（岩土工程专业论文）城市废物堆填土的工程性质及稳定分析.pdf

王朝珲浙江大学博士学位论文 摘要 随着经济的迅猛发展，城市的废物产生量急剧增加，建立大型城市废物 填埋场是目前解决废弃物出路的主要途径。由于废物对环境产生严重的污染， 城市废物堆填土的工程性质和稳定性就成为人们日益关心的问题。至今为止， 由于城市废物堆填土组成与性质的复杂性和随时空的变化，国内外的学者对 这方面的研究还不成熟。而生态环境趋于恶化的严峻形势，对研究工作提出 了紧迫的要求。 结合杭州地区的实际情况，本文通过室内土工试验、原位测试和理论分 析三种途径，系统地研究了城市废物堆填土的工程性质及稳定性，将城市废 物堆填土与常见土的工程性质做了较全面地对比分析和探讨。在对城市废物 堆填士工程性质进行研究的基础上，根据土的塑性上限理论和极限平衡理论， 提出了多棱楔体空间滑动模式的坡体稳定分析模型，并对杭州天子岭废物填 埋场堆体的稳定性和扩容可行性进行了分析。 首先基于城市废物堆填土的化学和生物研究结果，对城市废物堆填土的 稳定过程进行了分析。通过对土的物理、力学、化学、生物等试验结果的分 析，得到城市废物堆填土基本成份的变化规律。 使用土工试验方法，对城市废物堆填土的基本性质指标进行了研究，包 括密度、含水量、有机质含量、比重、液塑限、渗透系数以及固结压缩等性 质指标。通过直剪试验和三轴试验，对土的力学性能开展了较为全面的研究 ：i 作，得到了强度参数指标，在试验基础上分析了土的本构关系。 采用静力触探和标准贯入试验，分析了城市废物堆填土的工程性质，并 与室内土工试验的研究结果进行了比较和探讨，初步提出了由勘测结果确定 废物堆填土工程性质的关系式。 在对城市废物堆填土工程性质开展研究的基础上，根据土的塑性上限理 论和极限平衡理论，初步提出了两个多棱楔体空间滑动坡体稳定分析模型。 对影响模型的有关参数以及模型的静动力稳定分析性能进行了探讨和分析。 根据论文提出的空间稳定分析模型，结合脏0 址伍程序及论文对土的工 程性质研究，对杭州天子岭废物处理总场的瘦物堆填士坡进行了静、动力稳 定性分析，并对场区的扩容可行性及其措施进行了探讨，提出了切实可行的 场区扩容方案。 关键词：城市废物堆填土，工程性质， 土坡稳定，扩容，多援楔体空闯滑萄模型 ，i ：塑竺些! 皇兰兰釜圭竺三登兰生垒垒苎坌堑 ! ! ! ! ! 旦 o nt h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s a n d s t a b i l i t y o f m u n i c i p a l w a s t el a n d 邱 m t l l t b c 即i dd e v e l o p m e n to f e c 0 删n y ，也e 锄伽呲o f 删n i c i p a l w a 咖i i l c r e a s c 8 呦1 翎d o u s l y0 忱o f 吐1 em o s s l l i 衄b l ew a y s t oo v e f 。o m e 协e 心d u b l c s o m ep u 锄s o fw a s t ei st 0c o n s l c tl a r g es c a l em 佃曲c i p 日1w a s t el 锄1 d 五n o d w l ) 6 e l d s i ti s b e u e b l e 衄t 0s 岫m eb a s i c 刚蛐肿a n ds t a b 嘶o f t b c w a s t e 】a 1 1 d f n l i s o f 徊哪i 1 i 删恸c e 抽m e 蚓口o f m e l 枷1 w 够t es 黜：d l e st a k e n 丘o mt i a n 五h mh a d m l 丘e l dj nh 锄擎h 0 1 1w e m r t mi n 也e c o r l v e n d o n a ls o i lt e s t si n c 蛐gd 讥= c td h e a r 觚d 伍，蛹a l 把吼s ，c o n ep e 聃删0 n t e s t ( c p l ) a n ds c 8 n d a r dp e n e t r 蜘0 nt c s t ( s p l ) 1 1 1 cs t r g m 缸衄a n d c 0 璐曲l t e e q u a t i o no f m s l i sd e r i _ v e d 衄n 也et e s t s 1 、v ot y p e so f m u l d a r r i s ew e d g es p a t i a ls l i p p i n gm o d e la 咒p r o p 0 d f o r1 h eg i a 】血 s e i s i i l i cs t a b i l i 够卸a l y s c s ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fu p p e r 妇血c dp l a s t i cs o i l ，皿d l i n l i te q u i l j 蜥u m n l e 硼l l e n c e 毓t o r so nt b cp r 鲥s i o na n dp c 舳撇f o r s 蛳c 。 s e i s r n j c s i o p eg 眺i 竭，o f 廿l em o d e ! a i ea n a b 嘴d a et l l e s 锄e 血n e ，ap m g r a m ， r o t a t i o n a le 删f b d 帅锄a l y s i s m l l h i l a y e de i i 妇l n l q n e 畦i ss e tu pt 0s t i l d yt h e s 锄c s e i s r n i cs t a b j l 酊a n dp m b 舢t yo fe i l l a r g i n gv o l u 黜f o rm w l 矗e l d i n n 鲫_ z i 叫f i i l a l l y ，ap r o b a b ks d l 钮l e o fe n l 啦m s l 矗e l di n 啊a n 五黜i sp r o p o s e d h t h i s 嗍埘s o m c 训1 l a b l e r e s i l l t sh a v e b e 饥d b 镒n e d ，砌c h m a yb e i l s e f i l l t 0 出ee n g i l l f i n g p r a c t i c e k e yw b r d s ：m u i l i c i p a l 哺铷k n d 删；c n 曲l c e r i n gp m l 删蹦出e s 扭砌t yo f s l o p c ； c i 】d a 瑁ev o h 圮；m u l 昏a r r i s cw 司g es p 砌s l i p p i n g m o d e l - n 王朝晖浙江走学博士学位论丈 第一章绪论 1 1 引言 随着社会的进步、经济的发展和人们生活水平的不断提高，城市废物 产量与日俱增。这些废物不但污染环境，破坏城市景观，还传播疾病，威 胁人类的健康和生命安全。治理城市废物已成为我国和世界各大城市面临 的重大环境问题。 随着世界各国对环保问题的越来越重视，许多大型的废弃物填埋场兴 建起来。为了满足环境保护和卫生方面的要求，对当天倾倒的废弃物必须 进行及时填埋。每天倾倒的废弃物及其覆盖填土混合形成了一种新的特殊 。它是一种组成与性质都非常特殊的复杂土，一般称之为垃圾土。目前， 岩土工程界对这种土还没有统一的专业名称。龚晓南( 1 9 9 7 ) 认为由大量 建筑垃圾、工业废料或生活垃圾组成，成分复杂，性质无规律的土称为“杂 填土”。这些废弃物堆填土的物理、化学成份十分复杂，并且受到当地的 经济发展水平、风俗习惯、气候条件和地质状况等多种因素的影响。一般 情况下，有机质的含量很高，伴随废弃物敞露时间或填埋时间的长短而发 生不同程度的物理、化学和生物降解反应。所以，它是不同于建筑废弃物、 矿产固体废物等杂填土。可以说，废物堆填土是一种名符其实的“复杂土”。 经济的快速发展提高了人们的生活水平，促进了人类社会文明的进 步。同时也产生了许多问题。越来越多的人口汇聚城市，使城市的人口数 量膨胀性地增长。另外，人均生活消费产生的垃圾废物量也急剧增加，造 成处理城市废物的任务越来越艰巨。随着材料工业技术的日趋成熟，废物 垃圾填埋体防渗的问题得到了较好的解决。废物填埋己成为城市废物处理 的主要方式。这就逐渐引起世界各国学者对城市废物堆填土工程性质和稳 定情况的重视，并成为环境岩土工程学科的主要内容之一。 1 2 环境土工学科的产生、发展和研究现状 1 2 1 环境土工学科的产生和发展 大约在本世纪7 0 年代，美国、欧洲核电工业垃圾废物的安全和纽约 i 。o v e 河的污染问题引起了人们极大的关注。岩土工程师们在处理这些问题 时起了重要的作用，促进了环境土工( e n v 加咖e n t a l g e o t e c h i l i c a i 1 王朝晖 第一章缝论 e n g i n e e r i n g 或g e o e n v i r o i l i i l e n t a le n g i i l e e 咖g ) 学科的诞生。 近二十多年来，随着科技和工业的发展，产生越来越多的废气、污水 和固体废物，这些废物对我们地球的生态环境的污染也越来越严重，环保 事业面临着日趋严峻的任务。曰益增长的环保要求加速了环境土工的发展 过程。以前，环境土工只是作为土木工程的一个小分支存在，现在已逐步 发展成为一个研究内容丰富的独立学科。世界上越来越多的大学将土木工 程系改为环境与土木工程系，有的大学已成立了环境工程系。究其原因主 要有j 一是由于严格的环保法规推动了环境土工的发展。如在1 9 8 0 年美 国颁布了一项环境保护及筹集资金的法规( c e r c l a ) ，使得几万名工程 师投入到环境土工的研究中；二是因为环境污染的复杂性，使得岩土工程 师逐渐在环保工程中占据了主导地位。 1 9 9 5 年2 月，美国的第一届环境土工会议在新奥尔良( n e w0 r l e a n s ) 举行。该届会议是由美国土木工程师协会的岩土和环境工程部以及自然科 学基金会( a s c eg e o t e c h l l i c a la n de n v i r o n m e n t a ll 姆n e e r i n gd i 、，i s o i l sa n d n a t i o n a ls c i c n c ef o l l i l d 撕o n ) 主办，会议的主要议题是“2 0 0 0 年环境土工” ( g e o e n v 的姗e n t2 0 0 0 ) 。由此可见，未来2 l 世纪将是环境土工蓬勃发展 的世纪。 1 2 2 国外环境土工学科的研究现状 为了全球可持续发展的需要，世界上一些发达国家已率先实行固体废 物填埋的集中化管理。填埋后形成大面积的城市废物堆体，经过严格的防 渗、防漏等措施密闭处理，可以重新利用上部空间，建成绿色公园、种植 经济树木或建造工厂等构筑物。因此，城市废物堆填土的工程性质和稳定 性就成为人们日益关心的问题。 到目前为止，世界上已有许多学者致力于废物填埋场方面的研究工 作。早在1 9 6 8 年，s o w e r sg f 就对填埋场基础的有关问题做了详细的讨 论。之后r o v e r sf a 等( 1 9 7 3 ) 、o w e i s i s ( 1 9 9 0 ) 、m c d o u g a l l 等( 1 9 9 6 ) 、 m 0 0 y 0 u i l g 等r 1 9 9 7 ) 在填埋体淋滤液的渗透性质及其防渗等方面做了一 些研究工作。w a l s hj j 和弛n r n a nr n ( 1 9 8 1 ) 对城市废弃物填埋体的气 体排放进行了研究。b j a m g a r dab 和e d g e r sl ( 1 9 9 0 ) 还对城市固体废物 填埋体的沉降问题做了探讨和分析。1 9 9 5 年，k a v a z a i l i 醇a n ssj r 等人对城 市废弃物的地震作用进行了研究。 至今为止，在城市固体废物的工程性质和稳定性方面所做的工作并不 2 王朝晖 浙江大学博士学位论文 多。钱学德( 1 9 9 8 ) 曾在城市固体废物工程性质的研究领域做了一些有意 义的工作。针对美国、加拿大城市废弃物的工程性质进行了详细地研究， 包括密度、含水量、孔隙率、透水性、持水率以及抗剪强度和压缩性等内 容。m c h a r d s o n ，g n ，和r e ”o l d s ，r 一曾对1 9 8 9 年美国迈阿密的一座填埋 场事故进行了分析和研究。这是一座5 1 0 6 m 3 的大型商业性废物填埋场， 事故发生在8 月中旬。滑坡面积达到4 1 0 4 m 2 ，破坏后产生巨大的垂直裂 缝，形成0 9 m 的陡坡，给周围环境造成了污染。确c l l a r d s o n ，g n 和r e y n 0 1 d s ， r t 还讨论了填埋场设计与建设中的有关问题。 由于城市废物堆填土组成与性质的复杂性，至今为止，国外学者对这 ：亏面的研究还不成熟。基本处于探索阶段。 1 2 3 中国环境土工的发展及现状 和国外发达国家相比，中国在城市废物填埋堆体方面的研究工作起步 比较迟。但是，目前我国城市废物填埋处理也已面临着严峻的形势。1 9 9 3 年，中国工业固体废物的产量约为6 2 亿吨，工业固体废物的排放量为o 2 亿吨，工业固体废物的历年堆存量达5 9 7 亿吨。其中，危险废物约占整个 工业固体废物的5 左右。我国政府对此已经引起了足够的重视。国务院 自1 9 8 5 年先后颁布了几十个环保法规，各省市也颁布了相应的条例。1 9 9 5 ：年l o 月，我国颁布了“中华人民共和国固体废物污染防治法”，健全依法 管理体系。例如，1 9 8 8 年城市综合整治定量考核，把固体泼物处置和综合 刊用作为考核的五个内容之一。自1 9 9 1 年起，在北京、天津、上海等1 7 个试点城市1 0 6 8 8 个企业实行固体废物产量申报登记制度。 目前处理废物垃圾的主要方法有堆肥、焚烧和填埋。堆肥处理量少， 易污染地下水。焚烧的一次性投资大，处理量少，需对设备经常进行维修。 而废物垃圾填埋处理量大，投资少，并且是最终的处置方法。所班，废物 填埋法成为目前处理城市废物的重点发展方向。例如，到1 9 9 6 年香港只 剩1 f 葵涌焚烧厂一台焚烧机( 原有四台) ，到现在按计划也己关闭。据有 关资料，2 0 l o 年全国8 5 的垃圾将需要进行填埋处理。至今为止，我国的 托京、上海、广州、深圳、杭州、成都、佛山、汕头和湛江等十多个城市 都已建成了卫生填埋场。填埋法将是我国城镇今后相当长时期内生活垃圾 处理的重要方法之一。 我国已有不少学者在填埋场的有关方面做了大量的研究工作。邱汉学 1 王朝晖 第一章绪论 ( 1 9 9 7 ) 对填埋场的选址问题进行了研究。檀中文等( 1 9 9 6 ) 通过对上海 浦东区垃圾堆放场地的研究，对场地的环境问题处置方法及场地勘察设计 方法以及场地适应性做了分析。马三剑等( 1 9 9 6 ) 对填埋场导气井的设计 及建设进行了细致她讨论。张明星( 1 9 9 7 ) 、顾建良( 1 9 9 7 ) 等人还在垃 圾填埋的废气收集、排放以及污水处理等方面进行了一些有意义的研究工 作。陈海滨等( 1 9 9 6 ) 对垃圾填埋场设计中垃圾密度取值问题进行了研究。 卢成洪和徐迪民( 1 9 9 6 ) 、袁维芳和汤克敏( 1 9 9 7 ) 、张虎元( 1 9 9 1 ) 讨论 了垃圾填埋淋滤液浸出量的有关问题。郑雅杰( 1 9 9 7 ) 分析了我国城市垃 圾淋滤液量的预测与污染防治问题。申秀英等( 1 9 9 5 ) 探讨了垃圾填埋淋 滤液的活性污泥法处理。杨琦等( 1 9 9 7 ) 研究了填埋场中微生物种群和数 量与垃圾降解的关系。然而，在城市废物堆填土的工程性质和稳定分析方 面的研究领域还基本处于空白。 据有关专家粗略估计，全国卫生填埋场所需的土地面积至少为几千万 平方米以上( 朱青山，1 9 9 6 ) 。这些填埋场大多建设在城市近郊，很有利 用的价值。如何对废旧填埋场再利用成了人们关心的问题。废旧填埋场的 再利用包括两个方面，一是在原有的老填埋场上继续填埋生活垃圾，从而 节省建设新填埋场所需的大量资金；二是对已稳定填埋场进行安全处理 后，用于修建公园、种植经济树木或建造构筑物等。 另外，我国山地众多，山地和山区面积占国土面积的7 0 以上。许多 城市废物填埋场是山谷型的。填埋场的稳定问题尤其重要，一旦发生失稳 破坏，后果将不堪设想，进行补救很困难，往往耗费巨资。目前，卫生填 埋场处理垃圾的技术还不够完善，全国每年都发生多起固体废物污染的事 故，随之引起的环境纠纷也时有发生。其中，填埋场的稳定也是个重要 的问题。 以上这些情况都对废物堆填土工程性质和稳定性方面的研究工作提出 了迫切的要求。 1 3 边坡稳定理论的发展及研究现状 边坡稳定性分析一直是土木工程中的重要研究课题。在岩土工程或土 木工程领域占据相当重要的地位。多年来，许多学者致力于这方面的工作， 边坡稳定分析理论具有十分丰富的内容。 1 3 1 条分法 王朝晖 浙江大学博士学位论文 条分法是边坡稳定分析理论中重要的内容。力学模型简单，可以对边 坡进行定量的稳定性评价，已被工程人员广泛地采用。 1 9 1 6 年瑞典人彼德森最早提出了条分法。假定土坡稳定问题是平面应 变问题，并对圆柱形滑裂面以上的土体划分垂直条块，计算中不考虑土条 问的作用力。定义安全系数为滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。之 后，f e l l e n j l l s ( 1 9 3 6 ) 、b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 、m o r g e i l s t c m 和p r i c e ( 1 9 5 5 ) 、j a l l b u ( 1 9 7 3 ) 等许多学者对条分法进行了改进。其中，b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 重新定义安全系数 为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生剪应力的比值，使得物理意义更明 确。为了将坡体稳定分析中的超静定问题转化为静定问题，些学者尝试 将条块间的作用力做了人为假定。例如b i s h o p ( 1 9 5 5 ) 假定土条左右面上 的剪力相互抵消；m o r g c s t e m 和p r i c e ( 1 9 5 5 ) 假定了条分面上剪力和水 平推力比值的函数关系f ( x ) ，并认为在垂直面上的应力分布不应破坏屈服 条件并且保证士条接触面上不产生拉应力；j a n b u ( 1 9 7 3 ) 假定了推力线的 位置。 经过长期工程实践，条分法已成为进行边坡稳定分析的主要方法。同 时，也是一个非常活跃的研究对象，不断有学者对其进行完善和补充。例 如，杨庚字( 1 9 9 5 ) 曾对条分法的解析计算问题进行了探讨。陆亦庄( 1 9 9 7 ) 通过大量的计算，用瑞典法求了简单条件下铁路路基粘性土边坡最危险圆 弧圆心的轨迹线，并探讨了土的物理力学性质与轨迹线的关系。 条分法也存在一些问题。所作的人为假定的合理性直接影响到稳定分 析的准确性。针对这种情况，张雄( 1 9 9 4 ) 不对条块间内：匀作任何假定。 ，刊用极限分析的方法，使用摄优化技术直接调节条块问及滑裂面间的内 力，使得对给定的滑裂面安全系数取最大值，对多个不同的滑裂面寻求使 安全系数为最小的临界滑裂面，使采用的条分法模型更加合理。 合理地确定临界滑裂面也是提高条分法准确性的关键。当滑动面形状 任意时，确定临界滑动面的位置存在很大的困难。由于介质和状态方程的 复杂性，滑动面位置决定的安全系数泛函不仅具有多重极值有时还不连 续。秦鸣( 1 9 9 6 ) 将条分法中安全系数表示为滑动圆弧圆心坐标的函数， 结合边界约束条件，采用优化方法得到具有最小安全系数的圆心。 朱大勇( 1 9 9 7 ) 认为临界滑动场是边坡在临界状态下边坡体内无数条 互不相交的危险滑动面组成的剩余推力极值曲线场。这些滑动面的形状不 受任何数学限制，而临界滑动面是其中的一条，是理论解的数值逼近。根 王朝晖 第一章绪论 据最优控制理论提出了边坡临界滑动场的概念和模拟临界滑动场的数值方 法。定义土坡的安全系数为： 考虑了条块间水平力的平衡，建立水平力的关系式： e 。= e 。+ 足。彬+ 眵留a 一【c ，6 ，+ 眠一虬6 ，k 识】s e c 2 口，眨+ 培a 培纪) ( i 2 ) 式中符号意义见图1 1 示。 该方法不需要初始滑动面，可以快速、方便地定出边坡临界滑动面位 嚣，能避开局部极值问题，比单一的临界滑动面更能反映边坡或局部的稳 定性，可将所有可能危险滑动范围同时显示出来。 伊k 图1 1 条块划分及力学分析 n 以上条分法是将滑动土体垂直划分条块，这种方法不易考虑实际失稳 的形式。s a 咖a ( 1 9 7 9 ) 将滑楔法进行推广，考虑运动学要求，对滑坡体 进行斜条分，设条块间侧面达到极限平衡状态，对可能的多楔体破坏机构 进行力学分析，采用逐次迭代试算出临界状态稳定指标。e n o k i 与y a 百等 ( 1 9 9 0 ) 在滑楔闻界面上引入了局部强度发挥度，运用滑块离散格式提出 了广义极限平衡法。陈祖煜( 1 9 9 4 ) 与d o n a i d 合作建立了多楔体滑动机 构可能速度场的微分依存关系，从极限分析上限定理出发推导了稳定安全 系数计算公式，通过数学规划法求得最小上限解答。这些方法一般仅考虑 力的平衡条件，对于转动失稳的土体，必须增加楔体数目才能比较逼近解 王朝晖 浙江大学博士学位论丈 答的真实性。栾茂田等( 1 9 9 5 ) 对处于滑动与转动两种不同失稳模式的楔 体，分别按力平衡、力矩平衡条件通过演绎递推建立了多楔体系统的目标 函数，通过优化法或试算法寻求土体内极限状态及其稳定安全系数。 1 3 2 有限元法 由于条分法不能考虑坡体中的应力应变状态，目前，已有许多学者采 用有限元法来分析坡体稳定问题。 在有限元法稳定分析中，确定圆形临界面不是困难问题，通常采用对 称地改变圆心和变化半径长度找到临界滑面。选用不同的初始点、搜索方 法，都可以找到临界滑面。而对于寻找非圆形滑面的技术却比较复杂。国 内外的一些学者在这方面做了许多有意义的工作。b o u 臼p 和l o v e l l ( 1 9 8 0 ) 以及s i e g e l e ta l ( 1 9 8 1 ) ，随机生成许多潜在滑裂面，从这些滑裂面中找出具 有最小安全系数的滑面，即l | 益界滑动面。b a l ( e r ( 1 9 8 0 ) 根据s p c n c e r s 法， 采用动态耦合技术寻找临界滑动面。c e l e s n n o 和d u n c a i l ( 1 9 8 1 ) 提出一 种新方法，沿某一方向移动，算出与之相应的滑动面，直到找出最危险的 非圆形滑动面。n g u y e n ( 1 9 8 5 ) 则将优化技术引入进来。d o n a i d 和g i 锄 ( 1 9 8 8 ) 通过计算结点的位移来研究坡体的稳定，可以自动搜索出临界滑 面。张孟喜等( 1 9 9 1 ) 还提出了有限元追踪法。鼬m ，j y ：和l e e ，s r ( 1 9 9 7 ) 采用有限元法进行坡体稳定分析，提出了一种寻找临界滑动面和定义安全 系数的方法。首先考虑了应力历史和土体的参数特征，然后从圆弧滑面开 始搜索非圆形滑裂面。 陈庆中( 1 9 9 7 ) 结合有限元法、极限平衡理论和常微分方程的数值解 法等，提出用于直接寻找滑裂面的滑移线数值分析方法。该方法首先分析 滑裂面的特征，建立相应方程，用有限元法分析最终应力分布状态的形成 过程，并分析破坏区域的发展情况，由此确定滑裂面上某一特殊点的位置， 作为求解一阶常微分方程的初值条件，根据最终应力分布状态，用数值解 法求解方程，从而确定滑裂面的位置。相对于土坡稳定分析的条分法，这 是一种直接求解的方法，不需要对滑裂面的形状和位置作任何假定，可节 省大量的计算工作量。 另外，d u n c a i l 和d u n l o p ( 1 9 6 9 ) 还采用有限元法模拟开挖过程的坡 体稳定情况，并分析了横向土压力对稳定的影响程度。1 9 7 0 年，他们探讨 了将其推广应用于双曲线形应力应变土体稳定分析的阀题上。 7 王朝晖第一章绪论 1 3 3 其它稳定分析方法 、最小安全系数法 b i s h o d ( 1 9 5 2 ) 和h v o r s l e v ( 1 9 6 7 ) 在稳定研究中发现临界滑移面上 的安全系数并不是一个常数，评价土坡稳定采用的是滑裂面上安全系数的 平均值。因此，其计算结果在某种程度上，不尽科学合理。h 咖g e ta 1 ( 1 9 8 9 、 1 9 9 2 ) 针对产生坡体首先产生局部破坏的情况，开始尝试用表征局部破坏 的最小安全系数法来确定临界滑动面。s c o t tl ih 咖g ( 1 9 9 3 ) 等人在最小 安全系数法的基础上进行了有限元稳定分析。程序分析中土体满足 d n l c k e r - p m g e r 非线性应力一应变关系和m o b r c d i l l o m b 破坏准则，单元为 四结点四边形单元。计算得到的安全系数与b i s h o p 法、s 锄a 法基本一致。 最后，确定滑裂面的位置与b i s h o p 法、s a m l a 法略有偏差。 二、模糊数学及可靠度理论稳定分析法 由于模糊数学分析考虑了客观模糊因素的影响及事物发生本质变化的 中介过度过程，可以更好地体现出客观事物的固有特征和本来的模糊属 性。近几年来，越来越多的学者开始对模糊数学理论稳定分析进行了研究 工作。 李文秀( 1 9 9 6 ) 根据模糊测度理论，针对实际边坡工程问题，建立了 具有较普遍意义的理论分析模型，给出了数值求解方法。采用模糊测度理 论分析模型，可定量地给出破坏程度的范围，从而对边坡总体稳定性进行 评价。程心恕( 1 9 9 7 ) 采用模糊数学来分析土体渗流破坏，探讨了土坡渗 透稳定可靠度分析的随机模糊法。刘端伶( 1 9 9 9 ) 采用f u z z y 数学方法 充分考虑工程实际经验，建立了f l l z z y 综合评判模型。根据不同的稳定状 态，将边坡划分为五个等级；综合分析影响边坡稳定的各种作用因素，根 据它们作用程度的不同，赋予不同的权值；采用二级综合评判，使评判结 果更符合实际。选择1 5 个主要的作用因素。采用岭形隶属函数，构造了 边坡总坡度、内摩擦角、粘聚力、日最大降雨量、最大地震烈度等因素的 隶属度函数。 从另一个角度看，目前在工程中常用的稳定分析方法均为定值分析 法。这种方法经过长期工程实践证明是一种有效的分析方法，但是最大的 缺点就是没有考虑实际存在的不确定性影响。这就导致了有的土坡按定值 法算出安全系数是足够的，实际却发生了滑动。有许多学者开始将可靠度 理论引入到坡体稳定分析问题中。例如，姚耀武( 】9 9 4 ) 基于可靠度理论 8 一 王朝晖 浙主大学博士学住论文 的土坡稳定分析方法，建立了可靠度分析的极限状态方程： 修正的f e l l e n i u s 法极限状态方程： g ( x ) = 融s e c p + 慨一y 。k hc o s 只增列一s m 只+ e 彬q r ) ( 1 3 ) 简化b i s h o p 法极限状态方程 小) = 喜等糍一喜血盹他) ( 1 4 ) 并与j c 法可靠度分析程序结合，考虑了c 、妒、烤随机变量的非正 态分布及具有相关关系和有截尾要求的实际工程问题。可靠度理论的引入 可以考虑实际工程中存在不确定性的影响，使坡体稳定分析更加全面地反 映客观情况。 还有的学者利用人工智能方法进行坡体稳定的分析。袁宝远等( 1 9 9 9 ) 提出了边坡稳定的先兆分析系统。先兆分析系统与通常的专家系统有相似 之处，都是利用专家的经验进行分析评价。更加注重对当地经验的总结， 经验判据可以随时修改，是一种动态分析方法。具有测点、项目和边坡整 体先兆分析等功能。 在坡体稳定分析法中一个重要的内容就是极限分析理论。其中，以潘 家铮( 1 9 8 0 ) 提出的极大极小值原理最具有影响。他认为在不同的滑面中， 具有最小安全系数的滑裂面是真实的滑裂面；对于某一给定的滑裂面，滑 裂丽可以自行调整静力容许应力场，发挥最大的抗滑能力。后来，一些学 者进一步做了许多工作。例如，陈庆中( 1 9 9 7 ) 结台有限元法、极限平衡 理论和常微分方程的数值解法等，提出用于直接寻找滑裂面的滑移线数值 分析方法。门玉明( 1 9 9 6 ) 根据极限分析法，分析了具有折线形式滑动面 的坡体稳定问题。 还有的学者在软粘土坡体稳定分析中考虑了固结和非饱和状态的影 响。例如，廖秋春( 1 9 9 6 ) 根据太沙基公式推导了饱和软粘土地基排水固 结法土坡稳定分析的公式，如下： 9 王朝晖 第一章绪论 片 一生尘兰茎生：竺竺竺i b c 慨+ ) fs i n q + k ，s i n q 口 ，7 。( c 2 ，+ 玎纬二，c o s 口i 辔p 2 ) + 下上，一 ( 1 5 ) bc u ， ( 彤+ ) s i n 口。+ 。s i n 口 廖秋春采用有效应力法计算地基在填土前的抗剪强度，认为饱和软粘 f 地基在填土前地基中可能已存在孔隙水压力，因而在土坡稳定分析中， 地基土自重产生的抗滑力与地基固结度有关。 常规土坡稳定分析方法无法考虑水分入渗或蒸发的影响。陈守义 ( 1 9 9 7 ) 运用非饱和土壤水分运动问题的研究方法，求解给定入渗和蒸发 边界条件的斜坡上体瞬间含水率分布。假定非饱和土抗剪强度与饱和度之 间存在以下函数关系： 一吨一l ) ( 嚣r e ， ，地_ ) ( 将“ 警) ( 1 _ 7 ) 陟龇慨嘲；) ( 糟r s ， 式中f 。一土饱和时抗剪强度； f 0 一某已知含水率吼对应的抗剪强度； 口一饱和含水率： a ，b 一土性参数，试验曲线求得。 据此将瞬态含水率分布换算为斜坡土体瞬态抗剪强度参数分布，然后 使用常规土坡稳定分析方法计算土体瞬态安全系数。 由了二近地表浅层土多为非饱和粘性土，雨水入渗使土体饱和度增加， 吸力锐减并引起抗剪强度大幅下降。还可以引起地下水位上升或在相对隔 王朝晖 浙江大学博士学位论文 水层以上出现暂时性地下水。常常出现因持续降雨超过某种程度时，土坡 产生失稳的现象。陈守义( 1 9 9 7 ) 提出的稳定分析方法可以较好地解决这 一问题。 另外，还育许多学者对坡体动力稳定分析做了大量工作。例如， w 加n a l l j 等人( 1 9 9 8 ) 采用振动台试验对土坡动力稳定做了研究。研究 中发现测定的变形介于峰值强度和残余强度二者计算结果之间。在强烈的 振动后，实际试验中坡体的变形时间大于计算的结果。认为坡体表面位移 是坡体发生剪切滑移和块体受力变形的结果。还有的学者把现有的稳定分 析方法推广到加筋土坡的稳定分析中。例如赵有全( 1 9 9 6 ) 采用对数螺线 法、简化b i s h o p 法、s p e n c e r 法和力平衡法对加筋土坡进行了稳定分析。 z o m b e r g ，j g ( 1 9 9 8 ) 基于加筋坡体离心模型试验的研究，采用极限平衡 法对加筋坡体的稳定进行了分析。 g i g e r 和k r i z e k ( 1 9 7 5 ，1 9 7 6 ) 、l 锄b e 和w h i n n 姐( 1 9 6 9 ) 、b a l i 9 1 1 和 a z z 0 1 面1 9 7 5 ) 、a 皿o u z 和b a l i g l l ( 1 9 7 6 ，1 9 7 8 ，1 9 8 3 ) 、a z z o l l z ( 1 9 8 1 ) 、 u g a i ( 1 9 8 5 ) 、h b v l a n d ( 1 9 7 7 ) 、c h e n 和c h 锄e a l l ( 1 9 8 3 ) 、a n a g o s t i ( 1 9 6 9 ) 、 k d p a c s y ( 1 9 5 7 ) 以及l e s h c h 心k y ( 1 9 8 5 ，1 9 9 2 ) 等人先后提出了各自的三维稳 定分析方法。其中，以l e s h c h i n s k “1 9 9 2 ) 提出的三维坡体稳定分析理论为 代表，发展德相对比较成熟。假定坡体的空间滑动面是对称的，土体满足 力和力矩的平衡方程，通过求解功能函数g 的最小值来获得c 。k e i z ou g a i 和d o vl e s h c h i n s k y ( 1 9 9 5 ) 通过三维有限元法对比分析了极限平衡法假定 滑裂面与有限元计算结果的关系。 上述三维稳定分析的方法都有其各自的简化假定，也存在一些不足。 各种分析方法的原理都比较复杂，计算量大，并且一些方法只适用于粘土， 还有的模型中参数难以获得，在工程实践中应用受到一定的限制。 几十年来，经过人们的不断努力，土坡稳定理论得到了不断地丰富和 发展。但是，由于目前环境土工学科的发展还不成熟，城市废物堆填土的 性质又是非常复杂，使得在废物堆填坡体稳定分析方面已做的研究工作很 少。s e e d n b ( 1 9 9 0 ) 等人曾对k e t 蛆e m a n 珏l l s 废物填埋场的失稳进行分 析，并做了模型试验。发现产生滑坡破坏的原因是由于密封层存在软弱面。 而这与我国的具体情况迥然不同。由于我们国家经济发展水平的限制，垃 圾填埋场还不具备推广使用这些土工织物的经济条件。 环境土工这门新兴学科的稳定分析研究领域刚刚起步。生态环境日益 王朝晖 第一章绪论 瑟化的严峻形势，对我们的工作提出了紧迫的要求。 1 4 本文的主要工作 城市废物堆填土的工程性质及稳定分析已成为世界各国土木工程领域 的热点研究内容。废物堆填士不同于一般常见土，具有成份复杂和性能随 时间动态变化的特性，人们对城市废物堆填土的工程性质还没有比较清楚 的认识。这些问题导致不能对填埋场进行科学的设计，并直接影响废物填 埋场的使用年限，危及废物填埋场的稳定，构成对环境污染的潜在威胁。 现已有学者从环境科学的角度研究了废物填埋场的稳定情况。例如， 朱青山( 1 9 9 6 ) 研究了添加物对填埋场稳定化时间的影响。在岩土工程领 域中这方面的研究工作刚刚起步，没有土工规范对此进行专门的论述。本 文对此展开以下工作： ( 1 ) 结合对城市废物堆填土的化学、生物研究，采用土工试验的方 法对城市废物堆填土的成份变化进行分析，获得城市废物堆填土的组成情 况。借攀常见士的室内土工试验方法，对城市废物堆填土的密度、含水量、 有机质含量、液塑限、比重和渗透系数等基本性质指标进行研究，以期为 将来进一步的研究工作提供资料。 ( 2 ) 对城市废物堆填土的压缩性能进行一维压缩土工试验分析，研 究城市废物堆填土的压缩变形性质。通过直剪试验和三轴试验，获得强度 参数指标，探讨城市废物堆填土的力学特性，分析填埋深度、填埋时间、 含水量等因素对堆填土力学性能的影响，研究城市废物堆填土的本构关 系。 ( 3 ) 利用原位测试手段来研究城市废物堆填土的土工力学特性，并 与室内土工试验进行比较分析，对城市废物堆填土的工程性质作出较全 面、客观地评价。同时，探索静力触探和标准贯入试验用于城市废物堆填 土性质分析的方法和评价标准。 ( 4 ) 在城市废物堆填土工程性质研究的基础上，提出适用于城市废 物堆填土坡体稳定分析的空间模型，并对废物堆填土坡体的静、动力稳定 进行讨论。 ( 5 ) 在对城市废物堆填土工程性质进行研究的基础上，采用提出的 模型以及r e a m e 程序对杭州天子岭废物处理场的稳定性进行分析，并对 场区扩容的可行性与安全性进行探讨，提出可行的扩容措施。 1 2 王朝晖 浙江大学博士学位论文l9 9 9 卑s 月 _ m - _ _ _ _ 一_ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ - - _ - - _ _ _ 一 第二章城市废物堆填土基本性质的试验研究 2 1 概述 城市废物堆填土是由垃圾和分层覆盖粘土层组成。它的组成很复杂， 受到当地的经济发展水平、民俗习惯、气候条件和地质状况等多种因素的 影响，物理、化学成份十分复杂。由于具有含量很高的有机质，在不同的 环境条件下，随填埋时间发生不同程度的物理、化学变化和生化反应，所 以，它不同于建筑废弃物、矿产固体废物以及其它常见的土类，而是城市 废物、土与生括垃圾的复合堆积，其性状十分复杂。本章从城市废物堆填 ：匕的物理、化学及生物成份分析、土工基本性质的研究、固结压缩指标的 确定等方面研究废物堆填土的性质。 城市废物堆填土的成份复杂是导致其工程性质复杂的主要原因，对废 物堆填土的成份分析是进行其它工程性质研究的前提和基础。杭州天子岭 废弃物处理总场采用卫生填埋方式处理垃圾，自1 9 9 1 年6 月正式使用以 来，共处理垃圾3 5 6 9 1 万吨( 到1 9 9 8 年1 1 月3 0 日为止) 。形成的废物堆 填土具有一定的代表性，本项研究以杭州天子岭填埋场的废物堆填土作为 研究对象，成份试验分两次取样进行。重塑土试样取于杭州天子岭垃圾填 埋场的+ 1 0 2 5 m 平台和+ 9 0 m 平台，用塑料袋包装：原状废物堆填土的取 样地点分别为+ 1 0 2 5 m 、+ 9 0 m 和+ 7 7 5 m 平台，采用岩土工程勘察中的采 样简装样，蜡封保水。 2 2 1 表观分析 外观来看，废物堆填土的组成“颗粒”极不均匀，多为塑料袋、碎玻 璃、废弃金属和陶瓷等杂物，并且散发强烈的恶臭。浅部取样为深灰色， 含水量较大，呈半塑性状态，不时流出深黑色液体，即浸出液或淋滤液； 深部废物堆填土为黑色半固态物。试样在+ 6 0 左右，经2 4 小时彻底烘干 后，呈灰色；在+ 5 5 0 左右高温灼烧l 小时后，外露触氧部分呈黄色，内 一1 3 二：! ! 竺 墨三兰苎主皇竺兰壅圭苎查兰堕竺苎苎曼垄! ! ! ! ! 生 部则烧成黑色碳质( 图2 1 ) 。 图2 1废物堆填土的表面形态( 实物照片) 2 2 2 物理组成 由于城市废物堆填土内有机质的降解作用，有的易腐成份已经开始腐 烂。在填埋时间比较长的废物堆填土中，厨余垃圾、纸类、树叶以及部分 织品不易分辨。为便于比较分析，采用人工分选法把城市废物堆填土的物 理成份划分为有机质、无机质、塑料和杂物等，其中杂物包括玻璃、金属 和陶瓷等体积较大的块体。 在+ 1 0 2 5 m 、+ 9 0 m 和+ 7 7 5 m 平台各钻孔两个，共取样3 0 个。对各 试样中每种成份的所占比例进行统计分析( 图2 2 ) 。四种主要的成份中无 机质所占的比重最大，并且有一定的波动，含量大体在5 1 0 0 之间：其 次为塑料，由于塑料的性质比较稳定，几乎不发生分解反应，因此，各试 样中塑料的含量相差不大( 除有试样中含量高达8 4 外) ，含量保持在 o 2 0 的范围内：有机质和杂物的含量亦在o 2 0 之间，但大多数试样中 的含量在1 0 以下。一般情况下，杂物的尺寸较大，而取样数量有限，致 使有时杂物的含量分析为0 。 王朝晖 浙江走擘博士学住论文 1 0 0 ： 8 0 一6 0 嘲4 0 缸2 0 0 一 掌 一 捌 缸 试样 ( a ) 废物堆填土中无机质的含量分布 一 孚 一 岫 缸 ( b ) 废物堆填土中有机质的含量分布 一 术 一 捌 缸 ( c ) 废物堆填土中塑料的含量分布 ( d ) 废物堆填土中杂物的含量分布 图2 2 废物堆填土中主要成份的分布图 一经济发展水平对废物堆填土组成的影响 城市废物堆填土由垃圾和分层填埋覆盖用的粘土层构成，其中垃圾的 组成情况决定了废物堆填土的成份。不同年份、不同时期垃圾的构成也不 尽相同。对一段历史时期以来杭州垃圾的组成进行统计调查，结果见表2 1 示。为了便于比较，垃圾分选为易腐垃圾、无机物和杂物，其中易腐垃圾 又分为动物性和植物性，杂物分为纸、布、塑料、金属、玻璃、竹木。 改革开放以后，社会发展速度加快，人们的生活水平逐步提高。分析 表2 1 可以得出，从1 9 8 4 年到1 9 9 8 年的1 5 年中，随着人们生活水平的提 高，垃圾中易腐物和杂物的含量越来越高，而无机物的含量却越来越少， 垃圾的密度也逐渐下降。这些对于废物堆填土体的土工性质是不利的。因 此，经济发展水平的提高对填埋作业方式提出了更高的要求，其中包括填 埋机械、压实方式以及淋滤液的处理等内容。 1 5 王朝晖 第二章城市废物堆填土基本性质的试验研究 表2 1 1 9 8 4 年1 9 9 8 年杭州市生活垃圾成份调查表( ) 时间易腐垃圾无机杂物 动物植物物纸 布 塑料金属 玻璃 竹木合计 1 9 8 4 o 2 83 9 9 95 65 70 7 8o 6 5o 3 30 4 70 1 3 5o 5 83 1 6 1 9 8 5o 2 73 38 26 3 9 l0 5 40 3 90 2 50 2 50 2 6o 3 l2 1 9 8 6o 8 33 8 4 45 6 51 0 9o 80 6 2 0 3 80 9 1 0 4 34 2 3 1 9 8 7o 8 74 3 5 25 0 6 91 0 80 9 80 7 3o 4 61 1 2o 4 6 4 9 2 1 9 8 8o 9 34