基于Geo-Slope軟件的某建筑垃圾堆場邊坡穩定性研究

亢 永，趙孟孟，霍思雨，王可依，付士根，宋冰雪，吳 壯

(1.北京石油化工學院，北京 102600； 2.中國安全生產科學技術研究院，北京 100020)

隨著我國工業化、城市化進程的不斷推進，每年有大量污染企業面臨拆遷和改建，遺留的工業建筑垃圾堆體對生態環境造成了重大的潛在威脅。建筑垃圾堆體是一種特殊土體，存在邊坡穩定性和失穩滑坡的問題[1]。邊坡崩塌不僅給建筑物或者運輸帶來損失，還會威脅到附近生活居民的生命財產安全。建筑垃圾堆體發生滑坡的事故屢屢發生。

Geo-Studio軟件是一款廣泛應用于巖土邊坡的數值模擬軟件，該軟件中的Slope/W分析模塊內置多種滑移面搜索方法、孔隙水壓力條件、土體強度本構以及加固組件和荷載工況等，不僅可以進行邊坡的穩定性分析，也可以進行邊坡失效概率和參數敏感性分析；而軟件中的Seep/W模塊不僅可以分析飽和與非飽和邊坡巖土體的滲流問題，也可以分析邊坡巖土體的穩態滲流和瞬態滲流，可以定義滲透各項異性，通過瞬態分析得出不同時刻不同點的孔隙水壓力分布狀況，其結果可被用于Slope/W模塊研究邊坡穩定性隨時間變化的關系。通過Slope/W和Seep/W 2個模塊來模擬計算在一般降雨條件下邊坡安全系數的大小[2]。

胡志毅[3]從垃圾堆體的滑坡發生過程及形成機理入手，分析了基底巖體抗剪強度、施工建設、暴雨對滑坡的影響。陳云敏等[4]通過對實際工程的垃圾填埋體的邊坡進行穩定性計算，分析了邊坡坡角和浸潤線對垃圾邊坡穩定性的影響。付士根等[5]利用高密度電法對垃圾填埋場滲濾液水位進行探測，驗證了滲濾液水位是影響垃圾填埋場堆體穩定性的重要因素。根據查閱文獻可得，影響垃圾堆場邊坡穩定性的因素有垃圾土的抗剪強度參數、垃圾堆場的幾何尺寸(坡高、坡角等)、垃圾土的重力密度及孔隙水應力等[6]。

邊坡穩定分析的方法有很多， 王玉平等[7]對常用的邊坡穩定性分析方法進行了總結歸納，分析了圖解法、極限平衡理論、數值分析方法、復合法等確定性分析方法的發展情況。極限平衡法是邊坡穩定性分析中最早出現的確定性分析方法，其中包括普通條分法、畢肖普法(Bishop)、力平衡方法、摩根斯坦-普萊斯法(Mogenstan-Price)等方法。趙由才[8]根據Mohr-Coulomb理論，采用Bishop法對垃圾堆體的安全系數進行計算。Seed[9]采用數值模擬的方法對美國的Kettlemam Hills填埋場進行了安全系數的計算，得出用2D模擬計算的安全系數(1.20～1.25)比3D模擬計算的安全系數(1.08)要稍微偏大一些。關志偉[10]結合邊坡穩定性數值分析，運用三維有限元軟件對穩定性進行了深入研究。

綜上所述，在對堆體滑坡的研究方面國內外學者已經做了大量工作，但現有的研究只是針對整個堆體，對堆體內部各條間推力、受力等考慮較少。筆者以某城市建筑垃圾堆體為研究對象，充分考慮影響垃圾堆體邊坡穩定性的、失穩破壞的各種主要因素，利用Geo-Studio軟件畢肖普方法對堆體邊坡穩定性進行評估，并為其設計支護方案提高其穩定性。

1 城市建筑垃圾堆場滑坡影響因素

影響垃圾堆場滑坡主要因素包括地表水及地下水、基底形態、邊坡的形態和垃圾的堆排工藝等，每個影響因素既可以單獨作用影響垃圾堆體的穩定性，又能夠共同作用加劇垃圾堆體的破壞速度。

1.1 排棄垃圾和基底巖土體性質的影響

排棄垃圾的物理力學性質是指垃圾的組成成份、容重大小、吸水性、渣土的硬度、粘聚力等。對于固體垃圾來說，物理力學性質對垃圾場內部的穩定性有很大的影響。對物理性質比較軟弱的固體垃圾而言，因為其吸水性比較好，所以很容易發生變形，從而使整個堆體下沉，進而導致坍塌事故。

基底地層的硬度也是影響建筑垃圾堆場穩定性的重要因素之一。堆體地層形成原因不同，如構成堆體基底的物質、顆粒的大小、膠結物的性質和膠結的程度等這些都會造成基底層結構的差別很大，而且隨著其他不確定性因素的影響，基底也會具有不同的物理力學性質，從而影響到整個垃圾堆體的穩定性。

1.2 地表水及地下水的影響

水力充填或人工堆積的尾礦壩、粉砂質邊坡等土工構筑物不僅在動荷載下易發生液化流滑，而且在靜荷載(如上覆堆載、水位變化)下也極可能發生滑移失穩[11]。

水對土體的性質變化具有很大的影響，包括地表水與地下水兩類。垃圾堆體基底會因為水的作用而強度下降，土體內聚力、內摩擦角對基底巖土體的強度有很大影響，他們與土體含水量關系密切，內聚力和內摩擦角與含水量成反比。在施工過程中導致地下水、地表水或降水等進入建筑垃圾中，使得固體垃圾間的凝聚力和摩阻力進一步降低，在重力、地下水以及施工擾動的共同作用下超過整個堆體的極限平衡，導致坍塌事故的發生。

1.3 施工存在問題的影響

垃圾堆場邊坡的結構設計是保證垃圾堆體穩定的一個重要方面。如果在垃圾堆場的施工和堆排過程中不能達到設計者所設計的性能標準，就會使得垃圾堆場失穩破壞而導致坍塌。

2 城市建筑垃圾堆場邊坡穩定性分析

2.1 常用的穩定性分析方法

近年來邊坡穩定性受到越來越多的關注，研究穩定性的理論分析方法層出不窮，其中主要有確定性分析方法和不確定性分析方法兩大類[12]。確定性分析方法中主要是定性分析和定量分析，其中定性分析方法主要是運用地質勘查、土地歷史分析法、工程地質類比法、圖解法等。定量分析方法主要有極限平衡分析法、數值分析法、可靠性分析法等。不確定性方法總體上分為人工神經網絡法、灰色系統理論、可靠性分析、模糊數學方法等。常用的極限平衡方法有瑞典條分法[13]、簡化畢肖普法[14]、簡布法[15]、余推力法、薩爾瑪法[Sarma][16]、美國陸軍工程師法[The Corps of Engineers]、摩根斯坦-普賴斯法[Mogenstan-Price][17]、分塊極限平衡法、斯賓塞法[Spencer][18]等。

2.2 簡化畢肖普法(Bishop 法)

Bishop 法不用規定滑動面必須是非常標準的圓弧，只要是近似圓弧均可。計算結果比較準確，因為在計算過程中充分地考慮了土體內部條塊間的相互作用力，有嚴格的分割要求，計算方式采用迭代法，這樣就能使所有被分割的條塊在計算過程中都處于平衡狀態。Bishop條塊作用力分析圖如圖1所示。

圖1 Bishop 條塊作用力分析Fig.1 Bishop slice force analysis

從圓弧滑動體中取出某土條i進行分析。如果這個條塊處于靜力平衡的狀態，那么根據垂直方向的力平衡條件可得：

Nicosα=Wi+ΔHi-Tisinα

(1)

當滿足安全系數為Fs時，根據此時的極限平衡條件，有：

(2)

式中滿足

(3)

根據整個滑動土體的力矩平衡條件，每個土條對中心(圓心)力矩的和是零。簡化可得：

(4)

這就是畢肖普法計算的一般公式，進一步假設Hi=0 ，式(4)可化簡為：

(5)

3 實例分析

3.1 邊坡工程概況

以某市一處邊坡為模擬對象，其所處地區地貌單元類型為構造剝蝕低丘陵，長期受降雨外力因素的侵蝕和沖刷影響，并且附近500 m建有居民樓。其邊坡為臺階型，走向為近南北向，地勢南高北低。坡度為63°，坡高為16 m，其中由上到下分別是雜填土2 m、碎石粉質黏土4 m、全風化石英夾板巖4 m、強風化石英巖夾板巖2 m、中風化石英巖夾板巖4 m。根據現場勘測已有的數據建立地質模型，如表1所示。此邊坡地質模型面臨著滑坡的風險，一旦發生滑坡將對附近居民造成嚴重的生命財產損失。本次模擬使用Geo-studio軟件對比邊坡進行建模計算該邊坡最小安全系數并確定滑移面的位置，分析其安全性，并提出相應的支護方案增加其穩定性。

表1 某邊坡地質模型

3.2 穩定性計算參數選取

結合勘查數據資料，在室內對雜填土和含碎石粉質黏土分別進行土的直接剪切實驗，將土制備成幾個土樣，分別在不同的法向壓力(Normal Load)下，沿固定的剪切面給其施加水平剪力(Shear Load)，得其破壞時剪應力即土的抗剪強度。土的抗剪強度是由內摩擦角和黏聚力所組成，可以用庫倫公式表示：

黏性土：

τ=σtanμ+C

非黏性土：

τ=σtanμ

式中：τ為土體抗剪強度(kPa)；σ為承受的垂直壓力(kPa)；μ為內摩擦角(°)；C為黏聚力(kPa)。

實驗得到的數據如圖2所示，由庫倫公式可知：圖中的截距即是黏聚力，斜率就是內摩擦角。由計算可得雜填土的τ和σ關系式可以表示為：τ=σtan 10°+5，所以雜填土的內摩擦角為10°，黏聚力為5 kPa。粉質黏土的τ和σ關系式為：τ=σtan 25°+15，可得粉質黏土的內摩擦角為25°，黏聚力為15 kPa。

圖2 地基土的直接剪切試驗數據Fig.2 Direct shear test data of foundation soil

其他3個巖層的物理參數參考王漢勛等[19]的研究。本次滑坡整體計算參數的選取結合土體的特征、室內土直剪試驗的結果，并且類比其他邊坡工程參數取值，最終提出模擬的計算模型材料參數如表2所示。

表2 計算模型材料參數表

3.3 水文地質狀況

地形、地質構造和水文、氣象等因素綜合控制了地下水的分布，同時在垃圾堆排方式的影響下，裂隙逐漸發育為地下水的賦存提供了空間。垃圾堆廠區的雨季集中在6～8月。每逢雨季地下水位會抬高，枯水期則地下水位會下降，由于該區域年降水量小且蒸發量大，因此，地下水位每年的變化幅度不是很大。地下水位年變化幅度為1.25～3.53 m。依據高密度電法探測采集的數據，通過反演計算得到了該垃圾場的浸潤線高度，浸潤線高度分別離地面7.24～10.5 m。

3.4 Geo-Studio建模

考慮地下水的影響，用Geo-Studio軟件進行模擬計算[20]，Geo-Studio軟件是一套專業、高效而且功能強大的仿真分析、設計軟件，適用于巖土工程和巖土環境模擬計算，包含SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W等多個模塊。其中SLOPE/W是以極限平衡法為計算原理，專門用來進行邊坡穩定分析，能夠以最簡單的操作方法和最快的速度來得到最準確的最小安全系數Fs，而且在很大程度上改進了極限平衡法在分析邊坡穩定性過程中的不足。即運用Geo-Studio軟件中的Slope計算模塊，采用Bishop法計算該邊坡最小安全系數和確定滑移面的位置。

3.4.1 最危險滑動面的確定

基于Geo-studio軟件結合上述相關的指標值對其進行建模，最終得到無水壓力下和自然降雨狀態下2種工程的滑坡穩定性示意圖，如圖3、圖4所示。從GEO-SLOPE/W程序中的可視圖形化界面中可以看到最危險滑動面、對應的滑動中心位置和相應的穩定系數，滑裂面呈圓弧狀沿邊坡向橫向發展。

圖3 無水壓力條件下邊坡穩定的最小安全系數Fig.3 Minimum safety factor of slope stability under anhydrous pressure

圖4 降雨狀態下邊坡穩定的最小安全系數Fig.4 Minimum safety factor of slope stability under rainfall condition

3.5 穩定性評價

本建筑垃圾堆體邊坡的坡高H為16 m，垃圾堆體邊坡工程安全等級如表3所示，垃圾堆體邊坡抗滑穩定最小安全系數如表4所示。

表3 垃圾堆體邊坡工程安全等級

由表3可知，該工程安全等級為三級。根據生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范CJJ 176—2012，由表4可知，該工程在正常運用條件下的邊坡安全系數需要達到1.25[21-22]，而在無水壓力狀態下的邊坡測得的最小安全系數為1.546，故邊坡屬于安全狀態。在降雨條件下最小安全系數為0.775，根據《建筑邊坡工程設計規范》遠遠小于既定的標準安全系數，所以初步斷定在降雨工況下該邊坡處于不穩定的狀態。

表4 垃圾堆體邊坡抗滑穩定最小安全系數

4 支護方案設計與實施

4.1 支護方案的選擇

邊坡支護方案一般分為生物防護和工程支護兩大類[23]。生物防護也即生態防護，根據邊坡土質條件可分為土質生態邊坡防護和巖質邊坡生態防護。工程支護的主要結構形式有重力式擋墻、扶壁式擋墻、格構式錨桿擋墻支護、錨噴支護等。

首先，由于邊坡支護模擬中，生物防護不是此次所要考慮的優化方案對象，故先予以排除。其次，由之前建立的降雨工況下模型可知，所研究的邊坡高為16 m，重力式與懸臂式擋土墻均不適用?？紤]到滑坡位置的特殊性，此處不宜采用擋土墻。由于實驗模擬過程與現實的差異性，因此，先考慮選用錨桿支護?？紤]到土釘支護與錨桿支護的相似性且土釘支護更容易操作，因此，選擇土釘支護方案。

4.2 Geo-studio模擬土釘支護

在具體工程中，土釘支護較為普遍，在邊坡支護中應用廣泛。工程支護中常見的土釘如圖5所示。

利用Geo-studio2007分析軟件進行實際模擬過程。以土釘數為模擬過程中的實驗變量，其他保持不變。得到的優化后的邊坡結果如圖6所示。

圖5 工程支護中常見的土釘Fig.5 Common soil nail in engineering support

圖6 土釘支護下的暴雨工況安全系數計算結果圖Fig.6 The calculation result of safety coefficient under the condition of soil nailing

在所設定的參數下，當土釘數量為1根時，坡面達到穩定狀態，安全系數較之前大幅提高，達到1.263(大于標準值1.25)。為了研究加固樁數量增加對安全系數的影響，選擇繼續增加土釘數目。土釘支護數目對安全系數的影響如表5所示，此時的安全系數變化量級小于0.1，說明土釘數目增加對于安全系數影響程度下降且不明顯；同時，隨著土釘數量的增加，滑移面逐漸向巖層深處移動。

表5 土釘支護模擬分析統計表

5 結論

(1)通過對垃圾堆場危險源進行辨識，采用常用的危險辨識方法來辨識一些基本的風險，進而對建筑垃圾堆的穩定性有較大影響的因素進行了分析，得出結論為基地形態、堆排工藝、堆體邊坡形態、地表水、地下水為影響其穩定性的重要因素。

(2)在室內對土質進行直接剪切實驗，結合土體的特征和室內試驗的結果，及類比其他工程參數值之間的綜合考慮，最終提出了抗剪強度參數計算值。

(3)安全模擬實驗中，對邊坡進行了穩定性分析。當處于無水壓力條件下時，邊坡處于穩定狀態，安全系數大于標準值(1.25);當邊坡處于暴雨工況條件下時，對其進行穩定性分析，結果沒有達到該有的穩態，安全系數為0.775。

(4)選定了土釘支護方案，在所設定的參數下，當數量為1根時，坡面就可以達到穩定狀態，安全系數較之前大幅提高。

(5)模擬計算過程中，所建立的模型是處于理想狀態；在實際工程中，邊坡各個土層之間的分界并不像所建模型那樣清晰。

(2)在模擬計算過程中，只考慮了水壓力條件的不同而設計的無水壓和降雨2個工況。而現實生活中還有許多其他外在因素影響著邊坡的穩定性，如地震等因素，與實際工程問題難免具有一定的差異性。