城市固體廢棄物填埋場邊坡地震響應(yīng)分析

李 勇

(茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 茂名525000)

自從1988年位于美國Kettleman山的一個垃圾填埋場發(fā)生失穩(wěn)以后,填埋場的穩(wěn)定問題開始引起人們的重視,在我國也發(fā)生過因填埋場失穩(wěn)造成人員傷亡和地下水環(huán)境污染的實例[1]。美國的聯(lián)邦法律(U.S.Federal Regulation)規(guī)定對于建在地震區(qū)的填埋場必須能夠承受設(shè)計最大水平加速度的地震動,并給出了按照擬靜力法進行地震分析時地震系數(shù)選取的簡化方法。Bray J D(1998,2001)等采用非線性動力分析程序計算了地震作用下填埋場的非線性響應(yīng)特性[2,3],對填埋場進行了地震響應(yīng)計算。陳云敏等[4]基于極限平衡法,考慮水平地震力,得到了填埋場襯墊界面滑動的安全系數(shù)和屈服加速度系數(shù)的近似解?？讘椌┑萚5]開展了城市垃圾填埋場地震變形機理的振動臺模型試驗研究,這些研究成果為垃圾填埋場抗震設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ)。我國《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》(CJJ17-2004)對新建填埋場的選址作了嚴(yán)格的規(guī)定[6],但是缺乏對填埋場抗震設(shè)計的具體規(guī)定。填埋場地震穩(wěn)定分析一般采用傳統(tǒng)的巖土邊坡穩(wěn)定分析方法,但與巖土邊坡不同之處在于填埋場的邊坡和庫底具有復(fù)合襯墊系統(tǒng),該系統(tǒng)可以阻止填埋體產(chǎn)生的滲濾液污染周邊環(huán)境,但在地震荷載作用下,對于這種具有復(fù)合襯墊系統(tǒng)的邊坡地震響應(yīng)的研究成果較少。本文結(jié)合某城市垃圾填埋場工程實際,基于有限單元法進行二維地震動力響應(yīng)分析,研究成果對填埋場抗震設(shè)計具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

1 填埋場動力響應(yīng)分析方法

在地震荷載作用下,填埋場表現(xiàn)出非線性動力特性,采用非線性分析方法對填埋場進行動力響應(yīng)分析與填埋場在地震荷載作用下的工作性態(tài)具有較好的一致性。動力有限元控制方程為[7～9]:

式中:[M],[C],[K]分別為總質(zhì)量矩陣、總阻尼矩陣和總剛度矩陣;{¨u},{﹒u},{u}分別為結(jié)點加速度、速度和位移列陣;{¨ug(t)}輸入地震加速度列陣;[J]為各項地震動分量的指示矩陣。在采用瑞利阻尼的情況下,阻尼矩陣用下式表示[C]=α[M]+β[K],直接用數(shù)值積分方法求解方程(1)得到填埋場邊坡動力響應(yīng)。

2 地震動輸入

由于缺乏工程所在地的地震記錄,難以直接用當(dāng)?shù)氐卣鹩涗涀鳛楸狙芯康牡卣饎虞斎?為了充分反映填埋場邊坡動力響應(yīng)特性,本文選擇人工波作為輸入地震動進行地震動力響應(yīng)分析,以反映地震動特性對填埋場地震效應(yīng)的影響。圖1為輸入地震動時程曲線和頻譜曲線。對于人工合成的地震波,能量主要集中在頻率為3Hz～6Hz范圍內(nèi)。所選擇的地震波的頻譜和持時,具有一定的代表性,基本上能夠反映地震荷載作用下填埋場的動力響應(yīng)特性。

圖1 人工合成地震波

3 填埋場動力穩(wěn)定響應(yīng)分析

某填埋場襯墊系統(tǒng)為厚度300 mm的厚粘土襯墊,襯墊上為300 g/m2的土工布,2.0 mm厚的HDPE光面防滲膜,HDPE土工膜之上鋪設(shè)400 mm無紡?fù)凉げ?無紡布之上鋪設(shè)200 mm厚中粗砂保護層,中粗砂層上鋪設(shè)300mm厚礫石層。襯墊系統(tǒng)如圖2所示。計算模型如圖3、圖4所示。計算所需的垃圾填埋場基本計算參數(shù)見表1。

圖2 襯墊系統(tǒng)及監(jiān)測點布置

圖3 某垃圾填埋場計算模型(有襯墊層)

圖4 有限元計算模型(有襯墊層)

計算時采用彈塑性雙曲線HSsmall模型。模型中包含獨立剛度模量,能模擬垃圾土在10-5～10-3范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。HSsmall模型用垃圾土的應(yīng)變歷史參數(shù)及兩個附加材料參數(shù)來表示,即G0和γ0.7。其中G0為小應(yīng)變時的剪切模量,γ0.7為剪切模量衰減到70%時所對應(yīng)的剪應(yīng)變。當(dāng)該模型用于動力分析時,包含了材料的粘滯阻尼。按照本文提出的計算方法,對某垃圾填埋場進行了地震響應(yīng)分析。監(jiān)測點的布置如圖2所示。

表1 垃圾填埋場基本計算參數(shù)

3.1 襯墊層對邊坡動力響應(yīng)的影響

襯墊層是填埋場邊坡與其它邊坡不同的顯著特性之一。為研究襯墊層對填埋場邊坡動力響應(yīng)的影響。在原模型基礎(chǔ)上將襯墊系統(tǒng)去掉,然后進行有限元計算。計算模型如圖5,圖6所示。

表2 有無襯墊層時節(jié)點的加速度峰值(m/s2)

圖5 某垃圾填埋場計算模型(無襯墊層)

圖6 有限元計算模型(無襯墊層)

表2為邊坡有無襯墊層時各節(jié)點的峰值加速度,由圖7可見,填埋場邊坡地震反應(yīng)中含有襯墊層的邊坡峰值加速度均比無襯墊層時大,因此襯墊層的存在對邊坡加速度有放大作用;襯墊層位置不同時對邊坡加速度響應(yīng)的放大作用不同,邊坡上的襯墊層比填埋場底部的襯墊層對加速度響應(yīng)的放大作用大,即圖中節(jié)點G的放大效應(yīng)比節(jié)點E的大。節(jié)點D是位于垃圾壩上的點,襯墊層的有無對其影響很大。襯墊層填埋深度不同對反應(yīng)的頻率特性影響也不同,襯墊層的存在,使土體頻率減小,而襯墊層位置越深,土體頻率越小。

3.2 本構(gòu)模型對邊坡動力響應(yīng)的影響

為了研究不同本構(gòu)模型對邊坡動力響應(yīng)的影響,在保證幾何模型、材料、地震波數(shù)據(jù)等其它因素相同的情況下,選取EL波作用下坡頂(節(jié)點A)及底部防滲襯墊層(節(jié)點E)來進行分析,見圖8、圖9。

圖7 有無襯墊層時各節(jié)點加速度峰值曲線

圖8 節(jié)點A加速度響應(yīng)時程曲線(左圖:HSsmall模型;右圖:莫爾-庫侖模型)

圖9 節(jié)點E加速度響應(yīng)時程曲線(左圖:HSsmall模型;右圖:莫爾-庫侖模型)

由圖8、圖9加速度節(jié)點時程曲線圖可知,使用HSsmall模型所得最大加速度為0.047 m/s2,采用摩爾-庫侖模型所得最大加速度為0.815 m/s2。莫爾-庫侖模型作用下的加速度時程響應(yīng)明顯大于HSsmall模型。

表3 不同本構(gòu)模型下的加速度峰值(m/s2)

由表3、圖10可以看出,在不同本構(gòu)模型作用下,各節(jié)點的加速度峰值有很大的不同。在莫爾-庫侖模型作用下邊坡體上加速度峰值明顯比HSsmall模型大,而垃圾壩和邊坡襯墊層在莫爾-庫侖模型作用下的加速度時程響應(yīng)整體都比HSsmall模型的小。

圖10 節(jié)點加速度峰值曲線

4 結(jié) 語

本文基于動力有限元法,對某城市固體廢棄物填埋場進行了二維非線性地震響應(yīng)分析,為了反映填埋場邊坡在不同結(jié)構(gòu)形式和不同本構(gòu)模型下地震動力響應(yīng)的特性,經(jīng)分析比較得到如下結(jié)論:

(1)襯墊層的存在會增大填埋場邊坡動力響應(yīng);對加速度而言,在襯墊層處加速度峰值放大系數(shù)有突變,突變量較大?？傮w而言,襯墊層的存在對邊坡動力響應(yīng)影響較大。

(2)填埋場邊坡在不同本構(gòu)模型作用下,坡頂處的加速度時程響應(yīng)趨于一致,且隨著填埋深度的增加,都存在放大效應(yīng);兩個模型的計算結(jié)果相差較大,與莫爾-庫侖模型結(jié)果相比,HSsmall本構(gòu)模型體現(xiàn)了土在動力作用下的特性,計算的結(jié)果更合理。

(3)由于填埋場為復(fù)合邊坡系統(tǒng),填埋場與巖土邊坡相比更復(fù)雜,其動力響應(yīng)與巖土邊坡動力響應(yīng)相比具有顯著差異,應(yīng)加強對填埋場地震動力響應(yīng)特性的進一步研究。

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