垃圾填埋場(chǎng)防滲墻應(yīng)力變形數(shù)值分析

王營彩 ,代國忠,史貴才

(1.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032；2.常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

垃圾填埋場(chǎng)防滲墻應(yīng)力變形數(shù)值分析

王營彩1,代國忠2,史貴才2

(1.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032；2.常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

為確定垃圾填埋場(chǎng)垂直防滲墻的受力變形特性以及能否滿足變形要求，以江蘇省常州市夾山子工業(yè)垃圾安全填埋場(chǎng)防滲墻工程為例，根據(jù)其地層地質(zhì)情況，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)以膨潤土-水泥-煤灰為主料的防滲漿材澆筑而成的塑性防滲墻進(jìn)行非線性應(yīng)力變形數(shù)值分析。分析得出該防滲墻的應(yīng)力及水平位移在墻底達(dá)到最大值，在深入黏土部位出現(xiàn)增加；墻體應(yīng)力隨墻高等比例增加，且沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，墻體的應(yīng)力變形均滿足要求；防滲墻最大水平位移同墻高的二次方呈線性關(guān)系，計(jì)算結(jié)果具有合理性，為垃圾填埋場(chǎng)防滲墻工程設(shè)計(jì)與運(yùn)營提供了理論依據(jù)。

垃圾填埋場(chǎng)；塑性防滲墻；應(yīng)力變形；水平位移；墻高；數(shù)值分析

1 研究背景

混凝土防滲墻根據(jù)墻體材料的彈性模量不同，分為剛性混凝土防滲墻和塑性混凝土防滲墻[1]。剛性混凝土的彈性模量高(一般在1 000 MPa以上)，剛度遠(yuǎn)大于周圍土體，容許變形小，適應(yīng)周圍填土變形的能力較差，自身的受力狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)力較大，易出現(xiàn)開裂甚至壓碎等現(xiàn)象，安全性較低，不適合垃圾填埋場(chǎng)防滲工程。而塑性混凝土彈性模量適宜(一般為50～800 MPa)，其剛度與周圍土體較為接近，墻體的柔性好，滲透系數(shù)小、變形協(xié)調(diào)性好，應(yīng)力小且分布較均勻，墻體不易出現(xiàn)開裂[2-6]，比較適合工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)防滲工程。劉松濤等[7]在對(duì)三峽深水防滲墻基坑抽水階段進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，采用低彈性塑性防滲墻，結(jié)果表明墻體和堰體是穩(wěn)定、安全的；王榮魯?shù)萚8]在大寧水庫防滲墻應(yīng)力變形有限元分析中優(yōu)選出最佳防滲墻材料及防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理范圍；王迎春等[9]針對(duì)塑性混凝土進(jìn)行了三軸測(cè)試和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算分析,結(jié)果表明其性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求，塑性混凝土防滲墻是安全的。

為提高工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)防滲墻的抗?jié)B性能和對(duì)垃圾場(chǎng)滲濾液等污染物的吸附阻滯作用，一般采用以膨潤土-水泥-粉煤灰為主料的塑性混凝土來制作防滲墻[10]，即通過漿材結(jié)石體的滲濾沉積作用和膨潤土與粉煤灰對(duì)滲濾液等污染物的吸附滯留作用有效發(fā)揮使墻體具有較低的滲透系數(shù)[11-12]。本文以江蘇省常州市夾山子工業(yè)垃圾安全填埋場(chǎng)地層地質(zhì)情況及防滲墻工程為例，采用ANSYS分析軟件對(duì)防滲墻應(yīng)力變形進(jìn)行二維非線性數(shù)值分析，以獲得防滲墻應(yīng)力變形的分布與變化規(guī)律，分析墻體高度對(duì)墻體應(yīng)力變形的影響，為垃圾填埋場(chǎng)防滲工程設(shè)計(jì)與運(yùn)營提供理論依據(jù)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選擇

2.1 工程概況

江蘇省常州市夾山子工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)場(chǎng)地最大長(zhǎng)度(東西方向)約430 m，最大寬度(南北方向)約180 m，主要由垃圾堆放場(chǎng)用地、生活管理區(qū)和綠化隔離帶等組成。本場(chǎng)區(qū)地處長(zhǎng)江三角洲太湖沖積平原，區(qū)域內(nèi)基巖露頭主要分布于漕橋、潘家和雪堰，其余皆被第四系覆蓋。在地貌上屬于太滆運(yùn)河河漫灘-階地地貌單元，地形比較平坦，施工比較方便，自然地面黃海高程一般在3.66～5.81 m之間，場(chǎng)地覆蓋層厚度大于50.0 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告資料與墻體材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該工業(yè)垃圾填埋場(chǎng)周圍土層(自上而下分層)及防滲墻的相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。場(chǎng)地滲流區(qū)土層垂直向滲透系數(shù)為2.37×10-6～1.29×10-7cm/s，水平向滲透系數(shù)為5.02×10-6～2.39×10-7cm/s。地下水位埋深隨地形起伏而變化，一般距地表0.60～1.30 m。該垃圾場(chǎng)填埋的垃圾含水率較高，成分復(fù)雜，降解作用嚴(yán)重，對(duì)垃圾填埋場(chǎng)防滲墻體研究主要集中于其力學(xué)特性分析，沒有考慮滲流等耦合作用?？紤]到防滲墻體在無垃圾填埋時(shí)，受力變形最大，即防滲墻體處于最不利受力狀態(tài)。因此，為了反映防滲墻在最危險(xiǎn)狀態(tài)下的受力變形情況，模擬分析狀態(tài)選擇無垃圾填埋，防滲墻墻體厚度為0.3 m，垃圾填埋側(cè)采用h∶b=1∶0.5坡比放坡。

表1 填埋場(chǎng)周圍土層及防滲墻力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of diaphragm wall and its surrounding soil layers

注：防滲墻墻體采用以膨潤土-水泥-粉煤灰為主料的漿材澆筑而成，屬于塑性混凝土防滲墻；土層材料為自上而下分層的。

2.2 計(jì)算模型選擇

考慮到該垃圾場(chǎng)防滲墻墻體漿材固結(jié)體28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.5～2.5 MPa，遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，且其受剪時(shí)會(huì)膨脹，為此，選用Drucker-Prager(DP)塑性模型進(jìn)行防滲墻墻體與周圍土體的應(yīng)力變形數(shù)值分析比較合適。該DP計(jì)算模型的流動(dòng)準(zhǔn)則既可以使用相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，也可以使用不相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，屈服面并不隨材料的逐漸屈服而改變，即屬于非強(qiáng)化準(zhǔn)則。Drucker-Prager(DP)材料屈服準(zhǔn)則為

(1)

式中：σm為靜水壓力，β為材料常數(shù)，s為偏差應(yīng)力，[M]為材料常數(shù)矩陣，σy為屈服強(qiáng)度，{s}T整體為{s}的轉(zhuǎn)置矩陣。

DP塑性模型計(jì)算時(shí)需要輸入3個(gè)參數(shù)：即黏聚力(剪切屈服應(yīng)力)C、內(nèi)摩擦角φ及剪脹角 ?f(用于控制體積膨脹的大小)。如果?f=0，則不發(fā)生體積膨脹；如果?f=?，則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重體積膨脹；如果?f

2.3 計(jì)算剖面及網(wǎng)格劃分

由于該垃圾場(chǎng)防滲墻高程范圍內(nèi)周圍土層以黏性土為主，黏性土中只存在強(qiáng)結(jié)合水，不能傳遞靜水壓力，土體不受浮力作用，故水位以下黏性土層采用飽和重度計(jì)算。墻高為15 m時(shí)，土層厚度采用平均值，對(duì)于20 m和25 m高墻體，為保證墻體之間的可對(duì)比性，其土層厚度按墻高比例增加。因場(chǎng)地地基土分布比較均勻，取地基為矩形區(qū)域比較符合程序計(jì)算要求[13]，其計(jì)算邊界在水平方向向兩側(cè)延伸距離為墻體高度的2倍，在豎直方向延伸至粉質(zhì)黏土層底部。邊界約束條件為：兩側(cè)的垂直計(jì)算邊界為水平約束，底部為固定約束，其他邊界條件則為自由邊界。

該垃圾場(chǎng)防滲墻地層剖面如圖1所示，所有材料均采用四邊形計(jì)算單元，并對(duì)防滲墻部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理?？紤]到對(duì)防滲墻進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí)，墻體單元的劃分形式和排數(shù)對(duì)墻體的應(yīng)力和應(yīng)變都會(huì)有不同程度的影響[14]，為了更好地了解墻體的受力與變形情況，將防滲墻沿厚度方向劃分成3排計(jì)算單元。

圖1 防滲墻地層剖面及網(wǎng)格劃分(以15 m高墻體為例)Fig.1 Strata profile and mesh generation for diaphragm wall of 15m height

3 墻體應(yīng)力分布

3.1 主應(yīng)力分布

以15 m防滲墻為例，經(jīng)計(jì)算分析墻體的最大主應(yīng)力自墻底向上逐漸減小，并在墻高程2～4 m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；最小主應(yīng)力自墻底向上的變化趨勢(shì)同最大主應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，在墻體高程2～4 m處應(yīng)力值有所增加，最大值位于墻底，其值為0.238 MPa。幾種特定高度的防滲墻最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力自墻底向上變化的分布曲線如圖2所示。

圖2 墻體主應(yīng)力分布曲線(負(fù)值為壓應(yīng)力)Fig.2 Curves of principal stress distribution of the wall(pressure stress is negative)

分析可知：對(duì)于高度為15，20，25 m的墻體，其主應(yīng)力的最大值(絕對(duì)值)均位于墻體底部，墻體應(yīng)力變化自墻底向上逐漸減小。主要原因?yàn)椋弘S著墻體高程增加，無論是土壓力還是水壓力都在減?。?種墻體(15，20，25 m)最大應(yīng)力值分別為0.238，0.304，0.377 MPa，其應(yīng)力值較小。而彈性模量為200 MPa的塑性混凝土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在1.5 MPa左右，完全滿足受力要求。

墻體最小主應(yīng)力同相應(yīng)墻高的比值相同；墻體最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力轉(zhuǎn)折位置位于墻體深入黏土層部位,即在墻體深入黏土層部位由于約束限制而使應(yīng)力增加；無論是15 m，20 m還是25 m高墻體都沒有拉應(yīng)力出現(xiàn)，這是由于防滲墻彈性模量較小，從而具有良好的變形性能。

3.2 應(yīng)力強(qiáng)度分布

防滲墻的應(yīng)力強(qiáng)度(σ1-σ3)隨墻體高程的分布情況如圖3所示。墻體應(yīng)力自墻底向上逐漸減小，3種墻體的最大應(yīng)力強(qiáng)度分別為0.168，0.199，0.231 MPa，位于墻底部。隨著墻體高度的增加，墻體受到周圍土壓、水壓增大，因而其應(yīng)力強(qiáng)度也在增加。

圖3 墻體應(yīng)力強(qiáng)度分布Fig.3 Curves of stress intensity distribution of the wall

對(duì)防滲墻的安全程度評(píng)判，塑性防滲墻大多數(shù)采用應(yīng)力強(qiáng)度、應(yīng)力水平、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等綜合考慮，低彈性模量防滲墻墻體應(yīng)力一般由抗拉強(qiáng)度控制[15]。由墻體主應(yīng)力及應(yīng)力強(qiáng)度可知：水泥-膨潤土塑性防滲墻能有效調(diào)節(jié)墻體受力狀態(tài)，15，20，25 m高墻體均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力值較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度；墻體應(yīng)力強(qiáng)度變化范圍較小，最大應(yīng)力強(qiáng)度滿足墻體要求。說明彈性模量較低的膨潤土-水泥防滲墻能夠有效協(xié)調(diào)墻體應(yīng)力狀態(tài)，有效避免應(yīng)力集中，進(jìn)而防止裂縫開展，改善隔離墻的工作特性，延長(zhǎng)其壽命，在實(shí)際工程中得到更好、更廣泛的應(yīng)用。

4 墻體位移變化

4.1 水平位移沿墻高變化

墻體水平位移隨墻體高程的變化如圖4(a)所示。15，20，25 m高的防滲墻整體水平位移較小，最大水平位移位于墻底，其大小分別為1.0，1.79，2.79 cm。隨著墻體高度的增加，墻體的最大位移非等比例增加。在此，對(duì)3種墻體的最大位移與對(duì)應(yīng)墻高之間的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析，如圖4(b)所示，墻體水平位移(y)同墻體高度(h)的回歸方程為

y=0.004 3h2.007 6。

(2)

圖4 水平位移變化及水平位移回歸方程Fig.4 Variation and regression equation of horizontal displacement

由圖4(b)可知防滲墻最大水平位移同相應(yīng)墻高的二次方呈線性關(guān)系。

墻體水平位移自墻底向上逐漸減小，隨后出現(xiàn)反向位移，在墻體深入黏土層部位位移變化不大，并且自墻底向上，位移變化比例逐漸增大而后趨于某一常數(shù)。原因?yàn)椋簤Φ撞可钊腽ね翆?，周圍土體約束較大，位移變化較小，而上部墻體左側(cè)(即垃圾填埋側(cè))受土體約束較小，位移變化較大；3種墻體開始出現(xiàn)反向位移處同相應(yīng)墻高比值相同。

4.2 豎向位移沿高度變化

防滲墻豎向位移變化如圖5所示，15，20，25m高墻體豎向位移在墻頂處達(dá)到最大值，分別為7.38，15.46，20.45cm。計(jì)算結(jié)果顯示：防滲墻墻體的豎向位移值相對(duì)較大，這主要是因?yàn)閷?duì)其數(shù)值模擬計(jì)算過程中采用的初始應(yīng)力為0，使土體本身固結(jié)沉降，而土體沉降對(duì)墻體產(chǎn)生負(fù)摩阻力；墻體豎向位移最大值之比略大于墻體高度之間的比例；墻體豎向位移變化范圍不大，位移自墻底向上逐漸增加，變化趨勢(shì)平緩，且豎向位移的變化幅度隨著墻高的增加而增加，即Δ25m>Δ20m>Δ15m。

圖5 豎向位移分布Fig.5 Distribution of vertical displacement

由位移變化綜合分析可知：雖然防滲墻位移變形較大，但對(duì)于變形能力較大(膨潤土-水泥砂漿試塊在無側(cè)限條件下，其極限應(yīng)變?cè)?%左右)的防滲墻來說，均滿足要求。并且在計(jì)算過程中，墻體均未產(chǎn)生塑性變形，且所受應(yīng)力值較小，說明該防滲墻具有良好的變形協(xié)調(diào)性，滿足周圍土體的變形要求，且安全儲(chǔ)備系數(shù)較高。

5 結(jié) 論

(1) 膨潤土-水泥塑性防滲墻墻體主應(yīng)力及應(yīng)力強(qiáng)度自墻底向上逐漸減??；墻體主應(yīng)力在墻體深入黏土層部位應(yīng)力增加；墻體受力較小，且沒有拉應(yīng)力出現(xiàn)，無論采用抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，還是應(yīng)力強(qiáng)度來判斷防滲墻的運(yùn)營安全性，都是安全可靠的。

(2) 隨著墻高的增加，墻體的水平、豎向位移增加；防滲墻最大水平位移(即墻底部位移)同相應(yīng)墻高的二次方呈線性關(guān)系。

(3) 無論是防滲墻的位移曲線，還是應(yīng)力分布，雖在數(shù)值上隨墻高的不同而略有差異，但其基本趨勢(shì)是一致的，這充分說明計(jì)算結(jié)果是符合預(yù)期的，具有合理性。

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(編輯：陳 敏)

Numerical Analysis of the Deformation and Stress ofWaste Landfill’s Diaphragm Wall

WANG Ying-cai1, DAI Guo-zhong2, SHI Gui-cai2

(1.Shanghai Geotechnical Investigations and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200032, China;2.School of Civil Engineering & Architecture, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China)

In order to make sure that the deformation behavior of waste landfill’s vertical diaphragm wall meets requirements, we conducted nonlinear simulation on the deformation and stress of plastic diaphragm wall using ANSYS. The diaphragm wall of industrial waste landfill at Jashanzi in Changzhou, Jiangsu province was taken as an example. The plastic diaphragm wall was poured from anti-seepage slurry with bentonite, cement, and fly ash as main materials. Results reveal that the stress and deformation of the diaphragm wall meet the requirements. The stress and horizontal displacement both reached maximum at the bottom of the wall, the principal stress of wall increased at the clayey stratum, and no tensile stress was found; the maximum horizontal displacement of the wall is in linear relationship with the square of wall height. The results are reasonable and provide theoretical basis for engineering design and operation of waste landfill’s diaphragm walls.

waste landfill; plastic diaphragm wall; stress and deformation; horizontal displacement; wall height; numerical analysis

2014-05-16；

2014-06-09

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012592)

王營彩(1988-)，女，河南開封人，碩士研究生，主要從事環(huán)境巖土工程方面的研究，(電話)13917842856(電子信箱)896258473@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.016

TV543.8

A

1001-5485(2015)08-0089-05

2015,32(08):89-93