格宾网加筋煤矸石路堤稳定性提升措施研究.pdf

书书书第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：汤浩南（），男，高级工程师，主要从事公路工程科研和施工管理工作。文章编号：?（）?格宾网加筋煤矸石路堤稳定性提升措施研究汤浩南，杜勇立，杨果林（湖南省茶江高速公路开发有限公司，湖南 长沙 ；湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 ；中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 ）摘要：格宾网是一种双绞合六边形结构的片状加固材料，可以折叠形成任意形状的结构，常用于路基、海岸结构的加固处理。安邵高速公路途经煤矿区，当地煤矸石堆积成山，考虑将其用作路堤填料，并采用格宾网加筋结构来提升煤矸石路堤的稳定性，但格宾网加筋煤矸石路堤的稳定性评价及其加固途径尚未得到充分研究。因此，以安邵高速公路建设为背景，建立格宾网加筋煤矸石路堤三维数值模型，并利用现场试验验证数值模型的可靠性，继而分析格宾网筋材铺设方式（不同竖向间距和长度）和在坡脚下方增设格宾网箱对路堤稳定性的影响。结果表明：退台式格宾网加筋结构能够降低墙面附近的路堤土压力，改善路堤的力学状态；减小格宾网的竖向间距或增大格宾网的铺设长度，可促使路堤潜在滑裂面向路堤内部转移，并使其进入地基的深度增加；在坡脚下方埋设格宾网箱可显著改善坡脚下方土体的力学与变形状态，增大坡脚前方的塑性区域，同时可降低路堤的侧向变形，使路堤的力学与变形性能更合理。关键词：煤矸石路堤；格宾网；加固方法；潜在滑裂面；数值模拟；力学特性中图分类号：文献标志码：引言得益于加筋材料的蓬勃发展，各种各样的土工筋材 及其加筋结构 不断出现，其中，格宾网是一种具有六边形网孔结构的片状筋材，由覆塑钢丝绞合而成 。在拉伸荷载作用下，即使某根钢丝被拉断破坏，格宾网也可以通过网片结构的应力重分布功能将破坏钢丝的拉力分配至其他钢丝上，从而使得格宾网片能够继续维持拉伸性能 。此外，格宾网可经折叠制作成任意形状的结构物，如网箱、返包带等 。因此，格宾网是一种具有诸多优点的加筋材料。如今，格宾网已经被越来越多应用于路堤工程加固中 。蒋建清等 研究了格宾网加筋红层软岩土石混填路堤的力学行为，指出格宾网箱墙面在墙背平面以内时类似梁的弯曲变形，而在墙背平面之外为鼓胀变形。杨果林等 研究格宾网加筋煤矸石的界面剪切特性，并分析了加筋方式对加筋煤矸石路堤结构稳定性的影响。目前，相比其他加筋材料，有关格宾网 加 筋 路 堤 结 构 稳 定 性 的 研 究 还 相 对 较少 ，特别是在格宾网加筋路堤稳定性提升措施的研究上，尚未有成熟成果。结合格宾网筋材结构特点，开发新式路堤加固措施并研究其适用性，对拓展格宾网的应用及丰富加筋结构形式具有重要工程意义和价值。安邵高速途经煤矿地区，当地煤矸石废弃物堆积成山，依照变废为宝和充分利用资源的理念，煤矸石被用于填筑路堤结构，并采用格宾网加筋结构来稳固路堤。本文依托安邵高速公路建设工程，建立格宾网加筋煤矸石路堤数值模型，在通过现场试验验证数值模型的基础上，进一步开展不同筋材铺设方式和在坡脚下方增设格宾网箱对加筋路堤稳定性提升效果的研究，以期为格宾网加筋路堤结构的设计、施工提供参考依据。湖南交通科技 卷 工程概况安邵高速公路为国家高速公路网中二广高速公路的第二段，起于湖南省益阳市安化县，止于湖南省邵阳市邵阳县，全长为 ，设计车速为 。沿线存在清塘煤矿、沙坪煤矿等矿区，煤矿区内分布着大量的废弃煤矸石，堆积如山。在风力作用下，煤矸石粉尘随风扬起，造成空气污染；在降雨作用下，煤矸石淋溶物质随水流动，导致河流和地下水污染，严重威胁到煤矿区周边居民的身体健康。此外，受煤矿区开采影响，当地优质路基填料十分缺乏。因此，经过综合考虑，拟将煤矸石用作路基填料，以解决填料匮乏和环境污染的双重问题，进而实现变废为宝、资源化综合利用的目标。安邵高速公路途经的煤矿区地形复杂，不仅存在大量高填方路堤工程，而且路堤临近湄江，面临用地紧张与地基承载能力不良等实际工程问题。煤矸石与一般路基填料的工程性质差异显著，为典型的散粒体材料，具有内摩擦角较大、黏聚力较小的特点，这导致高填方煤矸石路堤的稳定性难以保证。因此，采用格宾网加筋路堤方案对其进行处治，典型退台式格宾网加筋煤矸石路堤结构如图 所示。图 典型退台式格宾网加筋煤矸石路堤结构加筋煤矸石路堤以退台式格宾网箱作为挡墙墙面，网箱背后与路堤内部铺设的格宾网相连接，网箱内填充煤矸石块体材料。通过格宾网箱的挡土作用与路堤内部格宾网的拉锚作用，增强煤矸石路堤的整体稳定性能。加筋路堤边坡数值模型建立 路堤填料与格宾网筋材参数煤矸石为典型散粒体材料，黏聚力较低、渗透性较大，为了改善其工程性质，实际工程中，往往需要往煤矸石内掺入黏土，从而形成了煤矸石混合土，如图（）所示。格宾网是一种利用覆塑钢丝双绞合而形成的具有六边形蜂窝状的网状结构，如图（）所示。在拉伸荷载作用下，格宾网中部分钢丝拉断后，其余钢丝可通过应力调整作用迅速承担增加的拉力，从而继续维持格宾网片的拉伸强度。此外，格宾网可折叠形成任意箱状结构，具有更好的工程实用性，这有别于传统的加筋材料。（）煤矸石混合土（）格宾网筋材图 煤矸石混合土与格宾网路堤材料参数如表 所示，煤矸石混合土与格宾网界面参数如表 所示。表 路堤材料的参数材料密度（）黏聚力 内摩擦角（）剪切模量 体积模量 泊松比格宾网箱中填充石块 煤矸石混合土 地基土 表 煤矸石混合土与格宾网的界面参数密度（）界面黏聚力 界面摩擦角（）格宾网等效厚度 弹性模量 切向刚度（）泊松比 数值模型的建立为掌握格宾网加筋煤矸石路堤的稳定性状态，根据安邵高速公路中格宾网加筋煤矸石路堤典型结构，并考虑到路堤的对称性，取路堤的一半为研究对象，利用 软件，建立对应的三维数值模型，如图 所示。期汤浩南，等：格宾网加筋煤矸石路堤稳定性提升措施研究图 格宾网加筋煤矸石路堤结构的数值模型（单位：）为降低模型边界条件对模拟结果的影响，模拟地基尺寸由坡脚向下、向外各延伸 。路堤顶面宽度为 ，整个填方由高度为 的格宾网加筋结构 的煤矸石填筑结构组成。格宾网箱的长、宽、高分别为 、。考虑到路堤沿纵向为平面应变问题，数值模型的纵向长度取 。格宾网竖向间距为 ，沿路堤横向长度为 。格宾网箱每层向路堤方向错位 。数值模型的纵向 个侧面、横向 个侧向均以约束限制相应的法向位移为边界条件，模型的底部以约束限制 个方向的位移为边界条件。格宾网和网箱采用 软件内置的 单元，煤矸石混合土和石块以及地基土均采用实体单元形式。此外，采用摩尔 库伦弹塑性模型来模拟煤矸石混合土。考虑石块强度大和变形小的特点，采用弹性模型来模拟格宾网箱中填充的煤矸石石块。由于外荷载作用下格宾网箱会出现压缩或拉伸变形现象，同时网箱内填充的煤矸石石块和路堤内填筑的煤矸石混合土会影响网箱的变形发展，因此，格宾网及其网箱（材质相同）也采用摩尔 库伦弹塑性模型进行模拟。数值模型的验证杨果林等 对安邵高速公路一典型格宾网加筋煤矸石路堤进行了现场监测，路堤结构形式同图，路堤结构尺寸同图 。按照现场路堤结构尺寸建立相应的数值模型，模型参数可在张梓振 文献中找到。以第 层格宾网上方的路堤竖向土压力为例，图 为路堤竖向土压力横向分布的数值模拟结果与现场实测结果。其中，路堤竖向土压力由布置在第 层格宾网上方的土压力盒进行监测，土压力盒水平安装，且土压力盒上下表面均需采用细砂覆盖并压实处理。图 路堤竖向土压力横向分布模拟与实测结果由图 可知，随着距墙面的距离增加，路堤竖向土压力逐渐增大，当距墙面约后，路堤竖向土压力的变化不大，这表明格宾网加筋柔性结构显著地降低了墙面附近的竖向土压力。同时，装填煤矸石石块的格宾网箱刚度远大于路堤填土刚度，即格宾网箱的变形程度更小，这导致墙面附近路堤的竖向变形沿横向表现出差异性，该差异促使格宾网形成网兜效应，从而进一步降低了墙面附近的竖向土压力 。因此，格宾网箱墙面结构的设置有力改善了加筋路堤结构的力学状态，从而保证了加筋路堤结构的安全稳定。比较路堤竖向土压力的现场实测与数值模拟结果可知，两者的变化趋势基本吻合，验证了本文数值模型的可靠性与准确性，可用于后续分析。为进一步了解格宾网加筋煤矸石路堤的稳定性状态，利用数值模型得到路堤的剪应变云图，如图所示，图中数值为路堤安全系数值。图 格宾网加筋路堤的潜在滑裂面情况由图 可知，格宾网加筋煤矸石路堤边坡的潜在滑裂面由距坡顶边缘一定距离处滑入，深入至地基内，并绕过坡脚下方，从坡脚前方一定距离处滑出，整个潜在滑裂面呈现对数螺旋线状，最大剪应变出现在路堤坡脚处。可见，如何加强坡脚处土体的稳定性将成为保证路堤稳定的关键因素之一。湖南交通科技 卷 格宾网加筋路堤稳定性改善措施分析 节中数值模拟结果显示，路堤安全系数较低，路堤稳定性还需要提高。因此，接下来探讨格宾网加筋路堤稳定性的改善途径。本文从格宾网筋材布置方式和在坡脚下方埋设格宾网箱 个方面分析其对路堤稳定性的改善效果。格宾网筋材布置方式对路堤稳定性的影响设定格宾网筋材长度为不变，竖向加筋间距分别 、。分别对应格宾网筋材总铺设层数为 、层。图 为格宾网筋材布设间距对路堤安全系数的影响。由图 可知，随着格宾网筋材总层数增加（即加筋间距减小），路堤安全系数逐渐增大。当格宾网筋材总层数由 层增加至 层时，路堤安全系数增大了 。然而，继续提高筋材总层数，路堤安全系数的提升幅度有限，其中，由筋材总层数 层增加至 层时，路堤安全系数仅提升了 。可见，格宾网加筋间距不宜小于 ，过小的加筋间距对路堤稳定性提升有限，却显著增大了工程投资。图 格宾网筋材布设间距对路堤安全系数的影响图 为不同格宾网筋材竖向间距对应的路堤潜在滑裂面情况。由图 可知，随着格宾网筋材竖向间距的减小，路堤潜在滑裂面逐渐向路堤内部转移（即后移），同时潜在滑裂面进入地基的深度增加，这意味着潜在滑裂面上的抗滑阻力在增加，路堤的稳定性在提升。其中，格宾网筋材竖向间距越小，潜在滑裂面后移的幅度越大。设定格宾网筋材的竖向间距为不变，筋材长度分别为 、。图 为格宾网筋材长度对路堤安全系数的影响。由图 可知，随着格宾网筋材长度增加，路堤安全系数呈现近似线性的增图 不同格宾网筋材竖向间距对应的路堤潜在滑裂面情况长趋势，筋材长度由 增长至 时，路堤安全系数增加了 。图 给出了不同格宾网筋材长度时路堤潜在滑裂面情况，随着筋材长度增加，路堤潜在滑裂面往路堤内部移动，且进入地基内的深度也随之加大，同时潜在滑裂面的形状也有明显变化。当筋材长度增加时，潜在滑裂面的对数螺旋线状弯曲程度增大。图 格宾网筋材长度对路堤安全系数的影响图 不同格宾网筋材长度时路堤潜在滑裂面情况 坡脚下方埋设格宾网箱对路堤稳定性的影响 节模拟结果显示，路堤潜在滑裂面进入地基内，继而于坡脚下方一定深度处穿过，从坡脚前一定距离处滑出。其中，潜在滑裂面进入地基深度和滑出点距坡脚的距离与筋材铺设方式密切相关。这表明坡脚附近的土体处于极为不利的受力状态，从图 可以看出，当路基发生失稳破坏时，坡脚附期汤浩南，等：格宾网加筋煤矸石路堤稳定性提升措施研究近土体会最先达到塑性剪切状态。因此，如何改善坡脚附近土体的受力状态，关系到路堤稳定性。考虑到格宾网材料可折叠成格宾网箱的特点，将格宾网箱堆叠埋入坡脚下方一定深度，且格宾网箱上、下层之间采用钢丝连接成整体，以此增加潜在滑裂面上的抗滑力，同时改善坡脚附近土体的力学与变形状态。相比于传统的坡脚土体夯实或者回填压实加固方法而言，埋设格宾网箱具有施工简单和造价较低的优点。为了探讨格宾网箱埋设深度对路堤稳定性的影响，取埋设深度分别为 、，格宾网箱的高、长、宽分别为 、进行研究。图 为格宾网箱埋设深度为对应的数值模型。图 格宾网箱埋设深度 对应的数值模型图 为格宾网埋设深度对路堤安全系数的影响。由图 可知，埋设格宾网箱后，路堤的安全系数显著提升。可见，在坡脚下方埋设格宾网箱能够显著加固坡脚下方的土体，继而提升路堤稳定性。其中，格宾网埋设深度为 时，路堤安全系数增长不明显，这主要是因为格宾网箱埋设位置尚处于未埋设格宾网箱情况时的土体塑性区域内，未完全阻断潜在滑裂面路径，从而导致加固效果不明显。当埋设深度超过时，格宾网箱已处于潜在滑裂面路径上，能发挥出格宾网的抗滑作用，使得路堤安全系数增大至 。图 格宾网箱埋设深度对路堤安全系数的影响图 为不同格宾网埋设深度时路堤剪应变云图，图中数值为路堤安全系数值。由图 可知，采用埋设格宾网箱对坡脚下方地基土体进行加固之后，得益于格宾网箱的阻滑作用，坡脚下方土体的力学状态得到改善，且坡脚下方的土体塑性区向地基深处转移，路堤塑性贯通区在坡脚下方处的弯曲（）埋设深度 （）埋设深度 （）埋设深度 （）埋设深度 图 不同格宾网箱埋设深度时路堤剪应变云图湖南交通科技 卷程度越来越大，同时塑性贯通区的带宽有增大趋势。这表明潜在滑裂面的路径延长，且潜在滑裂面上的抗滑力增加，这将有助于提升路堤的稳定性。此外，随着格宾网箱埋设深度增加，坡脚前后的土体塑性区域宽度增大。格宾网箱埋设深度由 增大 至 时，坡 脚 前 方 塑 性 区 域 宽 度 由 增至 。坡脚前方塑性区域的扩大意味着坡脚前后土体的自重压载能力提升，路堤产生破坏时则需挤出坡脚前方的更多土体。图 为埋设格宾网箱后路堤墙面水平位移沿墙高的分布。由图 可知，埋设格宾网箱后，墙面的水平位移显著降低。具体来说，未埋设格宾网箱之前，墙面的水平位移为 ，格宾网埋设深度为 时，墙面的水平位移降至 ，降幅达到 。这说明埋设格宾网箱后，墙面的鼓胀变形得到有效抑制，整体路堤的变形性能得到了改善，从而改善了路堤边坡的稳定性。图 埋设格宾网箱后墙面水平位移沿墙高的分布由以上分析可知，在坡脚下方埋设格宾网箱可显著改善坡脚下方土体的受力状态，增大坡脚前方的塑性区域，改变路堤潜在滑裂面的形状，继而提升路堤的稳定性，同时，还可以消减路堤的鼓胀变形，控制和改善路堤的侧向位移，改善路堤的力学与变形行为。结论）采用格宾网加筋结构稳定煤矸石路堤方案可行。）退台式格宾网箱墙面结构与路堤内铺设的格宾网筋材共同发挥柔性卸荷作用和网兜效应，降低了墙面附近的土压力，改善了加筋路堤结构的力学状态，有利于保障路堤结构的稳定性。）退台式格宾网加筋路堤的潜在滑裂面呈对数螺旋线形状，且会传至坡脚下方。减小格宾网铺设的竖向间距或增加格宾网的铺设长度，路堤潜在滑裂面向路堤内部转移，同时其进入地基的深度增加。）通过在坡脚下方埋设格宾网箱可显著改善坡脚下方土体的力学与变形状态，增大坡脚前方土体的塑性区域，从而提升路堤的稳定性，同时有助于降低路堤的侧向变形。当格宾网箱埋设深度为 时，墙面水平位移降幅可达 。参考文献：林宇亮，杨果林，刘冬加筋土筋材拉伸力学特性与模型分析 中南大学学报（自然科学版），（）：，（）：，（）：，（）：王希萌，张志红，白顺果复杂条件下格宾网箱生态护坡稳定性分析 水资源与水工程学报，（）：杨果林，段君义，张雨格宾网筋材的绞边强度特性试验研究 湖南大学学报（自然科学版），（）：王海滨，吴庆霞，刘兆辉，等 雷诺护垫与格宾石笼在河道整治工程中的应用 人民黄河，（）：，（）：龚锦林，柳厚祥，张军辉新型加筋格宾挡土墙性能分析 公路工程，（）：蒋建清，杨果林格宾网加筋红层软岩土石混填路堤力学行为的现场测试与数值模拟 岩土力学，（）：杨果林，陈子昂，段君义，等格宾网加筋煤矸石界面剪切特性及路堤边坡稳定性研究 煤田地质与勘探，（）：，刘金龙，栾茂田，王吉利，等土工织物加固软土路基的机理分析 岩土力学，（）：马学宁，王飞，王旭，等条形荷载下加筋路堤边坡模型试验研究 铁道工程学报，（）：王宗建，陈博，姚云，等局部加筋式路堤的载荷试验研究 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：张玲，欧强，赵明华，等移动荷载下土工加筋路堤动力响应特性数值分析 岩土力学，（）：张梓振煤矸石加筋格宾路堤挡墙现场试验及数值分析 长沙：中南大学，