格宾网加筋煤矸石路堤稳定性及其强化措施

沈华, 张梓振， 段君义

(1. 云南公路建设监理有限公司， 昆明 650041； 2. 中南大学土木工程学院， 长沙 410075； 3． 南昌大学工程建设学院， 南昌 330031)

煤矸石是指在煤矿从开采到加工成煤等一系列的工业过程中产生的煤炭矿渣。煤矸石的工业价值很低，这导致煤矸石被作为废弃物[1-2]。煤炭是中国能源的主要来源途径之一。历经几十年的煤炭开采，煤矸石已经成为了中国最大的工业废弃物[3-4]，且仍以1.5亿t/年的速率持续增长，严重污染环境[5]。许多经过煤矿区的公路能够带动当地煤矿区的经济发展，然而，煤矿区的优质填料却十分匮乏。考虑到环境保护和双碳目标的要求，将煤矸石废弃物作为公路路基的潜在填料成为路基工程应用的新途径[6]。

煤矸石是一种特殊的填料，具有区别于其他土质填料不同的工程性质[7]。如煤矸石较软，在碾压夯实等外荷载作用下，煤矸石容易被碾碎，存在级配不良的特点，煤矸石自身粘聚力较低，颗粒表现出散体结构特征[8-9]。因此，实际工程中，往往需要往煤矸石中掺入一定比例的黏土，以使得煤矸石混合土的工程性质满足填筑要求[10]，同时采用加筋土结构进一步增强煤矸石路基的整体性。

加筋土结构具有占地面积小、地基适应性好、环保美观及工程造价低等优点。得益于各类加筋材料的发展[11]，如今各种各样的加筋土结构已被广泛应用于实际加筋路基工程。为进一步研究加筋土结构的工作性能，研究人员开展了大量研究。崔春义等[12]基于“四因素，三水平”正交试验开展了土工格栅加筋路堤稳定性的参数敏感性分析。耿大新等[13]采用分离式分析法研究了多层土工格室筋材的拉应力性状，并提出了改进铺设方法。尹平保等[14]通过现场试验研究了土工格栅加筋镍铁渣加筋路堤在施工期及工后的变形发展规律。Yang等[15]基于极限平衡法推导了圆弧滑裂面情况下加筋路堤的稳定性计算方法，指出较缓的路堤坡度对加筋路堤稳定性影响较小。刘蓓蓓等[16]通过数值模拟分析土工格室材料参数及其铺设情况对土工格室加筋路堤稳定性的影响，并指出多层加筋路堤的破坏形式为多弧段的破裂面。杨果林等[17]研究了煤矸石弹性模量、格宾网铺设情况对加筋煤矸石路堤稳定性的影响，并给出了相应的加筋方案建议。以上研究成果加深了对加筋土结构力学与变形特性的认识，但有关加筋煤矸石路堤的力学与变形特性及其路堤稳定性的研究十分有限[8,18]。

格宾网是一种新型土工材料，可与土体形成良好的嵌固咬合作用。某高速公路路基工程中采用了格宾网筋材加筋煤矸石路堤形式。为此，以该路基工程为依托，通过现场试验研究开展格宾网加筋煤矸石路堤力学与变形特性。在此基础上，结合数值模型进一步分析格宾网加筋煤矸石路堤稳定性情况，并提出相应的路堤强化措施，研究成果可为煤矿区高速公路路基的修建及其煤矸石的工程应用提供指导意义。

1 现场试验及其结果分析

1.1 煤矸石填料和格宾网

试验段位于某高速高速公路。根据实地调查发现，当地存在大量的煤矸石堆积山，如图1所示。在雨水的冲刷作用下，煤矸石淋溶物顺着地表径流流入附近的湄江河，引起污染[19]。同时，修建的公路路基为填方路堤工程，需要大量的填料。在对煤矸石的填料适用性进行分析的基础上，拟把煤矸石作为路基潜在性填料。这样既可以解决煤矸石污染问题，又可以解决当地优质填料缺乏问题。煤矸石具有与其他填土材料不同的工程性质，如煤矸石岩性较软，在碾压夯实作用下其粗颗粒容易被碾碎；颗粒粒径分布范围较广，级配不良。为了改善煤矸石级配和便于压实，通过在煤矸石内掺入一定比例的黏土，以形成煤矸石与黏土的混合土，用于路基填筑[10]。煤矸石混合土的级配情况如图2所示，不均匀系数为2.57，曲率系数为4.54，液限为29.9%，塑限为16.8%，塑性指数为13.1。根据土的分类标准可知，该煤矸石混合土为低液限黏土。同时，根据击实试验确定其最大干密度为2.040 g/m3，最优含水率为10.4%。

格宾网是一种由覆塑钢丝绞合成六边形网孔的网状结构，如图3所示，该网孔结构特点可保证在即使某个钢丝被拉断时，整个网片会应力调整而继续保持较高的拉伸强度[20]。

图1 现场煤矸石堆积山Fig.1 Accumulation mountain formed by coal gangue

图2 煤矸石混合土的级配曲线Fig.2 Grading curve of coal gangue mixed soil

图3 格宾网示意图Fig.3 Schematic diagram of gabion

1.2 现场试验设计

由于填方路堤临近湄江河，附近有水利工程设施，导致用地空间小，同时，填方路堤下部的煤矸石堆积层较厚，地基承载能力有限。综合考虑，采用格宾网柔性加筋挡墙设计方案。填方路堤的横断面结构如图4所示。整个填方路堤高度为15 m，分成2级，上级路堤直接采用煤矸石混合土填筑，坡比为1∶1.5，下级路堤采用格宾网加筋煤矸石路堤形式填筑，坡比为1∶0.3。加筋路堤的墙面为格宾网箱装填石块，并按错位堆叠而成，如图4所示。铺设在路堤内部的格宾网与格宾网箱进行连接。

为掌握下级格宾网加筋路堤边坡的工作状态，同时为今后煤矸石地区加筋路堤的修筑提供参考建议，在下部路堤中布设了柔性位移计(型号：JMDL-2405A)、土压力盒(型号：JMZX-5006A)及水平应变计(型号：JMDL-4520A)。如图5所示，柔性位移计在第6层格宾网上按等间距布置，在第3层与第4层格宾网之间按等间距布置4个竖向土压力盒。从路堤底部向上，在第一、二、三层格宾网下方分别布置水平应变计和水平土压力盒，以获取格宾网加筋挡墙的侧向位移和侧向土压力。

图4 格宾网箱Fig.4 Gabion cage

图5 路堤结构与元器件布置的横断面Fig.5 Cross section of embankment structure and component arrangement

1.3 现场试验结果分析

1.3.1 竖向土压力分布规律

图6为路堤竖向土压力沿横向的分布规律。可以看出，竖向土压力沿路堤横向呈现为非均匀分布。其中，靠近墙面处的竖向土压力较小，这是由于靠近墙面处的格宾网对土体的网兜效应越明显，这导致格宾网网兜的下方土体所受竖向土压力降低，同时，格宾网箱墙面为倾斜斜面，越靠近墙面处，对应的上覆厚度越小，这也使得靠近墙面处的竖向土压力较低。墙面附近竖向土压力的降低有助于降低格宾网箱上的作用力，进而提升格宾网加筋挡墙的稳定性。在距墙面距离为3 m附近，竖向土压力达到最大值，之后，随着距墙面距离的继续增加，竖向土压力有所降低，并呈现出波动变化状态。

图6 竖向土压力的横向分布规律Fig.6 Transverse distribution of vertical earth pressure

1.3.2 侧向土压力分布规律

将格宾网箱后的侧向土压力实测值、朗肯主动土压力及静止土压力进行对比，如图7所示。可以看出，格宾网箱后侧向土压力实测值沿墙高呈现非线性分布，其值介于朗肯主动土压力值和静止土压力值之间。这说明格宾网加筋挡墙具有一定程度的柔性变形能力，可以通过墙面侧向变形作用降低作用于墙面的侧向土压力，这对格宾网加筋挡墙来说是有利的，同时，也说明传统的土压力理论并不适用于格宾网加筋挡墙的土压力计算。

1.3.3 格宾网筋材应变分布规律

图8为格宾网筋材应变沿路堤横向的分布规律。可以看出，格宾网筋材沿路堤横线呈现为典型的单峰分布特征。根据加筋挡墙潜在滑裂面判定方法可知，筋材最大拉力/应变为筋材与潜在滑裂面的交汇处。因此，对于本格宾网加筋挡墙工程而言，其潜在滑裂面位置在距墙背的距离2.4～4.2 m范围，这与确定加筋挡墙的潜在滑裂面的“0.3H法”计算结果基本吻合(其中H为路堤高度)。因此，对于以煤矸石混合土为填料修建的格宾网加筋煤矸石挡墙，在对其稳定性计算时可采用“0.3H法”来确定其潜在滑裂面。

图7 侧向土压力沿墙高的分布规律Fig.7 Distribution of lateral earth pressure along wall height

图8 格宾网筋材应变的横向分布规律Fig.8 Transverse strain distribution of gabion mesh reinforcement

2 数值模型建立与验证

考虑到现场试验成本高和测试内容有限，本文接下来根据现场煤矸石填方路堤的横断面结构建立相应的数值模型，进一步分析格宾网加筋煤矸石路堤工作性能。图9为采用FLAC3D软件建立的格宾网加筋煤矸石路堤的三维数值模型，其中，考虑到边界条件的影响，模型沿路堤纵向长度取为1 m，坡顶面宽度取为10 m，地基横向宽度、厚度分别取为33.4、10.0 m，其余尺寸与现场实际边坡尺寸一致。约束模型底部的三向位移，模型的4个侧门分别约束与之相应的法向位移。煤矸石混合土采用摩尔-库伦弹塑性本构模型模拟。考虑到填充在格宾网箱内的石块强度大、变形小，故网箱内的石块采用弹性模型模拟。格宾网箱长度、宽度、高度分别为2、1、1 m，在荷载作用下，格宾网箱存在压缩或拉伸变形，且其变形受填充石块和路堤填土的影响较大，故仍采用摩尔-库伦弹塑性本构模型来模拟。各组成结构材料的参数取值如表1所示，格宾网与煤矸石混合土的界面参数如表2所示。

以路堤内部的竖向土压力的横向分布特征为例，将数值模拟结果与实测结果进行对比，结果如图10所示。

由图10可知，竖向土压力的模拟值与实测值的大小及其分布趋势基本吻合，这表明数值模拟具有可靠性和准确性，可用于后续数值模拟分析。此外，

图9 格宾网加筋煤矸石路堤的三维数值模型Fig.9 Three-dimensional numerical model of gabion reinforced coal gangue embankment

表1 路堤各结构材料的参数Table 1 Parameters of various structural materials of embankment

表2 格宾网-煤矸石混合土的界面参数Table 2 Interface parameters of gabion-coal gangue mixed soil

图10 竖向土压力的模拟值与实测值对比Fig.10 Comparison between simulated and measured vertical earth pressure

靠近墙面附近，竖向土压力急剧下降，这是受墙面处的退台式台阶的卸荷作用，以及在格宾网箱与墙后土体的差异竖向变形所引起的网兜效应，这两者的综合作用导致墙面处竖向土压力的降低，且越靠近墙面，竖向土压力的降低越显著。

3 数值模拟结果分析

3.1 格宾网加筋煤矸石路堤力学与变形特征

图11为格宾网加筋煤矸石路堤的剪应变云图。可以看出，格宾网加筋煤矸石路堤的潜在滑裂面由距坡顶边缘一定距离处开始，经过坡体内部和坡脚下方，从坡脚前方滑出，这可能导致坡脚前方土体出现隆起变形现象，如图12所示。整个潜在滑裂面较为靠内，为典型的圆弧状滑裂面特征。根据强度折减法计算出其安全系数为1.3，路堤坡脚处为其不利位置。因此，在设计与施工过程中应注重强化坡脚加固处治，这将有助于提高路堤的稳定性。由图12可知，格宾网加筋煤矸石路堤的竖向变形沿路堤横向(从坡脚前至路堤中线的方向)呈现为隆起变形向沉降变形转变的特点，路堤的最大沉降变形发生在路堤中线处。

图11 格宾网加筋煤矸石路堤的剪应变云图Fig.11 Shear strain cloud diagram of gabion reinforced coal gangue embankment

图12 格宾网加筋煤矸石路堤竖向变形云图Fig.12 Vertical deformation cloud diagram of gabion reinforced coal gangue embankment

3.2 格宾网加筋煤矸石路堤的坡脚强化分析

分析可知，格宾网加筋煤矸石路堤的潜在滑裂面是由从坡脚下方穿过，并从坡脚前方滑出，且坡脚下方及坡脚前方的土体剪应变明显大于其他位置处的剪应变。这表明坡脚下方的地基土体以及坡脚前方的土体剪应力明显大于其他位置的剪应力。因此，受较大的附加荷载作用下，坡脚附近的土体将最先达到塑性状态，使得路堤坡体会因为此处最先失稳，继而造成整个路堤边坡的失稳破坏。

为此，需对坡脚附近土体进行强化加固，传统的强化措施主要有坡脚回填压实、土体夯实或换填，这些措施需要占用更多用地或者需要优质填料，且效果并不一定很好。提供一种新的坡脚强化措施，即在坡脚下方提前预埋格宾网箱的方法。为分析该新措施对格宾网加筋煤矸石路堤的稳定性改善效果，设置了3种格宾网箱埋设深度，分别为1、2、3 m，埋设于坡脚下方的格宾网箱长度、宽度、高度分别为2、1.5、0.5 m。图13为格宾网箱埋设深度为2 m时的数值模型。

图14为格宾网箱埋设深度对路堤安全系数的影响。可以看出，在坡脚下方埋设格宾网箱之后，路堤安全系数得到提高，并且随着格宾网箱埋设深度的增加，路堤安全系数会进一步提高，具体地，相比于不埋设格宾网箱，格宾网箱埋设深度为1 m和 3 m 时，对应的路堤安全系数分别提高了5.5%和11.7%。可见，在坡脚下方埋设格宾网箱可发挥显著的加固作用，进而提升路堤稳定性。

图13 格宾网箱埋设深度2 m时的数值模型Fig.13 Numerical model of gabion cage buried depth of 2 m

图14 格宾网箱埋设深度对路堤安全系数的影响Fig.14 Influence of embedded depth of gabion cage on the safety factor of embankment

图15为不同格宾网箱埋设深度时路堤剪应变云图(以埋设深度2 m为例)。可以看出，由于格宾网箱结构的抗滑作用，使得路堤内的塑性区向下发展，塑性贯通区(潜在滑裂面)由原来的平缓圆弧状变成曲率较大的弯钩状，这相当于延长了潜在滑裂面的长度，增大了潜在滑裂面上的抗滑力。同时，在未埋设格宾网箱时，坡脚前方的塑性区宽度约为4.1 m，格宾网箱埋设深度为2 m时，坡脚前面的塑性区宽度增大至6.47 m，这表明设置格宾网箱后，坡脚前方的土体塑性区扩展，使得路堤的抗滑阻力及其稳定性得到明显提升。

综上可知，所提出在坡脚下方埋设格宾网箱措施，能够改善坡脚下方的力学与变形状态，可改变路堤内潜在滑裂面的形状，延长潜在滑裂面的长度，同时，能够增大坡脚前方土体的塑性区范围，使得路堤的抗滑力显著提升，进而提升路堤的稳定性。建议在格宾网加筋路堤边坡中使用该措施。

图15 格宾网箱埋设深度2 m时路堤剪应变云图Fig.15 Shear strain cloud diagram of embankment when gabion cage is buried at a depth of 2 m

4 结论

以格宾网加筋煤矸石路堤实际工程为例，通过现场试验和数值模拟，分析了格宾网加筋路堤的力学与变形特征。在此基础上，进一步研究了坡脚加固措施对路堤稳定性的影响，得出如下主要结论。

(1) 在格宾网箱退台式台阶堆叠结构的卸荷作用和墙面附近的格宾网网兜效应综合作用下，靠近墙面处的竖向土压力较低。同时，格宾网的柔性变形特点使得格宾网加筋挡墙墙后的侧向土压力小于朗肯静止土压力。

(2) 格宾网加筋煤矸石路堤的潜在滑裂面与稳定性仍可采用传统的“0.3H法”进行分析。格宾网加筋路堤的坡脚附近为不利位置，在设计与施工过程中，应注重坡脚下方的强化加固。

(3) 提出了在坡脚下方埋设格宾网箱的加固措施，当埋设深度达到3 m时，边坡安全系数提高了11.7%。该措施可改善坡脚处的力学与变形状态，改变潜在滑裂面的形状与长度，增大路堤的抗滑力，进而有限提升路堤的稳定性。