垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結構設計與試驗研究

宋凡，李明飛，霍欣雨，張雪梅，李歡，武帥斌

（沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，遼寧沈陽 110870）

0 引言

隨著經濟和社會的發展，工業化與城市化進程加快，人口不斷涌入城市，使城市廢物和生活垃圾產生量急劇增多。垃圾填埋場以其經濟、方便的優勢，已經成為各個國家處理城市生活垃圾的有效手段之一。在城市生活垃圾填埋場中，垃圾一般采用分層分塊填埋方式，逐漸堆積到設計高度。垃圾填埋體由于其高壓縮性和沉降變形，以及填埋作業機械的碾壓，將對鋪設在填埋場邊坡上的襯墊層起到拖拽作用，在襯墊層中形成拉力。為了保證防滲系統的完整性和穩定性，需要在邊坡的頂端或分段邊坡的平臺處設置錨固區對襯墊層進行錨固：一般采用錨固槽（錨固溝）形式，某些條件下也可采用脹栓錨固或預埋鎖錨固。襯墊層錨固結構是襯墊系統的重要組成部分，應提供足夠的錨固能力，以防止襯墊層材料的拔出破壞[1-2]。

孫洪軍等[3]通過對土工膜錨固形式進行分析，建立了不同錨固形式下土工膜拉伸力學模型，并推導了相應的計算公式，但對于溝槽錨固結構，未考慮溝槽側壁摩擦力提供的錨固作用。張文華等[4-5]對使用螺栓錨固土工膜的固定端做了研究，說明螺栓錨固等穿透式錨固方式只能用于襯墊層最頂端，如果使用位置在填埋垃圾下方，將給滲濾液提供下滲通道，因此在填埋場工程中應用有限。傳統溝槽錨固體系在施工過程中需對溝槽側壁及底面進行加固處理，工程量較大，襯墊層上混凝土澆筑、養生工期較長，且混凝土錨固體下襯墊層如發生破壞，維修加固困難。因此，本文設計了一種襯墊層榫卯式錨固結構，能夠解決或改進傳統溝槽錨固體系的問題；同時對設計的新型錨固結構進行了模型試驗，以評價其錨固性能，確保在使用過程中具有足夠的安全性和穩定性。

1 垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結構的設計

項目設計的垃圾填埋場襯墊層榫卯式[6]錨固結構如圖1所示，主要構件包括基錨固塊、輔錨固塊、栓桿、限位樁等，均由鋼筋混凝土材料預制而成。限位樁通過預留限位樁孔插入至垃圾填埋場邊坡坡頂或中間平臺下部地基中?；^固塊和輔錨固塊均設有榫頭、卯槽和半圓形凹槽，榫頭、卯槽和半圓形凹槽的半徑考慮襯墊層厚度并與之相匹配。由土工膜和設置在土工膜兩側的土工布構成的垃圾填埋場襯墊層從基錨固塊和輔錨固塊間穿過，通過栓桿將基錨固塊和輔錨固塊固定，使兩者通過擠壓作用夾緊襯墊層。最終，襯墊層通過基錨固塊和輔錨固塊的自重以及限位樁的限位作用被固定在填埋場邊坡地基上，限位樁預制長度考慮實際工程地基土質條件，根據單樁水平承載力計算確定。設計的填埋場襯墊層榫卯式錨固結構可采用工廠化預制，現場裝配式施工。部件進行標準化制作可替代傳統混凝土灌注固定方法，提高工作效率、縮短工期，從而解決工期長、維修加固困難等問題，在固定襯墊層的同時，可保持襯墊層的完整性，避免引起滲漏。

圖1 垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結構示意圖

圖2 基錨固塊、輔錨固塊以及栓桿實物模型

2 模型制作

為評價新型錨固結構的錨固性能，驗證其安全性和穩定性，制作了基錨固塊、輔錨固塊以及栓桿實物模型并進行了加載試驗。基錨固塊、輔錨固塊以及栓桿三個構件因為在外形上具有能夠契合的特點，因此在同一模板箱內一次澆筑完成。這也說明該裝置的設計具有便于制作的優點。模型實物如圖2所示，拼裝后尺寸為長1500mm、 寬 200mm、高300mm。

試驗使用HDPE土工膜和無紡土工布作為襯墊層的土工合成材料。作為襯墊層防滲材料和主要受力層的HDPE土工膜厚1.5mm，雙面加糙，彈性模量（1%應變）為290MPa，抗拉強度為25MPa；無紡土工布主要起保護土工膜的作用，規格為400g/m2。襯墊層試樣（圖3）包括一幅土工膜、兩幅土工布，長度均為200cm。為保證襯墊層在加載過程中受力均勻，避免應力集中，同時考慮試驗過程中可能出現的偏移，寬度定為60cm。

圖3 垃圾填埋場襯墊層材料試樣

3 榫卯式錨固結構加載試驗

3.1 試驗裝置

試驗假定基錨固塊被牢固固定在填埋場地基上，研究錨固結構對襯墊層的錨固能力。模型加載試驗在電液伺服壓力機移動平臺上進行，如圖4、圖5所示。將錨固塊與襯墊層組合后（圖6），用壓力機將基錨固塊加壓用以固定，通過定制裝置將拉力機水平固定于壓力機移動平臺，位置在輔錨固塊一側，拉力機拉桿與錨固塊底部伸出的襯墊層保持在同一高度，防止受力方向不一致，影響實驗結果。拉力機收縮量即為襯墊層受拉端的位移量。通過拉力機施加的拉力相當于垃圾填埋場邊坡上襯墊層收到的拉伸荷載，襯墊層端部夾具與拉桿端部通過荷載傳感器連接，荷載傳感器用于測量施加的拉力大小。

圖4 試驗裝置正視圖

圖5 試驗裝置側視圖

圖6 安裝組合后的榫卯式錨固結構

3.2 試驗加載過程

錨固塊對襯墊層的壓力及摩擦力是決定錨固作用能否達到的關鍵，所以，試驗過程中重點關注襯墊層承受的拉力和被拉出的程度。試驗步驟如下：

（1）調整拉力機拉桿伸出距離，以拉緊襯墊層，采集系統位移試驗力清零，在襯墊層試樣上標記控制點，作為襯墊層拔出長度的測點；

（2）開啟電動伺服缸開始加載，以5mm/min的速度拖拽襯墊層施加拉力，采集系統自動記錄拉力與拖拽距離數據；

（3）試驗過程中，觀察錨固結構位置變化情況，記錄主要標志點變位值；

（4）考慮到加載設備安全，當拉力達到峰值或5kN時停止加載，測量襯墊層從錨固結構內的拔出量。

3.3 試驗結果與分析

試驗過程中，襯墊層受拉端拉力與位移的關系如圖7所示，整個變化過程可以分為三個階段：

圖7 土工膜受拉端拉力與位移關系圖

（1）襯墊層拉緊調整階段（0～400N）

此階段土工膜由松弛逐漸拉緊，使土工膜和土工布組成的襯墊層與錨固裝置間貼合更加緊密，并使得擠壓在基錨固塊、輔錨固塊與栓桿間的襯墊層應力得到調整，表現為受力曲線上的拉力突變。

（2）錨固結構平穩受力階段（400～1300N）

此階段襯墊層與基錨固塊、輔錨固塊與栓桿間緊密咬合，相對滑移量逐漸減小，受拉端位移增加量逐漸變為襯墊層本身的伸長量。

（3）錨固力出現震蕩階段（1300N以上）

此階段襯墊層與基錨固塊、輔錨固塊與栓桿間出現微小滑移，基錨固塊下部混凝土出現裂縫，基錨固塊與輔錨固塊間距離局部增大，錨固力出現震蕩現象并最終達到峰值。

考慮錨固結構模型厚度，試驗中錨固結構平穩受力階段所能達到的錨固力（約6.5 kN/m）已超過一般工程所需的大?。?.8～3.0kN/m），此時土工膜應力為4.3MPa，遠小于其抗拉強度，說明項目設計的榫卯式錨固結構具有足夠的錨固能力，能夠滿足工程需要，設計所考慮的固定機理充分發揮了作用。

4 結論

本文設計的垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結構，可采用預制裝配式施工，部件可進行標準化制作，能提高工作效率、縮短工期，有效改善了傳統溝槽錨固體系工程量大、工期長、維修加固困難等問題。另外，在固定襯墊層的同時，可保持襯墊層的完整性，避免引起滲漏。加載試驗結果表明，所設計的榫卯式錨固結構具有足夠的錨固能力，能夠滿足工程需要，設計所考慮的固定機理充分發揮了作用。