沉陷區煤矸石路堤水穩定性的數值模擬研究

張清峰 王東權 于廣云 楊 晴

(1.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116； 2.江南大學環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214122)

1 概述

煤矸石作為煤礦開采后的廢棄物，長年累月地堆積在地表既占用大量耕地還會對生態環境造成破壞[1]。因此，如何綜合利用煤矸石，使之變廢為寶，正越來越得到人們的重視。研究表明：煤矸石可用在土木建筑材料方面：如用作道路路基填料、路面基層材料摻合料等。但是煤矸石是一種較為特殊的散體材料，穩定性不好，極易受到外界因素的不利影響，造成工程力學特性的改變。用煤矸石填筑的路堤經過動力破碎密實后雖可以達到規范規定的穩定性要求，但是經過長時間的與外界接觸，如浸水，其物理力學特性會發生改變，同時由于采動過程中地基土受到擾動，用其填筑的路堤的穩定性會變差。如何保證沉陷區煤矸石路堤的水穩定性是要考慮的一個重要工程問題。

目前，研究路堤邊坡穩定性的理論主要有兩種：一種是基于飽和土力學理論的極限平衡法；一種是基于非飽和土力學理論的分析方法。文獻[2]提出非飽和土的抗剪強度理論，文獻[3]最早提出強度折減有限元法的概念。李兆平等[4]認為降雨引起邊坡失穩的原因為降雨使土體含水量增加，飽和度增加，基質吸力降低，黏聚力降低，抗剪強度降低。王義川[5]進行了采煤沉陷區煤矸石鐵路路堤水穩定性研究。

本文擬采用FLAC3D軟件對沉陷區不同飽水時間兩種不同地基的公路煤矸石路堤的穩定性進行數值模擬研究。本文的研究可為沉陷區煤矸石路堤的加固設計提供參考，對確保沉陷區浸水煤矸石路堤的穩定性，有一定的工程意義。

2 不同飽水條件下煤矸石路堤穩定性數值模擬研究

2.1 計算模型

依據JTG D20—2017公路路線設計規范，本文數值模擬選擇公路等級為二級，設計時速為80 km/h，設計車道數2，路基頂面寬度一般值為12 m。選取煤矸石路堤高12 m，浸水路堤通常采用上陡下緩的折線形邊坡，上面6 m邊坡坡度為1∶1.5，下面6 m邊坡坡度為1∶1.75。所建模型為全路堤，地基土厚度取40 m。采用FLAC3D數值模擬軟件建立路堤模型，通過強度折減法計算路堤邊坡安全系數。采用Mohr-Coulomb彈塑性模型來模擬煤矸石的本構關系，計算中采用相關聯的流動法則[6]。

2.2 計算參數

1)荷載參數。

行車荷載是邊坡穩定性分析的主要作用力之一，換算時按荷載的最不利布置條件，取單位長度路段計算，并考慮超載的影響，經計算荷載值為18.0 kPa[7]。

2)煤矸石參數。

根據課題組已有研究成果[5]，利用FLAC3D數值計算時，不同飽水時間的煤矸石參數如表1所示。

表1 不同飽水時間煤矸石參數

3)地基土參數。

模擬兩種地基條件，一種是正常地基，其參數如表2所示；一種是含淤泥層的軟弱地基，其參數如表3所示。

表2 地基土參數(不含淤泥質黏土層)

表3 地基土參數(含淤泥質黏土層)

正常地基土的體積模量為33.3 MPa，剪切模量為26.0 MPa，淤泥質黏土的體積模量為12.0 MPa，剪切模量為3.0 MPa。

2.3 數值模擬結果分析

正常地基和軟弱地基在飽水24 h,48 h的剪應變增量圖分別如圖1～圖4所示。

從圖1和圖2可以看出，正常地基在不同飽水時間剪應變增量最大值出現在坡腳，在坡腳出現明顯的塑性貫通區，即邊坡存在潛在滑動面。從圖3和圖4可以看出，當存在軟弱地基時，不同飽水時間塑性貫通區出現在軟弱地基上，而不是出現在坡腳位置處，對含有淤泥質黏土層的軟弱地基，煤矸石路堤失穩破壞時滑動面出現在軟弱地層處。

根據數值模擬結果，不同飽水時間兩種不同地基條件的安全系數分別如表4所示。

表4 不同飽水時間兩種不同地基條件的安全系數

從表4可以看出，對正常和含有淤泥質黏土層的軟弱地基，隨著煤矸石填料飽水時間的增加，路堤安全系數逐漸降低，說明路堤穩定性逐漸變差。煤矸石填料飽水時間相同，在邊坡坡度、高度、行車荷載相同的條件下，軟弱地基的安全系數比正常地基的有明顯下降。飽水時間0 h,24 h,48 h,72 h，軟弱地基的安全系數分別為正常地基的0.54倍,0.60倍,0.61倍,0.63倍。

3 結語

本文主要利用FLAC3D軟件對沉陷區不同飽水時間兩種不同地基的煤矸石路堤的穩定性進行數值模擬研究，得到的主要結論如下：

1)對正常地基，煤矸石路堤失穩破壞時滑動面出現在坡腳，對含有淤泥質黏土層的軟弱地基，煤矸石路堤失穩破壞時滑動面出現在軟弱地層處。

2)對正常地基，隨著飽水時間的增加，安全系數逐漸降低，說明穩定性變差。在相同的飽水時間，在邊坡坡度、高度、荷載相同的條件下，軟弱地基的安全系數比正常地基明顯下降。

3)本文在數值模擬時整個路堤高度范圍內都是按照飽水煤矸石的力學參數進行的，沒有考慮路基斷面不同深度剖面的煤矸石填料的物理力學性狀的變化特性。模擬結果可能和實際有一定的差距，但是，模擬結果可為沉陷區煤矸石路堤穩定性加固治理提供參考。