土工格栅在湿陷性黄土地区垃圾填埋场中的应用分析
导读:：在垃圾卫生填埋场遇到自重或非自重湿陷性黄土场地时，根据规范要求必须对填埋场地基进行处理。当采用坝型为碾压式均质土坝时，经计算拦水坝的稳定性系数Fs=1.20，不能满足设计要求。本工程采用土工格栅作为拦水坝加筋补强的措施，加筋后的拦水坝稳定性系数Fs=1.54，满足设计要求。
关键词：土工格栅，湿陷性黄土，地基处理，垃圾填埋场，稳定性
1 引言
随着人们对环境保护要求的提高，生活垃圾处理设施场址面临越来越大的困难，垃圾填埋场场址的选择明显受到土地资源因素制约。在具备卫生填埋场地资源和自然条件适宜的城市，卫生填埋是垃圾处理的基本方案;也是现阶段我国垃圾处理的主要方式[1]。泾阳县垃圾处理填埋场位于陕西省咸阳市泾阳县西南的桥底镇官苗沟，距县城23km。县城日产生活垃圾140余吨，填埋场总库容100万m3，库区占地面积3.84万m2，设计使用年限约15年，属于Ⅳ类Ⅳ级垃圾填埋工程。
根据《生活垃圾卫生填埋技术规范》(CJJ17-2004)6.0.6条，填埋库区地基应是具有承载填埋体负荷的自然土层或经过地基处理的平稳层，不应因填埋垃圾的沉降而使基层失稳[2]。由岩土工程勘察报告得知，泾阳垃圾填埋场地基为自重或非自重湿陷性黄土，根据规范要求必须对填埋场地基进行处理。
2 工程地质条件
2.1 场地岩土条件
2.1.1场地位置、地形地貌
泾阳垃圾填埋场位于泾阳县桥底镇官苗村，位于S107省道旁。为北-南走向的冲沟，呈北高南底之势，另有部分沟壑，地势坡度较陡，S107省道从沟口通过，交通较为便利。
地貌单元属黄土台塬沟壑地貌，为一典型黄土冲沟。该沟断面形态呈“U”型，近南北走向，切割深度约30m。场地地形变化较大，勘探点地面标高介于466.88m～513.40m之间。
2.1.2地质构造
泾阳县位于关中平原中部，泾河下游，系泾、渭河及其支流共同作用形成的堆积平原。填埋库区东西两侧高，中间低，地貌类型为黄土台塬，是典型的黄土高原沟壑区。冲沟纵横交错、塬面支离破碎，呈现出较强的谷间地地貌。沟谷下切力强，一般河谷狭窄，河谷比降大。场址周围黄土裸露，结构较好。地层特点是黄土层厚，易蓄水保墒，但由于植被覆盖率低，大雨之后水土流失严重，生态平衡易受破坏。
2.1.3地层结构
根据外业钻探、井探及室内土工试验结果报告，在40.00m勘探深度范围内环境保护，场地土主要由耕土、填土、黄土、古土壤组成，现自上而下分述：
(1)耕土①(Q4pd)黄褐色，耕作层，以粘性土为主，含植物根系，分布在沟上及沟底地表。层厚0.40～0.50m，层底标高472.62～513.00m。
素填土①-1(Q4ml)褐黄色，稍湿，可塑～坚硬，为人工堆积层，以粘性土为主，含植物根系，少量砖瓦碎片，蜗牛壳，土质不均匀。主要分布于沟顶已有坝及扬水渠附近。层厚1.00～19.40m，层底标高465.68～494.12m。
(2)黄土②(Q3eol)褐黄色，以坚硬为主，个别可塑或硬塑。具大孔、虫孔，含蜗牛壳。具湿陷性，层位稳定，分布于沟谷两侧与塬顶部。层厚3.00～17.80m，层底埋深4.00～26.00m，层底标高455.88～496.90m。
(3)黄土③(Q2eol)：褐黄色，以硬塑为主。个别坚硬或可塑。具针孔、虫孔，含零星钙质条纹环境保护，蜗牛壳碎片，钙质结核。土质均匀，层位稳定。该层在深度40.00m范围内未穿透，最大揭露厚度31.60m。
2.1.4地下水
拟建场地地下水属潜水类型，勘察期间属较高水位期，沟底钻孔中地下水稳定水位埋深33.30m，标高443.05m。
场地地下水主要接受大气降水和地表水渗入等补给，排泄方式以迳流排泄、人工开采和蒸发消耗为主。
根据区域资料，场地地下水位年平均变化幅度为1.0～2.0m。
2.2 地基土的工程特性
2.2.1地基土的物理力学性质
(1)地基土的一般物理力学性质
采取不扰动土试样进行了地基土的常规物理力学性质试验，分层统计结果详见表1。
(2)强度试验指标
为获取有关土的抗剪性能，进行了固结快剪试验，分层统计结果详见表1。
2.2.2 地基土的压缩性
根据土工试验成果报告，经分析统计，各层粘性土的压缩系数见表1。
2.2.3场地土的渗透性
根据已有工程经验及在场地附近测试数据，黄土渗透系数取4m/d。
2.2.4湿陷性评价
从表1可以看出，场地内分布的黄土②及其以上各层均具湿陷性提纲格式。
按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)，自天然地面算起，累计至其下所有湿陷性黄土层的顶面止，计算得自重湿陷量的计算值为18～225mm，沟底及沟口为非自重湿陷性黄土场地，沟壁两侧黄土台塬上为自重湿陷性黄土场地。
自天然地面下1.50m起算，累计至其下所有湿陷性土层顶面止，计算得湿陷量的计算值为62～922mm，沟底及沟口地基湿陷等级为Ⅰ～Ⅱ级;沟壁两侧黄土台塬上地基湿陷等级为Ⅲ级。
2.2.5地基承载力特征值
根据土工试验成果报告，结合附近场地已有的资料环境保护，综合确定各主要土层的地基承载力特征值fak为：②黄土：160kPa;③黄土： 190kPa 。
表1 物理力学性质指标统计表
|
层 号 |
岩 土 名 称 |
含 水 率 W % |
比 重 Gs - |
重 度 r kN /m3 |
干 重 度 rd kN /m3 |
孔 隙 比 e0 - |
饱 和 度 Sr % |
液 限 wL % |
塑 限 wP % |
塑性 指数 IP - |
液性 指数 IL - |
含 水 比 aw - |
液 塑 比 Ir - |
液 隙 比 wL/e - |
剪切实验 cq |
压缩试验 天然 |
湿陷 系数 δs - |
自重 湿陷 系数 δzs - |
湿陷起始压力 Psh kPa |
|||
|
C kPa |
Φ 度 |
a1-2 MPa-1 |
Es MPa |
|||||||||||||||||||
|
1-1 |
素填土 |
最小值 ～ 最大值 |
8.9 ～ 22.6 |
2.71 ～ 2.71 |
13.9 ～ 19.1 |
12.8 ～ 16.1 |
0.653 ～ 1.078 |
22 ～ 85 |
26.3 ～ 30.5 |
16.1 ～ 17.9 |
10.2 ～12.6 |
<0 ～0.46 |
0.31 ～ 0.78 |
1.63 ～ 1.70 |
26.43 ～ 43.19 |
19.3 ～25.6 |
0.07 ～1.03 |
1.96 ～24.08 |
0.000 ～ 0.095 |
0.001 ～ 0.036 |
78 ～126 |
|
|
数据个数 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
16 |
1 |
2 |
16 |
16 |
16 |
7 |
3 |
||
|
平均值 |
17.3 |
2.71 |
16.9 |
14.4 |
0.853 |
56 |
28.5 |
17.1 |
11.5 |
0.01 |
0.60 |
1.67 |
34.44 |
21 |
22.5 |
0.48 |
6.40 |
0.032 |
0.009 |
98 |
||
|
标准差 |
4.2 |
0.00 |
1.4 |
1.2 |
0.149 |
15 |
1.2 |
0.5 |
0.7 |
0.35 |
0.14 |
0.02 |
6.06 |
0.30 |
5.67 |
0.027 |
0.013 |
|||||
|
变异系数 |
0.24 |
0.00 |
0.09 |
0.08 |
0.17 |
0.27 |
0.04 |
0.03 |
0.06 |
31.80 |
0.23 |
0.01 |
0.18 |
0.63 |
0.89 |
0.85 |
1.40 |
|||||
|
标准值 |
0.62 |
3.9 |
||||||||||||||||||||
|
2 |
黄土 |
最小值 ～ 最大值 |
4.7 ～22.7 |
2.71 ～ 2.73 |
13.4 ～ 19.9 |
11.9 ～ 17.5 |
0.514 ～ 1.221 |
18 ～ 71 |
26.0 ～ 37.9 |
15.9 ～ 21.2 |
10.1 ～ 16.7 |
<0 ～0.52 |
0.17 ～ 0.81 |
1.63 ～ 1.79 |
23.09 ～ 56.82 |
15 ～ 48 |
17.7 ～31.3 |
0.07 ～ 0.93 |
2.11 ～24.00 |
0.001 ～ 0.120 |
0.001 ～ 0.076 |
29 ～200 |
|
数据个数 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
124 |
28 |
28 |
124 |
124 |
123 |
87 |
70 |
||
|
平均值 |
13.4 |
2.71 |
16.5 |
14.5 |
0.838 |
44 |
27.7 |
16.7 |
11.0 |
<0 |
0.49 |
1.66 |
33.70 |
35 |
25.3 |
0.24 |
9.88 |
0.043 |
0.014 |
109 |
||
|
标准差 |
3.6 |
0.00 |
1.1 |
0.9 |
0.115 |
13 |
1.6 |
0.7 |
0.9 |
0.33 |
0.13 |
0.02 |
5.02 |
9 |
3.6 |
0.15 |
4.58 |
0.028 |
0.014 |
42 |
||
|
变异系数 |
0.27 |
0.00 |
0.07 |
0.06 |
0.14 |
0.29 |
0.06 |
0.04 |
0.08 |
<0 |
0.27 |
0.01 |
0.15 |
0.26 |
0.14 |
0.60 |
0.46 |
0.65 |
1.01 |
0.39 |
||
|
标准值 |
32.1 |
24.1 |
0.26 |
9.2 |
||||||||||||||||||
|
3 |
黄土 |
最小值 ～ 最大值 |
8.3～23.4 |
2.71～2.71 |
16.3～19.6 |
13.4～16.8 |
0.581～0.982 |
35～89 |
25.9～30.4 |
15.9～17.9 |
10.0～12.5 |
<0～0.57 |
0.31～0.83 |
1.63～1.70 |
29.74～48.78 |
41 ～ 42 |
0.08～0.92 |
1.91～21.53 |
0.000～0.011 |
0.001～0.014 |
||
|
数据个数 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
87 |
2 |
1 |
87 |
87 |
72 |
68 |
1 |
||
|
平均值 |
16.6 |
2.71 |
18.3 |
15.7 |
0.694 |
65 |
27.3 |
16.5 |
10.8 |
0.01 |
0.61 |
1.65 |
39.62 |
42 |
23.6 |
0.17 |
12.62 |
0.006 |
0.005 |
178 |
||
|
标准差 |
3.0 |
0.00 |
0.7 |
0.6 |
0.067 |
11 |
1.1 |
0.5 |
0.6 |
0.28 |
0.11 |
0.02 |
3.55 |
0.11 |
4.82 |
0.005 |
0.004 |
|||||
|
变异系数 |
0.18 |
0.00 |
0.04 |
0.04 |
0.10 |
0.17 |
0.04 |
0.03 |
0.06 |
30.56 |
0.18 |
0.01 |
0.09 |
0.68 |
0.38 |
0.77 |
0.75 |
|||||
|
标准值 |
0.19 |
11.7 |
||||||||||||||||||||
3 填埋场地基处理分析
3.1 垃圾填埋库区地基处理方案
由岩土工程勘察报告及表1可知，垃圾填埋库区的湿陷性从沟底到沟壁塬上，由非自重逐渐渐变自重，地基湿陷等级Ⅱ～Ⅲ级，为了提高地基承载力，消除地基部分湿陷量，减小差异变形对防渗膜的不利影响，大幅降低渗沥液的渗漏污染，在将库区内的耕土、填土、坡积、洪积黄土状土全部清除后，在库区沟底及沟壁采用换填垫层法进行地基处理，换填材料采用压(密)实黄土或灰土，处理厚度不应小于0.60m。
3.2 坝基处理方案
3.2.1 拦水坝坝基处理方案
拟建拦水坝坝址属自重湿陷性黄土场地，地基的湿陷等级为Ⅲ级。
根据《GB50025-2004》规范第5.1.1条和第6.1.5条之规定，Ⅲ级自重湿陷性黄土场地上的丙类建筑，消除地基部分湿陷量的处理厚度不应小于3.0m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于200mm，并应采取结构措施和检漏防水措施。拦水坝的坝型为碾压式均质土坝。根据场地地质条件、施工环境及附近已有地基处理经验，为了提高地基承载力，降低渗透性能，提高地基土的稳性，消除地基部分湿陷量，应进行地基处理。地基处理方法可采用灰土垫层法。采用此方法进行地基处理时，坝底宜整片处理，并分层回填压实，夯实回填。换填厚度不宜小于3.0m见图1。对坝底分布的耕土应进行清基处理环境保护，有关垫层的设计应符合相关规范有关规定。
图1 拦水坝剖面图
3.2.2 垃圾坝和拦污坝坝基处理方案
垃圾坝和拦污坝场地属非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅱ级。
根据《GB50025-2004》规范，应进行地基处理以消除地基的部分湿陷量，并应采取结构措施和检漏防水措施。消除地基部分湿陷量的最小处理厚度不应小于2.00m，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力不宜小于100kPa。垃圾坝和拦污坝的坝型均为碾压式均质土坝。换填厚度不宜小于2.0m。
4 坝体稳定性分析
4.1 拦水坝稳定性分析
拦水坝的坝型为碾压式均质土坝，拦水坝轴线长度59.15m，坝高22.50m，坝顶宽3.0m，上、下游坝的边坡均为1:2，。
4.1.1 加土工格栅前拦水坝稳定性分析
采用式(1)对加土工格栅前拦水坝的稳定性进行校核，本文采用圆弧法计算加土工格栅前拦水坝的稳定性系数[3,4]。即
(1) 式中：Fs——稳定系数;R——滑动圆弧半径(m);
——第i条块滑动面的弧长(m);W——第i条块土的重力(kN/m);
——土的抗剪强度指标;
——第i条块的斜角(°)。如图1所示，圆弧的半径R=41m，条块的宽度按R/10选取，条块数为13。土的粘聚力c=21kPa，土的内摩擦角
=18°，经计算拦水坝的稳定性系数Fs=1.20，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)[5]表8.3.10 对工程等级为Ⅳ级的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.25，可见加土工格栅前拦水坝的稳定性不能满足设计要求。本工程采用土工格栅作为拦水坝加筋补强的措施。
4.1.2 加土工格栅后拦水坝稳定性分析
(1)设计抗拉强度计算
设计抗拉强度Td按式(2)计算：
(2) 式中：Fs——安全系数，为安全起见，Fs=1.30;MD——滑动力矩，(kN·m)/m，MD
; MT——不计加筋时的抗滑力矩，(kN·m)/m，MT
;其余符号同式(1)。
经计算MD=5.75 kN/m。
(2)极限抗拉强度计算
极限抗拉强度TM：TM=MD/(0.3～0.4)=19.1～14.4 kN/m，取TM=15 kN/m环境保护，选TGSG15-15土工格栅提纲格式。
拦水坝采用均质粘土回填，从坝顶覆土0.5m以下每隔1m满铺一层TGSG15-15土工格栅。
(3)加土工格栅后拦水坝稳定性分析
考虑了TGSG15-15土工格栅补强效果后的拦水坝稳定性系数按式(3)计算：
(3)
式中：Ti——土工合成材料的抗拉拔力(kN/m);其余符号同前。
经计算Fs=1.54，大于1.25，满足设计要求。
4.2 垃圾坝和拦污坝稳定性分析
垃圾坝和拦污坝的坝型均为碾压式均质土坝。垃圾坝轴线长度39.0m，坝高10.00m，坝顶宽5.0m。上、下游坝的边坡均为1:2。
拦污坝轴线长度43.0m，坝顶高程476.00m，坝底高程464.00m，最大坝高12m，坝顶宽3.0m。上游坝坡1：2.0，下游坝坡1：2.0。坝体采用清库所出的黄土碾压而成。
垃圾坝和拦污坝的稳定性分析同拦水坝。
5 结论
(1)拦水坝坝址属自重湿陷性黄土场地，地基的湿陷等级为Ⅲ级;地基处理可采用3:7灰土整片换填，换填厚度不小于3.0m。
(2)垃圾坝和拦污坝坝址属非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅱ级;地基处理可采用3:7灰土整片换填，换填厚度不小于2.0m。
(3)碾压式均质土拦水坝稳定性不能满足设计要求，因此设计采用土工格栅加筋补强措施，从坝顶覆土0.5m以下每隔1m满铺一层TGSG15-15土工格栅，经计算稳定性系数为1.54，满足设计要求。
参考文献：
[1]《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》,建设部等,2000
[2]《生活垃圾卫生填埋技术规范》(CJJ17-2004)，建设部，2004
[3]周志刚,郑建龙.公路土工合成材料设计原理及工程应用.北京，人民交通出版社，2001
[4]徐光黎,刘丰收,唐辉明.现代加筋土技术理论与工程应用.武汉，中国地质大学出版社，2004
[5]碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)，水利部，2001
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