煤矸石路基沉降数值分析

摘要：本文以重庆市南桐芭蕉湾煤矸石山的已燃煤矸石为主要研究对象，应用Flac软件对稳定已燃煤矸石混合料进行模拟，得出已燃煤矸石土的水平位移和竖向沉降。

关键词：已燃煤矸石；沉降分析；数值模拟

Abstract: this paper NaTong banana bay in chongqing coal gangue piles of mountain has coal as the main research object, by Flac software to stabilizing already coal gangue simulated mixture, and concludes that the coal gangue has horizontal displacement of soil and vertical settlement.

Keywords: already coal gangue; Settlement analysis; Numerical simulation

中图分类号： P642.26 文献标识码：A文章编号：

1前言

路基的不均匀沉降不仅会导致路基本身的损坏，而且会因路基顶面的不平整在路面结构内产生附加应力，附加应力本身或与车载等共同作用，将导致路面结构的损坏。煤矸石中含煤屑、煤粉及黄铁矿，在密封的环境中容易产生自燃，长时间燃烧会形成空洞，造成路基不均匀的沉降。硫是煤矸石燃烧的重要原因，主要考虑石灰可以与矸石中的硫发生化学反应，同时石灰浆失水后硬化，可增强基础的承载性能，减小沉降，所以注浆材料采用石灰粘土浆。

2 煤矸石路基沉降数值分析

2.1工程背景概况

目前，重庆拟建万盛至南川的高速公路，其万盛段LK6+400～LK6+775段以填挖方形式通过芭蕉湾煤矸石山。从节约成本和因地制宜的角度出发，可以将现场的煤矸石作为拟建公路的路基填料。本文以已燃煤矸石土为例，利用Flac软件对地基填筑过程进行仿真。

2.2 FLAC简介

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是一种利用工程力学计算的二维显式有限差分程序。这个程序可以模拟由土、岩石和其他的在达到屈服极限时会发生塑性流动的材料所建造的结构特性。

2.3 FLAC模型建立及分析

2.3.1 模型描述

拟建高速公路填方长度只有125m，并且路基填筑高度不高，所以模型选为4m，分两次进行填筑。将已燃煤矸石土填料进行沉降模拟分析,分析路堤填筑后土层的应力、位移状态及沉降曲线。

为确定煤矸石的天然密度，于芭蕉湾煤矸石山上开挖探坑，并作天然密度试验，试验成果如表2.1：

表2.1 天然密度试验成果表

该工程所处区域自然区划为V2区，路基排水问题比较突出。填方及土质（含软质岩）的回弹模量E=35～40MPa；根据路堤堆载工况图，路基结构和地基土层的材料计算参数如表2.2所示：

表2.2 路基结构和地基土层的材料计算参数[3]

2.3.2 模型的本构关系

莫尔一库仑模型(Mohr-Coulomb Model)所需的参数有：(1)密度；2)体积模量K； (3)剪切模量G；(4)摩擦角；(5)凝聚力； (6)剪胀角； (7)抗拉强度T。弹性模型(Elasticl-Model)的材料参数有：(1)密度；2)体积模量K； (3)剪切模量G。FLAC弹性特性中使用体积模量K和剪切模量G代替杨氏模量E和泊松比μ，一般情况下，两组参数是可按下式进行相互转化。

为使问题简化，本文在选择计算模型时假设同种材料为均匀、各向同性体，桩体和土工格栅采用弹性模型，路堤和地基岩上为摩尔一库仑弹塑性模型。

2.3.3 模型建立

① 建立基本网格

因路基为条带状结构，在横向与沿线路的纵向相比较小。路堤断面具有竖直方向的对称性，因此可以考虑选择对称的一半断面进行建模计算，如图2.1，考虑到模型边界的影响，将底部尺寸设置为路堤底部宽度的4倍，即取64m。

观察右图中的模型，可以发现模型具有明显的分块性，可以采用Block建模思路，将模型按照水平方向分为两块，竖直方向分为3块，这样可以建立其基本模型。在此基础上，删除块②的网格，并对块①的网格进行修改，形成一定的坡度就能得到需要的模型了。

图2.1路堤堆载的建模思路

FLAC在建立模型前首先要确定网格的数量。由于主要考虑路堤堆载产生的影响，所以在确定网格数量时要考虑路堤附近区域网格具有较大的密度，而较远的区域，如块⑥偏右的区域，可以利用渐变网格的方法设置较少的网格。根据上图，共划分20×11=220个网格。

② 材料赋值

对建立好的网格模型进行材料赋值。首先对地基土进行赋值，选择Range模式为Region，将会出现白色的Mark标记，这时网格自动3个区域，并设置组名分别为Sand（砂）、Clay（土）并赋予相关参数。

③ 边界条件

边界条件较简单，模型底部采用两个方向的固定边界，模型两侧采用水平方向的固定边界。

2.3.4 沉降模拟结果及分析

① 煤矸石土沉降结果分析

沉降模拟的结果分析即为后处理，后处理的内容包括加载后土体的水平位移、沉降、应力等情况：

步骤一：查看已有的syy（竖向应力云图）和ydisp（竖向节点位移云图），了解计算结束后土体的竖向应力和沉降分布情况。从沉降云图2.2可以看出，路堤堆载作用引起的地基沉降最大值约为22.5cm，且最大沉降位置位于路堤中心点处。

图2.2 煤矸石土堆载结束后的沉降云图

步骤二：建立模型的水平位移云图xdisp，如图2.3。水平位移主要发生在坡脚以下一定深度处，最大水平位移约为8cm。

图2.3 煤矸石土堆载结束后的水平位移云图

步骤三：查看表层沉降曲线。如图2.4所示，堆载作用是堆载区域的地基产生了沉降，而路堤坡脚位置以外的地表出现了一定的隆起变形，但隆起变形量较小，且随着离开坡脚距离的增加而逐渐减少。

图2.4 地基表面沉降曲线

3结论

① 根据计算结束后土体的竖向应力和沉降分布情况，得出煤矸石土路堤堆载作用引起的地基沉降最大值约为22.5cm，且最大沉降位置都位于路堤中心点处。

② 根据模型的水平位移云图，得出煤矸石土水平位移主要发生在坡脚以下一定深度处，最大水平位移分别约为8cm。

③ 根据表层沉降曲线，得出堆载作用是堆载区域的地基产生了沉降，而路堤坡脚位置以外的地表出现了一定的隆起变形，但隆起变形量较小，且随着离开坡脚距离的增加而逐渐减少。

综上所述：掺土的煤矸石作为路基填料这一结构能够满足重庆地区高速公路的要求。

参考文献

[1] 程红光.煤矸石在公路路基工程上的应用[D].西安：长安大学公路学院.2009

[2] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2009.1

[3] 安少波.高速铁路路基沉降测试与分析[D].长沙：中南大学，2009

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。