基于Geo-Slope軟件的某建筑垃圾堆場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究

亢 永，趙孟孟，霍思雨，王可依，付士根，宋冰雪，吳 壯

(1.北京石油化工學(xué)院，北京 102600； 2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100020)

隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，每年有大量污染企業(yè)面臨拆遷和改建，遺留的工業(yè)建筑垃圾堆體對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了重大的潛在威脅。建筑垃圾堆體是一種特殊土體，存在邊坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)滑坡的問(wèn)題[1]。邊坡崩塌不僅給建筑物或者運(yùn)輸帶來(lái)?yè)p失，還會(huì)威脅到附近生活居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。建筑垃圾堆體發(fā)生滑坡的事故屢屢發(fā)生。

Geo-Studio軟件是一款廣泛應(yīng)用于巖土邊坡的數(shù)值模擬軟件，該軟件中的Slope/W分析模塊內(nèi)置多種滑移面搜索方法、孔隙水壓力條件、土體強(qiáng)度本構(gòu)以及加固組件和荷載工況等，不僅可以進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析，也可以進(jìn)行邊坡失效概率和參數(shù)敏感性分析；而軟件中的Seep/W模塊不僅可以分析飽和與非飽和邊坡巖土體的滲流問(wèn)題，也可以分析邊坡巖土體的穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流，可以定義滲透各項(xiàng)異性，通過(guò)瞬態(tài)分析得出不同時(shí)刻不同點(diǎn)的孔隙水壓力分布狀況，其結(jié)果可被用于Slope/W模塊研究邊坡穩(wěn)定性隨時(shí)間變化的關(guān)系。通過(guò)Slope/W和Seep/W 2個(gè)模塊來(lái)模擬計(jì)算在一般降雨條件下邊坡安全系數(shù)的大小[2]。

胡志毅[3]從垃圾堆體的滑坡發(fā)生過(guò)程及形成機(jī)理入手，分析了基底巖體抗剪強(qiáng)度、施工建設(shè)、暴雨對(duì)滑坡的影響。陳云敏等[4]通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的垃圾填埋體的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，分析了邊坡坡角和浸潤(rùn)線對(duì)垃圾邊坡穩(wěn)定性的影響。付士根等[5]利用高密度電法對(duì)垃圾填埋場(chǎng)滲濾液水位進(jìn)行探測(cè)，驗(yàn)證了滲濾液水位是影響垃圾填埋場(chǎng)堆體穩(wěn)定性的重要因素。根據(jù)查閱文獻(xiàn)可得，影響垃圾堆場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的因素有垃圾土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)、垃圾堆場(chǎng)的幾何尺寸(坡高、坡角等)、垃圾土的重力密度及孔隙水應(yīng)力等[6]。

邊坡穩(wěn)定分析的方法有很多， 王玉平等[7]對(duì)常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了總結(jié)歸納，分析了圖解法、極限平衡理論、數(shù)值分析方法、復(fù)合法等確定性分析方法的發(fā)展情況。極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析中最早出現(xiàn)的確定性分析方法，其中包括普通條分法、畢肖普法(Bishop)、力平衡方法、摩根斯坦-普萊斯法(Mogenstan-Price)等方法。趙由才[8]根據(jù)Mohr-Coulomb理論，采用Bishop法對(duì)垃圾堆體的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。Seed[9]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)美國(guó)的Kettlemam Hills填埋場(chǎng)進(jìn)行了安全系數(shù)的計(jì)算，得出用2D模擬計(jì)算的安全系數(shù)(1.20～1.25)比3D模擬計(jì)算的安全系數(shù)(1.08)要稍微偏大一些。關(guān)志偉[10]結(jié)合邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析，運(yùn)用三維有限元軟件對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。

綜上所述，在對(duì)堆體滑坡的研究方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量工作，但現(xiàn)有的研究只是針對(duì)整個(gè)堆體，對(duì)堆體內(nèi)部各條間推力、受力等考慮較少。筆者以某城市建筑垃圾堆體為研究對(duì)象，充分考慮影響垃圾堆體邊坡穩(wěn)定性的、失穩(wěn)破壞的各種主要因素，利用Geo-Studio軟件畢肖普方法對(duì)堆體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并為其設(shè)計(jì)支護(hù)方案提高其穩(wěn)定性。

1 城市建筑垃圾堆場(chǎng)滑坡影響因素

影響垃圾堆場(chǎng)滑坡主要因素包括地表水及地下水、基底形態(tài)、邊坡的形態(tài)和垃圾的堆排工藝等，每個(gè)影響因素既可以單獨(dú)作用影響垃圾堆體的穩(wěn)定性，又能夠共同作用加劇垃圾堆體的破壞速度。

1.1 排棄垃圾和基底巖土體性質(zhì)的影響

排棄垃圾的物理力學(xué)性質(zhì)是指垃圾的組成成份、容重大小、吸水性、渣土的硬度、粘聚力等。對(duì)于固體垃圾來(lái)說(shuō)，物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)垃圾場(chǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定性有很大的影響。對(duì)物理性質(zhì)比較軟弱的固體垃圾而言，因?yàn)槠湮员容^好，所以很容易發(fā)生變形，從而使整個(gè)堆體下沉，進(jìn)而導(dǎo)致坍塌事故。

基底地層的硬度也是影響建筑垃圾堆場(chǎng)穩(wěn)定性的重要因素之一。堆體地層形成原因不同，如構(gòu)成堆體基底的物質(zhì)、顆粒的大小、膠結(jié)物的性質(zhì)和膠結(jié)的程度等這些都會(huì)造成基底層結(jié)構(gòu)的差別很大，而且隨著其他不確定性因素的影響，基底也會(huì)具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)，從而影響到整個(gè)垃圾堆體的穩(wěn)定性。

1.2 地表水及地下水的影響

水力充填或人工堆積的尾礦壩、粉砂質(zhì)邊坡等土工構(gòu)筑物不僅在動(dòng)荷載下易發(fā)生液化流滑，而且在靜荷載(如上覆堆載、水位變化)下也極可能發(fā)生滑移失穩(wěn)[11]。

水對(duì)土體的性質(zhì)變化具有很大的影響，包括地表水與地下水兩類。垃圾堆體基底會(huì)因?yàn)樗淖饔枚鴱?qiáng)度下降，土體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)基底巖土體的強(qiáng)度有很大影響，他們與土體含水量關(guān)系密切，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與含水量成反比。在施工過(guò)程中導(dǎo)致地下水、地表水或降水等進(jìn)入建筑垃圾中，使得固體垃圾間的凝聚力和摩阻力進(jìn)一步降低，在重力、地下水以及施工擾動(dòng)的共同作用下超過(guò)整個(gè)堆體的極限平衡，導(dǎo)致坍塌事故的發(fā)生。

1.3 施工存在問(wèn)題的影響

垃圾堆場(chǎng)邊坡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證垃圾堆體穩(wěn)定的一個(gè)重要方面。如果在垃圾堆場(chǎng)的施工和堆排過(guò)程中不能達(dá)到設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的性能標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)使得垃圾堆場(chǎng)失穩(wěn)破壞而導(dǎo)致坍塌。

2 城市建筑垃圾堆場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 常用的穩(wěn)定性分析方法

近年來(lái)邊坡穩(wěn)定性受到越來(lái)越多的關(guān)注，研究穩(wěn)定性的理論分析方法層出不窮，其中主要有確定性分析方法和不確定性分析方法兩大類[12]。確定性分析方法中主要是定性分析和定量分析，其中定性分析方法主要是運(yùn)用地質(zhì)勘查、土地歷史分析法、工程地質(zhì)類比法、圖解法等。定量分析方法主要有極限平衡分析法、數(shù)值分析法、可靠性分析法等。不確定性方法總體上分為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色系統(tǒng)理論、可靠性分析、模糊數(shù)學(xué)方法等。常用的極限平衡方法有瑞典條分法[13]、簡(jiǎn)化畢肖普法[14]、簡(jiǎn)布法[15]、余推力法、薩爾瑪法[Sarma][16]、美國(guó)陸軍工程師法[The Corps of Engineers]、摩根斯坦-普賴斯法[Mogenstan-Price][17]、分塊極限平衡法、斯賓塞法[Spencer][18]等。

2.2 簡(jiǎn)化畢肖普法(Bishop 法)

Bishop 法不用規(guī)定滑動(dòng)面必須是非常標(biāo)準(zhǔn)的圓弧，只要是近似圓弧均可。計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，因?yàn)樵谟?jì)算過(guò)程中充分地考慮了土體內(nèi)部條塊間的相互作用力，有嚴(yán)格的分割要求，計(jì)算方式采用迭代法，這樣就能使所有被分割的條塊在計(jì)算過(guò)程中都處于平衡狀態(tài)。Bishop條塊作用力分析圖如圖1所示。

圖1 Bishop 條塊作用力分析Fig.1 Bishop slice force analysis

從圓弧滑動(dòng)體中取出某土條i進(jìn)行分析。如果這個(gè)條塊處于靜力平衡的狀態(tài)，那么根據(jù)垂直方向的力平衡條件可得：

Nicosα=Wi+ΔHi-Tisinα

(1)

當(dāng)滿足安全系數(shù)為Fs時(shí)，根據(jù)此時(shí)的極限平衡條件，有：

(2)

式中滿足

(3)

根據(jù)整個(gè)滑動(dòng)土體的力矩平衡條件，每個(gè)土條對(duì)中心(圓心)力矩的和是零。簡(jiǎn)化可得：

(4)

這就是畢肖普法計(jì)算的一般公式，進(jìn)一步假設(shè)Hi=0 ，式(4)可化簡(jiǎn)為：

(5)

3 實(shí)例分析

3.1 邊坡工程概況

以某市一處邊坡為模擬對(duì)象，其所處地區(qū)地貌單元類型為構(gòu)造剝蝕低丘陵，長(zhǎng)期受降雨外力因素的侵蝕和沖刷影響，并且附近500 m建有居民樓。其邊坡為臺(tái)階型，走向?yàn)榻媳毕颍貏?shì)南高北低。坡度為63°，坡高為16 m，其中由上到下分別是雜填土2 m、碎石粉質(zhì)黏土4 m、全風(fēng)化石英夾板巖4 m、強(qiáng)風(fēng)化石英巖夾板巖2 m、中風(fēng)化石英巖夾板巖4 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)已有的數(shù)據(jù)建立地質(zhì)模型，如表1所示。此邊坡地質(zhì)模型面臨著滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生滑坡將對(duì)附近居民造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。本次模擬使用Geo-studio軟件對(duì)比邊坡進(jìn)行建模計(jì)算該邊坡最小安全系數(shù)并確定滑移面的位置，分析其安全性，并提出相應(yīng)的支護(hù)方案增加其穩(wěn)定性。

表1 某邊坡地質(zhì)模型

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)合勘查數(shù)據(jù)資料，在室內(nèi)對(duì)雜填土和含碎石粉質(zhì)黏土分別進(jìn)行土的直接剪切實(shí)驗(yàn)，將土制備成幾個(gè)土樣，分別在不同的法向壓力(Normal Load)下，沿固定的剪切面給其施加水平剪力(Shear Load)，得其破壞時(shí)剪應(yīng)力即土的抗剪強(qiáng)度。土的抗剪強(qiáng)度是由內(nèi)摩擦角和黏聚力所組成，可以用庫(kù)倫公式表示：

黏性土：

τ=σtanμ+C

非黏性土：

τ=σtanμ

式中：τ為土體抗剪強(qiáng)度(kPa)；σ為承受的垂直壓力(kPa)；μ為內(nèi)摩擦角(°)；C為黏聚力(kPa)。

實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如圖2所示，由庫(kù)倫公式可知：圖中的截距即是黏聚力，斜率就是內(nèi)摩擦角。由計(jì)算可得雜填土的τ和σ關(guān)系式可以表示為：τ=σtan 10°+5，所以雜填土的內(nèi)摩擦角為10°，黏聚力為5 kPa。粉質(zhì)黏土的τ和σ關(guān)系式為：τ=σtan 25°+15，可得粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角為25°，黏聚力為15 kPa。

圖2 地基土的直接剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.2 Direct shear test data of foundation soil

其他3個(gè)巖層的物理參數(shù)參考王漢勛等[19]的研究。本次滑坡整體計(jì)算參數(shù)的選取結(jié)合土體的特征、室內(nèi)土直剪試驗(yàn)的結(jié)果，并且類比其他邊坡工程參數(shù)取值，最終提出模擬的計(jì)算模型材料參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算模型材料參數(shù)表

3.3 水文地質(zhì)狀況

地形、地質(zhì)構(gòu)造和水文、氣象等因素綜合控制了地下水的分布，同時(shí)在垃圾堆排方式的影響下，裂隙逐漸發(fā)育為地下水的賦存提供了空間。垃圾堆廠區(qū)的雨季集中在6～8月。每逢雨季地下水位會(huì)抬高，枯水期則地下水位會(huì)下降，由于該區(qū)域年降水量小且蒸發(fā)量大，因此，地下水位每年的變化幅度不是很大。地下水位年變化幅度為1.25～3.53 m。依據(jù)高密度電法探測(cè)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)反演計(jì)算得到了該垃圾場(chǎng)的浸潤(rùn)線高度，浸潤(rùn)線高度分別離地面7.24～10.5 m。

3.4 Geo-Studio建模

考慮地下水的影響，用Geo-Studio軟件進(jìn)行模擬計(jì)算[20]，Geo-Studio軟件是一套專業(yè)、高效而且功能強(qiáng)大的仿真分析、設(shè)計(jì)軟件，適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算，包含SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W等多個(gè)模塊。其中SLOPE/W是以極限平衡法為計(jì)算原理，專門用來(lái)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，能夠以最簡(jiǎn)單的操作方法和最快的速度來(lái)得到最準(zhǔn)確的最小安全系數(shù)Fs，而且在很大程度上改進(jìn)了極限平衡法在分析邊坡穩(wěn)定性過(guò)程中的不足。即運(yùn)用Geo-Studio軟件中的Slope計(jì)算模塊，采用Bishop法計(jì)算該邊坡最小安全系數(shù)和確定滑移面的位置。

3.4.1 最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的確定

基于Geo-studio軟件結(jié)合上述相關(guān)的指標(biāo)值對(duì)其進(jìn)行建模，最終得到無(wú)水壓力下和自然降雨?duì)顟B(tài)下2種工程的滑坡穩(wěn)定性示意圖，如圖3、圖4所示。從GEO-SLOPE/W程序中的可視圖形化界面中可以看到最危險(xiǎn)滑動(dòng)面、對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)中心位置和相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，滑裂面呈圓弧狀沿邊坡向橫向發(fā)展。

圖3 無(wú)水壓力條件下邊坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)Fig.3 Minimum safety factor of slope stability under anhydrous pressure

圖4 降雨?duì)顟B(tài)下邊坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)Fig.4 Minimum safety factor of slope stability under rainfall condition

3.5 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本建筑垃圾堆體邊坡的坡高H為16 m，垃圾堆體邊坡工程安全等級(jí)如表3所示，垃圾堆體邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)如表4所示。

表3 垃圾堆體邊坡工程安全等級(jí)

由表3可知，該工程安全等級(jí)為三級(jí)。根據(jù)生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范CJJ 176—2012，由表4可知，該工程在正常運(yùn)用條件下的邊坡安全系數(shù)需要達(dá)到1.25[21-22]，而在無(wú)水壓力狀態(tài)下的邊坡測(cè)得的最小安全系數(shù)為1.546，故邊坡屬于安全狀態(tài)。在降雨條件下最小安全系數(shù)為0.775，根據(jù)《建筑邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范》遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于既定的標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)，所以初步斷定在降雨工況下該邊坡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

表4 垃圾堆體邊坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1 支護(hù)方案的選擇

邊坡支護(hù)方案一般分為生物防護(hù)和工程支護(hù)兩大類[23]。生物防護(hù)也即生態(tài)防護(hù)，根據(jù)邊坡土質(zhì)條件可分為土質(zhì)生態(tài)邊坡防護(hù)和巖質(zhì)邊坡生態(tài)防護(hù)。工程支護(hù)的主要結(jié)構(gòu)形式有重力式擋墻、扶壁式擋墻、格構(gòu)式錨桿擋墻支護(hù)、錨噴支護(hù)等。

首先，由于邊坡支護(hù)模擬中，生物防護(hù)不是此次所要考慮的優(yōu)化方案對(duì)象，故先予以排除。其次，由之前建立的降雨工況下模型可知，所研究的邊坡高為16 m，重力式與懸臂式擋土墻均不適用。考慮到滑坡位置的特殊性，此處不宜采用擋土墻。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程與現(xiàn)實(shí)的差異性，因此，先考慮選用錨桿支護(hù)。考慮到土釘支護(hù)與錨桿支護(hù)的相似性且土釘支護(hù)更容易操作，因此，選擇土釘支護(hù)方案。

4.2 Geo-studio模擬土釘支護(hù)

在具體工程中，土釘支護(hù)較為普遍，在邊坡支護(hù)中應(yīng)用廣泛。工程支護(hù)中常見(jiàn)的土釘如圖5所示。

利用Geo-studio2007分析軟件進(jìn)行實(shí)際模擬過(guò)程。以土釘數(shù)為模擬過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)變量，其他保持不變。得到的優(yōu)化后的邊坡結(jié)果如圖6所示。

圖5 工程支護(hù)中常見(jiàn)的土釘Fig.5 Common soil nail in engineering support

圖6 土釘支護(hù)下的暴雨工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果圖Fig.6 The calculation result of safety coefficient under the condition of soil nailing

在所設(shè)定的參數(shù)下，當(dāng)土釘數(shù)量為1根時(shí)，坡面達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)較之前大幅提高，達(dá)到1.263(大于標(biāo)準(zhǔn)值1.25)。為了研究加固樁數(shù)量增加對(duì)安全系數(shù)的影響，選擇繼續(xù)增加土釘數(shù)目。土釘支護(hù)數(shù)目對(duì)安全系數(shù)的影響如表5所示，此時(shí)的安全系數(shù)變化量級(jí)小于0.1，說(shuō)明土釘數(shù)目增加對(duì)于安全系數(shù)影響程度下降且不明顯；同時(shí)，隨著土釘數(shù)量的增加，滑移面逐漸向巖層深處移動(dòng)。

表5 土釘支護(hù)模擬分析統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)垃圾堆場(chǎng)危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，采用常用的危險(xiǎn)辨識(shí)方法來(lái)辨識(shí)一些基本的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而對(duì)建筑垃圾堆的穩(wěn)定性有較大影響的因素進(jìn)行了分析，得出結(jié)論為基地形態(tài)、堆排工藝、堆體邊坡形態(tài)、地表水、地下水為影響其穩(wěn)定性的重要因素。

(2)在室內(nèi)對(duì)土質(zhì)進(jìn)行直接剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)合土體的特征和室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，及類比其他工程參數(shù)值之間的綜合考慮，最終提出了抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算值。

(3)安全模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。當(dāng)處于無(wú)水壓力條件下時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)值(1.25);當(dāng)邊坡處于暴雨工況條件下時(shí)，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果沒(méi)有達(dá)到該有的穩(wěn)態(tài)，安全系數(shù)為0.775。

(4)選定了土釘支護(hù)方案，在所設(shè)定的參數(shù)下，當(dāng)數(shù)量為1根時(shí)，坡面就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)較之前大幅提高。

(5)模擬計(jì)算過(guò)程中，所建立的模型是處于理想狀態(tài)；在實(shí)際工程中，邊坡各個(gè)土層之間的分界并不像所建模型那樣清晰。

(2)在模擬計(jì)算過(guò)程中，只考慮了水壓力條件的不同而設(shè)計(jì)的無(wú)水壓和降雨2個(gè)工況。而現(xiàn)實(shí)生活中還有許多其他外在因素影響著邊坡的穩(wěn)定性，如地震等因素，與實(shí)際工程問(wèn)題難免具有一定的差異性。