考慮不同堆載過程的棄渣場穩(wěn)定性分析

楊建強(qiáng)

(中鐵十七局集團(tuán)建筑工程有限公司，太原 030006)

鐵路、公路建設(shè)是線形工程，沿線地形復(fù)雜多樣，施工過程中經(jīng)常高挖低填，會(huì)產(chǎn)生大量土石方棄渣。棄渣體隨意堆置且施工過程中往往防護(hù)不當(dāng)，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致水土流失。因此，妥善處置工程建設(shè)期間產(chǎn)生的棄渣剝離體十分重要。棄渣場作為工程建設(shè)的副產(chǎn)物，是伴隨著工程施工而形成的一種巨大的人工松散堆積體。棄渣場所堆放的棄渣體屬于松散介質(zhì)，工程性能差，邊坡抗滑能力差，降雨易入滲，其物理性質(zhì)介于固體和液體之間。分析掌握棄渣場的穩(wěn)定狀態(tài)，對于工程的正常施工建設(shè)及運(yùn)營十分關(guān)鍵。

國際上關(guān)于棄渣場邊坡穩(wěn)定性及其防治措施的研究始于20世紀(jì)70年代[1-2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對渣場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。吳謙等以某鐵路隧道為例，基于Monte Carlo算法，分析了棄渣場邊坡穩(wěn)定系數(shù)對各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的敏感性，得到了棄渣內(nèi)摩擦角φ、黏聚力及重度變化對渣場邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響程度[3]。陳武等學(xué)者基于滲流理論對渣場穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析計(jì)算，得到了降雨對渣場穩(wěn)定性的影響[4-6]。保華富等對棄渣場邊坡的變形范圍及可能失穩(wěn)區(qū)域分別進(jìn)行監(jiān)測，從而探尋邊坡的變形特性、破壞機(jī)理。這些研究雖然考慮了降水及渣場計(jì)算參數(shù)變化等因素對渣場穩(wěn)定性的影響，但未能反映棄渣場的動(dòng)態(tài)堆載過程[7]。

本文以山西省某工程棄渣場為例，利用有限元軟件Midas GTS對棄渣場的變形和應(yīng)力特征進(jìn)行數(shù)值分析，研究棄渣場內(nèi)部的應(yīng)力大小及分布、位移大小及分布規(guī)律，探討在動(dòng)態(tài)堆載過程下，分析不同分步堆載情況下棄渣場的變形和穩(wěn)定性變化情況。

1 棄渣場堆積體模型及參數(shù)選擇

以山西省某工程棄渣場為例，利用有限元軟件Midas GTS對棄渣場的變形和應(yīng)力特征進(jìn)行有限元分析。棄渣場邊坡分析模型見圖1。

圖1 棄渣場邊坡分析模型

考慮棄渣場堆積體的彈塑性特點(diǎn)，本文本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行相應(yīng)模擬分析。Mohr-Coulomb塑性模型的參數(shù)具有簡單且能較好反映土體的彈塑力學(xué)特性的特點(diǎn)。

其屈服函數(shù)為[8-9]：

(1)

(2)

式中：I1為應(yīng)力張量第一應(yīng)力不變量，I1=σx+σy+σz；θσ為洛德角，-30°≤θσ≤30°；J2為應(yīng)力偏張量的第二不變量。

采用有限元計(jì)算是否收斂作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。安全系數(shù)取值及邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)進(jìn)行選取。

該工程典型棄土場堆渣體力學(xué)參數(shù)見表1。為便于建模分析計(jì)算，對每一土層的計(jì)算參數(shù)取特定值。

表1 棄渣場堆渣體計(jì)算參數(shù)

2 棄渣場的穩(wěn)定性分析

根據(jù)有限元法的計(jì)算要求對棄渣場模型的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)選用循環(huán)網(wǎng)格化四邊形網(wǎng)格，并根據(jù)強(qiáng)度折減法要求，生成中間節(jié)點(diǎn)。將棄渣場堆積體進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，劃分為1 094個(gè)單元，共1 166個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖2。理論上劃分的網(wǎng)格越密計(jì)算結(jié)果越精確，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的增加。因此在計(jì)算時(shí)，對棄渣堆積體及坡面邊坡的網(wǎng)格劃分進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚怼?/p>

堆積體坡頂以及坡面邊界網(wǎng)格尺寸為4 m，基巖和粉質(zhì)黏土全部邊界和堆積體底邊界網(wǎng)格尺寸為8 m。計(jì)算得到自重作用下棄渣場邊坡位移云圖和剪切應(yīng)變云圖，見圖3、圖4。其最大、最小主應(yīng)力主要體現(xiàn)棄渣體的拉壓狀態(tài)，位移云圖和剪切應(yīng)變圖可用來判斷棄渣場邊坡的失穩(wěn)區(qū)域，根據(jù)塑性區(qū)的情況可判斷其渣場邊坡是否發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞。

圖2 棄渣場邊坡分析模型網(wǎng)格劃分圖

圖3 棄渣場邊坡位移云圖

圖4 棄渣場邊坡剪切應(yīng)變云圖

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到此模型中棄渣場堆積體在重力作用下整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.225。邊坡最大位移為0.302 m，邊坡位移變形主要集中在下部，在棄渣場坡腳處有局部破壞趨勢。

3 分步堆載過程中渣場的變形演變

為更好地反映棄渣場建設(shè)過程中棄渣體的堆置對邊坡穩(wěn)定性的影響，將該棄渣場按不同堆置步驟分為壓坡腳式(順排)和覆蓋式(逆排)兩種堆置步驟，并對不同堆載步驟的棄渣場模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

3.1 分步堆載模型

棄渣場的分步堆載分析模型建立在原棄渣場邊坡分析模型(圖1)的基礎(chǔ)上，考慮堆載步驟的不同，建立順排堆載和逆排堆載兩種分析模型，見圖5。

3.2 堆載過程變形演變規(guī)律

對棄渣場逐步堆載過程進(jìn)行建模運(yùn)行計(jì)算，在考慮自重作用的情況下，分析其每一個(gè)堆載步驟在施工過程中對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、位移變化以及剪切應(yīng)變的影響，并分析棄渣場在堆載過程中的演變規(guī)律。

圖5 不同堆置步驟分析模型圖

3.2.1 壓坡腳式堆載過程的變形演變

對壓坡腳式堆載方式進(jìn)行加載計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖6及表2。從計(jì)算結(jié)果來看，壓坡腳式(順排)堆置方式在堆載過程中，其穩(wěn)定性系數(shù)在1.221～1.331之間，在自重作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。棄渣場最大位移出現(xiàn)在第一步堆載后，數(shù)值為31.2 cm左右，之后位移變化呈較緩的遞減趨勢，變化范圍在0～0.033 m之間。第三步堆載后呈現(xiàn)出最大剪切應(yīng)變?yōu)?.751，隨著每一個(gè)堆載步驟下的渣體對前一步驟堆置的渣體的反壓作用，其塑性區(qū)域逐漸縮小收斂，壓坡腳式堆置方式的可能剪出口始終位于坡腳位置，且隨最終堆置線坡腳位置的改變而改變。云圖中相鄰步驟變化趨勢相近的將不單獨(dú)列圖，相近兩步或多步則取其最后一步為示意圖，下文中不再說明。

圖6 壓坡腳式堆載過程分析

表2 棄渣場堆載過程參數(shù)變化值

3.2.2 覆蓋式堆載過程的變形演變

同理，對覆蓋式(逆排)堆置進(jìn)行加載計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖7及表2。覆蓋式(逆排)堆置方式在堆載過程中穩(wěn)定性系數(shù)在1.306～1.693之間，在自重作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)。棄渣體堆置完后體現(xiàn)出最大位移為30.8 cm，位移隨著堆載步驟的推進(jìn)呈遞增趨勢，第三步和第四步堆載過程中最大位移變化出現(xiàn)分散集中現(xiàn)象。整個(gè)堆載基本完成時(shí)出現(xiàn)最大應(yīng)變3.390，堆載過程中塑性區(qū)由邊坡上部逐漸向中部再向下部移動(dòng)，在堆載徹底完成時(shí)塑性變形區(qū)完全收斂于坡腳。

圖7 覆蓋式堆載過程分析

由表2可知，在堆置過程中，覆蓋式棄渣場的平均穩(wěn)定系數(shù)為1.518，高于壓坡腳式棄渣場的平均穩(wěn)定系數(shù)1.278，對棄渣場邊坡的穩(wěn)定性提高更有益，提高率為18.73%。在棄渣場邊坡穩(wěn)定性更好的前提下，覆蓋式的最大位移平均值和最大應(yīng)變平均值均小于壓坡腳式。

運(yùn)用Midas GTS模擬計(jì)算棄渣場堆載渣體前原始邊坡穩(wěn)定系數(shù)，得到原始值為1.54。從表2可以看出，無論渣體的堆置采用壓坡腳式還是覆蓋式，對邊坡整體穩(wěn)定性都呈削弱趨勢，但邊坡依舊穩(wěn)定。同時(shí)，也可發(fā)現(xiàn)覆蓋式堆載方式對邊坡穩(wěn)定性的削弱作用遠(yuǎn)小于壓坡腳式，由此可知覆蓋式堆載方式較壓坡腳式更利于保證棄渣場邊坡的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1) 以山西省某工程棄渣場為例，建立棄渣場有限元分析模型，分析棄渣場整體穩(wěn)定性及考慮不同堆載過程的渣場穩(wěn)定性變化情況。

2) 從渣場整體穩(wěn)定性分析可知，邊坡位移變形主要集中在邊坡下部，在棄渣場坡腳處有局部破壞趨勢。

3) 考慮分步堆載過程演變，根據(jù)堆載順序不同，分為壓坡腳式(順排)和覆蓋式(逆排)堆置，無論渣體的堆置采用哪種方式，對邊坡整體穩(wěn)定性均呈削弱趨勢。

4) 棄渣場安全系數(shù)、位移、應(yīng)變的變化隨堆載過程不同而有所區(qū)別，覆蓋式的最大位移平均值和最大應(yīng)變平均值均小于壓坡腳式。從最終穩(wěn)定性來看，覆蓋式堆載優(yōu)于壓坡腳式堆載。