建筑垃圾堆體穩定性分析及工程防護措施研究

張 黎，伏 凱，張思夢，仲 璐，王 璐

(中國城市建設研究院有限公司 北京100120)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快和舊城改造工程的全面鋪開，大量建筑垃圾隨之而生。我國建筑垃圾的排放量逐年上升，粗略統計每年產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生量遠超這個平均水平，如武漢市2016年城市固體廢棄物產生量為7616萬t，其中建筑垃圾約為5000萬t，占比達到66%，需要外運的存量建筑垃圾約有2100萬m3，合3360萬t[3]。目前我國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都遠遠不能滿足其建筑垃圾處置需求，導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 月住房和城鄉建設部印發了《關于開展建筑垃圾治理試點工作的通知》，在全國35個城市(區)開展建筑垃圾治理試點工作?！锻ㄖ访鞔_了開展建筑垃圾存量治理的試點任務，要求全面排查建筑垃圾堆放點隱患，對存在安全隱患的堆放點，制定綜合加固整治方案并限期治理。

對于很多城市來說，部分建筑垃圾無法在短時間內清運干凈，還需在原地存放一段時間，因此需要排除其中的安全隱患。首先要對這些建筑垃圾堆體進行安全穩定性分析，分析其可能存在的塌方危險，再根據測算的過程和結果，制定適合各個建筑垃圾堆體的工程防護措施方案。

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為例，分析其堆體穩定性。該堆填場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。根據現場踏勘情況，在此遺留建筑垃圾堆放點均勻選取6個取樣點進行后續穩定性分析。

圖1 土壤樣本的顆分試驗結果 Fig.1 Particle distribution test result of soil samples

1.2 試驗方法

1.2.1 土力學參數測定方法

通過開展一系列室內試驗，測試現場所取土樣的土力學參數，測定方法如表1所示。

1.2.2 堆體穩定性分析方法

建筑垃圾堆體的邊坡穩定性分析采用Geo-Studio軟件中的SLOPE/W模塊和SEEP/W模塊進行計算[6-7]。該軟件采用Morgenstern & Price法對典型剖面進行極限平衡條分法計算。極限平衡法由Fellenius于1927年首次提出，建立在Mohr-Coulomb屈服準則、安全系數的定義與靜力平衡的基礎之上。經過半個多世紀的發展，這一力學方法逐步從一種經驗性的簡化方法發展成為一個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用，并具有自動檢索滑面功能。

表1 土力學參數測定方法 Tab.1 Test methods of soil mechanical parameters

2 分析與結論

2.1 土力學參數分析

通過開展一系列室內試驗，獲取現場土樣的土力學參數如表2所示。

表2 土壤樣本的土力學參數 Tab.2 Soil mechanical parameters of soil samples

從表2可以看出，6個取樣點的土壤樣本中只有3號取樣點的初始含水率遠超其余取樣點，為17.75%，幾乎是其余各取樣點的兩倍。這主要是由于3號取樣點周圍地表坑洼，形成了小型積水坑，之前蓄積的雨水導致3號取樣點的土壤樣本的初始含水率偏高；2號取樣點土壤樣本滲透系數相對較高，1號取樣點土壤樣本滲透系數相對較低，但總體來看， 6個取樣點的土壤樣本滲透系數依然在同一個數量級上，差別不大。6個取樣點的土壤樣本的內摩擦角分布在21.2°～27.4°范圍內，土樣粘聚力很小。將土壤樣本分別過20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075mm篩進行篩分實驗，獲得顆分試驗結果如圖1所示。依據GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》，將土樣定名為細粒土質砂或含細粒土砂。

2.2 堆體穩定性分析

通過現場踏勘，選取建筑垃圾堆體的3個代表性剖面進行分析，坡高及坡度見表3。此外，根據北京地區2010—2019年氣象信息，估算該堆體所在區域年平均降雨量為1.62mm/d，雨季(6～9月)平均降雨量為3.8mm/d，在這10年間出現的最大日降雨量為 253.5mm/d。因此根據以下3種工況進行堆體穩定性分析：

工況(一)，現場踏勘取樣時；工況(二)，雨季降雨工況下，降雨持續2d；工況(三)，極端降雨工況下，降雨持續2d。

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

根據現場踏勘結果，在Geo-Studio軟件的SEEP/W模塊中建立3個剖面圖，如圖2～4所示。根據土樣顆分曲線在巖土工程軟件Soilvision中檢索，確定每個土樣的非飽和土土水特征SWCC曲線，并依據試驗所得飽和土滲透系數，在SEEP/W模塊中，采用Fredlund and Xing方法推算出土樣滲透系數隨吸力變化曲線，對3種堆體進行材料賦值。根據取樣點位置確定各邊坡采用土樣信息并對其進行賦值，具體見表4。在SEEP/W滲流分析中，首先通過土樣初始含水率和SWCC曲線確定堆體內部初始吸力并對其進行區域賦值，認為左側邊界不透水，底部邊界為潛在滲流面，邊坡上邊界設置單位流量為年平均降雨量，由于右側斜坡坡度較陡，設定降雨量中只有20%雨量能夠滲入，從而對堆體進行穩態分析并在SLOPE/W模塊中進行穩定性分析。將穩態分析結果作為初始條件，根據上述工況(二)、(三)，改變上邊界和右側斜坡邊界降雨量，對堆體進行瞬態分析以及穩定性分析。根據GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》，當臨時邊坡的安全系數大于1.15時，認為邊坡處于安全穩定狀態。

3個剖面在3種工況下的穩定性分析結果如圖5～7所示。根據穩定性分析結果，剖面一(坡高為5m，坡度約為1∶1)在3種工況下均能保持穩定，安全系數均大于1.15，因此總體來看剖面一穩定性良好，安全儲備高；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2d條件下，穩定安全系數都在1.15以上，但當遭遇極端降雨持續2d時，穩定安全系數為0.968，邊坡具有失穩的風險；剖面三(坡高為10m，坡度約為∶1)相對較高，且坡度較大，其穩定性分析結果與剖面二分析結果基本一致，只有在極端降雨條件下存在失穩滑坡的風險，且失穩模式為淺層土體，故失穩后果不嚴重。

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個代表性剖面的穩定性安全系數 Tab.4 Stability safety factor of three representative sections

2.3 結論

首先通過對北京市某建筑垃圾堆體采樣進行室內土工實驗獲取其土性參數，現場選取6個取樣點進行實驗測試，包括顆分實驗、液塑限測定、變水頭滲透實驗以及直剪實驗，現場取樣點均勻，基本覆蓋整個場地，實驗測定的參數能很好地代表整個建筑垃圾堆體的土性參數，結果可靠。室內實驗結果表明，場地土體主要為細粒土質砂或含細粒土質砂，滲透系數為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個典型剖面進行安全穩定性分析，考慮年平均降雨、雨季降雨以及極端降雨3種工況通過分析發現：剖面一(坡高5m，坡度1∶1)在3種降雨工況下均能保持穩定，安全儲備較高；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，安全系數均大于1.15，不會發生失 穩滑坡現象，但當遭遇極端降雨時，安全系數小于1，存在失穩滑坡的風險；剖面三(坡高10m，坡度∶1)的結果和剖面二類似。由此可見，剖面二和剖面三相比剖面一坡度更陡，遭遇強降雨時有淺層失穩的風險。

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

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

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

3 建議

本文所介紹的針對建筑垃圾堆體的穩定性分析方法具有一定的普適性，可用于我國大部分城市同類建筑垃圾堆體的穩定性分析。建議城市主管部門或建筑施工單位針對此類需要暫時存放在原地、無法在短時間內清運至填埋場或建筑垃圾資源化處理場的建筑垃圾堆體進行穩定性分析，通過減弱使堆體穩定性降低的因素，改善堆體巖土體的力學強度或直接降低滑動力、提高抗滑力，采取如下工程防護措施，避免發生環境和安全問題。

3.1 增加簡易綠化或苫蓋

在坡度比較陡的斜坡上進行簡易綠化或增加苫蓋進行防護，可以增強土體之間的粘聚力，同時減少因強降雨時地表水的下滲，避免土體的抗剪強度降低進而導致堆體失穩。

3.2 修建排水溝

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

3.3 削減高度

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

3.4 堆體人工加固

采用SNS邊坡柔性防護技術等措施進行堆體的人工加固。

3.5 清除或削坡減荷與壓腳

及時發現并清除堆體上危巖或潛在危險物。如果難以清除或不可能清除時，可以支撐以防止其掉落，進而避免影響堆體穩定性和周邊建筑物的安全。

3.6 修建擋墻

可以設置抗滑建筑物，如選用彩鋼夾芯板或綠色預制擋土墻，避免堆體發生失穩滑坡時，影響周邊建筑物的安全。