建筑垃圾堆體穩(wěn)定性分析及工程防護(hù)措施研究

張 黎，伏 凱，張思?jí)?，?璐，王 璐

(中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司 北京100120)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快和舊城改造工程的全面鋪開(kāi)，大量建筑垃圾隨之而生。我國(guó)建筑垃圾的排放量逐年上升，粗略統(tǒng)計(jì)每年產(chǎn)生的建筑垃圾占城市固體廢物總量的30%～40%[1-2]。部分城市的建筑垃圾產(chǎn)生量遠(yuǎn)超這個(gè)平均水平，如武漢市2016年城市固體廢棄物產(chǎn)生量為7616萬(wàn)t，其中建筑垃圾約為5000萬(wàn)t，占比達(dá)到66%，需要外運(yùn)的存量建筑垃圾約有2100萬(wàn)m3，合3360萬(wàn)t[3]。目前我國(guó)建筑垃圾的處置多以填埋為主，占用大量土地資源，很多城市的建筑垃圾消納場(chǎng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其建筑垃圾處置需求，導(dǎo)致很多存量建筑垃圾隨意堆放處理，形成了建筑垃圾堆體。

2018年3 月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展建筑垃圾治理試點(diǎn)工作的通知》，在全國(guó)35個(gè)城市(區(qū))開(kāi)展建筑垃圾治理試點(diǎn)工作?！锻ㄖ访鞔_了開(kāi)展建筑垃圾存量治理的試點(diǎn)任務(wù)，要求全面排查建筑垃圾堆放點(diǎn)隱患，對(duì)存在安全隱患的堆放點(diǎn)，制定綜合加固整治方案并限期治理。

對(duì)于很多城市來(lái)說(shuō)，部分建筑垃圾無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)清運(yùn)干凈，還需在原地存放一段時(shí)間，因此需要排除其中的安全隱患。首先要對(duì)這些建筑垃圾堆體進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析，分析其可能存在的塌方危險(xiǎn)，再根據(jù)測(cè)算的過(guò)程和結(jié)果，制定適合各個(gè)建筑垃圾堆體的工程防護(hù)措施方案。

1 取樣與方法

1.1 建筑垃圾堆體取樣

本文以北京市某處遺留建筑垃圾堆放點(diǎn)為例，分析其堆體穩(wěn)定性。該堆填場(chǎng)主要用于工程渣土堆填處置，占地面積約為61852m2，堆體最低處約為5m，最高處約為10m，而且坡度較大，屬于典型的建筑垃圾堆體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，在此遺留建筑垃圾堆放點(diǎn)均勻選取6個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)穩(wěn)定性分析。

圖1 土壤樣本的顆分試驗(yàn)結(jié)果 Fig.1 Particle distribution test result of soil samples

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法

通過(guò)開(kāi)展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)所取土樣的土力學(xué)參數(shù)，測(cè)定方法如表1所示。

1.2.2 堆體穩(wěn)定性分析方法

建筑垃圾堆體的邊坡穩(wěn)定性分析采用Geo-Studio軟件中的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊進(jìn)行計(jì)算[6-7]。該軟件采用Morgenstern & Price法對(duì)典型剖面進(jìn)行極限平衡條分法計(jì)算。極限平衡法由Fellenius于1927年首次提出，建立在Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則、安全系數(shù)的定義與靜力平衡的基礎(chǔ)之上。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，這一力學(xué)方法逐步從一種經(jīng)驗(yàn)性的簡(jiǎn)化方法發(fā)展成為一個(gè)具有完整理論體系的、成熟的分析方法，在工程中得到了廣泛應(yīng)用，并具有自動(dòng)檢索滑面功能。

表1 土力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法 Tab.1 Test methods of soil mechanical parameters

2 分析與結(jié)論

2.1 土力學(xué)參數(shù)分析

通過(guò)開(kāi)展一系列室內(nèi)試驗(yàn)，獲取現(xiàn)場(chǎng)土樣的土力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土壤樣本的土力學(xué)參數(shù) Tab.2 Soil mechanical parameters of soil samples

從表2可以看出，6個(gè)取樣點(diǎn)的土壤樣本中只有3號(hào)取樣點(diǎn)的初始含水率遠(yuǎn)超其余取樣點(diǎn)，為17.75%，幾乎是其余各取樣點(diǎn)的兩倍。這主要是由于3號(hào)取樣點(diǎn)周圍地表坑洼，形成了小型積水坑，之前蓄積的雨水導(dǎo)致3號(hào)取樣點(diǎn)的土壤樣本的初始含水率偏高；2號(hào)取樣點(diǎn)土壤樣本滲透系數(shù)相對(duì)較高，1號(hào)取樣點(diǎn)土壤樣本滲透系數(shù)相對(duì)較低，但總體來(lái)看， 6個(gè)取樣點(diǎn)的土壤樣本滲透系數(shù)依然在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，差別不大。6個(gè)取樣點(diǎn)的土壤樣本的內(nèi)摩擦角分布在21.2°～27.4°范圍內(nèi)，土樣粘聚力很小。將土壤樣本分別過(guò)20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075mm篩進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，獲得顆分試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。依據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》，將土樣定名為細(xì)粒土質(zhì)砂或含細(xì)粒土砂。

2.2 堆體穩(wěn)定性分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選取建筑垃圾堆體的3個(gè)代表性剖面進(jìn)行分析，坡高及坡度見(jiàn)表3。此外，根據(jù)北京地區(qū)2010—2019年氣象信息，估算該堆體所在區(qū)域年平均降雨量為1.62mm/d，雨季(6～9月)平均降雨量為3.8mm/d，在這10年間出現(xiàn)的最大日降雨量為 253.5mm/d。因此根據(jù)以下3種工況進(jìn)行堆體穩(wěn)定性分析：

工況(一)，現(xiàn)場(chǎng)踏勘取樣時(shí)；工況(二)，雨季降雨工況下，降雨持續(xù)2d；工況(三)，極端降雨工況下，降雨持續(xù)2d。

表3 3個(gè)代表性剖面的坡高及坡度 Tab.3 Height and slope of three representative sections

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，在Geo-Studio軟件的SEEP/W模塊中建立3個(gè)剖面圖，如圖2～4所示。根據(jù)土樣顆分曲線在巖土工程軟件Soilvision中檢索，確定每個(gè)土樣的非飽和土土水特征SWCC曲線，并依據(jù)試驗(yàn)所得飽和土滲透系數(shù)，在SEEP/W模塊中，采用Fredlund and Xing方法推算出土樣滲透系數(shù)隨吸力變化曲線，對(duì)3種堆體進(jìn)行材料賦值。根據(jù)取樣點(diǎn)位置確定各邊坡采用土樣信息并對(duì)其進(jìn)行賦值，具體見(jiàn)表4。在SEEP/W滲流分析中，首先通過(guò)土樣初始含水率和SWCC曲線確定堆體內(nèi)部初始吸力并對(duì)其進(jìn)行區(qū)域賦值，認(rèn)為左側(cè)邊界不透水，底部邊界為潛在滲流面，邊坡上邊界設(shè)置單位流量為年平均降雨量，由于右側(cè)斜坡坡度較陡，設(shè)定降雨量中只有20%雨量能夠滲入，從而對(duì)堆體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析并在SLOPE/W模塊中進(jìn)行穩(wěn)定性分析。將穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果作為初始條件，根據(jù)上述工況(二)、(三)，改變上邊界和右側(cè)斜坡邊界降雨量，對(duì)堆體進(jìn)行瞬態(tài)分析以及穩(wěn)定性分析。根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)臨時(shí)邊坡的安全系數(shù)大于1.15時(shí)，認(rèn)為邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

3個(gè)剖面在3種工況下的穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖5～7所示。根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，剖面一(坡高為5m，坡度約為1∶1)在3種工況下均能保持穩(wěn)定，安全系數(shù)均大于1.15，因此總體來(lái)看剖面一穩(wěn)定性良好，安全儲(chǔ)備高；剖面二(坡高為7m，坡度約為1.2∶1)在年平均降雨量和雨季降雨量持續(xù)2d條件下，穩(wěn)定安全系數(shù)都在1.15以上，但當(dāng)遭遇極端降雨持續(xù)2d時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)為0.968，邊坡具有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；剖面三(坡高為10m，坡度約為∶1)相對(duì)較高，且坡度較大，其穩(wěn)定性分析結(jié)果與剖面二分析結(jié)果基本一致，只有在極端降雨條件下存在失穩(wěn)滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，且失穩(wěn)模式為淺層土體，故失穩(wěn)后果不嚴(yán)重。

圖2 剖面一 Fig.2 First section

圖3 剖面二 Fig.3 Second section

圖4 剖面三 Fig.4 Third section

表4 3個(gè)代表性剖面的穩(wěn)定性安全系數(shù) Tab.4 Stability safety factor of three representative sections

2.3 結(jié)論

首先通過(guò)對(duì)北京市某建筑垃圾堆體采樣進(jìn)行室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)獲取其土性參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)選取6個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括顆分實(shí)驗(yàn)、液塑限測(cè)定、變水頭滲透實(shí)驗(yàn)以及直剪實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)取樣點(diǎn)均勻，基本覆蓋整個(gè)場(chǎng)地，實(shí)驗(yàn)測(cè)定的參數(shù)能很好地代表整個(gè)建筑垃圾堆體的土性參數(shù)，結(jié)果可靠。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，場(chǎng)地土體主要為細(xì)粒土質(zhì)砂或含細(xì)粒土質(zhì)砂，滲透系數(shù)為10-4～10-5cm/s，塑限介于12%～30%之間，液限介于20%～40%之間。

隨后選取建筑垃圾堆體的3個(gè)典型剖面進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析，考慮年平均降雨、雨季降雨以及極端降雨3種工況通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：剖面一(坡高5m，坡度1∶1)在3種降雨工況下均能保持穩(wěn)定，安全儲(chǔ)備較高；剖面二(坡高7m，坡度1.2∶1)在年平均降雨和雨季降雨條件下，安全系數(shù)均大于1.15，不會(huì)發(fā)生失 穩(wěn)滑坡現(xiàn)象，但當(dāng)遭遇極端降雨時(shí)，安全系數(shù)小于1，存在失穩(wěn)滑坡的風(fēng)險(xiǎn)；剖面三(坡高10m，坡度∶1)的結(jié)果和剖面二類似。由此可見(jiàn)，剖面二和剖面三相比剖面一坡度更陡，遭遇強(qiáng)降雨時(shí)有淺層失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 剖面一在3種不同工況下的穩(wěn)定性分析結(jié)果 Fig.5 Stability analysis result of first section under three different conditions

圖6 剖面二在3種不同工況下的穩(wěn)定性分析結(jié)果 Fig.6 Stability analysis result of second section under three different conditions

圖7 剖面三在3種不同工況下的穩(wěn)定性分析結(jié)果 Fig.7 Stability analysis result of third section under three different conditions

3 建議

本文所介紹的針對(duì)建筑垃圾堆體的穩(wěn)定性分析方法具有一定的普適性，可用于我國(guó)大部分城市同類建筑垃圾堆體的穩(wěn)定性分析。建議城市主管部門(mén)或建筑施工單位針對(duì)此類需要暫時(shí)存放在原地、無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)清運(yùn)至填埋場(chǎng)或建筑垃圾資源化處理場(chǎng)的建筑垃圾堆體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過(guò)減弱使堆體穩(wěn)定性降低的因素，改善堆體巖土體的力學(xué)強(qiáng)度或直接降低滑動(dòng)力、提高抗滑力，采取如下工程防護(hù)措施，避免發(fā)生環(huán)境和安全問(wèn)題。

3.1 增加簡(jiǎn)易綠化或苫蓋

在坡度比較陡的斜坡上進(jìn)行簡(jiǎn)易綠化或增加苫蓋進(jìn)行防護(hù)，可以增強(qiáng)土體之間的粘聚力，同時(shí)減少因強(qiáng)降雨時(shí)地表水的下滲，避免土體的抗剪強(qiáng)度降低進(jìn)而導(dǎo)致堆體失穩(wěn)。

3.2 修建排水溝

地表水或地下水能否及時(shí)順利排出往往是堆體能否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，做好相應(yīng)的排水措施，如修建排水溝，可以防止堆體潛在滑動(dòng)面的土體軟化，這對(duì)于堆體的穩(wěn)定性極為重要。

3.3 削減高度

削坡往往采取削減不穩(wěn)定巖體或者已經(jīng)處于變形破壞土體的高度，通過(guò)減輕堆體上方荷載降低坡高，提高堆體穩(wěn)定性。

3.4 堆體人工加固

采用SNS邊坡柔性防護(hù)技術(shù)等措施進(jìn)行堆體的人工加固。

3.5 清除或削坡減荷與壓腳

及時(shí)發(fā)現(xiàn)并清除堆體上危巖或潛在危險(xiǎn)物。如果難以清除或不可能清除時(shí)，可以支撐以防止其掉落，進(jìn)而避免影響堆體穩(wěn)定性和周邊建筑物的安全。

3.6 修建擋墻

可以設(shè)置抗滑建筑物，如選用彩鋼夾芯板或綠色預(yù)制擋土墻，避免堆體發(fā)生失穩(wěn)滑坡時(shí)，影響周邊建筑物的安全。