塑料排水板在山谷型安全填埋場(chǎng)軟土地基處理中的應(yīng)用分析

李瑞華，黃 昱，張 寧

（1．中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074；2．廣西大學(xué)設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530004）

排水固結(jié)法適用于處理飽和軟弱土層，通過(guò)加載、內(nèi)設(shè)塑料排水板等措施，使被加固土體中的孔隙水排出，有效應(yīng)力增加，土中孔隙體積減小，密實(shí)度加大，土體強(qiáng)度得到提高，地基承載力也得到提高［1］。目前，塑料排水板固結(jié)法研究主要應(yīng)用在港口、路堤、沿海灘涂地等軟基工程中［2-4］，且已積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，但在山谷型填埋場(chǎng)庫(kù)底大面積軟基的處理應(yīng)用甚少。軟基處理后，上表還需鋪設(shè)導(dǎo)流層和防滲層及堆填固廢，對(duì)堆載壓力下的地基變形沉降量及防滲HDPE膜抗拉伸應(yīng)力安全性等有特殊要求的指標(biāo)，需探討分析。地基處理方案對(duì)類(lèi)似工程有一定參考價(jià)值。

1 工程概況

四川某安全填埋場(chǎng)位于龍泉山構(gòu)造帶中段，龍泉山西坡，屬構(gòu)造剝蝕淺切脊?fàn)畹蜕降孛玻貏?shì)四周高中間低，屬于山谷型填埋場(chǎng)。填埋庫(kù)區(qū)面積4．8萬(wàn)m2，總庫(kù)容40萬(wàn)m3，填埋廢物的密度約為1．5 t/m3。庫(kù)底面積1．2萬(wàn)m2，標(biāo)高為613～621 m；邊坡面積3．6萬(wàn)m2，標(biāo)高為621～634 m。最終填埋標(biāo)高為641．5 m，平均填埋高度12 m，最大填埋高度21 m，見(jiàn)圖1。需處理的軟土層位于庫(kù)底，面積為9 740 m2，見(jiàn)圖2。

填埋場(chǎng)從底到頂結(jié)構(gòu)為：軟土層地基、地下水導(dǎo)排系統(tǒng)、防滲系統(tǒng)、滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)、廢物填埋、封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)。軟土層主要影響防滲系統(tǒng)的安全性和填埋堆體的穩(wěn)定性，因此，需進(jìn)行地基加固處理。

勘探揭示，庫(kù)底分布的土層至上而下為素填土、粉質(zhì)黏土（可塑）、粉質(zhì)黏土（軟塑）、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。根據(jù)水文地質(zhì)報(bào)告，地下水為埋藏于第四系砂、卵石層中的孔隙潛水，豐水期上層滯水水位埋深0．2～2．6 m，無(wú)統(tǒng)一水位標(biāo)高；多年豐水期最高水位埋深約1．0 m，地下水位年變化幅度為1．5～2．0 m；地下水流向?yàn)?24°左右，流速為9．8×10-7～1．5×10-6m/s。影響工程的土層為素填土、粉質(zhì)黏土（可塑）、粉質(zhì)黏土（軟塑）及全風(fēng)化泥巖，其物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

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2 軟基處理

本填埋場(chǎng)底廣泛分布中高壓縮性粉質(zhì)黏土，地基承載力和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)偏低。經(jīng)對(duì)圖1進(jìn)行堆體穩(wěn)定性分析，在大面積堆載作用下庫(kù)底地基處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此須對(duì)場(chǎng)底軟土層進(jìn)行加固處理。

2.1 加固方案

根據(jù)本工程水文地質(zhì)特點(diǎn)，將軟基加固方案定為：對(duì)厚度＜3m的粉質(zhì)黏土采取換填措施，換填材料采用碎石土（碎石含量為20%～30%），壓實(shí)系數(shù)不小于0．93，換填頂高程為填埋場(chǎng)工藝設(shè)計(jì)高程；結(jié)合填埋場(chǎng)底設(shè)置的地下水導(dǎo)排系統(tǒng)和后續(xù)長(zhǎng)期固廢堆填，對(duì)厚度≥3 m的粉質(zhì)黏土采用塑料排水板堆載排水固結(jié)法。

1）鋪設(shè)砂墊層。先按縱橫3%左右的排水坡度進(jìn)行庫(kù)底初平整，一方面清理表層植被和素填土，另一方面組織場(chǎng)地排水。地基處理區(qū)域回填300 mm的粗砂墊層，含泥量小于5%，滲透系數(shù)應(yīng)＞1×10-3cm/s。

2）打設(shè)排水板。在砂墊層之上打設(shè)塑料排水板，間距1．0 m，三角形布置。塑料排水板應(yīng)采取措施穿透可塑、軟塑粉質(zhì)黏土，深度約3～9 m。塑料排水板打設(shè)采用套管式打法，套管下端應(yīng)配置管靴。塑料排水板于砂墊層中預(yù)留長(zhǎng)度不小于500 mm。其型號(hào)采用SPB-A型，性能符合《塑料排水板施工規(guī)程》及《公路工程土工合成材料塑料排水板（帶）》的要求，見(jiàn)表2。

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3）地下水導(dǎo)排系統(tǒng)。在場(chǎng)底砂墊層上滿鋪卵石導(dǎo)流層，厚度300 mm，粒徑30～50 mm；沿場(chǎng)底中心設(shè)置導(dǎo)排主盲溝，在主盲溝內(nèi)埋設(shè)DN315 mmHDPE導(dǎo)排穿孔管；與主盲溝成45°或60°處，沿排水方向布置支盲溝，支盲溝水平間距20 m左右，內(nèi)設(shè)DN250 mmHDPE導(dǎo)排穿孔管。導(dǎo)排主管穿擋渣壩后排入下游排水溝。

塑料排水板、砂墊層、卵石層、導(dǎo)流盲溝及HDPE穿孔管等構(gòu)成豎、橫地下水排水系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。在逐年的填埋固廢堆載壓力下，高壓縮性粉質(zhì)黏土沿塑料排水板通道緩慢排水并固結(jié)，增強(qiáng)基礎(chǔ)抗剪強(qiáng)度和承載力。

2.2 沉降分析

2.2.1 塑料排水板計(jì)算參數(shù)

塑料排水板的排水固結(jié)采用砂井固結(jié)計(jì)算理論，塑料排水板的等效直徑dw換算：

式中：b為塑料排水板寬度，取100 mm；β為塑料排水板厚度，取4 mm；α為換算系數(shù)，無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)可取0.75～1.0，本工程取0.9。

式中：d為塑料排水板中心間距，取100 cm；α1為換算系數(shù)，正三角形布置時(shí)取1.05，正方形布置時(shí)取1.13。

2.2.2 固結(jié)度計(jì)算

塑料排水板進(jìn)行地基加固時(shí)，總應(yīng)力固結(jié)度由豎向和徑向應(yīng)力固結(jié)度構(gòu)成，其中徑向應(yīng)力固結(jié)度占絕大部分。當(dāng)?shù)鼗领`敏度較高、塑料排水板間距較小或打設(shè)深度較大時(shí)，徑向平均應(yīng)力固結(jié)度應(yīng)考慮井阻與涂抹效應(yīng)的影響。針對(duì)本工程，固結(jié)度可不考慮豎向平均應(yīng)力固結(jié)度和井阻與涂抹效應(yīng)的影響，徑向應(yīng)力固結(jié)度為：

式中：Ur為徑向平均應(yīng)力固結(jié)度；t為固結(jié)時(shí)間（s）；Ch為地基水平向固結(jié)系數(shù)（cm2/s），根據(jù)勘察報(bào)告取2.0×10-4cm2/s；de為塑料排水板的等效換算直徑（cm），為105 cm；F（n）為井徑比因

經(jīng)計(jì)算，固廢填埋半年時(shí)間，軟土層可固結(jié)子，50%以上；2 a以后，軟土層可基本固結(jié)好（95%以上）。

2.2.3 填埋堆載設(shè)計(jì)

根據(jù)危廢填埋作業(yè)工藝，每年填埋高度約2.0 m，廢物重度14.72 kN/m3，最終填埋標(biāo)高620～641.5 m，軟土層上填埋厚度7～25 m。

2.2.4 最終沉降量計(jì)算

塑料排水板進(jìn)行地基加固時(shí)，對(duì)于正常固結(jié)的地基，其最終豎向沉降量按各軟土層沉降量分層計(jì)算，軟土層沉降量按下式計(jì)算：

式中：Si為各軟土層最終豎向沉降量（m）；Ms為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.0［2］；a1-2為壓縮系數(shù)；e0為空隙比；H為土層厚度（m）；P0為土層自身應(yīng)力（kPa）；ΔP為附加應(yīng)力（kPa）。

經(jīng)計(jì)算，擋渣壩1、2、3處軟土層最終沉降量分別為0.331（最大沉降量）、0.166、0.195 m；填埋區(qū)內(nèi)4、5、6處最終沉降量分別為0.249、0.256、0.152 m。

2.2.5 沉降引起的HDPE土工膜拉應(yīng)力

在本工程防滲系統(tǒng)中，雙層HDPE膜（1.5 mm和2.0 mm厚）是核心。當(dāng)土工膜下面發(fā)生沉降而其上又有覆蓋土層或堆載時(shí)，堆載引起的力具有空間性，這將導(dǎo)致一定的拉伸應(yīng)力。土工膜抗拉性能可由沉降引起拉伸應(yīng)力的安全系數(shù)衡量［3］，計(jì)算如下：

式中：FSsub為土工膜抵抗由沉降引起拉伸應(yīng)力的安全系數(shù)；σallow為三維軸對(duì)稱拉伸試驗(yàn)測(cè)得的土工膜允許拉伸應(yīng)力（kN/m2）；σreqd為沉降引起的土工膜必需拉伸應(yīng)力（kN/m2）；D為沉降的深度（m），最大沉降量0.331 m；L為對(duì)稱軸到沉降上邊沿的距離（m），本工程約為60 m；γs為上覆堆載層的單位重度（kN/m2），本工程約為14.52 kN/m2；HCS為上覆堆載層的厚度（m），本工程最大沉降處厚度約為15 m；T為土工膜的厚度（m），0.003 5 m。

查圖4.4可得［4］，σallow最大值為24 000 kN/m2，12%屈服伸長(zhǎng)率下的σreqd為22 500 kN/m2。計(jì)算可得，σreqd=13 732 kN/m2，F(xiàn)Ssub=1.64＞1.2。

3 堆體穩(wěn)定性分析

通過(guò)采用Bishop圓弧穩(wěn)定法對(duì)最不利滑動(dòng)面（見(jiàn)圖1）進(jìn)行復(fù)雜土層穩(wěn)定計(jì)算，軟土層處理前最不利滑動(dòng)面：滑動(dòng)圓心=（4.27 m，28.80 m）、滑動(dòng)半徑=38.45 m、滑動(dòng)安全系數(shù)=0.832；處理后最不利滑動(dòng)面：滑動(dòng)圓心=（4.27 m，34.13 m）、滑動(dòng)半徑=43.87 m、滑動(dòng)安全系數(shù)=1.204，見(jiàn)表3。

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4 結(jié)論

1） 本填埋場(chǎng)底廣泛分布中高壓縮性粉質(zhì)黏土，對(duì)厚度＜3 m處采取換填處理方式，對(duì)厚度≥3 m處采用塑料排水板堆載排水固結(jié)法。較全區(qū)域換填和水泥土攪拌樁法，大大縮短施工周期和工程造價(jià)。

2）結(jié)合填埋場(chǎng)底的地下水導(dǎo)排系統(tǒng)，固廢填埋堆載2 a后軟土層可基本固結(jié)好；固廢填埋至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，軟土層的最終沉降量不超過(guò)0.35 m，防滲HDPE膜的允許拉伸應(yīng)力遠(yuǎn)大于由沉降引起的HDPE膜必需拉伸應(yīng)力，滿足防滲安全要求。

3）軟土層加固后，保障了危險(xiǎn)廢物填埋堆體的穩(wěn)定安全。填埋場(chǎng)底設(shè)置的地下水導(dǎo)排系統(tǒng)和后續(xù)的危險(xiǎn)固廢填埋堆載，為塑料排水板排水固結(jié)軟土地基創(chuàng)造了良好的條件。

［1］梅國(guó)雄，徐鍇，宰金珉，等.真空預(yù)壓加固軟土地基變形機(jī)理的探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（9）：1168-1172.

［2］GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］Koerner R M，Hwu，B L.Stability and tension considerations regarding cover soils on geomembrane lined slopes［J］.Geotext Geomembrane，1991，10（4）：335-355.

［4］錢(qián)學(xué)德，施建勇，劉曉東.現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.