垃圾場施工開挖監(jiān)測及數(shù)值模擬分析

羅正國

(江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市垃圾的處理問題越來越被受到重視。通過開挖垃圾填埋場，進行垃圾的分類掩埋，讓垃圾在自然條件下降解是一種經(jīng)濟有效的方法。但迄今為止，關于垃圾填埋場的開挖施工仍有許多問題。

首先，垃圾場開挖過程中的變形問題十分重要，它不僅關系到垃圾場開挖過程中的安全，而且還與垃圾場的后期使用息息相關。因為如果垃圾場變形不穩(wěn)定，則在后期使用中容易產(chǎn)生局部不均勻變形而使得防滲層產(chǎn)生拉裂破壞，造成不可挽回的污染問題。其次，由于垃圾場開挖過程中的長期變形問題較為復雜，而且監(jiān)測困難，對于垃圾場長期變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)較少。最后，垃圾場的土層參數(shù)對于開挖過程中的安全系數(shù)影響并不是十分清楚，不能很好地根據(jù)土層參數(shù)進行垃圾場開挖施工設計。

本文通過對某垃圾場開挖過程中的長期監(jiān)測，得到了垃圾場的開挖變形特征，并基于此開挖實例，建立了數(shù)值分析模型，討論了土層參數(shù)對于垃圾場開挖變形的影響。

1 現(xiàn)場監(jiān)測

1.1 工程概況及監(jiān)測方案

表1為開挖地區(qū)的土層物理力學參數(shù)表。由表1可以看出:該區(qū)域埋深0.8 m～5.4 m處分布有淤泥質土，土體力學和工程性質均較差，在開挖時容易造成較大的變形。這種軟土地基開挖垃圾場在東南沿海地區(qū)較為常見，因此該垃圾場的開挖施工具有一定的代表性。

如圖1所示為某垃圾填埋場的開挖以及監(jiān)測儀器的埋設示意圖。

1)垃圾場的整體開挖深度為3.0 m。

2)開挖方法為分層開挖，即每層開挖0.5 m的土體，開挖完畢后進行下一層的開挖。沉降板和測斜管在開挖前埋設進土體中，用以監(jiān)測垃圾場開挖過程中的土體變形情況:

a.沉降板埋設至垃圾場開挖的頂部，對稱埋設，共兩塊，用以監(jiān)測開挖過程中垃圾場周圍的沉降變形。在埋設沉降板時，先開挖至地表以下0.5 m處，人工整平，鋪上砂墊層，然后再安放沉降板。

b.測斜管埋設在垃圾場開挖的坡腳以及坡頂處，各10 m，用以觀測垃圾場開挖過程中的深層水平位移。但坡腳處的測斜管由于開挖的緣故，實際觀測深度為6 m。在埋設時首先使用鉆機鉆孔至預定深度，然后再進行測斜管安置。在垃圾場開挖時每天要有專人進行巡視，防止開挖機械對測斜管造成破壞而導致數(shù)據(jù)缺失。

1.2 監(jiān)測結果分析

圖2為垃圾場開挖過程中的深層土層水平位移圖。由圖2可以看出:在垃圾場開挖深度較淺時，深層水平位移變化不大。但隨著開挖深度的增加(開挖深度超過2 m時)，垃圾場的深層水平位移會突然增大，而后又趨于穩(wěn)定。這說明在軟土地基上進行垃圾場開挖，會有一個臨界深度。當超過臨界深度時，需要特別注意，因為此時垃圾場的變形將會增大，有可能引起深層滑動導致垃圾場的破壞。

表1 土層物理力學參數(shù)表

圖3為垃圾場坡頂處沉降隨開挖施工深度的變化圖。由圖3可以看出:坡頂土層沉降的變化規(guī)律與深層土層水平位移類似，即存在一個臨界開挖深度，超過此深度之后，邊坡頂部的沉降會有一個驟變過程。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

由于巖土體性質的復雜性、多變性，僅依靠理論分析和經(jīng)驗估計很難準確預測垃圾場開挖施工過程中的變化，而數(shù)值模擬是一個很好的解決方法。由于垃圾場開挖的寬度較大，因此可以近似的認為是平面應變情況，利用Plaxis軟件建立平面分析模型，如圖4所示。數(shù)值模擬的土層參數(shù)由表1所提供的數(shù)值選取。按實際工況進行分層開挖模擬。模型采用三角形單元劃分，共1348個單元，1459個節(jié)點。

2.2 模擬結果分析

圖5為數(shù)值模擬結果與實測的坡頂沉降數(shù)據(jù)的對比圖。由圖5可知:數(shù)值模擬結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合，證明了模型的正確性，據(jù)此可進一步分析土層參數(shù)對垃圾場變形的影響。

首先討論垃圾場開挖時的變形特點。當垃圾場開挖結束時，開挖位移云圖如圖6所示。通過圖6可以發(fā)現(xiàn):垃圾場坡頂區(qū)域變形主要為下沉，而開挖區(qū)域變形主要為向上隆起。水平位移沿整個坡面都是向左發(fā)展，坡面中部出現(xiàn)一個最大值點，水平位移由坡頂向坡腳先增大，后減小。

在有限元模型中，采用強度折減法進行垃圾場開挖安全系數(shù)計算，分析了土層的摩擦角和粘聚力對于垃圾場安全系數(shù)的影響(見圖7)。由圖7可知:隨著摩擦角和粘聚力的增加，垃圾場開挖的安全系數(shù)隨之增大。需要注意的是，當摩擦角小于5°或者粘聚力小于5 kPa時，垃圾場邊坡的安全系數(shù)小于1。因此針對軟土地基的垃圾場開挖，需要重點注意土層參數(shù)的確定，當粘聚力和摩擦角過小時，需要重點注意，采取相應處理措施。

3 結語

本文對某垃圾場的開挖過程進行了長期監(jiān)測，并建立了有限元分析模型，分析了垃圾場開挖過程的變形特征以及土層參數(shù)對于垃圾場安全系數(shù)的影響，得到以下結論:

1)軟土地基的垃圾場開挖存在臨界深度，超過此深度，垃圾場的開挖變形會驟然增大，在施工中需要加以注意。

2)垃圾場坡頂區(qū)域變形主要為下沉，而開挖區(qū)域變形主要為向上隆起。水平位移由坡頂向坡腳先增大，后減小。

3)隨著土體摩擦角和粘聚力的增加，垃圾場的安全系數(shù)隨之增大。

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