基于FLAC3D的左涉一級公路厚層煤矸石棄渣地基處治方法研究

宋竹兵，張 毅，趙云海，劉瑞瑞，3

（1.山西路橋集團(tuán) 左涉公路有限公司，山西 左權(quán) 032600；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.陜西土地工程建設(shè)集團(tuán) 咸陽分公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

左權(quán)至涉縣某新建一級公路工程需要穿越厚層煤矸石廢渣區(qū)域，由于該煤矸石區(qū)域未固結(jié)，故選擇合適的地基處理方法是首要任務(wù)。

席培勝等[1]通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)和數(shù)值模擬計算分析，對不同的擴(kuò)大頭高度和上下樁徑比下的釘形雙向水泥攪拌樁進(jìn)行單樁承載力進(jìn)行計算分析，得到了最佳擴(kuò)大頭高度為1 m，最佳樁徑比為2的結(jié)論。魏國安等[2]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行計算分析，管樁破壞的原因是因?yàn)榛炷吝_(dá)到了極限受壓承載力，可以通過提升混凝土強(qiáng)度提高單樁極限承載力。王常明等[3]通過樁的載荷試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行計算分析，根據(jù)樁端阻力在單樁豎向承載力的占比下降的規(guī)律進(jìn)行分析，提出了靜壓管樁單樁承載力特征值的計算方法。李金良等[4]通過ABAQUS軟件對不同溶洞頂板厚度的單樁承載特性進(jìn)行分析，計算結(jié)果說明了隨著溶洞頂板厚度的增大，單樁極限承載力也增大。

譚鑫等[5]采用有限差分法對軟土地基中碎石樁單樁進(jìn)行數(shù)值模擬分析，推導(dǎo)了軟土地基中碎石樁單樁承載力計算公式。江杰等[6]推導(dǎo)并驗(yàn)算了膨脹土剪切模量隨深度變化的單樁荷載傳遞的公式，并提出了膨脹作用對單樁承載力影響的計算方法，對膨脹作用對單樁特性的影響進(jìn)行解釋。

金繼偉等[7]對SDDC法加固濕陷性黃土的加固機(jī)理以及性能特點(diǎn)進(jìn)行分析，為類似工程提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參考?；舯|等[8]通過結(jié)合實(shí)際工程分析SDDC樁處理地基，結(jié)果表明復(fù)合地基承載力得到顯著提高以及樁間土的性能得到改善。

張清峰等[9-10]通過ANSYS軟件計算分析煤矸石地基在夯擊能作用下的位移沉降規(guī)律，豎向位移隨地基深度增加而減小；通過物理模型試驗(yàn)研究強(qiáng)夯法加固煤矸石地基的物理力學(xué)參數(shù)變化，確定了不同夯擊能下煤矸石地基承載力，為強(qiáng)夯法處理煤矸石地基提供參考依據(jù)。

本文依托左權(quán)至涉縣某新建一級公路工程，通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)，得到煤矸石物理力學(xué)指標(biāo)，并使用FLAC3D軟件對孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法處理煤矸石地基的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，并對工后土體沉降進(jìn)行計算分析。

1 工程概況

左權(quán)至涉縣新建一級公路工程（以下簡稱“左涉一級公路”），起點(diǎn)位于山西省晉中市左權(quán)縣遼陽鎮(zhèn)東北，終點(diǎn)位于長治市黎城縣黃崖洞鎮(zhèn)下清泉村南部S322公路K0+000處。路線方案起點(diǎn)位于左權(quán)縣，接陽左高速左權(quán)連接線，終點(diǎn)位于黎城縣黃崖洞鎮(zhèn)清泉村南。在左涉一級公路LJ1標(biāo)段需要經(jīng)過煤矸石棄渣堆填區(qū)，樁號范圍為DK1+705—DK1+880。在線路兩側(cè)大量的人工堆積物主要是煤矸石，最大的堆積高度已經(jīng)超過19 m，總體積約40萬m3，并且處于疏松狀態(tài)，對公路路基穩(wěn)定造成嚴(yán)重危害。

2 工程地質(zhì)概況

穿越煤矸石棄渣堆填區(qū)的地層從上到下依次為人工填土、卵石、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖，未加固的人工填土地層地基承載力為85 kPa。該地區(qū)地下水位埋深在地下2.1～16.2 m，標(biāo)高為1 088.97～1 091.06 m，水位受季節(jié)影響較大，在汛期地表水位有明顯的上漲，水流平時較緩，總體流向由北向南。

3 煤矸石基本物理力學(xué)試驗(yàn)

在煤矸石棄渣堆填區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場取土，對每個取土點(diǎn)設(shè)置2～3組平行試驗(yàn)，開展煤矸石基本物理力學(xué)試驗(yàn)，采用烘干法、大比尺環(huán)刀法、直接剪切試驗(yàn)法、三軸壓縮試驗(yàn)法，分別測定土樣含水率、天然密度、彈性模量以及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

如圖1、圖2所示，在煤矸石棄渣堆填區(qū)，從3個不同的斷面處取土，相鄰斷面處間隔50 m，每個斷面依次在2 m、3 m、4 m深的位置取試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 煤矸石現(xiàn)場取樣

圖2 煤矸石試樣

通過基本物理力學(xué)試驗(yàn)，測得煤矸石棄渣的密度變化區(qū)間在1.55～1.79 g/cm3，平均值為1.70 g/cm3，天然含水率變化區(qū)間在4.16%～5.61%，平均值為5.01%.通過直接剪切試驗(yàn)得到煤矸石的彈性模量結(jié)果變化區(qū)間在19.57～20.45 MPa，取其平均值20 MPa。煤矸石內(nèi)摩擦角和黏聚力試驗(yàn)結(jié)果變化區(qū)間在22.485°～23.224°、7.65～7.72 kPa，分別取平均值 為 22.82°和7.69 kPa。

4 FLAC3D本構(gòu)模型和參數(shù)的選取

在進(jìn)行本構(gòu)模型選取時，合適的本構(gòu)模型能夠更好地反映實(shí)際地基沉降量。故土體選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，樁體選用Elastic彈性模型。FLAC3D模型中各個土層參數(shù)如表1所示。

表1 夯擊能4 000 kN·m下FLAC3D模型參數(shù)

5 計算結(jié)果分析

在進(jìn)行數(shù)值分析計算過程中，為了能夠更加準(zhǔn)確真實(shí)地反映實(shí)際情況，需要構(gòu)建合適的模型。通過使用Midas軟件建模能夠節(jié)約建模時間，再導(dǎo)入到FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值分析。

高速公路斷面具有對稱性，只需建立一半模型進(jìn)行數(shù)值計算，建立尺寸為30 m×30 m×30 m的地基和頂長10 m底長13 m厚度2 m的路堤模型。地基土層從上到下分別為厚度16 m的煤矸石地層、厚度4 m的卵石地層、厚度10 m的強(qiáng)風(fēng)化巖地層。建立模型后，對路堤頂部施加均布荷載16.936 kPa作為工后荷載，對地基頂部沉降進(jìn)行監(jiān)測。

擬采用SDDC法加固煤矸石地基，對夯擊能4 000 kN·m工況下樁徑為1.2 m的6 m、8 m、10 m樁長復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并與未加固煤矸石地基進(jìn)行工后沉降量對比分析。

5.1 未處理煤矸石地基承載力及沉降分析

建立未處理煤矸石地基模型，限制側(cè)面水平位移、限制底部豎向位移，然后進(jìn)行初始自重應(yīng)力平衡，并對地基承載力、地基頂部工后沉降進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖3 未處理煤矸石地基

圖4 未處理煤矸石地基初始自重應(yīng)力平衡

圖5 未處理煤矸石地基承載力

圖6 未處理煤矸石地基頂面距路堤中心距離變化沉降

圖7 未處理煤矸石地基工后沉降

由圖5可知，未處理煤矸石地基承載力為90 kPa，與工程地質(zhì)資料提供的85 kPa大致吻合，說明未處理煤矸石地基承載力較低。由圖6可知，未處理煤矸石地基頂面沉降隨距路堤中心距離增加而減小，路堤中心沉降量為35.38 cm，路肩位置沉降量為8.14 cm，工后沉降量未能達(dá)到設(shè)計施工要求。未處理煤矸石地基工后沉降量大，路堤中心與路肩處沉降相差27.24 cm，較大的不均勻沉降將會對公路施工以及使用造成巨大危害。由圖7可知，未處理復(fù)合地基工后沉降穩(wěn)定時間較長。未處理煤矸石地基工后沉降量一直增大，直到工后65個月沉降速度減小，但工后沉降量并不趨于穩(wěn)定，說明未處理煤矸石地基具有不穩(wěn)定性。

通過數(shù)值計算分析，發(fā)現(xiàn)未處理的煤矸石地基承載力低、工后沉降量大、不均勻沉降差較大、工后沉降穩(wěn)定時間長，故有必要對地基處理加固。

5.2 單樁數(shù)值模型建立及結(jié)果分析

建立樁徑1.2 m樁長為10 m單樁地基數(shù)值模型，將模型的側(cè)面限制水平位移，模型的底部限制豎向位移，輸入各土層以及樁體參數(shù)，進(jìn)行自重應(yīng)力平衡。對4 000 kN·m樁長10 m的單樁復(fù)合地基承載力進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

圖8 單樁復(fù)合地基

圖9 單樁復(fù)合地基初始自重應(yīng)力平衡

圖10 單樁復(fù)合地基承載力

由圖10可知，荷載與位移曲線是一條平緩且光滑的曲線。10 m長的單樁復(fù)合地基承載力為246.5 kPa，與規(guī)范法計算出來的承載力結(jié)果相接近，說明單樁模型參數(shù)選取較為合理，可以進(jìn)行后續(xù)的群樁復(fù)合地基數(shù)值模擬計算。

未加固時煤矸石復(fù)合地基承載力為85 kPa，加固后單樁復(fù)合地基承載力為246.5 kPa，地基處理后承載力顯著提升約1.9倍，故孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法可以顯著提高煤矸石地基的承載力。

5.3 群樁數(shù)值模型建立及結(jié)果分析

建立夯擊能4 000 kN·m工況下樁徑為1.2 m的6 m、8 m、10 m的群樁模型，限制模型側(cè)面的水平位移、模型底部的豎向位移，輸入各土層以及樁體參數(shù)，進(jìn)行自重應(yīng)力平衡。對不同樁長的群樁復(fù)合地基頂面路堤中心工后沉降進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。

圖11 樁長10 m群樁復(fù)合地基剖面

圖12 群樁復(fù)合地基初始自重應(yīng)力平衡

圖13 不同樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降變化曲線

由圖13可知，在工后荷載作用下，不同樁長下的地基樁頂沉降變化規(guī)律是一致的。在夯擊能4 000 kN·m工況下，6 m、8 m、10 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降曲線均呈現(xiàn)前期沉降迅速后期沉降減緩趨于穩(wěn)定。

隨著樁長增加復(fù)合地基樁頂工后沉降逐漸減小，6 m、8 m、10 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降量為44.5 mm、32.33 mm、24.17 mm。8 m和10 m樁長復(fù)合地基相對于6 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降減少27.35%、45.69%，說明通過增加樁長能夠有效降低工后沉降量。10 m樁長復(fù)合地基較8 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降量減少25%，說明10 m樁長復(fù)合地基工后沉降量減少更加明顯。

隨著樁長增加復(fù)合地基樁頂工后沉降速率降低，6 m、8 m、10 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降速率為0.041 mm/d、0.03 mm/d、0.022 mm/d。8 m和10 m樁長復(fù)合地基相對于6 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降速率降低26.83%、46.34%，說明通過增加樁長能夠有效降低工后沉降速率。10 m樁長復(fù)合地基較8 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降速率降低26.67%，說明10 m樁長復(fù)合地基工后沉降速率降低更加明顯。

隨著樁長增加復(fù)合地基樁頂工后沉降穩(wěn)定時間縮短，6 m、8 m、10 m樁長復(fù)合地基工后沉降穩(wěn)定時間為33個月、30個月、27個月。8 m和10 m樁長復(fù)合地基相對于6 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降穩(wěn)定時間縮短約9%、18.18%，說明通過增加樁長能夠有效縮短工后沉降穩(wěn)定時間。10 m樁長復(fù)合地基較8 m樁長復(fù)合地基樁頂工后沉降穩(wěn)定時間縮短10%，說明10 m樁長復(fù)合地基穩(wěn)定性更好。

夯擊能4 000 kN·m樁長10 m復(fù)合地基與未處理煤矸石地基相比，樁頂工后沉降量減少32.963 cm，降低約93%，樁頂沉降速率降低為0.022 mm/d，樁頂工后沉降穩(wěn)定時間縮短為27個月。

6 結(jié)語

a）本文通過左權(quán)至涉縣新建一級公路工程，簡述了地基處理的數(shù)值分析模型的步驟，利用Midas軟件建模簡單快捷，節(jié)約建模時間。

b）未處理煤矸石地基承載力為85 kPa、工后沉降量為35.38 cm、不均勻沉降差為27.24 cm，在工后階段不具有穩(wěn)定性。

c）在夯擊能4 000 kN·m工況下不同樁長處理加固煤矸石地基，復(fù)合地基樁頂工后沉降量均呈現(xiàn)前期沉降迅速后期趨于平緩穩(wěn)定。隨著樁長增加，地基樁頂工后沉降量減小、沉降速率降低、沉降穩(wěn)定時間縮短。

d）夯擊能4 000 kN·m樁長10 m復(fù)合地基承載力為246.5 kN，地基承載力提升約1.9倍，樁頂工后沉降量減少至24.17 mm，沉降速率降為0.022 mm/d、沉降穩(wěn)定時間縮短為27個月，滿足工后階段安全要求。