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(zhǎng)沙 410075；2. 中建三局城市投資運(yùn)營(yíng)有限公司，湖北 武漢 430074)

為充分利用采煤過(guò)程中的廢棄物煤矸石，并支持我國(guó)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(jìn)行填筑，并以格賓網(wǎng)加筋來(lái)增強(qiáng)煤矸石路堤邊坡的穩(wěn)定性?；诿喉肥瘜W(xué)成分、級(jí)配情況掌握其基本特性，并通過(guò)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(duì)加筋煤矸石路堤穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：擊實(shí)后煤矸石的顆粒級(jí)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(guò)格賓網(wǎng)加筋，煤矸石內(nèi)摩擦角從35.0°增至40.2°，殘余強(qiáng)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(zhǎng)度存在最優(yōu)值；對(duì)于本工程而言，建議加筋間距、長(zhǎng)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(guò)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(kāi)采過(guò)程中會(huì)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(cái)產(chǎn)安全[4]。

為扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)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(yùn)用[5]，部分地區(qū)對(duì)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(guò)程中，其壓實(shí)特性及強(qiáng)度特性是實(shí)際工程中需要控制的因素之一[7]。姜振泉[8]、劉松玉[9]等對(duì)煤矸石的顆粒級(jí)配特性以及路用性能展開(kāi)相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤矸石粗顆粒含量增多時(shí)，其黏聚力會(huì)減小而內(nèi)摩擦角會(huì)增大，在粗顆粒占比達(dá)到60%以上時(shí)，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(jìn)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(jī)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(wèn)題；張雁等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)摻煤矸石的膨脹土進(jìn)行直剪、CBR等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻入煤矸石后膨脹土的CBR值、抗剪強(qiáng)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(duì)煤矸石換填膨脹土路基的沉降特性展開(kāi)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以壓實(shí)度和沉降率為控制參數(shù)，對(duì)鋪設(shè)不同厚度的煤矸石路基進(jìn)行壓實(shí)，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(jiàn)。

在將煤矸石用作路基填料過(guò)程中，多數(shù)學(xué)者針對(duì)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(shí)際工程應(yīng)用表明煤矸石路堤在長(zhǎng)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(guò)程中，其物理力學(xué)特性會(huì)有所降低，因而煤矸石路堤的穩(wěn)定性也會(huì)隨著時(shí)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(qiáng)的咬合嵌固作用[16]，常用于生態(tài)護(hù)坡。蔣建清等[17]通過(guò)離散元數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)格賓網(wǎng)對(duì)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(guò)大型直剪試驗(yàn)測(cè)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)。

1 煤矸石成分和級(jí)配特性

1.1 煤矸石化學(xué)成分

試驗(yàn)所用煤矸石取自于湖南省漣源市沙坪鎮(zhèn)沙坪煤礦，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)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(guò)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(qiáng)度。根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)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(shí)，不會(huì)因不良的有機(jī)質(zhì)成分過(guò)多而導(dǎo)致路基穩(wěn)定性受影響。

1.2 煤矸石顆粒級(jí)配狀況

對(duì)所取天然煤矸石剔除粒徑大于40 mm的顆粒后進(jìn)行篩分試驗(yàn)，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(jìn)行壓實(shí)過(guò)程中，顆粒級(jí)配會(huì)有較大變化[20]，楊闖等[21]通過(guò)自制煤矸石擊實(shí)儀來(lái)研究不同擊實(shí)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(chǎng)壓實(shí)破碎工況，使用擊實(shí)后的煤矸石按照一定的壓實(shí)度制樣，然后展開(kāi)相應(yīng)的滲透、直剪等試驗(yàn)。為考慮壓實(shí)破碎前后煤矸石顆粒級(jí)配的變化，參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用Ⅱ–2型的重型擊實(shí)儀(錘質(zhì)量為4.5 kg，落高為457 mm)，分3層擊實(shí)天然煤矸石，然后按照相同的步驟對(duì)其進(jìn)行篩分試驗(yàn)，繪制顆粒分布曲線如圖1所示。

擊實(shí)前后，煤矸石的粒度分布情況統(tǒng)計(jì)于表2。擊實(shí)前，天然煤矸石以20～40 mm的中碎石為主，顆粒分布相對(duì)不均勻；經(jīng)過(guò)擊實(shí)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(guò)程的固結(jié)密實(shí)。通常認(rèn)為曲率系數(shù)c介于1～3較為合適，經(jīng)過(guò)擊實(shí)破碎，c值從4.20變?yōu)?.28，也表明顆粒級(jí)配得到較大改善。由此可知，雖然煤矸石是一種級(jí)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(jìn)行壓實(shí)過(guò)程中，大粒徑顆粒破碎重新排列，產(chǎn)生的小顆粒會(huì)填充裂隙，增大路基的密實(shí)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(shí)前后粒度分布對(duì)比

2 煤矸石格賓網(wǎng)加筋大型直剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及試樣制備

鑒于煤矸石顆粒較粗，擊實(shí)破碎后仍有22.2%的顆粒粒徑超過(guò)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(qiáng)度參數(shù)，采用粗粒土大型直接剪切儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器如圖2a所示，剪切剖面如圖2b所示。剪切盒的剪切面長(zhǎng)×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(guò)擊實(shí)試驗(yàn)獲取煤矸石最大干密度為2.27 g/cm3，對(duì)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(jìn)行均勻噴灑，然后覆蓋24 h使其充分濕潤(rùn)。待充分濕潤(rùn)后，按照94%的壓實(shí)度分層壓實(shí)填筑于下剪切盒中至滿。然后，對(duì)其表面進(jìn)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(duì)格賓網(wǎng)進(jìn)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(shí)至設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)有無(wú)格賓網(wǎng)加筋的煤矸石分別進(jìn)行直剪，控制法向應(yīng)力為100、200、300 kPa，共6組試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)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(kāi)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(yàn)過(guò)程

2.2 煤矸石剪切特性及分析

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(guò)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(zhǎng)；隨后進(jìn)入彈塑性階段，剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而緩慢增長(zhǎng)，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(duì)應(yīng)殘余強(qiáng)度。但是，有格賓網(wǎng)加筋的煤矸石彈塑性階段明顯比無(wú)格賓網(wǎng)加筋的煤矸石更長(zhǎng)，主要是由于格賓網(wǎng)在剪切破壞過(guò)程中通過(guò)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(qiáng)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(dòng)，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(duì)有無(wú)格賓網(wǎng)加筋的煤矸石在不同法向應(yīng)力下的峰值強(qiáng)度以及殘余強(qiáng)度分別進(jìn)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(duì)于峰值強(qiáng)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(duì)于殘余強(qiáng)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(shuō)明的是，當(dāng)有格賓網(wǎng)加筋時(shí)，對(duì)應(yīng)殘余強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角略微高于峰值強(qiáng)度時(shí)內(nèi)摩擦角，這是由于試驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)誤差所致，但這不影響對(duì)加筋效果及其界面作用機(jī)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(qiáng)化，使得加筋效果得以發(fā)揮，進(jìn)而提高了加筋煤矸石的界面剪切強(qiáng)度。值得注意的是，無(wú)格賓網(wǎng)加筋時(shí)，煤矸石從峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度有明顯的衰減，在法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，強(qiáng)度衰減率達(dá)10.01%；而有格賓網(wǎng)加筋所對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，強(qiáng)度衰減率僅為2.15%?？梢?jiàn)，鋪設(shè)格賓網(wǎng)有利于改善煤矸石的抗剪強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)擬合結(jié)果

3 煤矸石格賓網(wǎng)加筋路堤邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

安邵高速公路起于湖南安化，止于湖南邵陽(yáng)，沿線經(jīng)過(guò)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(jià)。為加強(qiáng)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(lái)加固路堤邊坡。現(xiàn)通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)煤矸石填方路堤邊坡進(jìn)行模擬，研究格賓網(wǎng)加筋對(duì)于煤矸石路堤水平位移的約束情況，進(jìn)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(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 邊坡模型的建立

考慮現(xiàn)場(chǎng)路堤的對(duì)稱性，取路堤的一半為對(duì)象進(jìn)行分析。邊坡填筑高度為20 m，頂面寬為12 m。本文重點(diǎn)探討加筋對(duì)煤矸石路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，因此，對(duì)邊坡進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，不考慮分級(jí)放坡，坡率1︰1.5，煤矸石填筑于寬60 m的堅(jiān)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(jiān)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(yàn)所獲取，見(jiàn)表3。其中，土體抗剪強(qiáng)度取前述試驗(yàn)所得的殘余強(qiáng)度，加筋邊坡作為一種柔性支護(hù)，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(dòng)之后，滑動(dòng)面抵抗滑動(dòng)的能力會(huì)有所衰減，此時(shí)滑動(dòng)面上的強(qiáng)度即為殘余強(qiáng)度[22]。

(3) 格賓網(wǎng)加筋采用FLAC3D內(nèi)置的Geogrid單元進(jìn)行模擬計(jì)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(yàn)結(jié)果反演得出，見(jiàn)表4。

(4) 由于路堤縱向方向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于橫向長(zhǎng)度，在縱向假定不會(huì)發(fā)生變形，近似考慮為平面應(yīng)變問(wèn)題，因此縱向取一個(gè)單位長(zhǎng)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

3.2 水平位移影響

按照格賓網(wǎng)長(zhǎng)度12 m，每隔2 m鋪設(shè)一層進(jìn)行模擬計(jì)算，與無(wú)格賓網(wǎng)加筋時(shí)進(jìn)行對(duì)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(shí)，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(shí)，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(qiáng)路堤的穩(wěn)定性。計(jì)算過(guò)程中，加筋后邊坡的安全系數(shù)從1.09增至1.48，亦可證實(shí)格賓網(wǎng)加筋的有效性。

圖7 填方高度與水平位移關(guān)系

3.3 格賓網(wǎng)鋪設(shè)形式影響

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(shí)通常采取保守方案而導(dǎo)致安全儲(chǔ)備過(guò)高，從而造成一定程度上材料的浪費(fèi)。為保證安全與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，現(xiàn)考慮格賓網(wǎng)的鋪設(shè)長(zhǎng)度以及鋪設(shè)間距對(duì)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(zhǎng)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(duì)越高，但是當(dāng)格賓網(wǎng)鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)到8 m時(shí)，縱向鋪設(shè)間距對(duì)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(zhǎng)度進(jìn)一步增大至10 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)相較于8 m時(shí)不再有明顯增長(zhǎng)，甚至有輕微下降趨勢(shì)。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(shí)，邊坡穩(wěn)定性也就不再持續(xù)增長(zhǎng)。綜合比選格賓網(wǎng)鋪設(shè)方式，當(dāng)鋪設(shè)長(zhǎng)度為8 m、鋪設(shè)間距為3 m時(shí)，能夠在最大程度上滿足安全需求，并且符合經(jīng)濟(jì)性原則。

圖8 格賓網(wǎng)不同鋪設(shè)長(zhǎng)度和間距下路堤邊坡安全系數(shù)

3.4 模量因素影響

由于煤矸石與格賓網(wǎng)筋材的相對(duì)剛度與界面摩擦特性會(huì)影響筋土相互作用，進(jìn)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(shí)，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(qiáng)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(duì)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(shí)，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(zhǎng)幅度小于0.2；當(dāng)格賓網(wǎng)拉伸模量增加至200 kN/m時(shí)，其加筋邊坡安全系數(shù)波動(dòng)范圍也在0.1以內(nèi)。

4 結(jié)論

a.煤矸石作為采煤的廢棄料，是一種級(jí)配不良的巖土體材料，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示通過(guò)壓實(shí)破碎可使其曲率系數(shù)從4.20變?yōu)?.28，顆粒級(jí)配得到了一定程度改善，進(jìn)而可使路基填筑更加密實(shí)。

b.使用格賓網(wǎng)加筋的煤矸石在剪切過(guò)程中能更好地發(fā)揮強(qiáng)度性能，內(nèi)摩擦角從35.0°增至40.2°，對(duì)應(yīng)法向應(yīng)力300 kPa時(shí)，強(qiáng)度衰減率從10.01%減小至2.15%。

c.對(duì)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(shí)，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(zhǎng)度8 m，縱向鋪設(shè)間距3 m。

d.煤矸石的彈性模量對(duì)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)。

[1] 肖雪軍，鞠宇飛. 煤矸石質(zhì)固土材料在固化土中的應(yīng)用研究[J].鐵道建筑，2019，59(7)：105–108.

XIAO Xuejun，JU Yufei. Study on application of gangue soil-consolidating material used for solidified soil[J]. Railway Engineering，2019，59(7)：105–108.

[2] 郭振忠，高強(qiáng)，李恩全，等. 矸石回填復(fù)墾技術(shù)在許廠煤礦土地治理中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(增刊1)：62–64.

GUO Zhenzhong，GAO Qiang，LI Enquan，et al. Application of gangue backfilling and reclamation technology in land management of Xuchang Coal Mine[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(Sup.1)：62–64.

[3] 楊濤，陳欣悅，劉旭，等. 淮南潘集采煤沉陷區(qū)土壤及煤矸石鎘環(huán)境地球化學(xué)特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(增刊1)：1–5.

YANG Tao，CHEN Xinyue，LIU Xu，et al. Environmental geochemical characteristics of cadmium of soil and coal gangue in mining-induced subsidence area of Panji Mine in Huainan[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(Sup.1)：1–5.

[4] 肖雪軍，鞠宇飛. 煤矸石質(zhì)固土材料固化土的耐久性試驗(yàn)研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(12)：202–207.

XIAO Xuejun，JU Yufei. Study on durability experiment of stabilized soil of gangue sialite soil material[J]. Coal Science and Technology，2016，44(12)：202–207.

[5] 李永靖，邢洋. 煤矸石振陷變形特性試驗(yàn)研究[J]. 土壤通報(bào)，2016，47(2)：339–345.

LI Yongjing，XING Yang. Experimental study on subsidence deformation of coal gangue[J]. Chinese Journal of Soil Science，2016，47(2)：339–345.

[6] 李桂花. 煤矸石在高路堤填筑中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

LI Guihua. Study on key technology of coal gangue in high embankment filling[D]. Jinan：Shandong University，2012.

[7] 劉松玉，童立元，邱鈺，等. 煤矸石顆粒破碎及其對(duì)工程力學(xué)特性影響研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(5)：505–510.

LIU Songyu，TONG Liyuan，QIU Yu，et al. Crushable effects on engineering mechanical properties of colliery wastes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(5)：505–510.

[8] 姜振泉，趙道輝，隋旺華，等. 煤矸石固結(jié)壓密性與顆粒級(jí)配缺陷關(guān)系研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28(3)：212–216.

JIANG Zhenquan，ZHAO Daohui，SUI Wanghua，et al. Study on relationship between consolidation-compactness and size grade shortage of coal gangue[J]. Journal of China University of Mining & Technology，1999，28(3)：212–216.

[9] 劉松玉，邱鈺，童立元，等. 煤矸石的強(qiáng)度特征試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1)：199–205.

LIU Songyu，QIU Yu，TONG Liyuan，et al. Experimental study on strength properties of coal wastes[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(1)：199–205.

[10] LI Meng，ZHANG Jixiong，LI Ailing，et al. Reutilisation of coal gangue and fly ash as underground backfill materials for surface subsidence control[J]. Journal of Cleaner Production，2020：254.

[11] 張雁，張宇，郭利勇，等. 非飽和壓實(shí)膨脹土摻煤矸石的特性研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10(9)：5115–5120.

ZHANG Yan，ZHANG Yu，GUO Liyong，et al. Research on properties of unsaturated compacted expansive soil added with coal gangue[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2016，10(9)：5115–5120.

[12] 胡雪松，唐朝暉，萬(wàn)佳文，等. 煤矸石換填膨脹土路基的沉降研究[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)，2017，36(6)：261–266.

HU Xuesong，TANG Zhaohui，WAN Jiawen，et al. Replacing expansive soil with coal gangue in subgrade settlement[J]. Geological Science and Technology Information，2017，36(6)：261–266.

[13] 丁峰. 煤矸石填筑路基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 公路，2021(2)：69–74.

DING Feng. Field test research on coal gangue filling roadbed[J]. Highway，2021(2)：69–74.

[14] 張清峰，王東權(quán)，于廣云，等. 煤矸石風(fēng)化對(duì)其物理力學(xué)性能影響的研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，48(4)：768–774.

ZHANG Qingfeng，WANG Dongquan，YU Guangyun，et al. Research on the effect of weathering on physical and mechanical properties of coal gangue[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2019，48(4)：768–774.

[15] 楊果林，段君義，張雨. 格賓網(wǎng)筋材的絞邊強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，43(7)：132–138.

YANG Guolin，DUAN Junyi，ZHANG Yu. Experimental study on selvage strength characteristics of gabion mesh[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences)，2016，43(7)：132–138.

[16] 劉澤，楊果林，申超，等. 綠色加筋格賓擋墻現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，43(2)：709–716.

LIU Ze，YANG Guolin，SHEN Chao，et al. Reinforced earth retaining wall of green gabion by field test[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2012，43(2)：709–716.

[17] 蔣建清，楊果林，鄧宗偉，等. 格賓網(wǎng)加筋土強(qiáng)度和變形特性的三維離散元細(xì)觀模擬[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，46(8)：3108–3117.

JIANG Jianqing，YANG Guolin，DENG Zongwei，et al. Mesoscopic numerical simulation of strength and deformation properties of gabion-mesh reinforced soil by three-dimensional discrete element method[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2015，46(8)：3108–3117.

[18] 龍浪波. 格賓柔性擋墻在高速公路棄土場(chǎng)擋墻治理中的應(yīng)用[J]. 建筑科學(xué)，2011，27(1)：101–102.

LONG Langbo. Application of the terramesh flexible wall in the wall treatment of the Changde to Zhangjiajie highway K129 paragraph[J]. Building Science，2011，27(1)：101–102.

[19] 賀建清，靳明，陽(yáng)軍生. 摻土煤矸石的路用工程力學(xué)特性及其填筑技術(shù)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(5)：87–93.

HE Jianqing，JIN Ming，YANG Junsheng. A study on the road engineering mechanical properties of coal gangue mixed with clay and the filling techniques[J]. China Civil Engineering Journal，2008，41(5)：87–93.

[20] 耿琳，唐浩，羅軍，等. 摻煤矸石高速鐵路路基填料凍脹特性試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑，2019，59(2)：41–45.

GENG Lin，TANG Hao，LUO Jun，et al. Experimental study on frost-heaving characteristics of high speed railway subgrade fillers mixed with coal gangue[J]. Railway Engineering，2019，59(2)：41–45.

[21] 楊闖，唐朝暉，柴波，等. 煤矸石擊實(shí)特性試驗(yàn)[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)，2017，36(3)：230–234.

YANG Chuang，TANG Zhaohui，CHAI Bo，et al. Compaction characteristics of coal gangue[J]. Geological Science and Technology Information，2017，36(3)：230–234.

[22] 楊果林，高禮，杜勇立. 不同摻土量格賓網(wǎng)加筋煤矸石的殘余強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，44(12)：5060–5067.

YANG Guolin，GAO Li，DU Yongli. Test study on residual strength characteristics between coal gangue and gabion mesh mixed with different qualities of soil[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2013，44(12)：5060–5067.

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(yǔ)音講解

U146

A

1001-1986(2021)06-0186-07

2021-04-25；

2021-08-19

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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

楊果林，陳子昂，段君義，等. 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[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：186–192. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.022

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

移動(dòng)閱讀

(責(zé)任編輯 周建軍)