垃圾场施工开挖监测及数值模拟分析

罗正国

(江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007)

0 引言

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，城市垃圾的处理问题越来越被受到重视。通过开挖垃圾填埋场，进行垃圾的分类掩埋，让垃圾在自然条件下降解是一种经济有效的方法。但迄今为止，关于垃圾填埋场的开挖施工仍有许多问题。

首先，垃圾场开挖过程中的变形问题十分重要，它不仅关系到垃圾场开挖过程中的安全，而且还与垃圾场的后期使用息息相关。因为如果垃圾场变形不稳定，则在后期使用中容易产生局部不均匀变形而使得防渗层产生拉裂破坏，造成不可挽回的污染问题。其次，由于垃圾场开挖过程中的长期变形问题较为复杂，而且监测困难，对于垃圾场长期变形的监测数据较少。最后，垃圾场的土层参数对于开挖过程中的安全系数影响并不是十分清楚，不能很好地根据土层参数进行垃圾场开挖施工设计。

本文通过对某垃圾场开挖过程中的长期监测，得到了垃圾场的开挖变形特征，并基于此开挖实例，建立了数值分析模型，讨论了土层参数对于垃圾场开挖变形的影响。

1 现场监测

1.1 工程概况及监测方案

表1为开挖地区的土层物理力学参数表。由表1可以看出:该区域埋深0.8 m～5.4 m处分布有淤泥质土，土体力学和工程性质均较差，在开挖时容易造成较大的变形。这种软土地基开挖垃圾场在东南沿海地区较为常见，因此该垃圾场的开挖施工具有一定的代表性。

如图1所示为某垃圾填埋场的开挖以及监测仪器的埋设示意图。

1)垃圾场的整体开挖深度为3.0 m。

2)开挖方法为分层开挖，即每层开挖0.5 m的土体，开挖完毕后进行下一层的开挖。沉降板和测斜管在开挖前埋设进土体中，用以监测垃圾场开挖过程中的土体变形情况:

a.沉降板埋设至垃圾场开挖的顶部，对称埋设，共两块，用以监测开挖过程中垃圾场周围的沉降变形。在埋设沉降板时，先开挖至地表以下0.5 m处，人工整平，铺上砂垫层，然后再安放沉降板。

b.测斜管埋设在垃圾场开挖的坡脚以及坡顶处，各10 m，用以观测垃圾场开挖过程中的深层水平位移。但坡脚处的测斜管由于开挖的缘故，实际观测深度为6 m。在埋设时首先使用钻机钻孔至预定深度，然后再进行测斜管安置。在垃圾场开挖时每天要有专人进行巡视，防止开挖机械对测斜管造成破坏而导致数据缺失。

1.2 监测结果分析

图2为垃圾场开挖过程中的深层土层水平位移图。由图2可以看出:在垃圾场开挖深度较浅时，深层水平位移变化不大。但随着开挖深度的增加(开挖深度超过2 m时)，垃圾场的深层水平位移会突然增大，而后又趋于稳定。这说明在软土地基上进行垃圾场开挖，会有一个临界深度。当超过临界深度时，需要特别注意，因为此时垃圾场的变形将会增大，有可能引起深层滑动导致垃圾场的破坏。

表1 土层物理力学参数表

图3为垃圾场坡顶处沉降随开挖施工深度的变化图。由图3可以看出:坡顶土层沉降的变化规律与深层土层水平位移类似，即存在一个临界开挖深度，超过此深度之后，边坡顶部的沉降会有一个骤变过程。

2 数值分析

2.1 模型建立

由于岩土体性质的复杂性、多变性，仅依靠理论分析和经验估计很难准确预测垃圾场开挖施工过程中的变化，而数值模拟是一个很好的解决方法。由于垃圾场开挖的宽度较大，因此可以近似的认为是平面应变情况，利用Plaxis软件建立平面分析模型，如图4所示。数值模拟的土层参数由表1所提供的数值选取。按实际工况进行分层开挖模拟。模型采用三角形单元划分，共1348个单元，1459个节点。

2.2 模拟结果分析

图5为数值模拟结果与实测的坡顶沉降数据的对比图。由图5可知:数值模拟结果与监测数据较为吻合，证明了模型的正确性，据此可进一步分析土层参数对垃圾场变形的影响。

首先讨论垃圾场开挖时的变形特点。当垃圾场开挖结束时，开挖位移云图如图6所示。通过图6可以发现:垃圾场坡顶区域变形主要为下沉，而开挖区域变形主要为向上隆起。水平位移沿整个坡面都是向左发展，坡面中部出现一个最大值点，水平位移由坡顶向坡脚先增大，后减小。

在有限元模型中，采用强度折减法进行垃圾场开挖安全系数计算，分析了土层的摩擦角和粘聚力对于垃圾场安全系数的影响(见图7)。由图7可知:随着摩擦角和粘聚力的增加，垃圾场开挖的安全系数随之增大。需要注意的是，当摩擦角小于5°或者粘聚力小于5 kPa时，垃圾场边坡的安全系数小于1。因此针对软土地基的垃圾场开挖，需要重点注意土层参数的确定，当粘聚力和摩擦角过小时，需要重点注意，采取相应处理措施。

3 结语

本文对某垃圾场的开挖过程进行了长期监测，并建立了有限元分析模型，分析了垃圾场开挖过程的变形特征以及土层参数对于垃圾场安全系数的影响，得到以下结论:

1)软土地基的垃圾场开挖存在临界深度，超过此深度，垃圾场的开挖变形会骤然增大，在施工中需要加以注意。

2)垃圾场坡顶区域变形主要为下沉，而开挖区域变形主要为向上隆起。水平位移由坡顶向坡脚先增大，后减小。

3)随着土体摩擦角和粘聚力的增加，垃圾场的安全系数随之增大。

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