0 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250～300 mm颗粒所占比例小于10%，小于4.75 mm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Cu=6.86，Cc=0.85，说明煤矸石颗粒大小不均匀，但煤矸石的中间颗粒偏少，建议通过破碎粗料来优化级配。

表1 煤矸石筛分记录表

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[1]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1/2～1/3左右，但内摩擦角变化不很明显，带有随机性，浸水48 h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Mohr-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，本模型采用的地基土厚度取30 m，重度取21.2，粘聚力取50 kPa，内摩擦角取28°，弹性模量取30 MPa，泊松比取0.35，地基的宽度取为2×100 m。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0.35。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，30 cm水泥稳定碎石层，15 cm石灰土层），算出路堤顶面的均布恒载：

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[2]，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1.4 MPa。按规范《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）规定，标准轴载的当量圆直径为21.3 cm，取应力扩散角为45°，则路基顶面的当量圆直径为141.3 cm，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P=P1+P2= 44.7 kPa。

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

表4 正交计划与结果

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=44.7 kPa作用下，所得试验结果如表4所示：路堤最大沉降量Wmax和路堤顶面不均匀沉降差△W，坡脚横向位移量U1。

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H＝10 m对应的结果取其平均值得：

边坡角度β(33.69°)对应的计算结果平均值

用同样的方法求出K13、K14以及K2i、K3i和K4i之值并填入表5中。

其中极差R=Xmax-Xmin,

表5 Wmax直观分析表 单位：mm

所以：R(H)=534.1-364.1=170.0

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U1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直观分析表 单位：mm

表7 U1直观分析表 单位：mm

路堤最小沉降量组合是A1B4C1D4，即路堤高度H=10 m、边坡角度β=63.43°、水位高度h=0.5 m,浸水粘聚力c=82.08 kPa；

路堤顶面最小不均匀沉降组合是A1B4C4D4，即路堤高度H=10 m、边坡角度β=63.43°、水位高度h=6.5 m、浸水粘聚力c=82.08 kPa。

路堤右侧坡脚最大横向位移量最小组合是A2B1C1D2，路堤高度H=12 m，坡度β=33°，水位高度h=0.5 m，浸水粘聚力c=71.82 kPa。

4个影响因素对路堤沉降量Wmax、路堤顶面最大不均匀沉降差△W和坡脚水平位移U1影响程度见图3。

图3 Wmax、及U1影响因素分析图

分析上述图表，对于Wmax来说，路堤高度H是主要影响因素，水位高度h次之，边坡角度β影响较小，粘聚力c影响最小。而对于不均匀沉降△W，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β次之，路堤高度H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△W随着路堤高度H增高而增大，随着边坡角度β增大先增大后减少，且随着路堤高度的增加，增大边坡角度β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6.5 m，粘聚力为51.62 kPa时，路堤边坡坡脚最大位移为250 mm，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。

[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.

[2]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.

[3]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[J].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[J].苏州城建环保学院学报,2000,13(2):44-47.

[5]闰秀萍.煤矸石作为高速公路路基填料的应用[J]公路交通科技,2006，(2):51-54.

[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.

Coal gangue is the industrial waste residue in the process of construction and mining of a coal mine and processing of coal，and can be filling in roadbed or embankment.Material testing is firstly conducted for the coal gangue of a power plant in Taizhou city and it shows that the coal gangue can satisfy mechanical performance requirements of the highway embankment material.The influence of different factors on coal gangue embankment deformation is then analyzed by numerical simulation ABAQUS.The vertical settlement,uneven settlement of top surface,and the maximum horizontal displacement of slope toe under different situations are calculated for the embankment model,and corresponding key factors are drawn through the research on the variation of the above deformation.Measures such as waterproof,drainage,grade elimination and compaction increase are finally suggested to improve the stability of the soaking gangue embankment.

coal gangue;soaking embankment;compactness;deformation

孙舒（1983-），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。

岚嵘）（

2014-9-12）

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”。