楊果林，段君義，宋淮(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075)

片石擋墻支護(hù)煤矸石路堤現(xiàn)場試驗研究

楊果林，段君義，宋淮
(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075)

為研究煤矸石路堤的結(jié)構(gòu)特性，對湖南省安化—邵陽高速公路K127+700 km和K127+720 km 2個斷面的煤矸石填筑路堤進(jìn)行現(xiàn)場試驗，測試路堤沉降、側(cè)向變形、豎向土壓力、水平土壓力和基底不同方向土壓力的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：煤矸石路堤在靠近擋墻處沉降較小，遠(yuǎn)離擋墻的位置沉降量逐漸增大；靠近擋墻的側(cè)向位移的最大值發(fā)生在煤矸石路堤填土厚度較小處；2個試驗斷面的最大水平土壓力均出現(xiàn)在煤矸石路堤和黏土路基的交界面處；在施工過程中，擋墻內(nèi)側(cè)基底土體存在應(yīng)力主軸偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；在施工結(jié)束后，煤矸石路堤與黏土地基交界面位置處擋墻內(nèi)側(cè)煤矸石的土壓力從大至小依次為水平土壓力、豎向土壓力和45°方向土壓力。

煤矸石路堤；包邊土；土壓力

煤矸石是在煤礦開采、洗煤過程中產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品，因為其含煤量較低，導(dǎo)致工業(yè)價值低而成為一種廢棄物。隨著我國煤炭產(chǎn)量逐年增加，煤矸石的排放量也急劇增加，嚴(yán)重影響環(huán)境。目前，煤矸石在許多填筑工程得到運用且性能良好[1-2]，其用作各種路基填筑材料已成為消耗煤矸石的主要途徑[3]。隨著我國高速公路的大規(guī)模建設(shè)，煤矸石在路用填料的應(yīng)用中具有廣闊的前景[4-5]。由于煤矸石具有不同于其他材料的自身特性，因此，對煤矸石路用性能進(jìn)行研究具有重要意義。國內(nèi)外研究者對煤矸石進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗[6-8]。但現(xiàn)場試驗是最佳的足尺試驗，不僅避免了室內(nèi)模型試驗的相似性問題，而且不用考慮邊界影響，能夠反映煤矸石路堤結(jié)構(gòu)的真實工作性態(tài)。BUTTLER 等[9-12]利用不同煤矸石進(jìn)行了現(xiàn)場模擬壓密試驗，認(rèn)為煤矸石壓密程度與顆粒級配密切相關(guān)，適當(dāng)提高煤矸石中細(xì)小顆粒的密度可以顯著增強煤矸石固結(jié)性能；趙鵬[13]開展了煤矸石路基現(xiàn)場碾壓指標(biāo)試驗，對煤矸石路基的壓碎值、級配及沉降隨夯擊次數(shù)進(jìn)行分組測試，確定了煤矸石路基的強夯加固設(shè)計參數(shù)；王朝輝等[14]對煤矸石路堤開展了沖擊壓實試驗，發(fā)現(xiàn)煤矸石填筑路基在普通振動壓實的基礎(chǔ)上進(jìn)行10遍左右的沖擊增強補壓效果最好；劉松玉等[15]通過現(xiàn)場大型直剪試驗對煤矸石的強度特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并繪制了煤矸石的強度包絡(luò)曲線，得到了煤矸石的抗剪強度參數(shù)以及參數(shù)隨粗顆粒含量的變化規(guī)律；賀建清等[16]對摻土煤矸石路堤進(jìn)行了現(xiàn)場碾壓與滲透試驗，得出摻土煤矸石路堤經(jīng)壓實后的強度高于土路堤的強度，且具有良好的隔水效果。目前，人們針對煤矸石路堤本體結(jié)構(gòu)工程特性的現(xiàn)場試驗研究較少。本文以湖南省安化—邵陽高速公路K127+700 km與K127+ 720 km這2個斷面為試驗工點，對煤矸石路堤的整體結(jié)構(gòu)工程特性進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究。

1　工程概況與試驗方案

煤矸石填筑路堤試驗段K127+612.4~K127+863.0 km，位于安邵高速公路TJ2標(biāo)施工段的起始處，全長250.6 m。在山坡位置選線，需要進(jìn)行路堤填筑。本試驗段利用當(dāng)?shù)厣称好旱V廢棄煤矸石作為路堤填料，邊坡和封頂層采用黏土包邊。鑒于路堤高度較小，采用M7.5片石砂漿坡腳矮墻進(jìn)行邊坡防護(hù)?，F(xiàn)場填筑所用煤矸石基本物理性質(zhì)：平均含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5.10%，最大干密度為2.14 g/cm3。圖1所示為煤矸石路堤典型斷面圖。

圖1　煤矸石路堤典型斷面圖Fig.1　Typical profile of coal gangue embankment

圖2　監(jiān)測元器件布置圖Fig.2　Arrangement of instrument on section

現(xiàn)場試驗分別在里程為K127+700 km和K127+ 720 km這 2個斷面進(jìn)行。其中，K127+700 km斷面煤矸石路堤采用1 m厚黏土包邊；K127+720 km沒有進(jìn)行黏土包邊。本試驗主要研究煤矸石填筑路堤和砂漿片石擋墻的力學(xué)特性，包括煤矸石填筑路堤的沉降、側(cè)向變形、豎向土壓力、擋墻的水平土壓力以及基底不同方向土壓力。監(jiān)測元器件布置如圖2所示，試驗所選元器件如表1所示。其中，路堤填筑高度與施工時間關(guān)系如圖3所示(注：若無說明，施工時間從擋墻頂部位置填筑起算，對應(yīng)起算日期為2014-09-23)。

表1　試驗所選元器件Table 1　Corresponding components of test

圖3　填筑高度與施工時間的關(guān)系曲線Fig.3　Relationship between filling height and time

2　測試結(jié)果與分析

2.1沉降規(guī)律

為了測試煤矸石路堤的沉降情況，在每個試驗斷面埋設(shè)豎向應(yīng)變計3個，編號為VY1，VY2和VY3，到墻趾水平距離分別為3，6和9 m，如圖2所示。沉降隨施工時間關(guān)系如圖4所示，沉降沿路堤橫向分布如圖5所示。

從圖4可以看出：沉降初期較快，后期較慢，且沉降曲線均有突變，這是進(jìn)行了路堤碾壓的結(jié)果；當(dāng)施工過程結(jié)束時，沉降量基本趨于穩(wěn)定；2個斷面不同距離的沉降曲線具有相似規(guī)律性；有包邊(無包邊)斷面距擋墻3 m位置處的沉降量為59.77 mm(54.99 mm)，距擋墻6 m位置處的沉降量為69.37 mm(67.26 mm)，距擋墻9 m處的沉降量為79.47 mm(73.11 mm)；在離擋墻相同距離的位置，有包邊土斷面的沉降量比無包邊土斷面的沉降量大，這是由于包邊斷面覆蓋1 m厚的黏土，增大了路堤的重力。

圖4　沉降量時程曲線Fig.4　Time-history curves of settlement

從圖5可以看出：在填筑一段時間后，對于有包邊斷面，測點與擋墻水平距離增大3 m，沉降量隨之增大約10 mm。無包邊斷面處的沉降也有類似特點。根據(jù)這一特征，在3~9 m區(qū)間內(nèi)沉降量隨著與擋墻距離的增加大致呈線性增加。這說明實際碾壓要遵循由路肩逐漸向中心的碾壓方式，防止路堤中心土體在碾壓作用下往兩邊擠壓，形成中間低、兩邊高的“盆地”現(xiàn)象。此外，當(dāng)有碾壓作用時，壓實度增加，沉降量會明顯增加，說明沉降與壓實程度密切相關(guān)。

圖5　沉降沿路堤橫向分布Fig.5　Lateral distribution of embankment settlement

2.2側(cè)向變形規(guī)律

為了測試煤矸石土體的水平變形情況，在每個試驗斷面布置水平應(yīng)變計4個，編號為LY1~LY4，埋設(shè)深度分別為2.4，1.6，0.8和0 m，長度均為3.6 m，如圖2所示。側(cè)向位移隨施工時間關(guān)系如圖6所示，側(cè)向位移隨埋深的變化如圖7所示(注：埋設(shè)深度是指從擋墻頂部垂直向下的埋設(shè)深度)。

從圖6可以看出：側(cè)向位移初期變化較大，后期較小，側(cè)向位移曲線均有突變。這是因為在施工過程中進(jìn)行路堤壓實，當(dāng)施工過程結(jié)束時，側(cè)向位移基本趨于穩(wěn)定。對比較淺埋深(小于1 m)位置和深埋深(大于1 m)位置的側(cè)向位移發(fā)現(xiàn)，側(cè)向位移主要發(fā)生在煤矸石路堤埋深較小位置。這是因為這一區(qū)域的煤矸石顆粒尚未壓密振實，這使得一旦有壓路機碾壓，便會出現(xiàn)較大側(cè)向位移。2個斷面的不同埋設(shè)深度側(cè)向位移曲線具有相似的規(guī)律。

圖6　側(cè)向位移時程曲線Fig.6　Time-history curves of lateral displacement

從圖7可以看出：側(cè)向位移與埋設(shè)深度呈非線性關(guān)系；側(cè)向位移的最大值出現(xiàn)在埋設(shè)深度0.8 m附近，其原因是碾壓使得填土產(chǎn)生按擴散角的側(cè)向擠壓作用，導(dǎo)致最大側(cè)向位移出現(xiàn)在埋設(shè)深度0.8 m附近而非0 m附近；在相同埋置深度的位置，無包邊土斷面的側(cè)向位移比有包邊土斷面的大。這說明包邊后的煤矸石路堤剛度更好，有包邊的煤矸石路堤整體性優(yōu)于未包邊的煤矸石路堤的整體性。

2.3豎向土壓力變化規(guī)律

按照現(xiàn)場試驗方案，埋設(shè)到墻趾水平距離分別為2，4，6，8和10 m的豎向土壓力盒，編號為VE3~VE7，埋設(shè)深度為2.4 m(從擋墻頂部往下算)，如圖2所示。圖8所示為豎向土壓力時程曲線，圖9所示為豎向土壓力沿路堤橫向分布曲線。

從圖8可以看出：在2個試驗斷面中，測點VE3，VE4，VE5，VE6和VE7的豎向土壓力變化趨勢大體一致，豎向土壓力均隨著填筑煤矸石高度的增加而有所增加；當(dāng)填筑高度不再變化時，各位置處的豎向土壓力也趨于穩(wěn)定。

圖7　側(cè)向位移隨埋深的變化Fig.7　Development of lateral displacement with depth

圖8　豎向土壓力時程曲線Fig.8　Time-history curves of vertical earth pressure

圖9　豎向土壓力沿路基橫向分布Fig.9　Lateral distribution of vertical earth pressure

從圖9可以看出：有包邊土斷面各位置處的豎向土壓力相差較大，距擋土墻6 m處的豎向土壓力最小，距擋土墻8 m和10 m處的豎向土壓力要比2 m和4 m處的大，這是由于2 m和4 m處靠近擋墻，煤矸石在碾壓時，在此位置受到擋墻約束作用較大而擠密，土壓力增大，且在其上方存在1 m厚黏土包邊，故其豎向土壓力比6 m處的大；8 m和10 m處的填土厚度比其他位置的大，導(dǎo)致其豎向土壓力比其他位置的大。無包邊土斷面各位置的豎向土壓力相差不大，基本在區(qū)間40~55 kPa內(nèi)變化，表明有包邊斷面路堤內(nèi)的豎向土壓力均勻性差。這主要是因為有包邊斷面路堤的包邊土對路堤內(nèi)土體變形有約束作用，導(dǎo)致豎向土壓力的分布存在差異。此外，豎向土壓力雖然逐漸趨于穩(wěn)定，但各個位置的豎向土壓力仍有變動，尤其是兩邊位置。其原因除有測試儀器測量的誤差與碾壓不均勻外，更重要的是煤矸石在壓實過程中具有大顆粒破碎引起粒組重新分布的特點，這也使得煤矸石的自我結(jié)構(gòu)得到改善，有利于路堤的填筑。

2.4水平土壓力變化規(guī)律

水平土壓力盒主要是測試煤矸石路堤對起護(hù)坡作用的砂漿片石擋墻的作用力。按照試驗方案，分別從擋墻頂垂直向下依次埋設(shè)水平向土壓力盒，埋設(shè)深度依次為0，0.8，1.6，2.4，3.2和4.0 m(從擋墻頂部往下算)，編號為LE1~LE6，如圖2所示。圖10所示為不同深度水平土壓力時程曲線，圖11所示為水平土壓力隨埋深的變化。

從圖10可以看出：水平土壓力隨填筑高度的增加而增大，當(dāng)填筑高度不再增加或碾壓過程結(jié)束時，水平土壓力也趨于穩(wěn)定；在填筑過程中，相比于有包邊斷面，無包邊斷面不同深度水平土壓力有一定的變化幅度，這是由于其邊坡沒有黏土包邊的約束作用。

圖10　不同深度水平土壓力時程曲線Fig.10　Time-history curves of lateral earth pressure in different depths

圖11　水平土壓力隨埋深的變化Fig.11　Development of lateral earth pressure with depth

從圖11可以看出：2個斷面的最大水平土壓力均出現(xiàn)在埋深2.4 m處，即煤矸石路堤和黏土路基的交界面處，該處的水平土壓力有明顯突變，遠(yuǎn)比其他各位置的大。其主要原因是擋墻朝路堤傾斜，擋墻與天然黏土地基在交界面處構(gòu)成夾角，土體在碾壓過程中往夾角處不斷擠壓密實而導(dǎo)致其水平土壓力比其他埋深處的大；此外，由于天然黏土地基面以下的土體是天然密實狀態(tài)，故碾壓作用對天然黏土地基面以下的土體水平土壓力影響較小。除了埋深2.4 m的突變點外，水平土壓力大體隨深度增加而呈變大趨勢；在施工過程結(jié)束后，無包邊土斷面的水平土壓力總體上小于有包邊土斷面的水平土壓力。

2.5基底不同方向土壓力變化規(guī)律

為了測試同一埋深位置處(煤矸石路堤與天然地基土交界面)各個方向土壓力的關(guān)系，在路堤開始填筑前，預(yù)先在天然地基面下緊貼擋墻處埋設(shè)3個受力面不同朝向的土壓力盒：1個受力面向上(LE3垂直)，測量豎向土壓力(90°)；1個豎直放置(LE3)，測量水平土壓力(0°)；還有1個土壓力盒的受力面與水平面呈45°。測量45°方向的土壓力(如圖2所示)。3個土壓力沿路堤縱向間隔為0.5 m。圖12所示為基底不同方向土壓力變化(注：圖12中施工時間從基底位置填筑起計算)。

圖12　基底不同方向土壓力變化Fig.12　Change of earth pressure along different directions of base

從圖12可以看出：路堤剛開始填筑時，豎向土壓力迅速增大，其數(shù)值為煤矸石填料容重與填筑厚度的乘積，且大于水平土壓力，45°方向的土壓力增加緩慢；隨著填筑高度繼續(xù)增加，45°方向的土壓力仍然緩慢增加，而水平土壓力增加速度增大，甚至比豎向土壓力的增大速度大。當(dāng)填筑過程結(jié)束后，3個方向土壓力從大至小依次為水平土壓力、豎向土壓力、45°方向土壓力。水平土壓力與豎向土壓力相差不大，45°方向土壓力遠(yuǎn)比其他2個方向土壓力小很多。從摩爾應(yīng)力圓角度分析可知，水平土壓力與豎向土壓力在應(yīng)力圓上對應(yīng)點的連線與應(yīng)力坐標(biāo)軸趨近垂直，兩者作用面均存在較大的剪應(yīng)力，45°方向土壓力朝著最小主應(yīng)力靠近?？梢?，在煤矸石路堤填筑過程中，墻趾附近基底處的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了明顯的應(yīng)力主軸偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此位置的土壓力主要是水平土壓力和豎向土壓力，特別是水平土壓力對擋墻的作用較大。對于邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的潛在滑裂面可能會穿過基底的表層，然后在坡腳前方溢出，坡腳后方的土體會受到較大的水平推力[17-18]，致使坡腳前方的土體可能發(fā)生向上隆起的現(xiàn)象。本試驗結(jié)果與理論研究結(jié)果具有一致性，所以，在進(jìn)行煤矸石路堤的設(shè)計與施工時，要注意煤矸石路堤壓實和擋墻防護(hù)設(shè)計，尤其是要注意考慮水平土壓力對擋墻的作用。

3　結(jié)論

1)煤矸石路堤隨著與擋墻距離的增大，沉降量大致呈線性增大；包邊斷面在相同位置的沉降量比無包邊斷面的大。側(cè)向位移沿?fù)鯄Ω叨瘸史蔷€性分布，最大值在埋深0.8 m處；包邊斷面在同一埋深處的側(cè)向位移比無包邊斷面的小，表明包邊后的煤矸石路堤剛度和整體性更好。

2)基底的豎向土壓力均隨著填筑高度的增加而增加，沿路堤橫向呈非線性分布；包邊斷面路堤在距擋墻水平距離為6 m處的豎向土壓力最??；無包邊斷面各位置處的豎向土壓力規(guī)律不明顯。

3)2個斷面最大水平土壓力均出現(xiàn)在煤矸石路堤與黏土路基的交界面處，該處水平土壓力有顯著突變，遠(yuǎn)比其他埋深處的大；除突變點外，其他各處水平土壓力隨深度增加而大致呈線性增大。相比包邊斷面，無包邊斷面的水平土壓力總體偏小，且其變化幅度較大。

4)擋墻內(nèi)側(cè)煤矸石路堤與黏土地基交界面處的土壓力從大至小依次為水平土壓力、豎向土壓力、45°方向土壓力；在煤矸石路堤填筑過程中，該處的土體應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)主軸偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

5)煤矸石路堤與黏土地基交界面處的土壓力主要是水平和豎向土壓力，表明設(shè)計和施工時必須要注意煤矸石路堤壓實和擋墻防護(hù)設(shè)計，特別是要考慮水平土壓力對擋墻的作用。

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(編輯陳燦華)

Field test study on coal gangue embankment supported by rubble bulkhead

YANG Guolin,DUAN Junyi,SONG Huai
(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

In order to study the structural characteristics of coal gangue embankment,a field test was conducted on the site of K127+700 km and K127+720 km of Anhua—Shaoyang expressway in Hunan Province,and its settlement of embankment,lateral deformation,vertical earth pressure,horizontal earth pressure and basal earth pressure in different directions were tested.The results show that the settlement of embankment near the retaining wall is small,and it increases with the increase of distance.The maximum lateral displacement of the retaining wall locates in the position where the thickness of embankment is relatively small.The maximum horizontal earth pressure of two embankments appears at the interface between coal gangue embankment and clay subgrade.In the construction process,the soil at this interface of inside retaining wall exhibits stress axis deflection,and after construction,and the horizontal soil pressure at this interface is larger than the vertical soil pressure,while the earth pressure in 45°direction is the smallest.

coal gangue embankment;covered clay;earth pressure

楊果林，教授，博士生導(dǎo)師，從事巖土工程、道路與鐵道工程和結(jié)構(gòu)工程研究；E-mail:guoling@csu.edu.cn

TU471

A

1672-7207(2016)07-2424-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.033

2015-07-07；

2015-09-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(51478484，51278499)；交通運輸部聯(lián)合攻關(guān)項目(2010-353-343-290)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2016zzts401)(Projects(51478484,51278499)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2010-353-343-290)supported by the Ministry of Transport of China;Project(2016zzts401)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)