高密度聚乙烯土工膜对分层垃...体渐进滑移的稳定性影响分析_夏雄.pdf

86高密度聚乙烯土工膜对分层垃圾填埋体渐进滑移的稳定性影响分析*夏雄1谢献锟1高兆国2仇宏勇1（1.常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；2.江苏佰拓建设有限公司，江苏 常州 213164）摘要对不同填埋龄期的MSW和不同类型HDPE 土工膜进行土-膜界面剪切试验，再结合数值模拟方法，分析不同类型 HDPE 土工膜对分层 MSW 填埋体渐进破坏的稳定性影响。结果表明，随着填埋龄期的增加，土-膜界面粘聚力呈现出总体下降的趋势，而土-膜界面内摩擦角呈现出总体上升的趋势；填埋体边坡呈现出推移式逐层级渐进破坏的滑坡特征，HDPE覆盖层起到了延缓上层滑移面的贯通，并阻断下方填埋体滑裂带形成的作用；布设 HDPE 土工膜能显著增强填埋体在填埋中期的整体稳定性。此外，柱点类型 HDPE土工膜具有更高的土-膜界面抗剪强度，减小填埋体滑移破坏的影响效果更好。研究结果为 HDPE 土工膜作为中间覆盖层的选用，提供试验依据和可靠的模拟理论分析。关键词HDPE 土工膜土-膜界面剪切滑移填埋龄期安全系数Stability analysis of high-density polyethylene geomembrane on gradual slip of layered landfill bodiesXIA Xiong1XIE Xiankun1GAO Zhaoguo2QIU Hongyong1（1.School of Environmental and Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164,China）AbstractIn this study，soil-membrane interface shear tests were conducted on MSW of different landfill ages and dif-ferent types of HDPE geomembranes，and then combined with numerical simulation methods to analyze the stabilityeffects of different types of HDPE geomembranes on the progressive damage of layered MSW landfills.The resultsshow that，as the age of landfill increases，the cohesive force of soil-membrane interface shows an overall decreasingtrend，while the internal friction angle of soil-membrane interface shows an overall increasing trend；the slope of land-fill body shows the characteristics of slippery slope with gradual destruction layer by layer，and the HDPE cover layerplays the role of delaying the penetration of the upper slip surface and blocking the formation of slippery fracture zoneof the landfill body below；the deployment of HDPE geomembrane can significantly enhance the overall stability ofthe landfill body in the middle of the landfill.In addition，the HDPE geomembrane of column point type has highershear strength at the soil-membrane interface，which is more effective in reducing the effect of landfill slip damage.The results of the study provide the experimental basis and reliable simulation theoretical analysis for the selection ofHDPE geomembrane as an intermediate cover layer.Key wordsHDPE geomembranesoil-membrane interface shearsliplandfill agesafety factor0引言HDPE膜与其他土工合成材料相比，具有较好化学稳定性、柔韧性和质量轻等优点，在 MSW 填埋场施工中应用方便，而且能适应不平整的堆体表面。在各个国家众多 MSW 填埋场工程中，用 HDPE 土工膜来代替黏土，直接作为中间覆盖层使用，得到了广泛的应用。关于 MSW 填埋场稳定性的一项重要研究是MSW 土体的抗剪强度。近年来，学者们开始关注HDPE 土工膜界面剪切特性，PUNETHA P 等1通过直剪试验研究光面及糙面HDPE土工膜和各类土颗粒物界面抗剪强度。BACASBM 等2通过对 8 种土工合成材料在 18 种不同界面上的直剪试验，分析了界面剪切强度剪切的关系。LI L 等3研究了冻融循环作用下，密室粘土衬垫与 HDPE 土工膜界面剪切特性。HDPE 土工膜作为 MSW 填埋体的中间覆盖层时，土-膜的界面抗剪强度和特性是影响填埋体稳定性的重要因素。因此，对不同类型 HDPE 土工膜的界面剪切特性的评估是必要的。对于边坡渐进破坏的研究，坡体的失稳滑移过2023 年第 49 卷第 3 期March 2023*基金项目：中国博士后科学基金（2021M703507）；江苏省产学研合作项目（BY2021208）。87程不是瞬时发生的，而是在坡体内局部应力集中或力学参数的减弱，于是坡体内这一局部范围出现开裂破坏，随着破损范围不断扩展至最终的整体滑移面。LUYF4针对传统滑坡稳定分析方法的缺点，提出了沿滑面的破坏特征划分标准、力和位移不连续特征。自从 ZIENKIEWICZ O C 等5首次将有限元强度折减法的理念引入进边坡稳定性分析，UGAIK等6、郑颖人等7为将有限元分析结果的安全系数适用在工程应用上，对此进行了大量研究，推动有限元强度折减法的发展和应用。李荣建等8认为有限元强度折减法可以在计算中直接得出坡体的安全稳定系数，能够确定合理的临界滑移面，直观地描述边坡渐进破坏的过程。陈雪珍等9通过 PLAXIS 对边坡施工过程中产生的变形、位移进行模拟分析，验证了数值模拟对边坡安全稳定性分析的适用性及正确性。本研究采用 PLAXIS 模拟分层 MSW 填埋体边坡渐进滑移过程及整体稳定性，分析不同类型 HDPE 土工膜对填埋体滑移区域、稳定性的影响特性。MSW填埋体在自然环境下，其木质纤维素将通过微生物作用进行降解，由于填埋场中木质纤维素降解的关键微生物和功能酶目前研究尚不明确，进而限制了 MSW 填埋场快速稳定技术的进步。本文首先汇总分析了MSW抗剪强度的变化规律，然后通过土-膜界面剪切试验，再结合有限元软件，数值模拟填埋体的滑移破坏，分析了 3 种类型 HDPE 土工膜的土-膜界面抗剪强度参数与填埋龄期、填埋体渐进滑移与填埋龄期、3 种类型HDPE土工膜与填埋体滑移的关系。1HDPE 土工膜和 MSW 的土-膜界面剪切试验1.1试验材料与设备本次直剪试验材料来自常州夹山MSW填埋场，常州夹山 MSW 填埋场位于常州市武进区雪堰镇夹山南麓，总计建设填埋库容总量为 476.5 万m3，为削平山坡建造的平原型填埋场，如图 1 所示。试验土样分别是来自该填埋场改扩建工程（2006 年封场）、二期工程（2012 年封场）、续建工程（2015 年封场）、续建二期工程（2018年封场）中，填埋龄期约为1013a、89 a、4.55 a 和 1.52 a 的 MSW。将 MSW 在室内重新塑样进行试验，考虑尺寸效应，保证试样组分的尺寸均小于仪器尺寸的 1/6，MSW 试样的物理指标已在作者参与的其他研究中测得，见表 110。图 1常州夹山填埋场表 1MSW 试样的物理力学指标填埋龄期/a含水率/%孔隙比粘聚力/kPa内摩擦角/（）1.5245762.3323.39.84.551.6523.817.5891.9616.126.010131.886.525.5该试验选用的 HDPE 土工膜是 1.5 mm 不同表面粗糙度的光面、喷着式和柱点式的HDPE土工膜，密度均大于 0.94 g/cm3，炭黑质量分数为 2%3%，如图 2 所示。在其屈服应变下的拉伸强度和拉伸刚度见表 2。采用的拉伸刚度是指弹性体抵抗拉伸变形的能力，本文取拉伸强度与屈服应变的比值，如公式（1）所示：E=Ty（1）式中，E 为拉伸刚度，kN/m；T 为拉伸强度，kN/m；y为屈服应变。（a）光面 HDPE 土工膜（b）喷着式 HDPE 土工膜（c）柱点式 HDPE 土工膜图 2厚度为 1.5 mm 的 3 种类型 HDPE 土工膜考虑到MSW的大颗粒特性和MSW成分复杂，本文进行的 MSW 和 HDPE 土工膜界面剪切试验采用的仪器均为大尺寸直剪仪，该仪器的上下剪切盒尺寸为300mm300mm150mm，满足 土工合成材料测试规程 中剪切盒尺寸宜大于 80mm80mm的要求。进行界面剪切试验时，每组选择 50、100、150、88200kPa 等 4 级竖向荷载作用下试验，要确保在剪切试验过程中土工膜不发生滑移，如图 3。表2HDPE土工膜在其屈服应变下的拉伸强度和拉伸刚度类型厚度/mm拉伸强度/（kNm-1）屈服应变/%拉伸刚度/（kNm-1）柱点式1.517.8016111.25光面1.520.5114146.50喷着式1.517.5114125.07轴向压力垃圾土铁块剪切力HDPE 土工膜图 3HDPE 土工膜和 MSW 土-膜界面剪切试验示意1.2土-膜界面抗剪强度参数HDPE 土工膜铺设的表面比较水平时，土-膜界面产生的相对位移较小，采用土-膜界面峰值强度参数来表征土-膜界面强度。由此依据莫尔-库伦破坏准则，得到不同龄期 MSW 试样与 HDPE 土工膜的抗剪强度参数关系，如图 4 所示，HDPE 土工膜类型对土-膜界面抗剪强度参数的影响表现为：1）随着 MSW 填埋龄期的增长，从图 4（a）可以看出，土-膜界面粘聚力明显呈现出整体下降的趋势。根据 ABREU A E S 等11指出，由于 MSW 中有机质组分快速降解，而纤维状组分降解缓慢导致质量占比增加，能持续提供粘聚效果，所以在填埋龄期小于5a时，土-膜界面剪切粘聚力下降不明显甚至还有略微上升。从数值上看：柱点类型从 22.8 kPa 下降到6.5kPa；喷着类型从 22.9kPa下降到 5.9kPa；光面类型从 20.1 kPa 下降到 4.8 kPa。2）从图 4（b）可以看出，随着 MSW 填埋龄期的增长，土-膜界面内摩擦角明显呈现出总体上升而后平稳的趋势，这是因为填埋龄期较大的 MSW 中，废渣、金属、玻璃等组分颗粒含量高，从而增大了土-膜界面的摩擦。从数值上看：柱点类型从 9.3上升到22.2 22.7；喷着类型从 6.42上升到 14；光面类型从 4.9上升到 9.8 10.2。3）表面更粗糙的 HDPE 土工膜与 MSW 之间的摩擦也较大，所以界面抗剪强度和断裂性能均显著增大和改善，柱点、喷着类型的土-膜界面抗剪强度参数更大，通过对比：柱点喷着光面。2分层填埋体数值模型的建立2.1几何模型本文采用PLAXIS有限元软件建立的数值模型，以常州夹山平原型 MSW 填埋场的二期工程 4 层填埋体为例，如图 5 所示。根据此 MSW 填埋体建立的几何模型，如图 6 所示。如图 6（a）所示，填埋体从下到上为第一至第四填埋层；填埋层的分层处布设或不设HDPE土工膜覆盖层，该模型是由下底边长 110m、上底边长 50 m 和高 20 m 以及斜坡坡度为 13的梯形填埋体，填埋体下为深 20m、长 300m的地基土，符合 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范（CJJ 1762012）的规定12。MSW 填埋龄期/a（a）粘聚力土-膜界面内摩擦角/kPaMSW 填埋龄期/a（b）内摩擦角图 4不同龄期 MSW 和 HDPE 土工膜的土-膜界面抗剪强度参数图 5常州夹山填埋场二期工程 4 层 20m 的填埋体89（a）几何模型（b）PLAXIS 填埋体有限元模型图 6LAXIS 有限元填埋体数值模型MSW 填埋体有限元网格划分如图 6（b）所示。PLAXIS 建模中的 HDPE 土工膜可用土工格栅来模拟，用“黄线”表示，不设HDPE土工膜的填埋体采用粘土封层，厚度为 300 mm 符合规范要求12。2.2计算参数确定基于 Mohr-Coulomb 准则，土-膜界面相互作用按照强度折减计算。场地的地基土、填埋层以及粘土封层的物理参数取值见表 3。其中，该填埋场以第一填埋层的初始填埋时间作为起始填埋龄期，计算几何模型中各填埋层粘聚力和内摩擦角，按照表1各个填埋龄期对应数值赋予每一填埋层，对于不同HDPE 土工膜材料的强度数值输入，按照表 2 不同HDPE 膜对应的厚度和拉伸刚度赋予每一覆盖层。在大多数情况下，垃圾土无剪胀性，剪胀角就等于0，当剪胀角取为 0 的时候，认为是不考虑剪胀的13-14。表 3各层土材料的参数土层名称压缩模量/MPa泊松比容重/（kNm-3）粘聚力/kPa内摩擦角/（）地基土层（砂土状强风化花岗岩）300.2519.53528.5粘土覆盖层230.2521.01225.0MSW 填埋层20.4010.5（参照表 1 选择）3数值模拟结果分析3.1填埋龄期对分层 MSW 填埋体滑移影响分析从MSW填埋体第一层填埋开始，填埋高度随填埋龄期增加，其滑移区域的变化，由图 7 所示。抗剪强度参数值对应从下到上的土层，图 7（a）（c）分别为 MSW 填埋龄期 2 a、5 a 及 8 a 的主要滑移区域分布图，为方便观察滑移变化，优化去掉了小于 10mm的滑移。从 MSW 填埋体的滑移变形区域可以发现，不同填埋龄期的填埋体在坡面一定范围内产生应变集中，形成一定的变形集中区域。随着填埋龄期和填埋高度的增加，图 7（a）（c）的MSW填埋体位移呈现集中趋势，滑移面区域不断扩展，直至形成明显的滑移特征。（a）填埋龄期 2 a，填埋 1 层：c=23.3 kPa；=9.8（b）填埋龄期 5 a，填埋 2 层（从下到上依次为）：c=23.8 kPa、23.3 kPa；=9.8、17.5（c）填埋龄期 8 a，填埋 3 层（从下到上依次为）：c=16.1 kPa、23.8 kPa、23.3 kPa；=9.8、17.5、26.0图 7填埋龄期影响下滑移区域分布3.2填埋体渐进滑移模式分析根据图 7 可以发现，随着填埋龄期的增加，填埋体的失稳滑移过程不是瞬时发生的，而是在坡体内局部应力集中或力学参数的减弱，于是填埋体内这一局部范围出现开裂破坏，随着破损范围不断扩展至最终的整体滑移面，如图 8 所示。从图 8（a）和图 8（b）可以看出，坡体滑移面上每个点都会经历弹性、弹塑性、临界应力和残余应力状态，图8（a）对应于坡体滑移破坏后的推移式滑移面。首先在一定深度发生应力集中，a、b 点产生剪切破坏，沿该 b 点滑移面的拉剪强度达到极限时，将产生拉裂带 bc。对于整个滑移面，先沿着弱面 abc 发生破坏形成剪切破坏区，随着位移集中变成裂缝形成区，再向下推移沿弱面 abd 发生破坏，整体推移式破坏模式由对应的应力-剪应变力学行为控制。滑移面各点的剪应力-应变状态如图 8（b）所示，a 点已经经历了临界应力，处于应力破坏后的残余应力状态resid；b点处于临界应力状态的峰值应力peak；c、d点是在峰值应力状态之前的点，处于峰值与弹性极限应力状态之间的屈服应力yield。当填埋体滑移开始后，在滑移破坏区上又紧接着形成了新的滑移面，且多个滑移面之间基本上是90处于平行的，如图 8（c）所示。整体呈现出：多层级延伸的向下推移式渐进滑移。（a）推移式渐进破坏示意（b）应力-剪应变（荷载-位移）曲线（c）填埋体整体推移式渐进破坏（第一滑移面第二滑移面）图 8填埋体渐进破坏形式3.3不同类型HDPE土工膜对填埋体滑移影响分析利用表 2 的 HDPE 拉伸刚度进行模拟，分析布设不同类型 HDPE 土工膜的填埋体滑移。如图 9 所示，（a）（b）（c）（d）分别为粘土覆盖层和柱点类型、喷着类型、光面类型的HDPE土工膜覆盖层的填埋体，均为至四层填埋龄期为 11 a 的填埋体。从图 9（a）（d）可以看出，不同类型HDPE土工膜作为中间覆盖层对 MSW 填埋体的影响表现为：1）通过对比图 9（b）（d）与图 9（a）可以看出，粘土覆盖的填埋体，临界滑动面可能穿透黏土覆盖层，填埋体的滑移面从坡顶处向坡脚发展，贯通至整个坡面。而HDPE土工膜替代粘土作为中间覆盖时，临界滑动面受干扰，沿土-膜界面有一定滑移，使得临界滑动面在填埋体不同分层中错落发展。2）不同类型 HDPE 土工膜与 MSW 之间复杂的土-膜界面剪切，使得布设 HDPE 土工膜的填埋体能延缓上层滑移面的贯通，并阻断下方填埋体滑裂带的形成。HDPE 土工膜能缩减滑移破坏最大区域向外扩展，所以 HDPE 土工膜作为 MSW 填埋体中间覆盖层，能起到减小潜在滑移面区域深度扩展的作用。由图 9（b）（d）不同 HDPE 土工膜覆盖层的填埋体之间对比可以看出，缩减效果：柱点式大于喷着式更大于光面。3）从数值上看，不同类型 HDPE 土工膜对填埋体的影响整体表现为：减小填埋体潜在滑移面区域的扩展深度，深度影响由坡顶到滑动面底的 19.05m（粘土）减小到 18.11 m（柱点、喷着）和 18.07（光面）。同时，填埋体潜在滑移面区域的扩展范围影响有所增大，延缓了深层的集中滑移，范围影响由23.51m（粘土）增大到 29.03 m（柱点式）、30.97m（喷着）和 33.64 m（光面）。（a）粘土覆盖层（b）柱点 HDPE 土工膜覆盖层（c）喷着 HDPE 土工膜覆盖层（d）光面 HDPE 土工膜覆盖层图 9中间覆盖层影响典型滑移破坏区分布3.4填埋体稳定安全系数考虑填埋龄期对边坡稳定安全系数的变化影响，得到填埋龄期与安全系数的关系，如图 10 所示。图中规范安全系数数值为 1.25，参照了（CJJ 1762012）表 6.1.4 的相关规定12。分析图 10 得到以下几点：1）粘土覆盖和HDPE土工膜覆盖的填埋体安全系数，有相同的变化趋势，都随填埋龄期的增加而减少，说明填埋龄期和高度对MSW填埋体边坡稳定性影响较大。2）在填埋堆起至 4 层 11a左右的这个填埋过程中，布设HDPE土工膜覆盖层的填埋体，其安全系数比粘土覆盖的填埋体大很多。从稳定安全系数的数值来看，随着填埋龄期和填埋高度的增加：柱点类型降幅较低从 5.520 减小到 3.349；喷着类型与柱点类91型降幅相近，从5.516减小到 3.242；光面类型稳定安全系数从 5.506 减小到 3.023。有土工膜覆盖层的填埋体边坡稳定安全系数比粘土覆盖的填埋体，稳定安全系数分别增大了34%（柱点）、32%（喷着）和24%（光面），比规范安全系数数值分别高275.6%（柱点）、271.6%（喷着）和 249.6%（光面）。3）对MSW填埋体进行分层填埋时，采用具有表面粗糙度的 HDPE 土工膜作为中间覆盖层，稳定安全系数更高。图 10填埋体抗滑稳定安全系数随填埋龄期变化曲线4结论1）表面更粗糙的 HDPE 土工膜与 MSW 的摩擦也较大，界面抗剪强度和断裂性能均显著增大和改善。所以，建议采用具有一定表面粗糙度的 HDPE土工膜作为中间覆盖层，有更好的界面抗剪效果，帮助 MSW 填埋体的快速稳定。2）通过 PLAXIS 对边坡的模拟结果发现，随着填埋龄期的增长，填埋体整体呈现多层级延伸的向下推移式渐进滑移。而 HDPE 土工膜显著增强了填埋中期 MSW 填埋体的整体稳定性。所以，可以利用该软件对MSW填埋场的滑移破坏进行监测和分析，为填埋体滑移防灾起到积极作用。3）柱点类型HDPE土工膜显著增强了填埋中期MSW填埋体的整体稳定性，故而建议可将HDPE土工膜的类型选用纳入填埋场的设计规范。4）随着填埋龄期和填埋高度的增加，填埋体稳定性呈现显著下降，后续研究应注重于填埋 20 a、30a 甚至 50 a 的填埋体稳定性。参考文献1 PUNETHA P，MOHANTY P，SAMANTA M.Microstruc-tural investigation on mechanical behavior of soil-geosyn-thetic interface in direct shear test J.Geotextiles and Ge-omembranes，2017，45（3）：197-210.2 BACAS B M，CANIZAL J，HEINZKONIETZKY H.She-ar strength behavior of geotextile/geomembrane interfacesJ.Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engin-eering，2015，7（6）：638-645.3 LI L，FALL M，FANG K.Shear behavior at interface be-tween compacted clay liner-geomembrane under freeze-thaw cycles J.Cold Regions Science and Technology，2020，172（C）：103006.4 LU Y F.Deformation and failure mechanism of slope inthree dimensions J.Journal of Rock Mechanics and Ge-otechnical Engineering，2015，7（2）：109-119.5 ZIENKIEWICZ O C，HUMPHESON C，LEWIS RW.As-sociated and non-associated visco-plasticity and plasticityin soil mechanicsJ.Gotechnique，1975，25（4）：671-689.6UGAI K，LESHCHINSKY D.Three-dimensional limitequilibrium and finite element analyses：A comparison of-results J.Soils and Foundations，1995，35（4）：1-7.7 郑颖人，赵尚毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析 J.中国工程科学，2002，4（10）：57-61，78.8 李荣建，郑文，王莉平，等.非饱和土边坡稳定性分析方法研究进展 J.西北地震学报，2011，33（S1）：2-9.9 陈雪珍，简文彬.基于强度折减法的分步施工边坡稳定性分析 J.水利与建筑工程学报，2018，16（1）：207-210，223.10 韩乐.龄期和 HDPE 膜加筋对分层垃圾填埋体边坡稳定性影响的研究 D.常州：常州大学，2021.11 ABREU A E S，VILAR OM.Influence of compositionand degradation on the shear strength of municipal solidwaste J.Waste Management，2017，68：263-274.12 中华人民共和国住房和城乡建设部.生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范：CJJ 1762012 S.北京：中国建筑工业出版社，2012.13 BOLTON M D.The strength and dilatancy of sands J.Gotechnique，1986，36（1）：65-78.14 胡庆宝，陈颖辉，欧明喜，等.山区坡顶建筑荷载作用下顺层粘土边坡稳定性分析 J.工业安全与环保，2022，48（2）：37-41.作者简介夏雄（1972），男，博士，副教授，主要从事环境岩土的研究。E-mail：。（收稿日期：2022-03-12）