基于FLAC3D的煤矸石填筑路基沉降及邊坡穩定性研究

楊 洋，雒力成，張宗堂

(1.甘肅靖遠煤電股份有限公司，甘肅 平川 730913；2.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

煤矸石是煤礦建設和煤炭生產過程中所排放出的固體廢棄物總稱，是碳質、泥質和砂質頁巖的混合物、煤炭生產中的副產品[1]。隨著煤炭工業的不斷發展，我國煤矸石年排放量不斷增加，是我國排放量最大的工業固體廢棄物[1]。鐵路、公路的修建需要大量的填筑材料，若將煤矸石用于路基的修筑，將產生較大的經濟、社會和環境效益。

在煤矸石路基填料方面，賀建清等[2]研究了摻土煤矸石的擊實、固結壓縮、滲透、承載比、抗剪強度性能，并分析了填筑工藝。張宗堂等[3]研究了級配對煤矸石路基填料壓實與強度特性的影響。胡雪松等[4]研究了煤矸石換填膨脹土路基的沉降。楊果林等[5]開展了煤矸石組合式加筋擋土墻現場試驗研究。

由此可見，在煤矸石路基填料方面已取得比較豐富的成果，但對于煤矸石填筑路基坡角、距離道路中心線遠近及填筑高度對其沉降與穩定性影響的研究較少。因此，本文結合煤矸石填筑煤海路實際工程，基于FLAC3D對其進行簡化建模，并研究坡角與填筑高度對煤矸石路基沉降與穩定性的影響。

1 工程概況

甘肅省白銀地區濕陷性黃土分布廣泛，其在一定壓力下受水浸濕時，土的結構會迅速破壞從而產生較大沉陷。所建工程為王家山煤海路工程，其主要用于礦區采煤的運輸及附近居民的交通出行，具有重要的交通價值。為確保路基的長期穩定性，對工程范圍內的濕陷性黃土進行換填處理。由于煤海路靠近白銀市平川區王家山煤礦，故采用王家山煤礦的煤矸石填筑路基。建筑場地單元屬于黃土丘陵地貌，場地地勢平坦，分布土層主要有人工填土、黃土狀粉土、角礫層等，且場地內無地下水賦存，僅有大氣降水及綠化澆水下滲。

2 煤矸石路基有限元模型

本文依據煤海路的實際工況，對其進行簡化建模。煤矸石路基常采用黏土為包肩土進行包邊處理，以防止雨水滲入可能造成的煤矸石二次污染問題，包肩土厚度取為0.1 m。采用有限差分法FLAC3D數值模擬軟件對煤矸石填筑路基沉降及邊坡穩定性進行分析研究。根據該路基實際所處的位置與規模大小，結合研究的目標確立模擬的范圍，建立路基三維模型如下：為了在簡化模型的同時減少邊界條件的影響，在模型中用Fix命令定義路基模型底面、后面、左右面位移及速度，將邊坡的底面、后面、左右面都固定，只留坡面為自由面。計算模型由實體單元數7 200個、網格點8 678個組成，建立的計算模型如圖1所示。參考已有的研究成果[6-7]，數值模擬采用的參數如表1所示。

車輛荷載是影響煤矸石路基沉降與穩定性的重要因素，本文參考已有成果[8]，將車輛荷載換算成相當于路基的巖土層厚度，計入路基的重力之中，本模型取該土層為1 m。結合實際工況，路基模型采用雙向車道，路肩寬度為2 m，車道寬度為3.7 m，車輛輪距為2.4 m。

圖1 煤矸石填筑路基計算模型

表1 數值模擬參數

3 煤矸石填筑路基數值模擬分析

3.1 坡角對煤矸石路基沉降與穩定性的影響

填筑高度在1.5～18 m的路基為一般路基，大于18 m或20 m屬于高路基[8]。本文采用1.5 m與20 m填筑高度的路基進行數值模擬研究，路基邊坡角度取30°，45°，60°，75°，80°，路基沉降位移監測點取車輛剛好行駛在道路中間時車輪所處的位置，即距離道路中心線0.65 m的A點和距離道路中心線4.35 m的B點。

圖2和圖3分別為煤矸石路基填筑高度為1.5 m和20 m時坡角對路基沉降的影響曲線。由圖2和圖3可知，隨著煤矸石路基坡角的增大，其沉降逐漸減小。圖4為坡角對路基邊坡安全系數的影響曲線，由圖4可知，隨著坡角的增大，路基邊坡安全系數逐漸減小。這表明在煤矸石路基填筑過程中要綜合考慮坡角對沉降和邊坡穩定性的影響，在確保邊坡穩定的前提下，盡可能選擇較大的坡角，從而減輕路基的沉降。

圖2 坡角對路基沉降的影響曲線(1.5 m)

圖3 坡角對路基沉降的影響曲線(20 m)

3.2 距道路中心線遠近對煤矸石路基沉降的影響

由圖2和圖3可知：對于1.5 m填筑高度的煤矸石路基而言，B點的沉降明顯大于A點，這說明煤矸石填筑一般路基距離道路中心線越遠，其沉降越大；而對于20 m填筑高度煤矸石路基，B點的沉降則稍小于A點，這說明煤矸石填筑高路基距離道路中心線越遠，其沉降反而越小。

3.3 填筑高度對煤矸石路基沉降與穩定性的影響

由圖2和圖3可知，對于1.5 m填筑高度的煤矸石路基，其沉降小于0.20 cm，而對于20 m填筑高度的煤矸石路基，其沉降則在11.46～39.76 cm。由此可見，煤矸石填筑路基高度越大，其沉降變形則越大。由圖4可知，煤矸石填筑路基高度越大，其邊坡安全系數越小。

圖4 坡角對路基邊坡安全系數的影響曲線

4 結語

(1)隨著煤矸石路基坡角的增大，其沉降逐漸減小，路基邊坡安全系數也逐漸減小，這表明在煤矸石路基填筑過程中要綜合考慮坡角對沉降和邊坡穩定性的影響，在確保邊坡穩定的前提下，盡可能選擇較大的坡角，從而減輕路基的沉降。

(2)煤矸石填筑一般路基距離道路中心線越遠，其沉降越大；而對于煤矸石填筑高路基距離道路中心線越遠，其沉降反而越小。

(3)煤矸石填筑路基高度越大，其沉降變形越大，邊坡安全系數越小。