煤矸石路基填料动变形特性试验研究及数值分析

张万龙

摘 要：通过动三轴试验，研究了煤矸石作为公路路基填料的动力特性，建立了不同含水率、动应力幅值影响下的煤矸石轴向累积应变计算公式，并应用FLAC3D对煤矸石路基进行了数值模拟分析。结果表明：煤矸石轴向累积应变对数值与含水率、动应力幅值成正比；在动荷载作用下，煤矸石路基的瞬时沉降速率较大，随着时间增长，沉降值很快趋于稳定。试验表明在交通动荷载作用下，煤矸石变形性能能够满足要求，说明采用煤矸石作为路基填料是可行的。

关键词：煤矸石 路基填料 动力特性 数值模拟

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0025-06

Experimental Study and Numerical Simulation on Dynamic Characteristics of

Coal Gangue Fill Subgrade

（CR17BG No.3 Engineering Co.，Ltd， Shijiazhuang Hebei， 050000，China）

Abstract：Based on laboratory dynamic triaxial tests，dynamic characteristics of coal gangue fill subgrade were studied.The cumulated axial strain of coal gangue calculating formulas are presented， which were referred to moisture content and amplitude of dynamic stress. Numerical simulation of coal gangue subgrade in Fuxin area，Liaoning province based on FLAC3D were presented. The results showed that the ralationship between cumulated axial strain of coal gangue and moisture content or amplitude of dynamic stress was linear.The immediate settlement rate of coal gangue subgrade under dynamic loads is large，with the lapse of time，settlement was quickly tended to be stable.The experiment proved that the stability and deformation performance of coal gangue subgrade can satisfy the request. Therefore，Coal gangue fill subgrade may be applicable，and this is important to engineer.

Key Words：Coal Gangue； Roadbed Filling；Dynamic Characteristics；Numerical Simulation

煤矸石是指在矿山建设、煤炭开采和加工过程中排放出来的一种与煤伴生、共生的沉积岩，是我国最大的工业固体废弃物，但也具有广阔的利用前景[1]。煤矸石废弃不用会带来如下危害：自燃产生有害气体和烟尘；矸石山滑坡等地质灾害；重金属会造成地下水污染和粮食减产等[2，3]。因此，如何经济、适宜和规模化地利用煤矸石会给我国带来巨大的经济效益、环境效益和社会效益。

近几年，煤矸石已被用来发电、生产建筑构件、烧结砖和煤矸石砼等[4，5]。K.M.Skarzynska[6]通过对煤矸石的压密试验进行分析，提出了“破碎压密”的概念；姜振泉[7]等通过对不同软岩含量的煤矸石进行压密试验，探讨了煤矸石破碎与压密曲线的关系，认为破碎特性可以弥补煤矸石的级配缺陷特性；彭意等[8]通过对不同掺土比例的煤矸石进行物理力学特性试验，得到了最大干密度和最优含水量，并探讨了煤矸石的CBR、膨胀率、渗透性、抗剪强度与压实度、掺土比例的关系；刘松玉等[9，10]通过对重塑煤矸石试样进行动三轴试验，研究了不同固结应力比状态下的动强度曲线、动应力-应变和动弹模等，得到了双曲线本构模型的具体参数；程培峰等[11]通过劈裂试验和回弹试验测定了不同无机结合料稳定煤矸石的回弹模量、劈裂强度等参数；贺建清等[12，13]针对煤矸石路基填料存在的问题，采用室内试验方法，研究了掺土煤矸石的工程物理力学性能，认为可以作为高速公路的路基填料。但煤矸石矿物、化学成分复杂，软岩矿物所占比例较大，且含有大量的有机质、硫化物和残留煤等，因而其动变形特性十分不同于一般土。煤矸石与煤伴生，含多种矿物成分，是一种沉积岩。其颗粒粒径D变化范围巨大，同时含有细颗粒和巨粒；矿物成分主要有石英和粘土矿物，其中硅酸盐类较多。因此煤矸石易于破碎，这与级配碎石很不一样。

该文通过动三轴试验，以某地区煤矸石作为试验原料，对煤矸石作为路基填料的动变形特性进行了试验和数值模拟研究。

1 煤矸石路基填料动三轴试验

1.1 煤矸石试样制备

本次试验原料取自某矿煤矸山，由于煤矸石粒度变化较大，首先将煤矸石过9.5 mm筛处理，得到煤矸石级配情况见图1。然后测定煤矸石的含水量情况，并按0.7的相对密度DR控制其干密度，利用三瓣饱和器制成高H=200 mm，直径D=100 mm的湿试样，控制试样含水率分别为6.0%、9.0%和12.0%三种情况进行试验。

1.2 试验仪器

本次试验采用英国GDS公司生产的GDS动三轴仪，该型动三轴仪属于电磁式振动型，具有小应变测量功能和自动记录试验数据功能；动应力频率范围为0.5～5 Hz，最大轴向力为10 kN，试样高度为200 mm、外径为100 mm；可以进行标准三轴、K0固结、应力路径等类型试验。

1.3 加载过程

首先将重塑煤矸石试样用橡皮膜包囊，并将其放入动三轴仪的压力室中，通过压力室中的介质（水）向试样施加周围压力σ3C为50 kPa，其中周围压力σ3C与轴向固结压力σ1C的关系见公式（1）；然后施加偏差应力（σ1C-σ3C），待试样固结稳定后，采用动应力幅值σdmax为5 kPa、10 kPa、20 kPa的三种循环荷载分别施加到不同试样上，记录煤矸石试样的动应变、动孔压和动应力等数据。

（1）

其中：φ-表示煤矸石的内摩擦角。

试样轴向累积应变可由式（2）得到：

（2）

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。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

根据循环动荷载振动100次的试验数据，得到煤矸石在不同含水率条件下，轴向累积应变与振动次数的关系曲线如图3所示。从图中可以分析出：煤矸石含水率越高，轴向累积应变越大，主要是由于水分充填煤矸石颗粒的间隙，起到润滑作用，减小了煤矸石颗粒的摩擦，使煤矸石的内摩擦角数值减小的缘故；在振动初始阶段，轴向累积应变增长速度较快，当振动次数超过40次后，轴向累积应变增长速率逐渐平缓，这是因为在初始振动阶段，煤矸石间隙在振动荷载作用下迅速压实的缘故，当颗粒孔隙减小到一定程度时，轴向累积应变的增加主要由颗粒破碎引起，而颗粒破碎所需要的能量远大于孔隙压缩所需的能量，因此后期煤矸石轴向累积应变增加缓慢，以上变化过程与碎石混合路基填料相符。

2.2 结果分析

根据不同幅值动应力作用100次时的轴向累积应变试验数据，得到数值回归分析结果如表1所示。绘制煤矸石在不同含水率下，振动次数为100次时的轴向累积应变与动应力幅值关系曲线如图4所示。

由图4可以看出：含水率一定时，煤矸石轴向累计应变与动应力幅值呈指数关系。通过回归分析，建立了动荷载条件下，煤矸石轴向累积应变与动应力幅值、含水率的计算公式（3），相关系数为0.9837。

（3）

式中：ε为煤矸石轴向累积应变；ω为煤矸石含水率；σd为动应力幅值；α、β、C为相关系。

通过MATLAB数值分析软件对试验数据进行回归分析，得到相关经验公式（4）：

（4）

以上通过试验得到的经验公式，对实际工程采用煤矸石作为路基填料计算轴向累积应变时，具有参考价值。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

煤矸石路基模型如图5，具体几何尺寸如下：路基高为8 m、路基顶面宽20 m，路基模型放坡为1∶1.5。FLAC3D有限差分网格划分如图6所示，模型各层物理力学参数见表2。

计算采用摩尔-库伦本构模型。图6中有限元网格模型取横向132 m，纵向28 m；上部边界为自由边界，水平方向边界采用约束水平位移，模型下部采用约束垂直位移；在自重状态下求解到节点最大不平衡力小于10 N时，然后在路面施加车辆动荷载。车辆动载取值按公式（5）进行。

（5）

式中：F（t）-表示车辆轮胎对路基路面的动荷载，P0表示车轮静载，P表示振动荷载幅值，ω-表示振动圆频率，t-表示时间。车辆荷载工况为I、II、III和IV时，P分别为10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa。

3.2 结果分析

由路面沉降时程曲线图7可知，路基在振动荷载作用下会发生瞬时变形和长期变形，瞬时变形是在车辆荷载作用的短时间内产生的，可以依据弹塑性力学计算得到；长期变形指在车辆振动荷载作用下缓慢产生的。由图还可以看出：长期变形随时间增长而不断增大，但增长速率不断减小，最后趋于稳定。上述说明煤矸石路基能够满足交通荷载的承载力和变形要求。

图8为路基中线不同深度最终位移，从图中可以看出：在车辆动荷载作用下，随路基深度的增加，最终位移沉降量和位移振幅都逐渐减小；车辆荷载工况为I、II、III和IV时，路面沉降位移分别为3.2 mm、4.1 mm、5.8 mm和9.0 mm，说明随车辆荷载增大，沉降位移呈指数增长。

车辆荷载作用下，路面不同位置沉降量如图9所示。从图中可以看出：在车辆荷载作用下，路基中心部分沉降量较两侧大，这是由于车辆荷载主要集中在公路中间，左右行车道车辆对路基影响在道路中线发生“重叠”的缘故。上述分析表明：煤矸石路基沉降符合实际规律，应用于路基填料是可行的。

4 结论

该文进行了煤矸石动三轴试验，并对路基进行了车辆荷载作用下的数值模拟分析，得到主要结论如下。

（1）通过动三轴试验，得到了不同动应力幅值、含水率影响下煤矸石轴向累积应变与振动次数的关系曲线；建立了不同含水率、动应力幅值影响下的轴向累积应变经验公式，为煤矸石路基填料实际应用提够了参考依据。（2）数值分析表明：路基在动荷载作用下的沉降变形分为瞬时沉降和长期沉降，最后趋于稳定；由于动荷载“叠加”效应，使路面中间部分沉降量较大，两侧较小，这符合实际规律，说明应用煤矸石作为路基填料是可行的。

参考文献

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