高密度聚乙烯(HDPE)土工膜覆蓋層對垃圾填埋體中期穩(wěn)定性影響分析

夏 雄，謝獻錕，仇宏勇，高兆國

(1.常州大學 環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164; 2. 江蘇佰拓建設有限公司，江蘇 常州 213164)

高密度聚乙烯(HDPE)土工膜與其他土工合成材料相比，具有較好化學穩(wěn)定性、柔韌性、質量輕等優(yōu)點，在垃圾填埋場施工中應用方便而且能適應不平整的堆體表面，在國內外眾多垃圾填埋場工程中得到了很好地應用。中國有數(shù)十個城市在已建成的垃圾填埋場中采用HDPE土工膜施工，如泉州、深圳、杭州、北京、昆明、青島、上海等[1]，也被國內外許多填埋場用來代替黏土作為中間覆蓋層使用[2-3]。

填埋場中的垃圾土組分復雜，含有大量有機物和纖維狀物質，隨著填埋齡期的增長，由于垃圾體降解作用，強度特性也會隨之改變[4]。ABREU等[5]研究了填埋齡期為2～25 a MSW的抗剪強度，發(fā)現(xiàn)隨著MSW的降解，從最初的高黏聚力轉變?yōu)槭ヰぞ哿?，但內摩擦角增加的特性。近年來，國內外學者針對HDPE土工膜和土顆粒物的各種界面剪切試驗進行了大量研究，馮世進等[6]對土工膜與土界面進行了界面剪切試驗，得到土膜界面應力應變曲線的三階段彈塑性模型。吳維興等[7-8]通過直剪試驗研究光面及糙面HDPE土工膜和各類土顆粒物剪切特性。HOSSAIN等[9]對垃圾填埋體分層賦予不同抗剪強度參數(shù)指標，再利用GSTABL程序分析了坡度為1∶2和高度為20 m的邊坡穩(wěn)定性，從而提出填埋體邊坡穩(wěn)定性分析時應考慮填埋齡期與降解程度影響的抗剪強度值。陳雪珍等[10]通過Plaxis對邊坡施工過程中產(chǎn)生的變形、位移進行模擬分析，驗證了數(shù)值模擬對邊坡安全穩(wěn)定性分析的適用性及正確性。STARK等[11]和FILZ等[12]將漸進破壞概念與極限平衡理論結合，并用嚴格的可靠度來度量邊坡的安全性，并定性分析了垃圾填埋坡的滑移破壞過程。CHEN等[13]建立了退化-固結模型來描述垃圾填埋場的穩(wěn)定特性，再利用數(shù)值模擬比較高廚余含量和低廚余含量的填埋體滑移行為，能更好地評估垃圾填埋體不同齡期的穩(wěn)定性。

垃圾填埋體在自然環(huán)境下，其木質纖維素將通過微生物作用進行降解，由于填埋場中木質纖維素降解的關鍵微生物和功能酶目前研究尚不明確，進而限制了垃圾填埋場快速穩(wěn)定技術的進步。文章將結合齡期影響，通過HDPE土工膜與不同齡期垃圾土的界面剪切試驗，得到土-膜抗剪強度參數(shù)，針對垃圾填埋體不同填埋層的差異性和HDPE土工膜作為中間覆蓋層產(chǎn)生的影響，利用Plaxis有限元軟件模擬分層垃圾填埋體邊坡滑移過程及整體穩(wěn)定性，對垃圾填埋體滑移區(qū)域和穩(wěn)定性及各HDPE土工膜的影響特性進行分析。

1 HDPE土工膜和垃圾土的界面剪切試驗

1.1 試驗材料與設備

本次直剪試驗材料來自華東地區(qū)某城市垃圾填埋場中垃圾土樣，將垃圾土在室內重新塑樣進行試驗，考慮尺寸效應，保證試樣組分的尺寸均小于儀器尺寸的1/6，垃圾土試樣的物理指標見表1。

表1 垃圾土試樣的物理指標

該試驗選用的HDPE土工膜是來自山東省德州市某土工合成材料有限公司生產(chǎn)的厚度為1.5 mm，具有不同表面粗糙度的(光面、噴著式、柱點式)HDPE土工膜，密度均大于0.94 g/cm3，炭黑含量為2%～3%，如圖1所示。屈服應變下的拉伸強度和拉伸剛度見表2。其中，采用的拉伸剛度是指彈性體抵抗拉伸變形的能力，文章取拉伸強度與屈服應變的比值(kN/m)，具體計算見式(1)

E=T/εy

(1)

式中：E為拉伸剛度，kN/m；T為拉伸強度，kN/m；εy為屈服應變。

(a) 光面

(b) 噴著式

(c) 柱點式

表2 HDPE土工膜在其屈服應變下的拉伸強度和拉伸剛度

圖2 HDPE土工膜和垃圾土試樣剪切試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of shear test for HDPE geomembrane and waste soil specimens

考慮到垃圾土的大顆粒和成分復雜性，文章進行的垃圾土和HDPE土工膜界面剪切試驗采用的儀器均為大尺寸直剪儀，該儀器的上下剪切盒長×寬×高為300 mm×300 mm×150 mm，滿足《土工合成材料測試規(guī)程》中剪切盒尺寸(長×寬宜大于80 mm×80 mm)的要求。進行界面剪切試驗時，要確保在剪切試驗過程中，土工膜不發(fā)生滑移，如圖2所示。

1.2 HDPE土工膜和垃圾土界面抗剪強度參數(shù)

土工膜鋪設的地表比較平整時，土膜界面產(chǎn)生的相對位移較小，采用土膜界面峰值強度參數(shù)來表征土-膜界面強度[14]。依據(jù)莫爾-庫倫破壞準則，得到不同齡期垃圾土試樣與HDPE土工膜的抗剪強度參數(shù)關系，如圖3所示。從圖3中可以看出，HDPE土工膜與垃圾土界面抗剪強度參數(shù)受填埋齡期影響較大，土-膜界面黏聚力隨填埋齡期的增加，呈現(xiàn)出總體下降趨勢，如圖3(a)所示。而土-膜界面內摩擦角則是隨填埋齡期的增加呈現(xiàn)出總體上升而后平穩(wěn)的趨勢，如圖3(b)所示。從數(shù)據(jù)可知，隨著填埋齡期增長：柱點式HDPE土工膜的土-膜界面黏聚力從22.8 kPa下降到6.5 kPa；噴著式HDPE土工膜的土-膜界面黏聚力從22.9 kPa下降到5.88 kPa；光面HDPE土工膜的土-膜界面黏聚力從20.14 kPa下降到4.77 kPa。而柱點式HDPE土工膜的土-膜界面內摩擦角從9.3°上升到22.17°；噴著式HDPE土工膜的土-膜界面內摩擦角從6.42°上升到13.97°；光面HDPE土工膜的土-膜界面內摩擦角從4.93°上升到9.77°。由于土工膜表面粗糙度的影響，土-膜抗剪強度由大到小為：柱點式，噴著式，光面。

(a) 黏聚力

(b) 內摩擦角

2 分層填埋體數(shù)值模型的建立

2.1 幾何模型

文章建立的垃圾填埋體以華東地區(qū)某城市平原型垃圾填埋場為例，垃圾填埋體從下到上為第1至第4填埋層；填埋層的分層處布設或不設HDPE土工膜覆蓋層，該模型是下底邊長為110 m、上底邊長為50 m、高為20 m以及斜坡坡度為1∶3的梯形填埋體，填埋體下是深為20 m、長為300 m的地基土，符合《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術規(guī)范》(CJJ 176—2012)中垃圾填埋體邊坡最大坡度不得大于1∶3的規(guī)定[15]。垃圾填埋體幾何模型如圖4(a)所示。Plaxis建模中的HDPE土工膜可用土工格柵來模擬，用“黃線”表示，HDPE土工膜的材料類型選擇彈性，并利用界面來模擬HDPE土工膜與土體之間相互作用，與填埋層接觸的每分層處HDPE土工膜上下面都設置一界面[16]。不設HDPE土工膜的填埋體采用黏土封層，厚度為300 mm符合規(guī)范要求。垃圾填埋體有限元網(wǎng)格劃分如圖4(b)所示。

(a) 幾何模型

(b) Plaxis填埋體有限元模型

2.2 計算參數(shù)確定

基于Mohr-Coulomb準則，土-膜界面相互作用按照強度折減計算。場地的地基土、填埋層以及黏土封層的物理參數(shù)取值見表3[17]。其中，該填埋場以第1填埋層的初始填埋時間作為起始填埋齡期，計算幾何模型中各填埋層黏聚力和內摩擦角，按照表1各個填埋齡期對應數(shù)值賦予每一填埋層，對于不同HDPE土工膜材料的強度數(shù)值輸入，按照表2不同HDPE土工膜對應的厚度和拉伸剛度賦予每一覆蓋層。在大多數(shù)情況下，垃圾土無剪脹性，剪脹角就等于0，當剪脹角為0的時候，認為是不考慮剪脹的[18-19]。

表3 土層的材料參數(shù)

(a) 填埋齡期2 a，填埋1層

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 齡期對分層垃圾填埋體滑移影響分析

從垃圾填埋體第1層填埋開始，填埋高度隨填埋齡期增加，其滑移區(qū)域的變化如圖5所示，抗剪強度參數(shù)值對應從下到上的土層。圖5(a)為填埋齡期2 a，填埋1層的填埋體，其中黏聚力為23.3 kPa，內摩擦角為9.8°；圖5(b)為填埋齡期5 a，填埋2層的填埋體，其中黏聚力從下到上為23.8，23.3 kPa，內摩擦角從下到上為9.8°，17.5°；圖5(c)為填埋齡期8 a，填埋3層的填埋體，其中黏聚力從下到上為16.1，23.8，23.3 kPa，內摩擦角從下到上為9.8°，17.5°，26.0°。從垃圾土填埋體的滑移變形區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，不同填埋齡期，填埋體在坡面一定范圍內產(chǎn)生應變集中，形成一定的變形集中區(qū)域，隨著填埋齡期和填埋高度的增加，圖5(a)～圖5(c)的垃圾填埋體位移呈現(xiàn)集中趨勢，滑移面區(qū)域不斷擴展，直至形成明顯的滑移特征。

3.2 HDPE膜中間覆蓋層對分層垃圾填埋體滑移影響分析

根據(jù)布設或不設不同HDPE土工膜的覆蓋層，用表2的HDPE拉伸剛度進行模擬分析。圖6(a)～圖6(d)分別為黏土覆蓋層、柱點式HDPE土工膜覆蓋層、噴著式HDPE土工膜覆蓋層及光面HDPE土工膜覆蓋層的填埋齡期11 a，4層的填埋體。從圖6中垃圾填埋體滑移可以發(fā)現(xiàn)，填埋體的滑移面從坡頂處向坡腳發(fā)展，貫通至整個坡面。上層滑體在自重和下滑推力作用下，推動下方填埋體，填埋體坡體整體呈現(xiàn)向下推移的滑移特征。

通過對比圖6(b)～圖6(d)與圖6(a)的布設或不設HDPE土工膜覆蓋層填埋體可以看出，黏土覆蓋的填埋體，臨界滑動面可能穿透黏土覆蓋層，填埋體的滑移面從坡頂處向坡腳發(fā)展，貫通至整個坡面。而HDPE膜覆蓋后，臨界滑動面受干擾，沿膜體界面有一定滑移，使得臨界滑動面在填埋體不同分層中發(fā)展，整體表現(xiàn)為潛在滑移面區(qū)域的擴展深度影響有所減小，深度影響由坡頂?shù)交瑒用娴椎?9.05 m(黏土)減小到18.11 m(柱點式、噴著式)和18.07 m(光面)。同時，潛在滑移面區(qū)域的擴展范圍影響有所增大，范圍影響由23.51 m(黏土)增大到29.03 m(柱點式)、30.97 m(噴著式)和33.64 m(光面)。布設HDPE土工膜的填埋體能延緩上層滑移面的貫通，并阻斷下方填埋體滑裂帶的形成。所以HDPE土工膜作為垃圾填埋體中間覆蓋層，每種HDPE土工膜與垃圾土之間復雜的界面剪切均能減小潛在滑移面區(qū)域深度的擴展。

(a) 黏土覆蓋層

(b) 柱點式HDPE土工膜覆蓋層

(c) 噴著式HDPE土工膜覆蓋層

(d) 光面HDPE土工膜覆蓋層

3.3 填埋體安全系數(shù)改變

考慮填埋齡期對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化影響，得到填埋齡期與安全系數(shù)的關系，如圖7所示。參照《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術規(guī)范》(CJJ 176—2012)的相關規(guī)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取1.25～1.35[15]。布設和不設HDPE土工膜覆蓋層的垃圾填埋體邊坡的安全系數(shù)有相同的變化趨勢，都隨填埋體填埋齡期的增加而減少，說明填埋齡期和高度對垃圾填埋體邊坡穩(wěn)定性影響較大。

圖7 垃圾填埋體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨填埋齡期變化曲線Fig.7 Variation curve of slip stability safety factor of landfill body with age of landfill

從圖7中進一步發(fā)現(xiàn)，布設HDPE土工膜覆蓋層的垃圾填埋體在剛填埋到堆起4層11 a左右的這個過程中，其安全系數(shù)比不設土工膜的填埋體大很多，從數(shù)值來看隨著填埋齡期和填埋高度的增加：柱點式HDPE土工膜覆蓋層的垃圾土穩(wěn)定安全系數(shù)從5.520到3.349；噴著式HDPE土工膜覆蓋層的垃圾土穩(wěn)定安全系數(shù)從5.516到3.242；光面HDPE土工膜覆蓋層的垃圾土穩(wěn)定安全系數(shù)從5.506到3.023。可以看出，采用HDPE土工膜對垃圾填埋體分層，不僅可作為中間覆蓋層，而且能增強填埋過程中垃圾填埋體的整體穩(wěn)定性。

4 結 論

① 通過土-膜試驗，發(fā)現(xiàn)在不同填埋齡期的垃圾土中，土-膜界面黏聚力具有總體下降的趨勢，界面內摩擦角具有總體上升的趨勢。由于土工膜粗糙度差異，柱點式HDPE土工膜有更高的界面抗剪強度。② 垃圾填埋體的位移規(guī)律：從填埋第1層開始，每一填埋齡期的填埋體坡體都先從靠近坡頂一定深度處發(fā)生應變集中，滑移面區(qū)域不斷擴大，不斷向外擴展，直至形成明顯的滑移特征。③ 對比不設土工膜的填埋體，布設HDPE土工膜的填埋體能延緩上層滑移面的貫通，并阻斷下方填埋體滑裂帶的形成，有效縮小填埋體滑移破壞區(qū)深度。④ 隨著填埋齡期的增加，布設HDPE土工膜顯著增強了填埋中期垃圾填埋體的整體穩(wěn)定性，遠高于規(guī)范安全系數(shù)數(shù)值。