沉陷区煤矸石路堤水稳定性的数值模拟研究

第４６卷第４期

２０２０年２月

山西建筑　　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ

Ｖｏｌ.４６Ｎｏ.４

Ｆｅｂ.　２０２０

􀅰道路􀅰铁路􀅰

文章编号:１００９￣６８２５(２０２０)０４￣００９８￣０２

沉陷区煤矸石路堤水稳定性的数值模拟研究

(１.中国矿业大学力学与土木工程学院ꎬ江苏徐州　２２１１１６ꎻ　２.江南大学环境与土木工程学院ꎬ江苏无锡　２１４１２２)摘　要:利用ＦＬＡＣ３Ｄ软件建立了铁路煤矸石路堤数值分析模型ꎬ在强度折减法的基础上ꎬ按Ｍ￣Ｃ强度理论分析煤矸石填料不同饱水时间正常地基和含软弱土层地基对路堤稳定性的影响ꎮ模拟结果表明:对正常和含有淤泥质黏土层的软弱地基ꎬ随着路堤填料煤矸石饱水时间的增加ꎬ路堤安全系数逐渐降低ꎬ说明稳定性逐渐变差ꎮ在相同的饱水时间ꎬ在边坡坡度、路堤高度、荷载相同的条件下ꎬ软弱地基的安全系数比正常地基的有所下降ꎮ该研究可为沉陷区煤矸石路堤加固治理提供参考ꎮ关键词:煤矸石路堤ꎬ水稳定性ꎬＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟ꎬ安全系数中图分类号:Ｕ４１６.１２文献标识码:Ａ

张清峰１ꎬ２　王东权１　于广云１　杨　晴１

∗

１　概述

煤矸石作为煤矿开采后的废弃物ꎬ长年累月地堆积在地表既占用大量耕地还会对生态环境造成破坏[１]ꎮ因此ꎬ如何综合利用煤矸石ꎬ使之变废为宝ꎬ正越来越得到人们的重视ꎮ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、路面基层材料掺合料等ꎮ但是煤矸石是一种较为特殊的散体材料ꎬ稳定性不好ꎬ极易受到外界因素的不利影响ꎬ造成工程力学特性的改变ꎮ用煤矸石填筑的路堤经过动力破碎密实后虽可以达到规范规定的稳定性要求ꎬ但是经过长时间的与外界接触ꎬ如浸水ꎬ其物理力学特性会发生改变ꎬ同时由于采动过程中地基土受到扰动ꎬ用其填筑的路堤的稳定性会变差ꎮ如何保证沉陷区煤矸石路堤的水稳定性是要考虑的一个重要工程问题ꎮ

目前ꎬ研究路堤边坡稳定性的理论主要有两种:一种是基于饱和土力学理论的极限平衡法ꎻ一种是基于非饱和土力学理论的分析方法ꎮ文献[２]提出非饱和土的抗剪强度理论ꎬ文献[３]最早提出强度折减有限元法的概念ꎮ李兆平等[４]认为降雨引起边坡失稳的原因为降雨使土体含水量增加ꎬ饱和度增加ꎬ基质吸力降低ꎬ黏聚力降低ꎬ抗剪强度降低ꎮ王义川[５]进行了采煤沉陷区煤矸石铁路路堤水稳定性研究ꎮ

本文拟采用ＦＬＡＣ３Ｄ软件对沉陷区不同饱水时间两种不同地基的公路煤矸石路堤的稳定性进行数值模拟研究ꎮ本文的研究可为沉陷区煤矸石路堤的加固设计提供参考ꎬ对确保沉陷区浸水煤矸石路堤的稳定性ꎬ有一定的工程意义ꎮ

２.２　计算参数

全路堤ꎬ地基土厚度取４０ｍꎮ采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件建立路堤模型ꎬ通过强度折减法计算路堤边坡安全系数ꎮ采用Ｍｏｈｒ￣Ｃｏｕｌｏｍｂ弹塑性模型来模拟煤矸石的本构关系ꎬ计算中采用相关联的流动法则[６]ꎮ

１)荷载参数ꎮ

行车荷载是边坡稳定性分析的主要作用力之一ꎬ换算时按荷载的最不利布置条件ꎬ取单位长度路段计算ꎬ并考虑超载的影响ꎬ经计算荷载值为１８.０ｋＰａ[７]ꎮ

２)煤矸石参数ꎮ

根据课题组已有研究成果[５]ꎬ利用ＦＬＡＣ３Ｄ数值计算时ꎬ不同饱水时间的煤矸石参数如表１所示ꎮ

表１　不同饱水时间煤矸石参数

饱水时间/ｈ

２４４８７２０

容重γｋＮ/ｍ３２２２２２２２２

黏聚力ｃｋＰａ３２.７１６.２１１.３８.１０

内摩擦角φ/(°)３１.０８３１.５０３１.７５３２.４４

体积模量Ｇ/ＭＰａ１４.９７１４.１５１３.２６１３.７８

剪切模量Ｋ/ＭＰａ８.９８８.４９７.９６８.２７

　　３)地基土参数ꎮ

模拟两种地基条件ꎬ一种是正常地基ꎬ其参数如表２所示ꎻ一种是含淤泥层的软弱地基ꎬ其参数如表３所示ꎮ

表２　地基土参数(不含淤泥质黏土层)

①粉质黏土②粉质黏土③粉质黏土④粉质黏土⑤黏土岩土名称

容重γ/ｋＮ􀅰ｍ－３

１８

１８１８１８１８

黏聚力ｃ/ｋＰａ

５２.２５２.２５７.６７４.８８３.８

内摩擦角φ/(°)

１４.６９１５.００１４.００１６.１１１６.９５内摩擦角φ/(°)

１１.７０１４.００１６.１１１６.９５４.２４

２　不同饱水条件下煤矸石路堤稳定性数值模拟研究２.１　计算模型

依据ＪＴＧＤ２０—２０１７公路路线设计规范ꎬ本文数值模拟选择公路等级为二级ꎬ设计时速为８０ｋｍ/ｈꎬ设计车道数２ꎬ路基顶面宽度一般值为１２ｍꎮ选取煤矸石路堤高１２ｍꎬ浸水路堤通常采用上陡下缓的折线形边坡ꎬ上面６ｍ边坡坡度为１∶１.５ꎬ下面６ｍ边坡坡度为１∶１.７５ꎮ所建模型为

收稿日期:２０１９￣１２￣０９　

作者简介:张清峰(１９７７￣)ꎬ女ꎬ在读博士ꎬ讲师通讯作者:王东权(１９６２￣)ꎬ男ꎬ博士生导师ꎬ教授

表３　地基土参数(含淤泥质黏土层)

容重γ/ｋＮ􀅰ｍ－３

１８

１８１８１８１８

黏聚力ｃ/ｋＰａ

４８.９１６.９５７.６７４.８８３.８

②淤泥质黏土③粉质黏土④粉质黏土⑤黏土

①粉质黏土

岩土名称

　　正常地基土的体积模量为３３.３ＭＰａꎬ剪切模量为２６.０ＭＰａꎬ淤泥质黏土的体积模量为１２.０ＭＰａꎬ剪切模量

第４６卷第４期

２０２０年２月

　　　　　　　张清峰等:沉陷区煤矸石路堤水稳定性的数值模拟研究

􀅰９９􀅰

为３.０ＭＰａꎮ

２.３　数值模拟结果分析

正常地基和软弱地基在饱水２４ｈꎬ４８ｈ的剪应变增量图分别如图１~图４所示ꎮ

３　结语

４８ｈꎬ７２ｈꎬ软弱地基的安全系数分别为正常地基的０.５４倍ꎬ０.６０倍ꎬ０.６１倍ꎬ０.６３倍ꎮ

本文主要利用ＦＬＡＣ３Ｄ软件对沉陷区不同饱水时间两种不同地基的煤矸石路堤的稳定性进行数值模拟研究ꎬ得到的主要结论如下:

１)对正常地基ꎬ煤矸石路堤失稳破坏时滑动面出现在坡脚ꎬ对含有淤泥质黏土层的软弱地基ꎬ煤矸石路堤失稳破坏时滑动面出现在软弱地层处ꎮ

２)对正常地基ꎬ随着饱水时间的增加ꎬ安全系数逐渐降低ꎬ说明稳定性变差ꎮ在相同的饱水时间ꎬ在边坡坡度、高度、荷载相同的条件下ꎬ软弱地基的安全系数比正常地基明显下降ꎮ

３)本文在数值模拟时整个路堤高度范围内都是按照饱水煤矸石的力学参数进行的ꎬ没有考虑路基断面不同深度剖面的煤矸石填料的物理力学性状的变化特性ꎮ模拟结果可能和实际有一定的差距ꎬ但是ꎬ模拟结果可为沉陷区煤矸石路堤稳定性加固治理提供参考ꎮ参考文献:

[１]　邱　钰ꎬ缪林昌ꎬ刘松玉.煤矸石在道路建设中的应

用研究现状及实例[Ｊ].公路交通科技ꎬ２００２ꎬ１９(２):１￣５.

[２]　ＦｒｅｄｌｕｎｄＤＧꎬＲａｈａｒｄｊｏＨ.Ｓｏｉｌｍｅｃｈａｎｉｃｓｆｏｒｕｎｓａｔｕｒａｔ￣

ｅｄｓｏｉｌｓ[Ｍ].ＮｅｗＹｏｒｋ:Ｗｉｌｅｙꎬ１９９３.

[３]　ＺｉｅｎｋｉｅｗｉｃｚＯＣꎬＨｕｍｐｈｅｓｏｎＣꎬＬｅｗｉｓＲＷ.Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ

ａｎｄｎｏｎａｓｓｏｃｉａｔｅｄｖｉｓｃｏ￣ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｉｎｓｏｉｌｍｅｃｈａｎｉｃｓ[Ｊ].Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅꎬ１９７５ꎬ２５(４):６８９￣６９１.[４]　李兆平ꎬ张　弥.考虑降雨入渗影响的非饱和土边坡

瞬态安全系数研究[Ｊ].土木工程学报ꎬ２００１ꎬ３４(５):５７￣６１.

[５]　王义川.采煤沉陷区煤矸石铁路路堤水稳定性研究

[Ｄ].徐州:中国矿业大学ꎬ２０１４.

[６]　陈育民ꎬ徐鼎平.ＦＬＡＣ/ＦＬＡＣ３Ｄ基础与工程实例

[Ｍ].第２版.北京:中国水利水电出版社ꎬ２０１７:２６５￣２７６.

[７]　黄晓明.路基路面工程[Ｍ].北京:人民交通出版社ꎬ

２０１７:６７￣６８.

图1正常地基饱水24h煤矸石路堤剪应变增量图2正常地基饱水48h煤矸石路堤剪应变增量图3软弱地基饱水24h煤矸石路堤剪应变增量图4软弱地基饱水48h煤矸石路堤剪应变增量

从图１和图２可以看出ꎬ正常地基在不同饱水时间剪应变增量最大值出现在坡脚ꎬ在坡脚出现明显的塑性贯通区ꎬ即边坡存在潜在滑动面ꎮ从图３和图４可以看出ꎬ当存在软弱地基时ꎬ不同饱水时间塑性贯通区出现在软弱地基上ꎬ而不是出现在坡脚位置处ꎬ对含有淤泥质黏土层的软弱地基ꎬ煤矸石路堤失稳破坏时滑动面出现在软弱地层处ꎮ

根据数值模拟结果ꎬ不同饱水时间两种不同地基条件的安全系数分别如表４所示ꎮ

表４　不同饱水时间两种不同地基条件的安全系数

饱水时间/ｈ正常地基含淤泥层软弱地基

０２.８９１.５６

２４２.５２１.５０

４８２.４４１.４９

７２２.３５１.４７

　　从表４可以看出ꎬ对正常和含有淤泥质黏土层的软弱地基ꎬ随着煤矸石填料饱水时间的增加ꎬ路堤安全系数逐渐降低ꎬ说明路堤稳定性逐渐变差ꎮ煤矸石填料饱水时间相同ꎬ在边坡坡度、高度、行车荷载相同的条件下ꎬ软弱地基的安全系数比正常地基的有明显下降ꎮ饱水时间０ｈꎬ２４ｈꎬ

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏａｌｇａｎｇｕｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｉｎｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａ

(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ　

２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＷｕｘｉ２１４１２２ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｃｏａｌｇａｎｇｕｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｗａｓｂｕｉｌｔｕｓｉｎｇＦＬＡＣ３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅ￣ｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｏａｋｉｎｇｔｉｍｅｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｏｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｏｆｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＭ￣Ｃｓｔｒｅｎｇｔｈｔｈｅｏｒｙ.Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｆｏｒｔｈｅｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｏｆｔｓｏｉｌｌａｙｅｒꎬｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｏａｋｉｎｇｔｉｍｅꎬｉｎｄｉ￣ｃａｔｉｎｇｔｈａｔｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｏａｋｉｎｇｔｉｍｅ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｓｏａｋｉｎｇｔｉｍｅꎬｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｏｆｔｈｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｏｎｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｉｔｈｓｏｆｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｓｌｏｐｅꎬｈｅｉｇｈｔａｎｄｌｏａｄ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｃｏａｌｇａｎｇｕｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｉｎｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｒｅａ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｌｇａｎｇｕｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔꎬｗａｔｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙꎬＦＬＡＣ３Ｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ

∗　ＹｕＧｕａｎｇｙｕｎ　ＹａｎｇＱｉｎｇＺｈａｎｇＱｉｎｇｆｅｎｇ１ꎬ２　ＷａｎｇＤｏｎｇｑｕａｎ１

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