地震荷载下煤矸石路基变形室内试验与数值模拟分析

李永靖，乔朋庆，邢 洋，闫宣澎

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

煤矸石是指矿井建设、巷道掘进和煤炭开采过程中排放的一种含炭岩石，是一种固体废弃物，也具有资源性［1-2］。辽宁阜新煤炭资源日益枯竭，成为首个被国家批准的资源枯竭型城市，拥有具有可利用潜质的矸石山11座，分别在新邱、海洲、东梁和艾友等地区，压占农田19.358km2，堆存量19.88×108t。煤矸石长期裸露，会对空气、地下水资源、农田和自然环境造成严重的危害［3-4］。当前煤矸石的综合利用方向主要为:生产陶瓷、生产烧结砖、回收矿产和煤矸石发电等［5-7］。

目前，煤矸石作为路基和塌陷区地基填料成为煤矸石综合利用的重要方向。煤矸石的震陷变形特性是煤矸石动力学特性的重要内容，是评价场地震陷和路基抗震稳定性的主要方面。各地煤矸石的矿物成分、形成年代和产出方式各不相同，因而物理力学参数差异巨大，对其进行专门的动力测试是应用的前提。地震荷载诱发的场地震陷将引起道路地基和建筑物地基不均匀沉陷，造成建筑物的裂缝、倾斜、倒塌和沉陷等。煤矸石的动力特性和随机地震荷载的研究是比较困难的，岩土体和建筑物的耦合动力响应分析就更加复杂［8］。张清峰等人［9］通过室内试验，研究了强夯法加固煤矸石地基的加固效果。动三轴试验、共振柱试验、现场波速测试和数值分析是研究煤矸石震陷变形特性的主要手段［10-13］。

本文以辽宁阜新煤矸石作为试验原材，进行了随机地震荷载和正弦循环荷载下的动三轴试验，并运用FLAC3D对煤矸石路基进行了地震响应分析。

1 煤矸石震陷试验

1.1 试验仪器

动三轴试验和共振柱试验是分析土动力特性的主要室内试验方法，前者适用于土的动应变超过10-4量级时，后者适用于土的动应变低于10-4量级时。本次试验采用DDS-70微机控制电磁式振动三轴仪，具有自动记录动应力的时程曲线、动应变的时程曲线和动孔压的时程曲线能力。试样高80mm，直径39.1mm。

1.2 试样制备

煤矸石试样(以下简称试样)原材取自阜新艾友煤矸山。为了适应动三轴试验试件的尺寸要求，首先采用小型撞击式破碎机将煤矸石破碎，然后筛分，使得颗粒粒径在0.5～5mm。然后将煤矸石击实并削制成型。

1.3 地震荷载

依据《中国地震动参数区划图》，阜新地区震级M=7.0。参考H.B.Seed等人研究方法，将实测地震波进行转换，得到超越概率10%和2%时的随机地震荷载时程曲线(图1)。从图1(a)中可以看出:超越概率为10%时，地震加速度峰值约为0.1g(g为重力加速度);由(b)得到超越概率2%时，地震荷载加速度峰值约为0.16g。对比图1(a)和(b)可以得到:超越概率越小，地震加速度峰值越大。

图1 阜新地区地震时程曲线Fig.1 The seismic wave curves in Fuxin area

1.4 荷载施加

1.4.1 静荷载施加依据研究问题的应力状态，在试样轴向和侧向施加轴向固结压力σ1C和侧向固结压力σ3C，使试样在振动三轴仪上固结到稳定状态。其中轴向固结应力σ1C取100kPa、150kPa、200kPa，侧向固结应力 σ3C按式(1)取值。

其中:Kc为固结应力比，取Kc=1。

1.4.2 动荷载施加

(a)随机地震荷载

待试样固结变形稳定后，将阜新地区超越概率10%和2%时的随机地震荷载时程曲线(图1)分别施加到试样上，记录动应力和动应变时程曲线。

(b)正弦循环荷载

待试样固结变形稳定后，将正弦循环荷载(参数如:周期T=1s，振次N=10次，动应力幅值σdmax分别为20kPa、40kPa、60kPa、80kPa)施加到到试样上，记录动应力和动应变时程曲线。

轴向累积应变可由式(2)得到:

式中:

H1——表示动荷载作用前的高度;

H2——表示动荷载作用后的高度。

1.5 结果分析

图2为随机地震荷载作用下，每隔一段时间(0.2s)记录一次试样轴向应变，得到的试样轴向累积应变随时间曲线。从图2(a)中可以看出:试样的轴向累积应变随时间T和含水量ω的增长而增加，随轴向固结压力σ1C增长而减小。说明试样含水率越高，越容易被压缩。对比图2(a)和(b)可知:地震荷载越大，试样轴向累积应变越大。

图2 轴向累积应变时程曲线Fig.2 Axial accumulate strain time-history curve

图3各点为正弦循环荷载每个周期结束后煤矸石试样的轴向应变εP。结合图2和图3可以看出:在研究煤矸石轴向累积应变时，正弦循环荷载一定程度上可以代替随机地震荷载。从图3(a)可以看出:起振阶段，试样轴向累积应变增长迅速;振次N超过某值(本次试验约为4)时，试样轴向累积应变增速变缓。说明起振阶段试样轴向累积应变迅速增大的原因是试样孔隙比е迅速减小，随着振次的增加，孔隙比е到达稳定状态。对比图3(a)、(b)、(c)和(d)可以得到:试样轴向累积应变随动应力幅值σdmax增大而变大。

图3 不同动应力幅值下轴向累积应变与振次关系Fig.3 Relation between axial accumulate strain and vibration times under difference amplitude

将试样轴向累积应变εp与动应力幅值σdmax绘制成一条曲线，就成为震陷曲线(图4)。从图中可以看出:震陷曲线前段，试样轴向累积应变εp变化不大，然后呈线性增长直到最后破坏。表明试样经历了振动压密、振动剪切和振动破坏三阶段，与碎石路基填料过程相近，说明动荷载作用下煤矸石变形特性符合路基填料要求。

利用Excel对震陷曲线进行非线性回归分析，建立了如下回归方程，见公式(3)。

式中:

εp——轴向累积应变;

σdmax——动应力幅值;

A、B、n、α——试验得到的参数。

回归分析结果见表1，具体回归参数见图4。

图4 不同固结压力下震陷曲线Fig.4 The seismic settlement curves under difference seismic settlement curves

表1 试验结果及回归分析Table 1 The experimental result and regression analysis

2 路基地震响应分析

2.1 模型建立

路基横断面具体尺寸如图5所示。建立路基全断面网格模型(图6)。模型计算参数见表2，模型宽132m，高28m。边界条件采取:水平方向及底部受约束，上部自由。计算模型在自重状态下求解到节点最大不平衡力小于1N时，开始施加地震荷载。

图5 路基断面图Fig.5 The design of subgrade

图6 有限元网格Fig.6 Finite element model

表2 模型计算参数Table 2 The calculating parameter of model

2.2 结果分析

不同地震荷载作用下的煤矸石路基位移矢量云图见图7。从(a)图中看出:路基震动位移最大值为1.1cm左右，说明超越概率10%时，路基基本安全;从(b)图中看出:施加超越概率2%的地震荷载作用，路基边坡将出现滑动带，说明路基容易出现滑坡等危险状态。

图7 位移矢量云图Fig.7 The displacement vector nephogram

图8 竖向位移云图Fig.8 The vertical displacement nephogram

不同地震荷载作用下的煤矸石路基竖向位移见图8。由(a)、(b)图看出:路基竖向位移随着地震荷载强度的增大而增大。从(b)图中还看出，路肩边坡处竖向位移最大，说明路肩边坡在地震荷载作用下容易出现滑坡现象。

地震荷载作用下路基中心位移-时程曲线如图9所示。从图中看出:路基中心沉降位移随地震荷载的强度增大而增加;地震荷载施加后，路基残余变形在超越概率10%时较小;而超越概率2%时，路基最终残余变形值较大，说明路基残余变形随地震荷载强度增大而增加。

图9 路基中心不同深度沉降位移－时程曲线Fig.9 Relation between displacement and time

3 结论

(1)通过动三轴试验，建立了不同轴向固结压力及动应力幅值影响下的煤矸石震陷变形数学公式;且煤矸石试件变形规律经历了振动压密、振动剪切和振动破坏三阶段，与普通路基填料类同，说明煤矸石作路基填料是可行的。

(2)数值模拟表明:在地震荷载超越概率2%时，路基两侧更容易出现滑动带，且随地震荷载强度增加而变得严重;震后路基会留下较大的残余变形。上述结果为煤矸石路基抗震设计提供了参考，具有较为重要工程价值。

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