夏 雄，謝獻(xiàn)錕，仇宏勇，高兆國

(1.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164; 2. 江蘇佰拓建設(shè)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(xué)穩(wěn)定性、柔韌性、質(zhì)量輕等優(yōu)點，在垃圾填埋場施工中應(yīng)用方便而且能適應(yīng)不平整的堆體表面，在國內(nèi)外眾多垃圾填埋場工程中得到了很好地應(yīng)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(nèi)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(fù)雜，含有大量有機(jī)物和纖維狀物質(zhì)，隨著填埋齡期的增長，由于垃圾體降解作用，強(qiáng)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(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著MSW的降解，從最初的高黏聚力轉(zhuǎn)變?yōu)槭ヰぞ哿?，但?nèi)摩擦角增加的特性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對HDPE土工膜和土顆粒物的各種界面剪切試驗進(jìn)行了大量研究，馮世進(jìn)等[6]對土工膜與土界面進(jìn)行了界面剪切試驗，得到土膜界面應(yīng)力應(yīng)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(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，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(yīng)考慮填埋齡期與降解程度影響的抗剪強(qiáng)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(jìn)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(jìn)破壞概念與極限平衡理論結(jié)合，并用嚴(yán)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(jié)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(zhì)纖維素將通過微生物作用進(jìn)行降解，由于填埋場中木質(zhì)纖維素降解的關(guān)鍵微生物和功能酶目前研究尚不明確，進(jìn)而限制了垃圾填埋場快速穩(wěn)定技術(shù)的進(jìn)步。文章將結(jié)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(qiáng)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(jìn)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(shè)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(nèi)重新塑樣進(jìn)行試驗，考慮尺寸效應(yīng)，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(biāo)見表1。

表1 垃圾土試樣的物理指標(biāo)

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(yīng)變下的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度與屈服應(yīng)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(qiáng)度，kN/m；εy為屈服應(yīng)變。

(a) 光面

(b) 噴著式

(c) 柱點式

表2 HDPE土工膜在其屈服應(yīng)變下的拉伸強(qiáng)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(fù)雜性，文章進(jìn)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(jìn)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(qiáng)度參數(shù)

土工膜鋪設(shè)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(qiáng)度參數(shù)來表征土-膜界面強(qiáng)度[14]。依據(jù)莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，得到不同齡期垃圾土試樣與HDPE土工膜的抗剪強(qiáng)度參數(shù)關(guān)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(qiáng)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(nèi)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(nèi)摩擦角從9.3°上升到22.17°；噴著式HDPE土工膜的土-膜界面內(nèi)摩擦角從6.42°上升到13.97°；光面HDPE土工膜的土-膜界面內(nèi)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(qiáng)度由大到小為：柱點式，噴著式，光面。

(a) 黏聚力

(b) 內(nèi)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(shè)或不設(shè)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(shù)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(shè)置一界面[16]。不設(shè)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(zhǔn)則，土-膜界面相互作用按照強(qiáng)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(nèi)摩擦角，按照表1各個填埋齡期對應(yīng)數(shù)值賦予每一填埋層，對于不同HDPE土工膜材料的強(qiáng)度數(shù)值輸入，按照表2不同HDPE土工膜對應(yīng)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(dāng)剪脹角為0的時候，認(rèn)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(jié)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(qiáng)度參數(shù)值對應(yīng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)產(chǎn)生應(yīng)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(kuò)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(shè)或不設(shè)不同HDPE土工膜的覆蓋層，用表2的HDPE拉伸剛度進(jìn)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(shè)或不設(shè)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(kuò)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(kuò)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(shè)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(fù)雜的界面剪切均能減小潛在滑移面區(qū)域深度的擴(kuò)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(guān)系，如圖7所示。參照《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ 176—2012)的相關(guān)規(guī)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取1.25～1.35[15]。布設(shè)和不設(shè)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(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，布設(shè)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(shè)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?？梢钥闯觯捎肏DPE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(qiáng)填埋過程中垃圾填埋體的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié) 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(nèi)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(qiáng)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(yīng)變集中，滑移面區(qū)域不斷擴(kuò)大，不斷向外擴(kuò)展，直至形成明顯的滑移特征。③ 對比不設(shè)土工膜的填埋體，布設(shè)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(shè)HDPE土工膜顯著增強(qiáng)了填埋中期垃圾填埋體的整體穩(wěn)定性，遠(yuǎn)高于規(guī)范安全系數(shù)數(shù)值。