高水位填埋场静力与地震稳定性超重力离心模型试验研究

摘要

为节约土地资源，中国填埋场将向高、大、陡和大型集约化方向发展，现有填埋场高度已超过100m，一旦发生失稳滑移破坏，将造成下游城市居民生命及财产损失和环境污染。渗滤液水位过高是诱发固废堆填体重大失稳滑移的主要原因之一。松散堆填体在极端气候条件、排水设施失效、堆填施工不当等因素的作用下，水力环境累积恶化，易触发局部或整体的灾变。中国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震环境复杂，地震的强度和频度都很高，是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。地震易引起填埋体应力场、渗流场重分布导致灾变渐进演化，触发填埋场沿内部或屏障界面失稳破坏。现有的岩土力学理论和方法还难以模拟和捕捉这种灾变触发机制及触发后演化规律，利用超重力离心模拟的缩尺效应开展填埋场失稳机理研究逐渐成为了有力手段。考虑到中国固废组分复杂、有机物及含水量高的特点，对于填埋场稳定性的研究需要重点关注堆体内普遍高水位环境及上升水位与地震作用相互影响等问题。 本文通过室内实验、模型试验、理论分析、数值模拟等多研究手段相结合，揭示水位上升和地震作用下填埋场的失稳机理及演化机制，建立填埋场渐进失稳破坏过程的分析方法。本文所做的主要工作和研究成果如下： 1、基于大应变条件下的三轴剪切试验，结合对MSW(Municipal Solid Waste)基本相和加筋相应力应变关系研究以及对基本相不同粒径粒组的室内试验，解释了MSW应变硬化机理，对MSW抗剪强度参数取值方法进行了探讨。MSW基本相不同粒径粒组中存在大量游离或被颗粒包裹的有机纤维体，且粒径越小的粒组中游离态纤维体越多。对于龄期较短、埋深较浅的MSW，其内部有机质降解程度低，纤维体和颗粒间相互包裹以致加筋作用稍强，因而破坏应变较大；龄期较长、填埋深度较深的MSW，其内部游离态纤维体居多，加筋作用稍弱，因而破坏应变较小。MSW的CU试验应力路径相变点与孔隙水压力稳定点以及应力应变曲线转折点相对应。在相变点之前，没有明显加筋过程，在相变点之后，纤维体加筋效果明显。建议采用略保守的“相变点法”来确定MSW的CU试验抗剪强度参数。用应力比峰值得到的抗剪强度参数，与“相变点法”得到的抗剪强度参数相近。 2、在现有人工固废的配制方法上进行了改进，发现草炭对于所配制的人工固废的应变硬化特性起着主导作用，而草炭中有机纤维的降解会导致其加筋效果减弱。对所用草炭的有机纤维含量进行了测定，并分析了有机纤维含量对草炭和人工固废的应力应变特性的影响，固废中所掺入的有机纤维含量越高，其应力应变曲线偏应力峰值和破坏应变均越高。有机纤维含量一定时，随着粘粒含量的减少和砂粒含量的增加，偏应力峰值增大，破坏应变增大。采用有机质含量对草炭降解程度进行描述，配制了与七子山填埋场固废相近的人工固废。同时对所配制的人工固废在超重力环境下的适用性和动力特性进行了研究。 3、基于前人对水力诱发填埋场失稳问题研究，归纳了几种较为典型的堆体失稳失效模式，并对失稳时临界水位及其影响因素进行了探讨。对于没有垃圾坝的堆体，一般会发生由沿衬垫界面整体失稳引起的连续滑移，根据坡型的不同，会引发贯穿性裂缝或局部滑移；对于一般的设有垃圾坝的填埋体，并没有明显的沿衬垫界面的整体滑移产生，而是发生贯穿性裂缝式失效；对于坡度很陡且固废降解程度较高的填埋堆体，则可能会发生由于坡脚侵蚀而诱发的从局部滑移转变成整体滑移的渐进滑移模式。基于分析结果，对Qian等双/三楔体极限平衡分析法进行了改进，将主动楔和被动楔界面改为堆体失稳滑移过程中的实际滑裂面，计算了临界水位时的稳定安全系数，得到的堆体安全系数更接近于1.0，接近于失稳状态。 4、改进了人工固废配制方法和改善了供水系统，针对高水位填埋场的动力响应及地震作用下的稳定性，进行了一系列离心机振动台试验。得到了堆体在不同水位下的加速度、孔压和沉降响应规律以及不同坡型堆体的地震响应。堆体内部及边坡处加速度响应均表现出明显的高程效应，加速度峰值随高程的增加而明显增大。较高水位下，堆体受震后局部发生加速度衰减的现象。不同水位高度下，堆体地震孔压响应差异较大，堆体内各点孔压变化差的绝对值与对应水头高度处的峰值加速度基本呈线性增长关系。堆体地震沉降主要表现为瞬时沉降，由于固废渗透系数高，孔压消散快，堆体很快完成重固结，震后沉降很小几乎可以忽略。堆体沉降主要在施震期间产生，震后快速趋于稳定。堆顶沉降随着震级的增大呈现出非线性增长的趋势。 5、针对不同坡型和水位高度的堆体地震响应的离心模型试验结果，分析了水位上升和地震及坡型的影响，研究了高水位填埋场地震失稳失效机制。堆体加速度放大系数先随着水位上升而增大，当水位达到一定高度后，加速度响应减弱，并随着水位上升而减小。随着水位的逐渐上升，地震作用下堆体内孔压变化值呈现出从正增长逐渐变化成负增长的趋势。堆顶沉降随着水位上升先减小后增大。水位较低时，堆体内固废颗粒表现为竖向向下的运动趋势，堆体整体密度增大，导致地震沉降量减小；而水位较高时，堆体内固废颗粒明显地侧向向坡外移动，由于受到边坡水平拉伸的影响，堆顶沉降量增大，且随着水位上升而增大。高水位下地震过后，首先在坡肩位置出现张拉裂缝，随后在堆体内高水位渗流作用下，向下延伸发展成贯穿性裂缝，地震作用下的高水位填埋场的破坏是贯穿性张拉裂缝和剪切破坏的联合破坏。地震作用会显著降低高水位填埋场的失稳水位，地震后堆体的开裂程度对堆体失稳起着重要的作用。地震发生的频次越高，堆体产生明显失稳滑移的水位越低，堆体坡度变陡会使得地震稳定性下降。 6、结合杭州天子岭填埋场工程和成都市固体废弃物卫生处置场增容工程，将第4章总结的典型失稳滑移模式及相应的基于实际滑移面的三楔体极限平衡分析法和第5、6章得到的堆体地震响应规律及失稳模式应用于堆体稳定分析及水位控制中。在填埋场变形允许范围内，利用固废变形发挥出的加筋硬化特性，可以使堆体稳定性得到一定程度的提高。基于堆体变形的稳定分析更能准确得把握堆体的稳定状况。 本文主要基于超重力离心模型试验，揭示了高水位填埋场在水位上升和地震作用下的失稳滑移机制，得到了相应的孔压及变形发展规律，提出了基于实际失稳滑移面的稳定分析方法。本文研究有助于提高对高水位填埋场地震响应的认识，为中国填埋场设计及稳定控制提供了科学依据，对填埋场稳定问题的研究具有理论和应用价值。

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