城市固體廢棄物填埋場邊坡地震響應分析

李 勇

(茂名職業(yè)技術學院,廣東 茂名525000)

自從1988年位于美國Kettleman山的一個垃圾填埋場發(fā)生失穩(wěn)以后,填埋場的穩(wěn)定問題開始引起人們的重視,在我國也發(fā)生過因填埋場失穩(wěn)造成人員傷亡和地下水環(huán)境污染的實例[1]。美國的聯(lián)邦法律(U.S.Federal Regulation)規(guī)定對于建在地震區(qū)的填埋場必須能夠承受設計最大水平加速度的地震動,并給出了按照擬靜力法進行地震分析時地震系數(shù)選取的簡化方法。Bray J D(1998,2001)等采用非線性動力分析程序計算了地震作用下填埋場的非線性響應特性[2,3],對填埋場進行了地震響應計算。陳云敏等[4]基于極限平衡法,考慮水平地震力,得到了填埋場襯墊界面滑動的安全系數(shù)和屈服加速度系數(shù)的近似解。孔憲京等[5]開展了城市垃圾填埋場地震變形機理的振動臺模型試驗研究,這些研究成果為垃圾填埋場抗震設計奠定一定的基礎。我國《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術規(guī)范》(CJJ17-2004)對新建填埋場的選址作了嚴格的規(guī)定[6],但是缺乏對填埋場抗震設計的具體規(guī)定。填埋場地震穩(wěn)定分析一般采用傳統(tǒng)的巖土邊坡穩(wěn)定分析方法,但與巖土邊坡不同之處在于填埋場的邊坡和庫底具有復合襯墊系統(tǒng),該系統(tǒng)可以阻止填埋體產生的滲濾液污染周邊環(huán)境,但在地震荷載作用下,對于這種具有復合襯墊系統(tǒng)的邊坡地震響應的研究成果較少。本文結合某城市垃圾填埋場工程實際,基于有限單元法進行二維地震動力響應分析,研究成果對填埋場抗震設計具有一定的指導和參考意義。

1 填埋場動力響應分析方法

在地震荷載作用下,填埋場表現(xiàn)出非線性動力特性,采用非線性分析方法對填埋場進行動力響應分析與填埋場在地震荷載作用下的工作性態(tài)具有較好的一致性。動力有限元控制方程為[7～9]:

式中:[M],[C],[K]分別為總質量矩陣、總阻尼矩陣和總剛度矩陣;{¨u},{﹒u},{u}分別為結點加速度、速度和位移列陣;{¨ug(t)}輸入地震加速度列陣;[J]為各項地震動分量的指示矩陣。在采用瑞利阻尼的情況下,阻尼矩陣用下式表示[C]=α[M]+β[K],直接用數(shù)值積分方法求解方程(1)得到填埋場邊坡動力響應。

2 地震動輸入

由于缺乏工程所在地的地震記錄,難以直接用當?shù)氐卣鹩涗涀鳛楸狙芯康牡卣饎虞斎?為了充分反映填埋場邊坡動力響應特性,本文選擇人工波作為輸入地震動進行地震動力響應分析,以反映地震動特性對填埋場地震效應的影響。圖1為輸入地震動時程曲線和頻譜曲線。對于人工合成的地震波,能量主要集中在頻率為3Hz～6Hz范圍內。所選擇的地震波的頻譜和持時,具有一定的代表性,基本上能夠反映地震荷載作用下填埋場的動力響應特性。

圖1 人工合成地震波

3 填埋場動力穩(wěn)定響應分析

某填埋場襯墊系統(tǒng)為厚度300 mm的厚粘土襯墊,襯墊上為300 g/m2的土工布,2.0 mm厚的HDPE光面防滲膜,HDPE土工膜之上鋪設400 mm無紡土工布,無紡布之上鋪設200 mm厚中粗砂保護層,中粗砂層上鋪設300mm厚礫石層。襯墊系統(tǒng)如圖2所示。計算模型如圖3、圖4所示。計算所需的垃圾填埋場基本計算參數(shù)見表1。

圖2 襯墊系統(tǒng)及監(jiān)測點布置

圖3 某垃圾填埋場計算模型(有襯墊層)

圖4 有限元計算模型(有襯墊層)

計算時采用彈塑性雙曲線HSsmall模型。模型中包含獨立剛度模量,能模擬垃圾土在10-5～10-3范圍內的應力應變關系。HSsmall模型用垃圾土的應變歷史參數(shù)及兩個附加材料參數(shù)來表示,即G0和γ0.7。其中G0為小應變時的剪切模量,γ0.7為剪切模量衰減到70%時所對應的剪應變。當該模型用于動力分析時,包含了材料的粘滯阻尼。按照本文提出的計算方法,對某垃圾填埋場進行了地震響應分析。監(jiān)測點的布置如圖2所示。

表1 垃圾填埋場基本計算參數(shù)

3.1 襯墊層對邊坡動力響應的影響

襯墊層是填埋場邊坡與其它邊坡不同的顯著特性之一。為研究襯墊層對填埋場邊坡動力響應的影響。在原模型基礎上將襯墊系統(tǒng)去掉,然后進行有限元計算。計算模型如圖5,圖6所示。

表2 有無襯墊層時節(jié)點的加速度峰值(m/s2)

圖5 某垃圾填埋場計算模型(無襯墊層)

圖6 有限元計算模型(無襯墊層)

表2為邊坡有無襯墊層時各節(jié)點的峰值加速度,由圖7可見,填埋場邊坡地震反應中含有襯墊層的邊坡峰值加速度均比無襯墊層時大,因此襯墊層的存在對邊坡加速度有放大作用;襯墊層位置不同時對邊坡加速度響應的放大作用不同,邊坡上的襯墊層比填埋場底部的襯墊層對加速度響應的放大作用大,即圖中節(jié)點G的放大效應比節(jié)點E的大。節(jié)點D是位于垃圾壩上的點,襯墊層的有無對其影響很大。襯墊層填埋深度不同對反應的頻率特性影響也不同,襯墊層的存在,使土體頻率減小,而襯墊層位置越深,土體頻率越小。

3.2 本構模型對邊坡動力響應的影響

為了研究不同本構模型對邊坡動力響應的影響,在保證幾何模型、材料、地震波數(shù)據(jù)等其它因素相同的情況下,選取EL波作用下坡頂(節(jié)點A)及底部防滲襯墊層(節(jié)點E)來進行分析,見圖8、圖9。

圖7 有無襯墊層時各節(jié)點加速度峰值曲線

圖8 節(jié)點A加速度響應時程曲線(左圖:HSsmall模型;右圖:莫爾-庫侖模型)

圖9 節(jié)點E加速度響應時程曲線(左圖:HSsmall模型;右圖:莫爾-庫侖模型)

由圖8、圖9加速度節(jié)點時程曲線圖可知,使用HSsmall模型所得最大加速度為0.047 m/s2,采用摩爾-庫侖模型所得最大加速度為0.815 m/s2。莫爾-庫侖模型作用下的加速度時程響應明顯大于HSsmall模型。

表3 不同本構模型下的加速度峰值(m/s2)

由表3、圖10可以看出,在不同本構模型作用下,各節(jié)點的加速度峰值有很大的不同。在莫爾-庫侖模型作用下邊坡體上加速度峰值明顯比HSsmall模型大,而垃圾壩和邊坡襯墊層在莫爾-庫侖模型作用下的加速度時程響應整體都比HSsmall模型的小。

圖10 節(jié)點加速度峰值曲線

4 結 語

本文基于動力有限元法,對某城市固體廢棄物填埋場進行了二維非線性地震響應分析,為了反映填埋場邊坡在不同結構形式和不同本構模型下地震動力響應的特性,經分析比較得到如下結論:

(1)襯墊層的存在會增大填埋場邊坡動力響應;對加速度而言,在襯墊層處加速度峰值放大系數(shù)有突變,突變量較大。總體而言,襯墊層的存在對邊坡動力響應影響較大。

(2)填埋場邊坡在不同本構模型作用下,坡頂處的加速度時程響應趨于一致,且隨著填埋深度的增加,都存在放大效應;兩個模型的計算結果相差較大,與莫爾-庫侖模型結果相比,HSsmall本構模型體現(xiàn)了土在動力作用下的特性,計算的結果更合理。

(3)由于填埋場為復合邊坡系統(tǒng),填埋場與巖土邊坡相比更復雜,其動力響應與巖土邊坡動力響應相比具有顯著差異,應加強對填埋場地震動力響應特性的進一步研究。

[1]鄧學晶,孔憲京.垃圾填埋場動力穩(wěn)定機理及穩(wěn)定分析研究現(xiàn)狀與進展[J].世界地震工程,2007,23(4):59-61.

[2]Bray J D,Rathje E R.Earthquake-induced displacements of solidwaste landfills[J].Journal of Geotechnical Engineering,1998,124(3):242-253.

[3]Rathje E R,Bray J D.One and two-dimensional seismic analysis of solid-waste landfills[J].Canadian Geotechnical Journal,2001,38(3):850-862.

[4]陳云敏,等.垃圾填埋場沿襯墊界面的地震穩(wěn)定性及永久位移分析[J].中國科學E輯:科學技術,2008,38(1):79-94.

[5]孔憲京,鄧學晶.城市垃圾填埋場地震變形機理的振動臺模型試驗研究[J].土木工程學報,2008,41(5):65-74.

[6]CJJ17-2004.城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術規(guī)范[S].北京:建筑工業(yè)出版社,2004.

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