格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤穩(wěn)定性及其強(qiáng)化措施

沈華, 張梓振， 段君義

(1. 云南公路建設(shè)監(jiān)理有限公司， 昆明 650041； 2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075； 3． 南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院， 南昌 330031)

煤矸石是指在煤礦從開(kāi)采到加工成煤等一系列的工業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的煤炭礦渣。煤矸石的工業(yè)價(jià)值很低，這導(dǎo)致煤矸石被作為廢棄物[1-2]。煤炭是中國(guó)能源的主要來(lái)源途徑之一。歷經(jīng)幾十年的煤炭開(kāi)采，煤矸石已經(jīng)成為了中國(guó)最大的工業(yè)廢棄物[3-4]，且仍以1.5億t/年的速率持續(xù)增長(zhǎng)，嚴(yán)重污染環(huán)境[5]。許多經(jīng)過(guò)煤礦區(qū)的公路能夠帶動(dòng)當(dāng)?shù)孛旱V區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，然而，煤礦區(qū)的優(yōu)質(zhì)填料卻十分匱乏?？紤]到環(huán)境保護(hù)和雙碳目標(biāo)的要求，將煤矸石廢棄物作為公路路基的潛在填料成為路基工程應(yīng)用的新途徑[6]。

煤矸石是一種特殊的填料，具有區(qū)別于其他土質(zhì)填料不同的工程性質(zhì)[7]。如煤矸石較軟，在碾壓夯實(shí)等外荷載作用下，煤矸石容易被碾碎，存在級(jí)配不良的特點(diǎn)，煤矸石自身粘聚力較低，顆粒表現(xiàn)出散體結(jié)構(gòu)特征[8-9]。因此，實(shí)際工程中，往往需要往煤矸石中摻入一定比例的黏土，以使得煤矸石混合土的工程性質(zhì)滿足填筑要求[10]，同時(shí)采用加筋土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)煤矸石路基的整體性。

加筋土結(jié)構(gòu)具有占地面積小、地基適應(yīng)性好、環(huán)保美觀及工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。得益于各類加筋材料的發(fā)展[11]，如今各種各樣的加筋土結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際加筋路基工程。為進(jìn)一步研究加筋土結(jié)構(gòu)的工作性能，研究人員開(kāi)展了大量研究。崔春義等[12]基于“四因素，三水平”正交試驗(yàn)開(kāi)展了土工格柵加筋路堤穩(wěn)定性的參數(shù)敏感性分析。耿大新等[13]采用分離式分析法研究了多層土工格室筋材的拉應(yīng)力性狀，并提出了改進(jìn)鋪設(shè)方法。尹平保等[14]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了土工格柵加筋鎳鐵渣加筋路堤在施工期及工后的變形發(fā)展規(guī)律。Yang等[15]基于極限平衡法推導(dǎo)了圓弧滑裂面情況下加筋路堤的穩(wěn)定性計(jì)算方法，指出較緩的路堤坡度對(duì)加筋路堤穩(wěn)定性影響較小。劉蓓蓓等[16]通過(guò)數(shù)值模擬分析土工格室材料參數(shù)及其鋪設(shè)情況對(duì)土工格室加筋路堤穩(wěn)定性的影響，并指出多層加筋路堤的破壞形式為多弧段的破裂面。楊果林等[17]研究了煤矸石彈性模量、格賓網(wǎng)鋪設(shè)情況對(duì)加筋煤矸石路堤穩(wěn)定性的影響，并給出了相應(yīng)的加筋方案建議。以上研究成果加深了對(duì)加筋土結(jié)構(gòu)力學(xué)與變形特性的認(rèn)識(shí)，但有關(guān)加筋煤矸石路堤的力學(xué)與變形特性及其路堤穩(wěn)定性的研究十分有限[8,18]。

格賓網(wǎng)是一種新型土工材料，可與土體形成良好的嵌固咬合作用。某高速公路路基工程中采用了格賓網(wǎng)筋材加筋煤矸石路堤形式。為此，以該路基工程為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究開(kāi)展格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤力學(xué)與變形特性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模型進(jìn)一步分析格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤穩(wěn)定性情況，并提出相應(yīng)的路堤強(qiáng)化措施，研究成果可為煤礦區(qū)高速公路路基的修建及其煤矸石的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及其結(jié)果分析

1.1 煤矸石填料和格賓網(wǎng)

試驗(yàn)段位于某高速高速公路。根據(jù)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卮嬖诖罅康拿喉肥逊e山，如圖1所示。在雨水的沖刷作用下，煤矸石淋溶物順著地表徑流流入附近的湄江河，引起污染[19]。同時(shí)，修建的公路路基為填方路堤工程，需要大量的填料。在對(duì)煤矸石的填料適用性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，擬把煤矸石作為路基潛在性填料。這樣既可以解決煤矸石污染問(wèn)題，又可以解決當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)填料缺乏問(wèn)題。煤矸石具有與其他填土材料不同的工程性質(zhì)，如煤矸石巖性較軟，在碾壓夯實(shí)作用下其粗顆粒容易被碾碎；顆粒粒徑分布范圍較廣，級(jí)配不良。為了改善煤矸石級(jí)配和便于壓實(shí)，通過(guò)在煤矸石內(nèi)摻入一定比例的黏土，以形成煤矸石與黏土的混合土，用于路基填筑[10]。煤矸石混合土的級(jí)配情況如圖2所示，不均勻系數(shù)為2.57，曲率系數(shù)為4.54，液限為29.9%，塑限為16.8%，塑性指數(shù)為13.1。根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)可知，該煤矸石混合土為低液限黏土。同時(shí)，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定其最大干密度為2.040 g/m3，最優(yōu)含水率為10.4%。

格賓網(wǎng)是一種由覆塑鋼絲絞合成六邊形網(wǎng)孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可保證在即使某個(gè)鋼絲被拉斷時(shí)，整個(gè)網(wǎng)片會(huì)應(yīng)力調(diào)整而繼續(xù)保持較高的拉伸強(qiáng)度[20]。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)煤矸石堆積山Fig.1 Accumulation mountain formed by coal gangue

圖2 煤矸石混合土的級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve of coal gangue mixed soil

圖3 格賓網(wǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of gabion

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于填方路堤臨近湄江河，附近有水利工程設(shè)施，導(dǎo)致用地空間小，同時(shí)，填方路堤下部的煤矸石堆積層較厚，地基承載能力有限。綜合考慮，采用格賓網(wǎng)柔性加筋擋墻設(shè)計(jì)方案。填方路堤的橫斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個(gè)填方路堤高度為15 m，分成2級(jí)，上級(jí)路堤直接采用煤矸石混合土填筑，坡比為1∶1.5，下級(jí)路堤采用格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤形式填筑，坡比為1∶0.3。加筋路堤的墻面為格賓網(wǎng)箱裝填石塊，并按錯(cuò)位堆疊而成，如圖4所示。鋪設(shè)在路堤內(nèi)部的格賓網(wǎng)與格賓網(wǎng)箱進(jìn)行連接。

為掌握下級(jí)格賓網(wǎng)加筋路堤邊坡的工作狀態(tài)，同時(shí)為今后煤矸石地區(qū)加筋路堤的修筑提供參考建議，在下部路堤中布設(shè)了柔性位移計(jì)(型號(hào)：JMDL-2405A)、土壓力盒(型號(hào)：JMZX-5006A)及水平應(yīng)變計(jì)(型號(hào)：JMDL-4520A)。如圖5所示，柔性位移計(jì)在第6層格賓網(wǎng)上按等間距布置，在第3層與第4層格賓網(wǎng)之間按等間距布置4個(gè)豎向土壓力盒。從路堤底部向上，在第一、二、三層格賓網(wǎng)下方分別布置水平應(yīng)變計(jì)和水平土壓力盒，以獲取格賓網(wǎng)加筋擋墻的側(cè)向位移和側(cè)向土壓力。

圖4 格賓網(wǎng)箱Fig.4 Gabion cage

圖5 路堤結(jié)構(gòu)與元器件布置的橫斷面Fig.5 Cross section of embankment structure and component arrangement

1.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 豎向土壓力分布規(guī)律

圖6為路堤豎向土壓力沿橫向的分布規(guī)律?？梢钥闯?，豎向土壓力沿路堤橫向呈現(xiàn)為非均勻分布。其中，靠近墻面處的豎向土壓力較小，這是由于靠近墻面處的格賓網(wǎng)對(duì)土體的網(wǎng)兜效應(yīng)越明顯，這導(dǎo)致格賓網(wǎng)網(wǎng)兜的下方土體所受豎向土壓力降低，同時(shí)，格賓網(wǎng)箱墻面為傾斜斜面，越靠近墻面處，對(duì)應(yīng)的上覆厚度越小，這也使得靠近墻面處的豎向土壓力較低。墻面附近豎向土壓力的降低有助于降低格賓網(wǎng)箱上的作用力，進(jìn)而提升格賓網(wǎng)加筋擋墻的穩(wěn)定性。在距墻面距離為3 m附近，豎向土壓力達(dá)到最大值，之后，隨著距墻面距離的繼續(xù)增加，豎向土壓力有所降低，并呈現(xiàn)出波動(dòng)變化狀態(tài)。

圖6 豎向土壓力的橫向分布規(guī)律Fig.6 Transverse distribution of vertical earth pressure

1.3.2 側(cè)向土壓力分布規(guī)律

將格賓網(wǎng)箱后的側(cè)向土壓力實(shí)測(cè)值、朗肯主動(dòng)土壓力及靜止土壓力進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示?？梢钥闯?，格賓網(wǎng)箱后側(cè)向土壓力實(shí)測(cè)值沿墻高呈現(xiàn)非線性分布，其值介于朗肯主動(dòng)土壓力值和靜止土壓力值之間。這說(shuō)明格賓網(wǎng)加筋擋墻具有一定程度的柔性變形能力，可以通過(guò)墻面?zhèn)认蜃冃巫饔媒档妥饔糜趬γ娴膫?cè)向土壓力，這對(duì)格賓網(wǎng)加筋擋墻來(lái)說(shuō)是有利的，同時(shí)，也說(shuō)明傳統(tǒng)的土壓力理論并不適用于格賓網(wǎng)加筋擋墻的土壓力計(jì)算。

1.3.3 格賓網(wǎng)筋材應(yīng)變分布規(guī)律

圖8為格賓網(wǎng)筋材應(yīng)變沿路堤橫向的分布規(guī)律?？梢钥闯觯褓e網(wǎng)筋材沿路堤橫線呈現(xiàn)為典型的單峰分布特征。根據(jù)加筋擋墻潛在滑裂面判定方法可知，筋材最大拉力/應(yīng)變?yōu)榻畈呐c潛在滑裂面的交匯處。因此，對(duì)于本格賓網(wǎng)加筋擋墻工程而言，其潛在滑裂面位置在距墻背的距離2.4～4.2 m范圍，這與確定加筋擋墻的潛在滑裂面的“0.3H法”計(jì)算結(jié)果基本吻合(其中H為路堤高度)。因此，對(duì)于以煤矸石混合土為填料修建的格賓網(wǎng)加筋煤矸石擋墻，在對(duì)其穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)可采用“0.3H法”來(lái)確定其潛在滑裂面。

圖7 側(cè)向土壓力沿墻高的分布規(guī)律Fig.7 Distribution of lateral earth pressure along wall height

圖8 格賓網(wǎng)筋材應(yīng)變的橫向分布規(guī)律Fig.8 Transverse strain distribution of gabion mesh reinforcement

2 數(shù)值模型建立與驗(yàn)證

考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本高和測(cè)試內(nèi)容有限，本文接下來(lái)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤矸石填方路堤的橫斷面結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)值模型，進(jìn)一步分析格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤工作性能。圖9為采用FLAC3D軟件建立的格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的三維數(shù)值模型，其中，考慮到邊界條件的影響，模型沿路堤縱向長(zhǎng)度取為1 m，坡頂面寬度取為10 m，地基橫向?qū)挾?、厚度分別取為33.4、10.0 m，其余尺寸與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊坡尺寸一致。約束模型底部的三向位移，模型的4個(gè)側(cè)門分別約束與之相應(yīng)的法向位移。煤矸石混合土采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型模擬?？紤]到填充在格賓網(wǎng)箱內(nèi)的石塊強(qiáng)度大、變形小，故網(wǎng)箱內(nèi)的石塊采用彈性模型模擬。格賓網(wǎng)箱長(zhǎng)度、寬度、高度分別為2、1、1 m，在荷載作用下，格賓網(wǎng)箱存在壓縮或拉伸變形，且其變形受填充石塊和路堤填土的影響較大，故仍采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型來(lái)模擬。各組成結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)取值如表1所示，格賓網(wǎng)與煤矸石混合土的界面參數(shù)如表2所示。

以路堤內(nèi)部的豎向土壓力的橫向分布特征為例，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，豎向土壓力的模擬值與實(shí)測(cè)值的大小及其分布趨勢(shì)基本吻合，這表明數(shù)值模擬具有可靠性和準(zhǔn)確性，可用于后續(xù)數(shù)值模擬分析。此外，

圖9 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的三維數(shù)值模型Fig.9 Three-dimensional numerical model of gabion reinforced coal gangue embankment

表1 路堤各結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)Table 1 Parameters of various structural materials of embankment

表2 格賓網(wǎng)-煤矸石混合土的界面參數(shù)Table 2 Interface parameters of gabion-coal gangue mixed soil

圖10 豎向土壓力的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.10 Comparison between simulated and measured vertical earth pressure

靠近墻面附近，豎向土壓力急劇下降，這是受墻面處的退臺(tái)式臺(tái)階的卸荷作用，以及在格賓網(wǎng)箱與墻后土體的差異豎向變形所引起的網(wǎng)兜效應(yīng)，這兩者的綜合作用導(dǎo)致墻面處豎向土壓力的降低，且越靠近墻面，豎向土壓力的降低越顯著。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤力學(xué)與變形特征

圖11為格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的剪應(yīng)變?cè)茍D。可以看出，格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的潛在滑裂面由距坡頂邊緣一定距離處開(kāi)始，經(jīng)過(guò)坡體內(nèi)部和坡腳下方，從坡腳前方滑出，這可能導(dǎo)致坡腳前方土體出現(xiàn)隆起變形現(xiàn)象，如圖12所示。整個(gè)潛在滑裂面較為靠?jī)?nèi)，為典型的圓弧狀滑裂面特征。根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算出其安全系數(shù)為1.3，路堤坡腳處為其不利位置。因此，在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中應(yīng)注重強(qiáng)化坡腳加固處治，這將有助于提高路堤的穩(wěn)定性。由圖12可知，格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的豎向變形沿路堤橫向(從坡腳前至路堤中線的方向)呈現(xiàn)為隆起變形向沉降變形轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，路堤的最大沉降變形發(fā)生在路堤中線處。

圖11 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的剪應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Shear strain cloud diagram of gabion reinforced coal gangue embankment

圖12 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤豎向變形云圖Fig.12 Vertical deformation cloud diagram of gabion reinforced coal gangue embankment

3.2 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的坡腳強(qiáng)化分析

分析可知，格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的潛在滑裂面是由從坡腳下方穿過(guò)，并從坡腳前方滑出，且坡腳下方及坡腳前方的土體剪應(yīng)變明顯大于其他位置處的剪應(yīng)變。這表明坡腳下方的地基土體以及坡腳前方的土體剪應(yīng)力明顯大于其他位置的剪應(yīng)力。因此，受較大的附加荷載作用下，坡腳附近的土體將最先達(dá)到塑性狀態(tài)，使得路堤坡體會(huì)因?yàn)榇颂幾钕仁Х€(wěn)，繼而造成整個(gè)路堤邊坡的失穩(wěn)破壞。

為此，需對(duì)坡腳附近土體進(jìn)行強(qiáng)化加固，傳統(tǒng)的強(qiáng)化措施主要有坡腳回填壓實(shí)、土體夯實(shí)或換填，這些措施需要占用更多用地或者需要優(yōu)質(zhì)填料，且效果并不一定很好。提供一種新的坡腳強(qiáng)化措施，即在坡腳下方提前預(yù)埋格賓網(wǎng)箱的方法。為分析該新措施對(duì)格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的穩(wěn)定性改善效果，設(shè)置了3種格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度，分別為1、2、3 m，埋設(shè)于坡腳下方的格賓網(wǎng)箱長(zhǎng)度、寬度、高度分別為2、1.5、0.5 m。圖13為格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度為2 m時(shí)的數(shù)值模型。

圖14為格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度對(duì)路堤安全系數(shù)的影響?？梢钥闯觯谄履_下方埋設(shè)格賓網(wǎng)箱之后，路堤安全系數(shù)得到提高，并且隨著格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度的增加，路堤安全系數(shù)會(huì)進(jìn)一步提高，具體地，相比于不埋設(shè)格賓網(wǎng)箱，格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度為1 m和 3 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)的路堤安全系數(shù)分別提高了5.5%和11.7%?？梢?jiàn)，在坡腳下方埋設(shè)格賓網(wǎng)箱可發(fā)揮顯著的加固作用，進(jìn)而提升路堤穩(wěn)定性。

圖13 格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度2 m時(shí)的數(shù)值模型Fig.13 Numerical model of gabion cage buried depth of 2 m

圖14 格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度對(duì)路堤安全系數(shù)的影響Fig.14 Influence of embedded depth of gabion cage on the safety factor of embankment

圖15為不同格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度時(shí)路堤剪應(yīng)變?cè)茍D(以埋設(shè)深度2 m為例)。可以看出，由于格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的抗滑作用，使得路堤內(nèi)的塑性區(qū)向下發(fā)展，塑性貫通區(qū)(潛在滑裂面)由原來(lái)的平緩圓弧狀變成曲率較大的彎鉤狀，這相當(dāng)于延長(zhǎng)了潛在滑裂面的長(zhǎng)度，增大了潛在滑裂面上的抗滑力。同時(shí)，在未埋設(shè)格賓網(wǎng)箱時(shí)，坡腳前方的塑性區(qū)寬度約為4.1 m，格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度為2 m時(shí)，坡腳前面的塑性區(qū)寬度增大至6.47 m，這表明設(shè)置格賓網(wǎng)箱后，坡腳前方的土體塑性區(qū)擴(kuò)展，使得路堤的抗滑阻力及其穩(wěn)定性得到明顯提升。

綜上可知，所提出在坡腳下方埋設(shè)格賓網(wǎng)箱措施，能夠改善坡腳下方的力學(xué)與變形狀態(tài)，可改變路堤內(nèi)潛在滑裂面的形狀，延長(zhǎng)潛在滑裂面的長(zhǎng)度，同時(shí)，能夠增大坡腳前方土體的塑性區(qū)范圍，使得路堤的抗滑力顯著提升，進(jìn)而提升路堤的穩(wěn)定性。建議在格賓網(wǎng)加筋路堤邊坡中使用該措施。

圖15 格賓網(wǎng)箱埋設(shè)深度2 m時(shí)路堤剪應(yīng)變?cè)茍DFig.15 Shear strain cloud diagram of embankment when gabion cage is buried at a depth of 2 m

4 結(jié)論

以格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤實(shí)際工程為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了格賓網(wǎng)加筋路堤的力學(xué)與變形特征。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了坡腳加固措施對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1) 在格賓網(wǎng)箱退臺(tái)式臺(tái)階堆疊結(jié)構(gòu)的卸荷作用和墻面附近的格賓網(wǎng)網(wǎng)兜效應(yīng)綜合作用下，靠近墻面處的豎向土壓力較低。同時(shí)，格賓網(wǎng)的柔性變形特點(diǎn)使得格賓網(wǎng)加筋擋墻墻后的側(cè)向土壓力小于朗肯靜止土壓力。

(2) 格賓網(wǎng)加筋煤矸石路堤的潛在滑裂面與穩(wěn)定性仍可采用傳統(tǒng)的“0.3H法”進(jìn)行分析。格賓網(wǎng)加筋路堤的坡腳附近為不利位置，在設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，應(yīng)注重坡腳下方的強(qiáng)化加固。

(3) 提出了在坡腳下方埋設(shè)格賓網(wǎng)箱的加固措施，當(dāng)埋設(shè)深度達(dá)到3 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)提高了11.7%。該措施可改善坡腳處的力學(xué)與變形狀態(tài)，改變潛在滑裂面的形狀與長(zhǎng)度，增大路堤的抗滑力，進(jìn)而有限提升路堤的穩(wěn)定性。