垃圾填埋场防渗墙体的应力与变形分析

1）工程概况

江苏省某工业垃圾安全填埋场场地最大长度（东西方向）约430 m，最大宽度（南北方向）约180 m，主要由垃圾堆放场用地、生活管理区和绿化隔离带等组成。其中，填埋场用地面积约38 221 m2，生活管理区占地面积约17 189 m2，绿化隔离带用地面积约20 759 m2。本场区地处长江三角洲太湖冲积平原，地形比较平坦，自然地面黄海高程一般为3.66～5.81 m，场地覆盖层厚度大于50 m。该垃圾填埋场如图7.40所示。

图7.40　拟建垃圾填埋场现场

根据地质勘察报告，建设场地地基30 m内土层详细情况描述如下（自上而下）：

①素填土：杂色，松散，上部成分为碎砖、碎石等建筑垃圾，层底标高为-0.18～5.25 m，平均厚度为1.37 m。双桥静力触探qc平均值为1.08 MPa，fs平均值为52 kPa。

②淤泥质粉质黏土层：稍有光泽，无摇振反应，干强度、韧性中等，含腐殖质、泥炭，场地局部分布。层底标高为-9.08～2.93 m，平均厚度为7.67 m。双桥静力触探qc平均值为0.6 MPa，fs平均值为56 kPa。压缩系数a1-2平均值为0.54 MPa-1。

③黏土：含少量氧化物及铁锰质结核，夹浅灰色高岭土条带，光泽反应为光泽、无摇振反应、干强度高、韧性高。层底标高为-1.55～1.21 m，平均厚度为3.88 m。双桥静力触探qc平均值为2.21 MPa，fs平均值为118 kPa。压缩系数a1-2平均值为0.21 MPa-1。

④粉质黏土：含少量铁锰质结核，光泽反应为有光泽、无摇振反应、干强度、韧性中等。层底标高为-7.03～-0.01 m，平均厚度为1.23 m。双桥静力触探qc平均值为2.40 MPa，fs平均值为93 kPa。压缩系数a1-2平均值为0.24 MPa-1。

⑤粉土：含云母片，摇震反应中等、无光泽反应、干强度低、韧性低。层底标高-4.57～-2.09 m，平均厚度为2 m。双桥静力触探qc平均值为4.29 MPa，fs平均值为108 kPa。压缩系数a1-2平均值为0.20 MPa-1。

⑥粉砂：饱和，级配良好，主要成分长石、石英颗粒，含云母碎屑，夹直径大于10 cm砂结石。层底标高-11.13～-4.69 m，平均厚度为6.57 m。双桥静力触探qc平均值为7.21 MPa，fs平均值为126 kPa。压缩系数a1-2平均值为0.15 MPa-1。

⑦粉质黏土：稍有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。层底标高为-14.11～-9.19 m，平均厚度为9.67 m。双桥静力触探qc平均值为2.27 MPa，fs平均值为162 kPa。压缩系数a1-2平均值为0.19 MPa-1。

建设场地位于山前平原地带，其北侧的原有采石场呈向南开口。岩层走向北东84°，倾向174°，倾角10°～15°，形成一个独立的水文地质单元。地下水主要接受大气降水的入渗补给，大气降水渗入第四系孔隙含水层或渗入裸露的基岩裂隙中。对于影响工程质量的主要土层，进行了钻孔取样，并在室内测试了其水平渗透系数和垂直渗透系数。

2）材料参数及计算模型

数值分析中土层相关参数根据工程概况、勘察报告及相近工程材料参数确定，防渗墙相关参数通过室内试验得出。该垃圾填埋场土层（自上而下分层）及防渗墙相关参数见表7.4。

表7.4　填埋场周围土层及防渗墙力学参数

在对实际垃圾填埋场防渗墙墙体与周围土层的应力与变形进行数值分析时，采用剑桥模型（cam-clay model）比较好。为了准确反映PBFC防渗浆材制作的防渗墙在实际垃圾填埋场中的应用情况，采用无垃圾填埋时的状态作为分析最不利状态，在这种情况下，防渗墙只受周围的土层压力和水压力作用。在防渗墙高程范围内的土层基本为黏性土，黏性土对静水压力不能起到传递作用，只存在强结合水，所以防渗墙周围的土体不受浮力的作用，因此采用饱和重度作为水位以下黏土层的力学参数。土层厚度采用勘察报告中的平均值，防渗墙高度为20 m，厚度为0.5 m。防渗墙嵌入土层的高度为5 m，垃圾填埋侧用素填土堆填，坡比为h∶b=1∶1。

建设场地地基分布较为均匀，因此选择矩形区域进行程序计算。为忽略尺寸效应对防渗墙数值分析结果的影响，模型水平方向计算宽度为60 m，为墙高的3倍，竖直方向计算高度为35 m，至粉质黏土层。模型约束情况为：底部采用固定约束，完全限制其位移；两侧采用水平约束，限制其水平方向位移。模型网格采用四边形计算单元，填埋侧素填土单独划分网格，防渗墙部分网格采用加密处理。具体网格划分如图7.41所示。

图7.41　计算模型网格划分

3）计算结果及规律分析(www.xing528.com)

（1）变形计算

该工业垃圾填埋场垂直防渗墙的墙体材料为PBFC浆材，垃圾填埋场的总变形分布及防渗墙水平位移分布如图7.42、图7.43所示。墙体水平位移沿墙高的变化及水平位移监测值如图7.44所示。由图7.44分析可知，防渗墙体的整体变形较小，最大水平位移只有2.5 cm，位于防渗墙墙顶；最小水平位移为0.8 cm，位于防渗墙墙底。防渗墙水平位移总体呈线性趋势。

图7.42　总变形图

图7.43　防渗墙水平位移云图

图7.44　墙体水平位移

监测值水平位移大于计算值，主要是因为数值模拟有一定的误差，以及本构模型无法完全模拟土体变形。墙体水平位移从墙底到墙高逐渐增大，初始水平位移增加相对缓慢，原因是防渗墙底部深入粉砂层，对防渗墙有一定的支撑作用。在堆填层防渗墙水平位移较为稳定，呈现明显的线性变化。防渗墙底部未出现反向水平位移，原因是防渗墙底部所在土层为粉砂层，其黏聚力相对较小，易随防渗墙变形而产生变形，因而未出现反向水平位移。

设定防渗墙15，20，25 m共3种特定深度，通过计算得出墙体竖向位移变化如图7.45所示。其竖向位移变化趋势为Δ25＞Δ20＞Δ15，墙底防渗墙整体水平位移较小，最大水平位移位于墙底，其大小分别为1.0，1.79，2.79 cm，随着墙体高度的增加，墙体的最大位移非等比例增加。因实际垃圾填埋场防渗墙底部为自由端，仅受自身重力及周围土压力的约束，且在底部土压力达到最大，因此其水平位移自墙底向上逐渐减小。如对于15 m深的防渗墙（墙厚60 cm），墙顶总水平位移仅为16.2 mm，且在11.6 m处出现反向位移，最大反向位移仅为3.1 mm。可以断定，防渗墙最大水平位移同墙体高度二次方呈线性关系。

图7.45　3个不同深度墙体的竖向位移变化

（2）应变计算

该防渗墙墙体应变计算云图如图7.46所示，墙体应变随墙高变化如图7.47所示。

图7.46　墙体应变分布云图

图7.47　墙体应变随墙高变化

由分析得知，墙体最大应变为0.3%，最大应变位于墙高5 m左右。根据PBFC防渗浆材的无侧限抗压试验可知，浆材固结体的极限应变约为5%，远大于防渗墙的总体变形，说明由PBFC防渗浆材制作的防渗墙变形性能能够满足垃圾填埋场的使用。在实际垃圾填埋场防渗墙的运营使用中，较小的应变能够使得墙体不发生剪切破坏，能够有效降低墙体裂缝产生的概率，对垃圾填埋场防渗墙的正常使用有重大意义。

（3）应力计算

通过该工业垃圾填埋场等效应力分布及防渗墙等效应力计算可知，拟建防渗墙的等效应力沿防渗墙高度（从防渗墙墙底起算）逐渐减小，变化趋势近似为线性变化。墙体最小主应力云图分布如图7.48所示，其最小主应力及最大主应力计算值变化趋势如图7.49所示。防渗墙最小主应力随着墙高逐渐减小，最小值为0.01 MPa，最大值为0.48 MPa；最大主应力最小值为0.16 MPa，最大值为0.66 MPa，小于聚乙烯醇改性防渗浆材固结体无侧限抗压强度（1.2 MPa左右），满足塑性混凝土防渗墙的受力要求。墙体应力值未出现正值，即防渗墙在模拟中未出现拉应力，这是因为改性膨润土防渗墙的弹性模量较小，与周围土体的弹性模量较为接近，因此能够很好地与周围土体变形相协调，从而减少墙体在使用过程中出现开裂的可能。墙体没有出现应力集中的现象，避免了应力集中带来的对防渗墙体的破坏。

图7.48　最小主应力云图

图7.49　最小主应力及最大主应力变化趋势