煤矸石路基填料動變形特性試驗研究及數值分析

張萬龍

摘 要：通過動三軸試驗，研究了煤矸石作為公路路基填料的動力特性，建立了不同含水率、動應力幅值影響下的煤矸石軸向累積應變計算公式，并應用FLAC3D對煤矸石路基進行了數值模擬分析。結果表明：煤矸石軸向累積應變對數值與含水率、動應力幅值成正比；在動荷載作用下，煤矸石路基的瞬時沉降速率較大，隨著時間增長，沉降值很快趨于穩定。試驗表明在交通動荷載作用下，煤矸石變形性能能夠滿足要求，說明采用煤矸石作為路基填料是可行的。

關鍵詞：煤矸石 路基填料 動力特性 數值模擬

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：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

煤矸石是指在礦山建設、煤炭開采和加工過程中排放出來的一種與煤伴生、共生的沉積巖，是我國最大的工業固體廢棄物，但也具有廣闊的利用前景[1]。煤矸石廢棄不用會帶來如下危害：自燃產生有害氣體和煙塵；矸石山滑坡等地質災害；重金屬會造成地下水污染和糧食減產等[2，3]。因此，如何經濟、適宜和規模化地利用煤矸石會給我國帶來巨大的經濟效益、環境效益和社會效益。

近幾年，煤矸石已被用來發電、生產建筑構件、燒結磚和煤矸石砼等[4，5]。K.M.Skarzynska[6]通過對煤矸石的壓密試驗進行分析，提出了“破碎壓密”的概念；姜振泉[7]等通過對不同軟巖含量的煤矸石進行壓密試驗，探討了煤矸石破碎與壓密曲線的關系，認為破碎特性可以彌補煤矸石的級配缺陷特性；彭意等[8]通過對不同摻土比例的煤矸石進行物理力學特性試驗，得到了最大干密度和最優含水量，并探討了煤矸石的CBR、膨脹率、滲透性、抗剪強度與壓實度、摻土比例的關系；劉松玉等[9，10]通過對重塑煤矸石試樣進行動三軸試驗，研究了不同固結應力比狀態下的動強度曲線、動應力-應變和動彈模等，得到了雙曲線本構模型的具體參數；程培峰等[11]通過劈裂試驗和回彈試驗測定了不同無機結合料穩定煤矸石的回彈模量、劈裂強度等參數；賀建清等[12，13]針對煤矸石路基填料存在的問題，采用室內試驗方法，研究了摻土煤矸石的工程物理力學性能，認為可以作為高速公路的路基填料。但煤矸石礦物、化學成分復雜，軟巖礦物所占比例較大，且含有大量的有機質、硫化物和殘留煤等，因而其動變形特性十分不同于一般土。煤矸石與煤伴生，含多種礦物成分，是一種沉積巖。其顆粒粒徑D變化范圍巨大，同時含有細顆粒和巨粒；礦物成分主要有石英和粘土礦物，其中硅酸鹽類較多。因此煤矸石易于破碎，這與級配碎石很不一樣。

該文通過動三軸試驗，以某地區煤矸石作為試驗原料，對煤矸石作為路基填料的動變形特性進行了試驗和數值模擬研究。

1 煤矸石路基填料動三軸試驗

1.1 煤矸石試樣制備

本次試驗原料取自某礦煤矸山，由于煤矸石粒度變化較大，首先將煤矸石過9.5 mm篩處理，得到煤矸石級配情況見圖1。然后測定煤矸石的含水量情況，并按0.7的相對密度DR控制其干密度，利用三瓣飽和器制成高H=200 mm，直徑D=100 mm的濕試樣，控制試樣含水率分別為6.0%、9.0%和12.0%三種情況進行試驗。

1.2 試驗儀器

本次試驗采用英國GDS公司生產的GDS動三軸儀，該型動三軸儀屬于電磁式振動型，具有小應變測量功能和自動記錄試驗數據功能；動應力頻率范圍為0.5～5 Hz，最大軸向力為10 kN，試樣高度為200 mm、外徑為100 mm；可以進行標準三軸、K0固結、應力路徑等類型試驗。

1.3 加載過程

首先將重塑煤矸石試樣用橡皮膜包囊，并將其放入動三軸儀的壓力室中，通過壓力室中的介質（水）向試樣施加周圍壓力σ3C為50 kPa，其中周圍壓力σ3C與軸向固結壓力σ1C的關系見公式（1）；然后施加偏差應力（σ1C-σ3C），待試樣固結穩定后，采用動應力幅值σdmax為5 kPa、10 kPa、20 kPa的三種循環荷載分別施加到不同試樣上，記錄煤矸石試樣的動應變、動孔壓和動應力等數據。

（1）

其中：φ-表示煤矸石的內摩擦角。

試樣軸向累積應變可由式（2）得到：

（2）

式中：H1表示動荷載作用前的高度，H2表示動荷載作用后的高度。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

根據循環動荷載振動100次的試驗數據，得到煤矸石在不同含水率條件下，軸向累積應變與振動次數的關系曲線如圖3所示。從圖中可以分析出：煤矸石含水率越高，軸向累積應變越大，主要是由于水分充填煤矸石顆粒的間隙，起到潤滑作用，減小了煤矸石顆粒的摩擦，使煤矸石的內摩擦角數值減小的緣故；在振動初始階段，軸向累積應變增長速度較快，當振動次數超過40次后，軸向累積應變增長速率逐漸平緩，這是因為在初始振動階段，煤矸石間隙在振動荷載作用下迅速壓實的緣故，當顆粒孔隙減小到一定程度時，軸向累積應變的增加主要由顆粒破碎引起，而顆粒破碎所需要的能量遠大于孔隙壓縮所需的能量，因此后期煤矸石軸向累積應變增加緩慢，以上變化過程與碎石混合路基填料相符。

2.2 結果分析

根據不同幅值動應力作用100次時的軸向累積應變試驗數據，得到數值回歸分析結果如表1所示。繪制煤矸石在不同含水率下，振動次數為100次時的軸向累積應變與動應力幅值關系曲線如圖4所示。

由圖4可以看出：含水率一定時，煤矸石軸向累計應變與動應力幅值呈指數關系。通過回歸分析，建立了動荷載條件下，煤矸石軸向累積應變與動應力幅值、含水率的計算公式（3），相關系數為0.9837。

（3）

式中：ε為煤矸石軸向累積應變；ω為煤矸石含水率；σd為動應力幅值；α、β、C為相關系。

通過MATLAB數值分析軟件對試驗數據進行回歸分析，得到相關經驗公式（4）：

（4）

以上通過試驗得到的經驗公式，對實際工程采用煤矸石作為路基填料計算軸向累積應變時，具有參考價值。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

煤矸石路基模型如圖5，具體幾何尺寸如下：路基高為8 m、路基頂面寬20 m，路基模型放坡為1∶1.5。FLAC3D有限差分網格劃分如圖6所示，模型各層物理力學參數見表2。

計算采用摩爾-庫倫本構模型。圖6中有限元網格模型取橫向132 m，縱向28 m；上部邊界為自由邊界，水平方向邊界采用約束水平位移，模型下部采用約束垂直位移；在自重狀態下求解到節點最大不平衡力小于10 N時，然后在路面施加車輛動荷載。車輛動載取值按公式（5）進行。

（5）

式中：F（t）-表示車輛輪胎對路基路面的動荷載，P0表示車輪靜載，P表示振動荷載幅值，ω-表示振動圓頻率，t-表示時間。車輛荷載工況為I、II、III和IV時，P分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa和40 kPa。

3.2 結果分析

由路面沉降時程曲線圖7可知，路基在振動荷載作用下會發生瞬時變形和長期變形，瞬時變形是在車輛荷載作用的短時間內產生的，可以依據彈塑性力學計算得到；長期變形指在車輛振動荷載作用下緩慢產生的。由圖還可以看出：長期變形隨時間增長而不斷增大，但增長速率不斷減小，最后趨于穩定。上述說明煤矸石路基能夠滿足交通荷載的承載力和變形要求。

圖8為路基中線不同深度最終位移，從圖中可以看出：在車輛動荷載作用下，隨路基深度的增加，最終位移沉降量和位移振幅都逐漸減小；車輛荷載工況為I、II、III和IV時，路面沉降位移分別為3.2 mm、4.1 mm、5.8 mm和9.0 mm，說明隨車輛荷載增大，沉降位移呈指數增長。

車輛荷載作用下，路面不同位置沉降量如圖9所示。從圖中可以看出：在車輛荷載作用下，路基中心部分沉降量較兩側大，這是由于車輛荷載主要集中在公路中間，左右行車道車輛對路基影響在道路中線發生“重疊”的緣故。上述分析表明：煤矸石路基沉降符合實際規律，應用于路基填料是可行的。

4 結論

該文進行了煤矸石動三軸試驗，并對路基進行了車輛荷載作用下的數值模擬分析，得到主要結論如下。

（1）通過動三軸試驗，得到了不同動應力幅值、含水率影響下煤矸石軸向累積應變與振動次數的關系曲線；建立了不同含水率、動應力幅值影響下的軸向累積應變經驗公式，為煤矸石路基填料實際應用提夠了參考依據。（2）數值分析表明：路基在動荷載作用下的沉降變形分為瞬時沉降和長期沉降，最后趨于穩定；由于動荷載“疊加”效應，使路面中間部分沉降量較大，兩側較小，這符合實際規律，說明應用煤矸石作為路基填料是可行的。

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