楊果林,陳子昂,段君義,張 雨,張 震
格賓網(wǎng)加筋煤矸石界面剪切特性及路堤邊坡穩(wěn)定性研究
楊果林1,陳子昂1,段君義1,張 雨2,張 震1
(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075;2. 中建三局城市投資運營有限公司,湖北 武漢 430074)
為充分利用采煤過程中的廢棄物煤矸石,并支持我國碳中和政策,湖南安邵高速公路K128+573—K128+740填方路段采用煤矸石進行填筑,并以格賓網(wǎng)加筋來增強煤矸石路堤邊坡的穩(wěn)定性?;诿喉肥瘜W(xué)成分、級配情況掌握其基本特性,并通過大型直接剪切儀獲得格賓網(wǎng)加筋煤矸石的界面剪切特征。借助有限差分軟件分析加筋及加筋方式對加筋煤矸石路堤穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:擊實后煤矸石的顆粒級配得到有效改善,曲率系數(shù)從4.20變?yōu)?.28,有助于滿足路堤填筑要求;通過格賓網(wǎng)加筋,煤矸石內(nèi)摩擦角從35.0°增至40.2°,殘余強度衰減率降低;煤矸石路堤邊坡坡角水平位移顯著減小,有效約束了邊坡的變形,且隨著路堤高度的增加,加筋效果更為明顯;格賓網(wǎng)鋪設(shè)間距越小,煤矸石路堤邊坡安全系數(shù)越高,其橫向鋪設(shè)長度存在最優(yōu)值;對于本工程而言,建議加筋間距、長度分別為3、8 m。隨著煤矸石彈性模量的改變,其加筋邊坡的穩(wěn)定性變化并不明顯;而當(dāng)增大格賓網(wǎng)筋材的拉伸模量,格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤邊坡的穩(wěn)定性顯著增大。
煤矸石;格賓網(wǎng);加筋路堤;界面剪切特性;邊坡穩(wěn)定性
煤矸石是在采煤過程中產(chǎn)生的固體廢棄物,由多種礦巖組成,包括了黏土巖類、砂巖類、碳酸鹽巖類以及鋁質(zhì)巖類[1]。煤礦開采過程中會產(chǎn)生10%~20%的煤矸石[2],大量的煤矸石廢棄料堆積于礦區(qū)之中[3],不僅占用土地、污染環(huán)境,甚至發(fā)生自燃事故威脅附近居民的生命財產(chǎn)安全[4]。
為扎實做好碳達(dá)峰、碳中和各項工作,減少環(huán)境污染破壞,可將煤矸石用于路基填料,生產(chǎn)水泥、磚塊等。煤矸石用作路基填筑材料已經(jīng)得到廣泛運用[5],部分地區(qū)對于煤矸石的利用率甚至能達(dá)到60%~80%[6]。而將煤矸石用作路基填料過程中,其壓實特性及強度特性是實際工程中需要控制的因素之一[7]。姜振泉[8]、劉松玉[9]等對煤矸石的顆粒級配特性以及路用性能展開相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤矸石粗顆粒含量增多時,其黏聚力會減小而內(nèi)摩擦角會增大,在粗顆粒占比達(dá)到60%以上時,抗剪性能趨于穩(wěn)定;而適當(dāng)提高細(xì)顆粒含量,可增大煤矸石的固結(jié)壓密特性。Li Meng等[10]將煤矸石與粉煤灰進行摻和,從宏觀以及微觀角度解釋了煤矸石與粉煤灰的抗變形機理,并將煤矸石與粉煤灰的混合料回填至采空區(qū),有效控制地面沉降問題;張雁等[11]通過室內(nèi)試驗,對摻煤矸石的膨脹土進行直剪、CBR等試驗,發(fā)現(xiàn)摻入煤矸石后膨脹土的CBR值、抗剪強度得到了明顯的提高,滿足公路路堤的填筑要求;胡雪松等[12]對煤矸石換填膨脹土路基的沉降特性展開數(shù)值模擬研究,指出隨著換填比例的增加,路面最大沉降值和最大差異性沉降值明顯下降;丁峰[13]通過現(xiàn)場試驗,以壓實度和沉降率為控制參數(shù),對鋪設(shè)不同厚度的煤矸石路基進行壓實,提出不同鋪設(shè)厚度下相應(yīng)合理的施工方法,為煤矸石路基的施工提供相應(yīng)的參考意見。
在將煤矸石用作路基填料過程中,多數(shù)學(xué)者針對煤矸石的研究往往集中在其自身特性,盡管其路用性能也得到初步了解,但實際工程應(yīng)用表明煤矸石路堤在長期服役狀態(tài)下容易劣化。張清峰等[14]發(fā)現(xiàn)煤矸石風(fēng)化過程中,其物理力學(xué)特性會有所降低,因而煤矸石路堤的穩(wěn)定性也會隨著時間的推移有所降低。格賓網(wǎng)是一種新型土工合成材料,其材料組成為絞合六邊形鋼絲網(wǎng)[15],與填料形成加筋土體,有著較強的咬合嵌固作用[16],常用于生態(tài)護坡。蔣建清等[17]通過離散元數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)格賓網(wǎng)對土體顆粒約束作用分別向格賓網(wǎng)上下兩側(cè)傳遞,從而形成加筋土體“環(huán)箍”約束效果,在用于加固邊坡上取得了顯著效果[18]。但目前以格賓網(wǎng)加固煤矸石路堤邊坡的研究還不夠完善。筆者通過大型直剪試驗測試格賓網(wǎng)與煤矸石界面的剪切特性變化情況,并借助數(shù)值模擬分析煤矸石加筋路堤邊坡的穩(wěn)定性變化,可為后續(xù)相關(guān)工程提供借鑒指導(dǎo)。
試驗所用煤矸石取自于湖南省漣源市沙坪鎮(zhèn)沙坪煤礦,對其化學(xué)成分進行檢測,各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。該地煤矸石以SiO2為主要成分,質(zhì)量分?jǐn)?shù)約60%;活性物質(zhì)SiO2+Al2O3+Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.15%,經(jīng)過水解碾壓,可發(fā)生火山灰反應(yīng),生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣[19],增大煤矸石顆粒之間的黏結(jié)強度。根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求,用作高速公路路堤填料的粉煤灰燒失量低于20%,沙坪煤礦的煤矸石燒失量遠(yuǎn)低于該要求,表明當(dāng)以該處煤矸石用作路基填料時,不會因不良的有機質(zhì)成分過多而導(dǎo)致路基穩(wěn)定性受影響。
對所取天然煤矸石剔除粒徑大于40 mm的顆粒后進行篩分試驗,以四分法每次篩分5 000 g煤矸石。由于煤矸石有一定的破碎特性,在用作路堤填料進行壓實過程中,顆粒級配會有較大變化[20],楊闖等[21]通過自制煤矸石擊實儀來研究不同擊實數(shù)下煤矸石的破碎率變化情況;賀建清等[19]為了充分模擬現(xiàn)場壓實破碎工況,使用擊實后的煤矸石按照一定的壓實度制樣,然后展開相應(yīng)的滲透、直剪等試驗。為考慮壓實破碎前后煤矸石顆粒級配的變化,參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,采用Ⅱ–2型的重型擊實儀(錘質(zhì)量為4.5 kg,落高為457 mm),分3層擊實天然煤矸石,然后按照相同的步驟對其進行篩分試驗,繪制顆粒分布曲線如圖1所示。
擊實前后,煤矸石的粒度分布情況統(tǒng)計于表2。擊實前,天然煤矸石以20~40 mm的中碎石為主,顆粒分布相對不均勻;經(jīng)過擊實破碎后,煤矸石20~40 mm粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從42.44%下降至22.20%,小于2.5 mm的從9.4%增至19.9%,有利于煤矸石填筑過程的固結(jié)密實。通常認(rèn)為曲率系數(shù)c介于1~3較為合適,經(jīng)過擊實破碎,c值從4.20變?yōu)?.28,也表明顆粒級配得到較大改善。由此可知,雖然煤矸石是一種級配不良的巖土材料,但由于其自身的破碎特性,在用作路堤填料進行壓實過程中,大粒徑顆粒破碎重新排列,產(chǎn)生的小顆粒會填充裂隙,增大路基的密實度,有利于路堤的穩(wěn)定。
圖1 顆粒粒徑分布曲線
表2 煤矸石擊實前后粒度分布對比
鑒于煤矸石顆粒較粗,擊實破碎后仍有22.2%的顆粒粒徑超過20 mm,而常規(guī)應(yīng)變控制式直剪儀適用粒徑范圍一般小于20 mm。因此,為獲得更準(zhǔn)確的抗剪強度參數(shù),采用粗粒土大型直接剪切儀進行試驗,試驗儀器如圖2a所示,剪切剖面如圖2b所示。剪切盒的剪切面長×寬為500 mm×500 mm,其中,上、下剪切盒高度分別為100 mm、150 mm。
圖2 粗粒土大型直接剪切儀
通過擊實試驗獲取煤矸石最大干密度為2.27 g/cm3,對應(yīng)的最優(yōu)含水率為5.84%。將粒徑大于40 mm的顆粒剔除后,稱取所需質(zhì)量配置相應(yīng)的水進行均勻噴灑,然后覆蓋24 h使其充分濕潤。待充分濕潤后,按照94%的壓實度分層壓實填筑于下剪切盒中至滿。然后,對其表面進行鑿毛,并鋪設(shè)格賓網(wǎng),如圖3a所示;再使用壓條和螺栓對格賓網(wǎng)進行固定,如圖3b所示,安裝上剪切盒,將煤矸石分層倒入上剪切盒中,并壓實至設(shè)計高度。格賓網(wǎng)布置在上、下剪切盒的界面處,剪切盒與填料、格賓網(wǎng)的位置關(guān)系如圖2b所示。
通過對有無格賓網(wǎng)加筋的煤矸石分別進行直剪,控制法向應(yīng)力為100、200、300 kPa,共6組試驗。試驗過程中,控制剪切速率為1 mm/min,最大的剪切位移值為80 mm。剪切結(jié)束后移開上剪切盒,格賓網(wǎng)的變形狀況如圖3c所示。
圖3 大型直接剪切試驗過程
剪應(yīng)力隨剪切位移的變化曲線如圖4所示,可知煤矸石加格賓網(wǎng)與不加格賓網(wǎng),在剪切過程均以剪切軟化為主。在起始彈性階段,剪應(yīng)力隨剪切位移呈線性快速增長;隨后進入彈塑性階段,剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而緩慢增長,并使剪應(yīng)力達(dá)到峰值;在應(yīng)變軟化階段,剪應(yīng)力緩慢下降直至穩(wěn)定,對應(yīng)殘余強度。但是,有格賓網(wǎng)加筋的煤矸石彈塑性階段明顯比無格賓網(wǎng)加筋的煤矸石更長,主要是由于格賓網(wǎng)在剪切破壞過程中通過與煤矸石的“咬合”作用承擔(dān)了部分形變,在一定程度上能更好發(fā)揮煤矸石的強度。在應(yīng)變軟化階段,未加格賓網(wǎng)的煤矸石剪應(yīng)力與剪切位移曲線出現(xiàn)明顯的鋸齒狀波動,主要是由于煤矸石被剪切破碎,導(dǎo)致剪應(yīng)力突然減??;而有格賓網(wǎng)加筋的煤矸石在應(yīng)變軟化階段則表現(xiàn)得更加平穩(wěn)。
對有無格賓網(wǎng)加筋的煤矸石在不同法向應(yīng)力下的峰值強度以及殘余強度分別進行擬合,如圖5所示。在格賓網(wǎng)加筋后,其內(nèi)摩擦角有所增大而黏聚力有所減小。對于峰值強度,內(nèi)摩擦角從35.0°增至40.2°,而黏聚力從93.7 kPa減小至66.5 kPa;對于殘余強度,內(nèi)摩擦角從33.6°增至43.7°,而黏聚力從73.0 kPa減小至28.7 kPa。需要說明的是,當(dāng)有格賓網(wǎng)加筋時,對應(yīng)殘余強度的內(nèi)摩擦角略微高于峰值強度時內(nèi)摩擦角,這是由于試驗過程中隨機誤差所致,但這不影響對加筋效果及其界面作用機制的分析。由于在剪切面上人為設(shè)置了一層筋材,使格賓網(wǎng)加筋煤矸石的非黏結(jié)性破壞了煤矸石之間的黏結(jié),因此,黏聚力有一定程度的下降,即在較低法向應(yīng)力作用下,加筋效果不明顯,甚至有可能由于加筋作用而導(dǎo)致筋土界面成為薄弱層;然而,在較大法向應(yīng)力作用下,筋土界面相互作用得到強化,使得加筋效果得以發(fā)揮,進而提高了加筋煤矸石的界面剪切強度。值得注意的是,無格賓網(wǎng)加筋時,煤矸石從峰值強度到殘余強度有明顯的衰減,在法向應(yīng)力為300 kPa時,強度衰減率達(dá)10.01%;而有格賓網(wǎng)加筋所對應(yīng)的法向應(yīng)力為300 kPa時,強度衰減率僅為2.15%??梢姡佋O(shè)格賓網(wǎng)有利于改善煤矸石的抗剪強度特性。
圖4 不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線
圖5 煤矸石加筋及未加筋抗剪強度指標(biāo)擬合結(jié)果
安邵高速公路起于湖南安化,止于湖南邵陽,沿線經(jīng)過沙坪煤礦等礦區(qū),其中K128+573—K128+ 740路段屬于高12~24 m的填方路段,就地取材不僅能充分利用礦區(qū)廢棄煤矸石堆料,減少煤矸石占地面積,還能減少土料借方,降低工程造價。為加強煤矸石填筑路堤的穩(wěn)定性,采用分層鋪設(shè)格賓網(wǎng)的形式來加固路堤邊坡?,F(xiàn)通過FLAC3D軟件對煤矸石填方路堤邊坡進行模擬,研究格賓網(wǎng)加筋對于煤矸石路堤水平位移的約束情況,進而探討格賓網(wǎng)鋪設(shè)形式以及格賓網(wǎng)與煤矸石的模量對于邊坡穩(wěn)定性的影響。
考慮現(xiàn)場路堤的對稱性,取路堤的一半為對象進行分析。邊坡填筑高度為20 m,頂面寬為12 m。本文重點探討加筋對煤矸石路堤邊坡穩(wěn)定性的影響,因此,對邊坡進行一定簡化,不考慮分級放坡,坡率1︰1.5,煤矸石填筑于寬60 m的堅硬黏土之上。路堤前后、左右均約束水平位移,底部約束三向位移。在合理模擬該路堤邊坡基礎(chǔ)之上,提出以下假設(shè):
(1) 將煤矸石與其下部堅硬黏土考慮為理想彈塑性體,本構(gòu)模型選擇Mohr–Coulomb模型。
(2) 煤矸石及黏土物理力學(xué)參數(shù)由地質(zhì)勘察資料及室內(nèi)土工試驗所獲取,見表3。其中,土體抗剪強度取前述試驗所得的殘余強度,加筋邊坡作為一種柔性支護,往往能允許一定的邊坡變形,而當(dāng)邊坡發(fā)生一定程度滑動之后,滑動面抵抗滑動的能力會有所衰減,此時滑動面上的強度即為殘余強度[22]。
(3) 格賓網(wǎng)加筋采用FLAC3D內(nèi)置的Geogrid單元進行模擬計算,格賓網(wǎng)與煤矸石采用的界面接觸參數(shù)根據(jù)前述界面剪切試驗結(jié)果反演得出,見表4。
(4) 由于路堤縱向方向長度遠(yuǎn)大于橫向長度,在縱向假定不會發(fā)生變形,近似考慮為平面應(yīng)變問題,因此縱向取一個單位長度,所建立模型如圖6所示。
表4 格賓網(wǎng)筋材的物理力學(xué)指標(biāo)
圖6 模型網(wǎng)格劃分
按照格賓網(wǎng)長度12 m,每隔2 m鋪設(shè)一層進行模擬計算,與無格賓網(wǎng)加筋時進行對比分析,調(diào)取坡腳處水平位移隨填方高度的變化情況,如圖7所示。當(dāng)填筑完成,未加筋情況下坡腳水平位移達(dá)到6.87 cm;而有格賓網(wǎng)加筋時,坡腳水平位移為4.79 cm,水平位移減小幅度達(dá)30.3%。當(dāng)側(cè)向滑移較大時,往往容易引起路堤的豎向沉降,而格賓網(wǎng)與煤矸石之間的摩擦咬合作用能有效限制路堤邊坡的側(cè)向變形,從而增強路堤的穩(wěn)定性。計算過程中,加筋后邊坡的安全系數(shù)從1.09增至1.48,亦可證實格賓網(wǎng)加筋的有效性。
圖7 填方高度與水平位移關(guān)系
格賓網(wǎng)加筋路堤的安全性往往有多種影響因素,工程施工時通常采取保守方案而導(dǎo)致安全儲備過高,從而造成一定程度上材料的浪費。為保證安全與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,現(xiàn)考慮格賓網(wǎng)的鋪設(shè)長度以及鋪設(shè)間距對于煤矸石路堤邊坡的穩(wěn)定性影響。
設(shè)置格賓網(wǎng)橫向鋪設(shè)長度分別為6、8、10 m,繪制隨著格賓網(wǎng)縱向鋪設(shè)間距的改變邊坡安全系數(shù)的變化曲線,如圖8所示。格賓網(wǎng)鋪設(shè)越密,即鋪設(shè)間距越小,煤矸石路堤邊坡的安全系數(shù)(由FLAC3D軟件輸出的“fos”求得)相對越高,但是當(dāng)格賓網(wǎng)鋪設(shè)長度達(dá)到8 m時,縱向鋪設(shè)間距對于煤矸石路堤邊坡的安全系數(shù)影響并不明顯,維持在1.48左右。而當(dāng)格賓網(wǎng)鋪設(shè)長度進一步增大至10 m時,邊坡安全系數(shù)相較于8 m時不再有明顯增長,甚至有輕微下降趨勢。這主要是由于鋪設(shè)格賓網(wǎng)相當(dāng)于人為設(shè)置了一層剪切軟弱面,當(dāng)煤矸石與格賓網(wǎng)之間的“咬合”穩(wěn)固作用不足以抵消這種弱化效果時,邊坡穩(wěn)定性也就不再持續(xù)增長。綜合比選格賓網(wǎng)鋪設(shè)方式,當(dāng)鋪設(shè)長度為8 m、鋪設(shè)間距為3 m時,能夠在最大程度上滿足安全需求,并且符合經(jīng)濟性原則。
圖8 格賓網(wǎng)不同鋪設(shè)長度和間距下路堤邊坡安全系數(shù)
由于煤矸石與格賓網(wǎng)筋材的相對剛度與界面摩擦特性會影響筋土相互作用,進而影響加筋路堤的穩(wěn)定性。為此,將煤矸石的彈性模量分別設(shè)置為10、20、50、80、100 MPa。同時,設(shè)置格賓網(wǎng)筋材拉伸模量分別為10、20、50、200 kN/m。繪制邊坡安全系數(shù)隨煤矸石彈性模量以及格賓網(wǎng)筋材拉伸模量變化關(guān)系如圖9所示。
圖9 不同筋材模量下路堤邊坡安全系數(shù)
隨著格賓網(wǎng)筋材拉伸模量的增大,邊坡安全系數(shù)有著明顯的提高,相較于強度為10 kN/m的格賓網(wǎng),以200 kN/m的格賓網(wǎng)加固邊坡可使安全系數(shù)提高0.29~0.34,提升幅度為25.5%。煤矸石彈性模量對加筋路堤邊坡的穩(wěn)定性影響不大,其中當(dāng)格賓網(wǎng)拉伸模量為10 kN/m時,加筋邊坡的安全系數(shù)維持在1.34;當(dāng)格賓網(wǎng)拉伸模量為20~50 kN/m,加筋邊坡安全系數(shù)增長幅度小于0.2;當(dāng)格賓網(wǎng)拉伸模量增加至200 kN/m時,其加筋邊坡安全系數(shù)波動范圍也在0.1以內(nèi)。
a.煤矸石作為采煤的廢棄料,是一種級配不良的巖土體材料,室內(nèi)試驗結(jié)果顯示通過壓實破碎可使其曲率系數(shù)從4.20變?yōu)?.28,顆粒級配得到了一定程度改善,進而可使路基填筑更加密實。
b.使用格賓網(wǎng)加筋的煤矸石在剪切過程中能更好地發(fā)揮強度性能,內(nèi)摩擦角從35.0°增至40.2°,對應(yīng)法向應(yīng)力300 kPa時,強度衰減率從10.01%減小至2.15%。
c.對于湖南安邵高速公路K128+573—K128+ 740填方路段,相較于素煤矸石填筑路堤,在使用格賓網(wǎng)加筋煤矸石填筑時,能有效約束坡腳位移,提高邊坡的安全系數(shù)。建議格賓網(wǎng)橫向鋪設(shè)長度8 m,縱向鋪設(shè)間距3 m。
d.煤矸石的彈性模量對于其加筋邊坡穩(wěn)定性影響不大,而格賓網(wǎng)拉伸模量的增大能有效提高邊坡的安全系數(shù)。
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Interfacial shear behavior of gabion reinforced coal gangue and stability of embankment slope
YANG Guolin1, CHEN Zi’ang1, DUAN Junyi1, ZHANG Yu2, ZHANG Zhen1
(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. City Investment & Operation Co., Ltd., China Construction Third Engineering Bureau, Wuhan 430074, China)
In order to make full use of coal gangue generated in coal mining and support the carbon neutral policy, the road section K128+573–K128+740 of Anshao Highway (Anhua-shaoyang, Hunan Province)was filled by coal gangue, and the embankment slope was enhanced by gabion net. The basic characteristics of coal gangue were obtained by its chemical composition and gradation, and shear characteristics of gabion reinforced coal gangue were tested by large-scale direct shearing instrument. Finally, the influence of reinforcement and its method on the stability of reinforced coal gangue embankment was found out by finite difference method. The experimental results show that after getting crushed and compacted, curvature coefficient changed from 4.20 to 1.28, which is basically meet the requirements of road filling. When reinforced by gabion, the internal friction angle of coal gangue increased from 35.0° to 40.2°, which helped reducing the attenuation rate of residual strength of coal gangue. The horizontal displacement of the slope foot significantly reduced after the gabion net was reinforced, which effectively restrains the deformation of the side slope, and as the height of the embankment increases, the reinforcement effect becomes more obvious. The smaller vertical distance of gabion net was, the safer of the gangue embankment slope would be, but there is an optimal value for the horizontal laying length. For this program, the optimal length and vertical spacing of gabion net was 8 m and 3 m. As the elastic modulus of coal gangue changed, the safety factor of embankment slope was nearly the same. When the tensile modulus of the gabion net increased, the safety factor of the slope would increase significantly.
coal gangue; gabion net; reinforced embankment; interfacial shear behavior; embankment slope stability
語音講解
U146
A
1001-1986(2021)06-0186-07
2021-04-25;
2021-08-19
國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFC1509800)
楊果林,1963年生,男,湖南桃江人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,從事柔性生態(tài)加筋土結(jié)構(gòu)、特殊土路基處理研究. E-mail: guoling@ mail.csu.edu.cn
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YANG Guolin,CHEN Zi’ang,DUAN Junyi,et al. Interfacial shear behavior of gabion reinforced coal gangue and stability of embankment slope[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(6):186–192.doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.06.022
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(責(zé)任編輯 周建軍)