李永靖，喬朋慶，邢 洋，閆宣澎

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

0 引言

煤矸石是指礦井建設(shè)、巷道掘進(jìn)和煤炭開采過程中排放的一種含炭巖石，是一種固體廢棄物，也具有資源性［1-2］。遼寧阜新煤炭資源日益枯竭，成為首個(gè)被國家批準(zhǔn)的資源枯竭型城市，擁有具有可利用潛質(zhì)的矸石山11座，分別在新邱、海洲、東梁和艾友等地區(qū)，壓占農(nóng)田19.358km2，堆存量19.88×108t。煤矸石長期裸露，會(huì)對(duì)空氣、地下水資源、農(nóng)田和自然環(huán)境造成嚴(yán)重的危害［3-4］。當(dāng)前煤矸石的綜合利用方向主要為:生產(chǎn)陶瓷、生產(chǎn)燒結(jié)磚、回收礦產(chǎn)和煤矸石發(fā)電等［5-7］。

目前，煤矸石作為路基和塌陷區(qū)地基填料成為煤矸石綜合利用的重要方向。煤矸石的震陷變形特性是煤矸石動(dòng)力學(xué)特性的重要內(nèi)容，是評(píng)價(jià)場地震陷和路基抗震穩(wěn)定性的主要方面。各地煤矸石的礦物成分、形成年代和產(chǎn)出方式各不相同，因而物理力學(xué)參數(shù)差異巨大，對(duì)其進(jìn)行專門的動(dòng)力測試是應(yīng)用的前提。地震荷載誘發(fā)的場地震陷將引起道路地基和建筑物地基不均勻沉陷，造成建筑物的裂縫、傾斜、倒塌和沉陷等。煤矸石的動(dòng)力特性和隨機(jī)地震荷載的研究是比較困難的，巖土體和建筑物的耦合動(dòng)力響應(yīng)分析就更加復(fù)雜［8］。張清峰等人［9］通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了強(qiáng)夯法加固煤矸石地基的加固效果。動(dòng)三軸試驗(yàn)、共振柱試驗(yàn)、現(xiàn)場波速測試和數(shù)值分析是研究煤矸石震陷變形特性的主要手段［10-13］。

本文以遼寧阜新煤矸石作為試驗(yàn)原材，進(jìn)行了隨機(jī)地震荷載和正弦循環(huán)荷載下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，并運(yùn)用FLAC3D對(duì)煤矸石路基進(jìn)行了地震響應(yīng)分析。

1 煤矸石震陷試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

動(dòng)三軸試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)是分析土動(dòng)力特性的主要室內(nèi)試驗(yàn)方法，前者適用于土的動(dòng)應(yīng)變超過10-4量級(jí)時(shí)，后者適用于土的動(dòng)應(yīng)變低于10-4量級(jí)時(shí)。本次試驗(yàn)采用DDS-70微機(jī)控制電磁式振動(dòng)三軸儀，具有自動(dòng)記錄動(dòng)應(yīng)力的時(shí)程曲線、動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程曲線和動(dòng)孔壓的時(shí)程曲線能力。試樣高80mm，直徑39.1mm。

1.2 試樣制備

煤矸石試樣(以下簡稱試樣)原材取自阜新艾友煤矸山。為了適應(yīng)動(dòng)三軸試驗(yàn)試件的尺寸要求，首先采用小型撞擊式破碎機(jī)將煤矸石破碎，然后篩分，使得顆粒粒徑在0.5～5mm。然后將煤矸石擊實(shí)并削制成型。

1.3 地震荷載

依據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，阜新地區(qū)震級(jí)M=7.0。參考H.B.Seed等人研究方法，將實(shí)測地震波進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到超越概率10%和2%時(shí)的隨機(jī)地震荷載時(shí)程曲線(圖1)。從圖1(a)中可以看出:超越概率為10%時(shí)，地震加速度峰值約為0.1g(g為重力加速度);由(b)得到超越概率2%時(shí)，地震荷載加速度峰值約為0.16g。對(duì)比圖1(a)和(b)可以得到:超越概率越小，地震加速度峰值越大。

圖1 阜新地區(qū)地震時(shí)程曲線Fig.1 The seismic wave curves in Fuxin area

1.4 荷載施加

1.4.1 靜荷載施加依據(jù)研究問題的應(yīng)力狀態(tài)，在試樣軸向和側(cè)向施加軸向固結(jié)壓力σ1C和側(cè)向固結(jié)壓力σ3C，使試樣在振動(dòng)三軸儀上固結(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中軸向固結(jié)應(yīng)力σ1C取100kPa、150kPa、200kPa，側(cè)向固結(jié)應(yīng)力 σ3C按式(1)取值。

其中:Kc為固結(jié)應(yīng)力比，取Kc=1。

1.4.2 動(dòng)荷載施加

(a)隨機(jī)地震荷載

待試樣固結(jié)變形穩(wěn)定后，將阜新地區(qū)超越概率10%和2%時(shí)的隨機(jī)地震荷載時(shí)程曲線(圖1)分別施加到試樣上，記錄動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線。

(b)正弦循環(huán)荷載

待試樣固結(jié)變形穩(wěn)定后，將正弦循環(huán)荷載(參數(shù)如:周期T=1s，振次N=10次，動(dòng)應(yīng)力幅值σdmax分別為20kPa、40kPa、60kPa、80kPa)施加到到試樣上，記錄動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線。

軸向累積應(yīng)變可由式(2)得到:

式中:

H1——表示動(dòng)荷載作用前的高度;

H2——表示動(dòng)荷載作用后的高度。

1.5 結(jié)果分析

圖2為隨機(jī)地震荷載作用下，每隔一段時(shí)間(0.2s)記錄一次試樣軸向應(yīng)變，得到的試樣軸向累積應(yīng)變隨時(shí)間曲線。從圖2(a)中可以看出:試樣的軸向累積應(yīng)變隨時(shí)間T和含水量ω的增長而增加，隨軸向固結(jié)壓力σ1C增長而減小。說明試樣含水率越高，越容易被壓縮。對(duì)比圖2(a)和(b)可知:地震荷載越大，試樣軸向累積應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

圖2 軸向累積應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.2 Axial accumulate strain time-history curve

圖3各點(diǎn)為正弦循環(huán)荷載每個(gè)周期結(jié)束后煤矸石試樣的軸向應(yīng)變?chǔ)臥。結(jié)合圖2和圖3可以看出:在研究煤矸石軸向累積應(yīng)變時(shí)，正弦循環(huán)荷載一定程度上可以代替隨機(jī)地震荷載。從圖3(a)可以看出:起振階段，試樣軸向累積應(yīng)變?cè)鲩L迅速;振次N超過某值(本次試驗(yàn)約為4)時(shí)，試樣軸向累積應(yīng)變?cè)鏊僮兙?。說明起振階段試樣軸向累積應(yīng)變迅速增大的原因是試樣孔隙比е迅速減小，隨著振次的增加，孔隙比е到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比圖3(a)、(b)、(c)和(d)可以得到:試樣軸向累積應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力幅值σdmax增大而變大。

圖3 不同動(dòng)應(yīng)力幅值下軸向累積應(yīng)變與振次關(guān)系Fig.3 Relation between axial accumulate strain and vibration times under difference amplitude

將試樣軸向累積應(yīng)變?chǔ)舙與動(dòng)應(yīng)力幅值σdmax繪制成一條曲線，就成為震陷曲線(圖4)。從圖中可以看出:震陷曲線前段，試樣軸向累積應(yīng)變?chǔ)舙變化不大，然后呈線性增長直到最后破壞。表明試樣經(jīng)歷了振動(dòng)壓密、振動(dòng)剪切和振動(dòng)破壞三階段，與碎石路基填料過程相近，說明動(dòng)荷載作用下煤矸石變形特性符合路基填料要求。

利用Excel對(duì)震陷曲線進(jìn)行非線性回歸分析，建立了如下回歸方程，見公式(3)。

式中:

εp——軸向累積應(yīng)變;

σdmax——?jiǎng)討?yīng)力幅值;

A、B、n、α——試驗(yàn)得到的參數(shù)。

回歸分析結(jié)果見表1，具體回歸參數(shù)見圖4。

圖4 不同固結(jié)壓力下震陷曲線Fig.4 The seismic settlement curves under difference seismic settlement curves

表1 試驗(yàn)結(jié)果及回歸分析Table 1 The experimental result and regression analysis

2 路基地震響應(yīng)分析

2.1 模型建立

路基橫斷面具體尺寸如圖5所示。建立路基全斷面網(wǎng)格模型(圖6)。模型計(jì)算參數(shù)見表2，模型寬132m，高28m。邊界條件采取:水平方向及底部受約束，上部自由。計(jì)算模型在自重狀態(tài)下求解到節(jié)點(diǎn)最大不平衡力小于1N時(shí)，開始施加地震荷載。

圖5 路基斷面圖Fig.5 The design of subgrade

圖6 有限元網(wǎng)格Fig.6 Finite element model

表2 模型計(jì)算參數(shù)Table 2 The calculating parameter of model

2.2 結(jié)果分析

不同地震荷載作用下的煤矸石路基位移矢量云圖見圖7。從(a)圖中看出:路基震動(dòng)位移最大值為1.1cm左右，說明超越概率10%時(shí)，路基基本安全;從(b)圖中看出:施加超越概率2%的地震荷載作用，路基邊坡將出現(xiàn)滑動(dòng)帶，說明路基容易出現(xiàn)滑坡等危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖7 位移矢量云圖Fig.7 The displacement vector nephogram

圖8 豎向位移云圖Fig.8 The vertical displacement nephogram

不同地震荷載作用下的煤矸石路基豎向位移見圖8。由(a)、(b)圖看出:路基豎向位移隨著地震荷載強(qiáng)度的增大而增大。從(b)圖中還看出，路肩邊坡處豎向位移最大，說明路肩邊坡在地震荷載作用下容易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

地震荷載作用下路基中心位移-時(shí)程曲線如圖9所示。從圖中看出:路基中心沉降位移隨地震荷載的強(qiáng)度增大而增加;地震荷載施加后，路基殘余變形在超越概率10%時(shí)較小;而超越概率2%時(shí)，路基最終殘余變形值較大，說明路基殘余變形隨地震荷載強(qiáng)度增大而增加。

圖9 路基中心不同深度沉降位移－時(shí)程曲線Fig.9 Relation between displacement and time

3 結(jié)論

(1)通過動(dòng)三軸試驗(yàn)，建立了不同軸向固結(jié)壓力及動(dòng)應(yīng)力幅值影響下的煤矸石震陷變形數(shù)學(xué)公式;且煤矸石試件變形規(guī)律經(jīng)歷了振動(dòng)壓密、振動(dòng)剪切和振動(dòng)破壞三階段，與普通路基填料類同，說明煤矸石作路基填料是可行的。

(2)數(shù)值模擬表明:在地震荷載超越概率2%時(shí)，路基兩側(cè)更容易出現(xiàn)滑動(dòng)帶，且隨地震荷載強(qiáng)度增加而變得嚴(yán)重;震后路基會(huì)留下較大的殘余變形。上述結(jié)果為煤矸石路基抗震設(shè)計(jì)提供了參考，具有較為重要工程價(jià)值。

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