礦區(qū)鐵路煤矸石路基邊坡穩(wěn)定性研究

白光起

(安徽恒源煤電股份有限公司鐵路運(yùn)輸分公司)

礦區(qū)鐵路煤矸石路基邊坡穩(wěn)定性研究

白光起

(安徽恒源煤電股份有限公司鐵路運(yùn)輸分公司)

分析了任樓礦區(qū)煤矸石在不同壓實(shí)度下的力學(xué)性質(zhì)，并且采用極限平衡法和FLAC法對(duì)不同壓實(shí)度、不同填筑高度的煤矸石路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)煤矸石路基的壓實(shí)度達(dá)到90%時(shí)，坡度為1.5的路基的填筑高度可以達(dá)到10 m，坡度為1.75的路基的填筑高度可以達(dá)到15 m；當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到93%時(shí)，坡度為1.5的路基的填筑高度可以達(dá)到15 m，坡度為1.75的路基的填筑高度可以達(dá)到20 m；當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到95%，坡度為1.5和1.75時(shí)的路基填筑高度均可以達(dá)到20 m。為礦區(qū)鐵路路基施工提供了指導(dǎo)依據(jù)。

煤矸石路基 礦區(qū)鐵路 邊坡穩(wěn)定性

隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)量的不斷增加，大量的煤矸石隨之產(chǎn)出。煤矸石不僅污染環(huán)境，而且占用大量的土地，大規(guī)模的煤矸石礦堆還有滑坡的危險(xiǎn)，對(duì)礦區(qū)的人員和設(shè)備安全造成威脅[1]。因此，對(duì)煤矸石進(jìn)行合理利用，減少環(huán)境污染，成為煤炭開(kāi)采中亟待解決的問(wèn)題。

隨著煤炭生產(chǎn)的不斷增加，煤礦的規(guī)模也隨之不斷擴(kuò)大，原有的礦區(qū)鐵路已不能滿足生產(chǎn)的需求，而且在煤炭開(kāi)采中，會(huì)對(duì)原有的鐵路造成危害，如路基下沉、開(kāi)裂、積水等，在礦區(qū)新建鐵路以及對(duì)既有線路改造中，大量煤矸石被用作路基的填料。煤矸石作為鐵路路基在一些礦區(qū)已經(jīng)成功得到應(yīng)用，但是煤矸石的物理力學(xué)性質(zhì)隨地域性變化很大，在工程實(shí)踐中，應(yīng)該對(duì)煤矸石進(jìn)行更具體的分析。本文對(duì)煤矸石填筑路基的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究。

1 任樓礦煤矸石的力學(xué)性質(zhì)

材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料受到外力作用時(shí)所表現(xiàn)的特性，如壓縮變形、極限強(qiáng)度等。煤矸石作為煤炭開(kāi)采的產(chǎn)物，其力學(xué)性質(zhì)與物質(zhì)組成和巖性有很大關(guān)系，煤矸石中的軟巖、殘煤、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)硫等物質(zhì)的分解或氧化都會(huì)影響煤矸石的力學(xué)性質(zhì)，而且煤矸石中成分粒徑大小不一，各組粒徑所含的比例也沒(méi)有固定關(guān)系，因此，煤矸石往往表現(xiàn)出較大的壓縮性，不同顆粒級(jí)配的煤矸石也表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)[2]，任樓礦煤矸石混合料在不同壓實(shí)度下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及壓縮模量見(jiàn)表1。

表1 煤矸石混合料在不同壓實(shí)度下的強(qiáng)度及變形參數(shù)

由表1可以看出，任樓礦煤矸石混合料隨著壓實(shí)度的提高，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和壓縮模量均有所提高。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法有極限平衡法、數(shù)值分析法和工程地質(zhì)對(duì)比法[3]。極限平衡法為最常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，具有計(jì)算模型簡(jiǎn)單、選擇參數(shù)量化準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果直觀實(shí)用的特點(diǎn)。極限平衡法的原理是將潛在的滑體視為剛體，以摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，假定滑動(dòng)面為平面或圓弧狀，將潛在滑體條分，建立適用在這些條塊的力和力矩的平衡方程，進(jìn)而求解出穩(wěn)定系數(shù)。極限平衡法通過(guò)對(duì)邊界條件和假設(shè)的不同，形成了不同的計(jì)算方法，具有代表性的計(jì)算方法包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、陸軍工程師團(tuán)法、傳遞系數(shù)法、Morgenstern-Price法等。

數(shù)值分析方法的原理是將帶有邊界的常微分方程或偏微分方程離散為線性代數(shù)方程組，并采用合適的方法求解方程組，最終得到基本的未知量。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法可以解決極限平衡法的不足，進(jìn)而能夠清楚地了解邊坡的應(yīng)力分布和變形情況。目前，應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析較為成熟的數(shù)值分析方法有有限單元法、邊界單元法、離散單元法和快速拉格朗日法等。其中，以快速朗格朗日法為計(jì)算基礎(chǔ)的FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)軟件被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析。

3 煤矸石路基邊坡穩(wěn)定性分析

任樓礦由于新建鐵路及既有線路改造的需要，在鐵路路基的填筑中應(yīng)用了大量的不同壓實(shí)度的煤矸石。礦區(qū)鐵路位于平原地帶，地勢(shì)低洼，雨季經(jīng)常出現(xiàn)積水，對(duì)于水面下的煤矸石路基不能分層碾壓,只能堆積到水面以上在頂部進(jìn)行一次性壓實(shí),坡面上的煤矸石則始終處于自然堆積狀態(tài)。因此，對(duì)不同壓實(shí)度的路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析是很有必要的。采用表1所示的計(jì)算參數(shù)，分別對(duì)填筑高度為10，15，20 m的路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，采用極限平衡法和FLAC方法進(jìn)行對(duì)比[4]，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，煤矸石路基邊坡的穩(wěn)定性與壓實(shí)度、填筑高度和邊坡的坡度有密切的關(guān)系。FLAC法的計(jì)算結(jié)果略小于極限平衡法的結(jié)果，由于FLAC法采用彈塑性假設(shè)，更接近煤矸石的實(shí)驗(yàn)特性，因此采用FLAC法的計(jì)算結(jié)果。在上述的計(jì)算中考慮了路基浸水等不利的因素，因此，如果認(rèn)為安全系數(shù)達(dá)到1.3時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[5]，則90%壓實(shí)度的煤矸石路基在坡度為1.75時(shí)最高可填筑至15 m，在坡度為1.5時(shí)最高可以填筑到10 m；93%壓實(shí)度的煤矸石路基在坡度為1.75時(shí)最高可填筑至20 m，在坡度為1.5時(shí)最高可填筑至15 m；95%壓實(shí)度的路基在坡度為1.5和1.75時(shí)均可填筑至20 m。

4 結(jié) 論

煤矸石路基邊坡的穩(wěn)定性與壓實(shí)度、填筑高度有密切的關(guān)系，隨著填筑高度的增加，邊坡的安全系數(shù)下降很快，而邊坡的安全系數(shù)則隨著壓實(shí)度的增加而提高。研究結(jié)果可以指導(dǎo)任樓礦區(qū)鐵路的施工，在施工過(guò)程中可以選擇合理壓實(shí)度的煤矸石填筑至合理高度，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表2 不同壓實(shí)度煤矸石路基邊坡安全系數(shù)

壓實(shí)度/%邊坡高度/m邊坡坡度極限平衡法FLAC法9093951015201015201015201.51.521.331.751.621.411.51.431.211.751.571.341.51.311.191.751.491.281.51.571.361.751.691.451.51.481.31.751.621.391.51.371.251.751.561.331.51.631.451.751.721.581.51.51.361.751.631.451.51.451.31.751.691.5

[1] 王喜富.煤矸石及其在礦區(qū)鐵路建設(shè)中的應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[2] 劉洪濤，洪 飛．礦區(qū)鐵路路基塌陷回填研究報(bào)告[R]．宿州：安徽恒遠(yuǎn)煤電股份有限公司鐵路運(yùn)輸分公司，2010．

[3] 王 鴻,吳啟海,周登紅.基于極限平衡法的露天礦邊坡穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014(9):157-158.

[4] 李 亮,吳 侃.沉陷積水區(qū)鐵路煤矸石路基邊坡穩(wěn)定性研究[J].路基工程,2008(2):80-81.

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

2014-12-03)

白光起(1986—)，男，助理工程師，243000 安徽省宿州市埇橋區(qū)。