开采扰动对铁路煤矸石路堤稳定性的影响*

2021-05-14张清峰王东权于广云刘文化

工业建筑 2021年1期

张清峰王东权于广云孙亮刘文化

(1.中国矿业大学力学与土木工程学院, 江苏徐州 221116； 2.江南大学环境与土木工程学院, 江苏无锡 214122)

因煤炭开采引起的地表沉陷、地基土受扰动，致使地基土物理力学特性发生变化。于广云等通过对开采过程中土样物理力学特性的试验研究试验分析，得出了采动土体物理力学参数的变化规律[1-3]。结果表明：采动过程中土体的抗剪强度逐渐降低，降低幅度与土性相关。王立波对采动区地基土的工程性质进行了研究，研究发现采煤对地基土具有扰动，它对路堤边坡稳定性的影响主要可分为两个方面：一方面采动过程中，地基土受开采扰动后力学指标会衰减；另一方面，在采动沉陷稳定后，地表会形成下沉盆地，盆地边缘地表会产生倾斜和变形，这两方面都会对路堤稳定性造成不利影响[4]。国内外研究路堤稳定性的理论主要有两种：一种是基于饱和土力学理论的极限平衡法，一种是基于非饱和土力学理论的分析方法。国内很多学者对沉陷区的铁路煤矸石路堤的稳定性进行了相关的研究。王义川开展了采煤沉陷区煤矸石铁路路堤水稳定性的研究[5]；崔景彦进行了煤矸石衰变对沉陷区铁路路堤稳定性影响的研究[6]；罗杰研究了煤矸石加筋挡土墙路堤的稳定性[7]；陈鹏进行了采煤沉陷区土工格栅铁路路堤稳定性的研究[8]；孙亮进行了采动区铁路专用线软土地基路堤稳定性的研究[9]；柴红保等研究了采空区对边坡稳定性的影响[10]；罗周全等进行了基于Surpac和Phase2耦合的采空区稳定性模拟分析研究[11]；王永峰进行了基于数值模拟的采动边坡的稳定性分析[12]；唐辉湘等进行了地下煤矿采空区对高填路堤边坡稳定性影响的研究[13]；龚声武等进行了地下老采空区对边坡稳定性影响的FLAC分析[14]。

本研究以常规三轴试验和改进的三轴试验为基础，对土体受采煤扰动前、后的力学特性变化特性进行研究。基于常规三轴伸长试验和减压的三轴压缩试验的结果，对受采动影响的铁路煤矸石路堤稳定性演化规律进行模拟。

1 模拟开采扰动地基土三轴试验设计[9]

1.1 常规三轴仪的改造

由于侧向加载扰动将导致土体侧向应力大于轴向应力，而常规三轴压缩试验的加载模式下试样的侧向应力小于其轴向应力，无法满足加载扰动需要的侧向应力大于轴向应力的要求，为进行侧向加载扰动模拟，必须使试样所受的轴向应力与侧向应力分开，需要对常规三轴仪进行改装。主要针对三轴仪压力室上部盖板和竖向加载杆进行改装，将竖向加载杆直径加工成与试样直径相同的尺寸，使侧向加压时在试样的顶面上不会产生作用，侧压与竖向压力相互独立；将上部盖板加工为与加载杆直径相适应的尺寸，加载杆与上部盖板间、上部盖板与压力室顶间均配有密封橡胶圈，试验前需确定加载杆密封橡胶圈与上部盖板间的摩擦力。

1.2 土样制备

试样采取室内制备的方式进行，制备的试样与原状土试样尺寸、密度和含水率相同。根据淮南矿区铁路专用线路基沿线地质勘探资料可知：软土地基主要为淤泥质粉质黏土，平均厚度为6.06 m，呈青灰—灰黄色，饱和，软—流塑状，土质细腻、均匀，强度低。含水率为43.8%，孔隙比为1.19，液限为38.3%，塑限为20.3%，黏聚力为17.9 kPa，内摩擦角为5.69°。经多次试验，确定选用质量比为1∶1的粉土与黏土均匀混合制成的粉质黏土进行试验，试验采用饱和土样，试验采取毛细管饱和法与反压饱和法相结合的方式对试样进行饱和。依据土样含水量的不同，制备两组土样，软塑土样(含水量为43.8%)和塑限土样(含水量为21.25%)。

1.3 模拟开采地基土的三轴试验

1.3.1常规三轴试验

在进行侧向加、减载试验前，先进行常规三轴压缩试验，以确定试样未扰动时的强度参数和静止土压力系数，进而对比扰动前、后土的强度参数。试验固结围压取100，200，300 kPa，进行固结不排水试验。试验结束后，软塑土和塑限土试样的破坏情况如图1所示。

a—软塑土; b—塑限土。图1 土样破坏情况Fig.1 The appearances of soil specimens after destruction

1.3.2常规三轴伸长试验和减压的三轴压缩试验

没有采煤前，地基土中的应力为自重应力，即K0受压应力状态(K0为静止土压力系数)。根据课题组研究成果[4]：随着采煤工作面的推进，地基土的应力状态由受拉状态变为受压状态，土体侧向应力是一个先减载后加载的过程。以地表某点P发生沉陷的动态变化过程为例对地表沉陷特征进行说明。P点沉陷变形的动态变化过程可分为四阶段[4]，如图2所示：第Ⅰ、Ⅱ阶段，采煤工作面由远处向P点正下方推进时，P点受其影响下沉速度由小变大，其水平位移分量与工作面推进方向相反；第Ⅲ阶段，当采煤工作面继续向前推进逐渐远离P点时，P点的水平位移分量与工作面推进方向相同；第Ⅳ阶段，当采煤工作面远离P点达一定距离后，对P点的影响逐渐消失，P点不再发生移动。所以，随着采煤工作面的推进，特别是从第Ⅱ阶段变化至第Ⅲ阶段，地基土体相应地由受拉状态变为受压状态，土体侧向应力是一个先减载后加载的过程。王立波在采动区现场实测所得的结果[4]也验证了这一点。

为模拟土体侧向应力的减载扰动，试验以(200/K0,200) kPa、(300/K0,300) kPa为两个初始应力状态，根据常规三轴试验，软塑土样K0取0.78，塑限土样K0取0.51。分别保持轴向应力σ1不变，对侧向应力σ3进行减载，分为三个减载等级。每一等级减载稳定后，进行固结不排水试验，获得减载后的黏聚力ccu和内摩擦角φcu。侧向应力的加载会导致土体出现侧向应力大于轴向应力、最终发生伸长破坏的结果。进行侧向加载试验时，仍以(200/K0,200) kPa、(300/K0,300) kPa为两个初始应力状态，分别保持轴向应力σ1不变，对侧向应力σ3进行加载，加载分为三个等级，每一等级加载稳定后，进行固结不排水试验，获得加载后土的黏聚力ccu和内摩擦角φcu。模拟侧向减载和加载的三轴试验方案如表1所示。

图2 采动过程中地表某点P的移动趋势Fig.2 Subsidence trends of point P on the earth surface during mining

表1 常规三轴伸长和减压三轴压缩试验方案Table 1 Test schemes of conventional triaxial extension and reduced triaxial compression kPa

1.4 试验结果及其分析

软塑土样和塑限土样的常规三轴试验如图3、4所示。减压的三轴压缩试验曲线如图5、6所示。侧向加载试验曲线如图7、8所示。

a—(σ1-σ3)-ε1关系; b—τ-σ关系。图3 软塑土样常规三轴压缩试验结果Fig.3 Results of conventional triaxial compressive tests for soil in the softly plastic state

a—(σ1-σ3)-ε1关系; b—τ-σ关系。图4 塑限土样常规三轴压缩试验结果Fig.4 Results of the conventional triaxial compressive tests for soil in the plastic limit

a—(σ1-σ3)-ε1关系; b—τ-σ关系。图5 软塑土样减压的三轴压缩试验结果Fig.5 Results of reduced triaxial compression tests for soil in the softly plastic state

a—(σ1-σ3)-ε1关系; b—τ-σ关系。图6 塑限土样减压的三轴压缩试验结果Fig.6 Results of reduced triaxial compression testsfor soil in the plastic limit

根据常规三轴试验结果，得到软塑土样的ccu为17.58 kPa、φcu为7.09°；塑限土的ccu为43.14 kPa，φcu为19.12°。根据减压的三轴压缩试验结果，求出软塑土样的ccu为17.86 kPa；φcu为7.26°；塑限土的ccu为46.68 kPa，φcu为19.37°。根据常规三轴伸长试验结果，求出软塑土样的ccu为18.17 kPa、φcu为7.43°；塑限土样的ccu为36.35 kPa、φcu为21.52°。综合侧向减载和加载试验所得结果，可看出：采动对软土地基的影响主要发生在侧向加载阶段。受采动影响，在进行路堤稳定性计算时，地基土力学参数需进行采动折减，考虑开采厚度，软土折减系数为0.9～1.0，非软土折减系数为0.6～0.7。

2 开采扰动对沉陷区铁路煤矸石路基稳定性研究

为研究开采扰动对沉陷区铁路煤矸石路基稳定性的影响，采用极限平衡圆弧搜索法，根据实际工程情况考虑了几种不同的工况。工况一模拟正常施工结束后的状态，工况二考虑煤矸石填料受连续降雨影响，工况三考虑煤矸石填料受风化和降雨的共同影响。以上工况均考虑正常地基、含淤泥质粉质黏土软弱土地基、正常地基(考虑采动)、含淤泥质粉质黏土软弱地基(考虑采动)四种不同的地基条件分别进行稳定性研究。

2.1 计算参数

2.1.1荷载参数

进行稳定性分析时，汽车荷载为均布荷载，值为33.33 kPa，荷载分布宽度为2.5 m，火车荷载(包括轨枕、道床等)也为均布荷载，值为59.08 kPa，荷载分布宽度为1.55 m。

2.1.2煤矸石参数

根据课题组研究成果[15]，不同工况条件下煤矸石填料的计算参数如表2所示。

表2 不同工况下的煤矸石计算参数Table 2 Parameters of coal gangue under different working conditions

2.1.3地基土参数

正常地基土(受采动影响)和含淤泥质黏土软弱地基(受采动影响)的参数分别如表3、4所示。

2.2 计算简图

a—(σ1-σ3)-ε1关系; b—τ-σ关系。图7 软塑土样常规三轴伸长试验结果Fig.7 Results of conventional triaxial extension tests for soil in the softly plastic state

淮南矿区铁路专用线部分路段工程地质条件复杂，张集煤矿中央区铁路专用线近1 km范围分布着厚度8 m以上的淤泥质粉质黏土，张集矿北区铁路专用线1 km以上范围也分布着厚度8～9 m的淤泥质粉质黏土。铁路专用线路基两侧路肩的主要功能为约束铁路道床道砟结构，为煤矿重载车辆通行提供施工便道。同时每次下沉加高煤矸石路基边坡都会形成新旧结合面，此结合面存在滑移失稳的危险。因此，采煤沉陷区铁路专用线煤矸石路基处于特殊复杂不利的工程条件：高路堤、所处位置水位高、地基为含淤泥质粉质黏土、填料煤矸石因风化降雨导致性能衰变、超重交通荷载、受采煤下沉影响等。为确保煤矸石路基的稳定和铁路行车安全，必须进行针对性研究。

a—(σ1-σ3)-ε1关系; b—τ-σ关系。图8 塑限土样常规三轴伸长试验结果Fig.8 Results of conventional triaxial extension tests for soil in the plastic limit

表3 地基土参数Table 3 Parameters of the foundation

表4 地基土参数(含淤泥质土)Table 4 Parameters of the foundation(with mucky soil)

根据工程实际，沉陷区铁路煤矸石路堤高度为10 m，路堤顶面宽度为21.1 m，采用台阶式横断面，上面5 m边坡坡度为1∶1.75，下面5 m边坡坡度为1∶2，台阶宽度为6 m，水位高度距地面分别为0，2，3，4，5 m。荷载工况组合有两种：路基整体稳定性分析工况，2辆重车汽车荷载，均为33.33 kPa，作用于第一路台，荷载分布宽度为2.5 m，间距为1 m。火车荷载，59.08 kPa，作用于道床，荷载分布宽度1.55 m；第二路台局部稳定性分析工况，1辆重车汽车荷载，33.33 kPa，作用于第二路台，1辆重车汽车荷载，33.33 kPa，作用于第一路台，火车荷载，59.08 kPa，作用于道床。汽车荷载作用位置为距离坡顶1 m处。整体稳定分析和局部稳定分析的计算简图如图9、10所示。

图9 10 m高路堤整体稳定分析计算简图 mFig.9 The schematic diagram of overall stability analysis for a 10 m high embankment

图10 10 m高路堤局部稳定分析计算简图 mFig.10 The schematic diagram of local stability analysis for a 10 m high embankment

2.3 计算结果分析

根据计算结果分别绘制不同工况、不同地基条件的路堤整体稳定分析和局部稳定分析安全系数随水位高度的变化规律，如图11、12所示。

从图11可以看出:在正常地基条件下，正常施工结束后的煤矸石路堤整体安全系数最大。在相同的水位高度下，受降雨影响，安全系数降低，受降雨和风化的共同影响，安全系数进一步下降。若地基为受采动影响的软弱地基，煤矸石路堤同时受降雨和风化的共同影响，当水位高度为5 m时，安全系数为1.316。根据TB 10035—2018《铁路特殊路基设计规范》对浸水路基考虑列车荷载作用时，要求时速120 km/h以下路堤稳定安全系数不小于1.3的规定。可见，同时受降雨和风化影响时的煤矸石路堤，稳定安全系数接近临界值，由于开采引起地面的下沉，造成路堤存在安全隐患，因此需要采取有效的加固措施进行加固。从图12可以看出：若水位高度为5 m，正常地基、含淤泥质粉质黏土地基、正常地基(考虑采动影响)，含淤泥质粉质黏土地基(考虑采动影响)的局部稳定安全系数分别为1.218、1.163、1.126、1.161。可见，在水位高度5 m时，在暴雨季节路堤矸石填料参数折减条件下，其稳定性不仅不满足TB 10035—2018要求的最小安全系数，还极有可能发生滑坡，同时由于堆填开采造成的路堤沉陷而加高路台，会进一步降低稳定安全系数，存在一定的安全隐患。

a—正常施工结束; b—连续降雨; c—风化降雨。—正常地基; —软弱地基； —正常地基(采动); —软弱地基(采动)。图11 不同水位高度下，不同工况煤矸石路堤整体稳定安全系数Fig.11 Safety factors for embankments of coal gangue in different working conditions and groundwater levels(overall stability analysis)

a—正常施工结束; b—连续降雨; c—风化降雨。—正常地基; —软弱地基； —正常地基(采动); —软弱地基(采动)。图12 不同水位高度下，不同工况煤矸石路堤局部稳定安全系数Fig.12 Safety factors for embankments of coal gangue in different working conditions and groundwater levels(local stability analysis)

3 沉陷区铁路煤矸石路基稳定性数值模拟研究

为了验证理论分析的假定滑移面的位置、形状、安全系数的可靠性，基于煤矸石填料力学参数衰减特性，进行沉陷区煤矸石路堤稳定性的数值模拟研究。采用基于强度折减法的FLAC3D数值模拟软件建立铁路路堤模型。粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土的剪切模量分别为3.58，3.88，1.75 MPa，体积模量分别为7.76，8.42，8.17 MPa。荷载参数和地基土的黏聚力、内摩擦角等其他参数同表2。

3.1 破裂面图

以水位高度2 m为例进行计算，风化降雨工况软弱地基条件的整体稳定分析，正常施工工况正常地基条件的局部稳定分析的破裂面图分别如图13、14所示。

图13 风化降雨工况下软弱地基破裂面(整体稳定)Fig.13 The fracture surface of foundation with mucky soil in the weathering and rainfall condition(overall stability)

图14 正常施工工况下正常地基破裂面(局部稳定)Fig.14 The fracture surface of foundation in the normal construction condition(local stability)

从图13可以看出：连续降雨工况下，对含淤泥质粉质黏土地基，整体稳定分析时剪应变增量最大值出现在软弱土层，破裂面为连续完整的圆弧滑动面，滑移面始于第一路台顶面，经过软弱地基，终止于坡脚外一定位置。从图14可看出：正常施工工况下，对正常地基，局部稳定性分析时剪应变增量最大值出现在坡脚，塑性应变贯通区出现在第二路台。

3.2 安全系数

根据FLAC3D数值计算出的结果，不同工况条件不同地基条件下水位高度为2 m时的整体稳定和局部稳定的安全系数分别如表5、6所示。

表5 整体稳定性分析(水位高度2 m)安全系数Table 5 Safety factors of overall stability analysis(at the groundwater level of 2 m)

3.3 两种方法计算结果对比分析

在边坡高度、坡度、荷载参数相同的情况下，传统的极限平衡圆弧搜索法和基于强度折减理论的FLAC3D计算的安全系数变化规律基本一致，大小差别不大，差值最大值为0.26，最小值为0.1。对比FLAC3D软件计算出的破裂面图和理正岩土计算简图可以看出:FLAC3D软件计算出的滑移面的位置和形状与理论计算时假定的基本一致。对软弱地基，整体稳定性分析滑移面经过软弱土层；对正常地基，局部稳定性分析滑移面通过坡脚，说明所建模型较为合理。