考虑不同堆载过程的弃渣场稳定性分析

杨建强

(中铁十七局集团建筑工程有限公司，太原 030006)

铁路、公路建设是线形工程，沿线地形复杂多样，施工过程中经常高挖低填，会产生大量土石方弃渣。弃渣体随意堆置且施工过程中往往防护不当，对生态环境产生严重破坏，导致水土流失。因此，妥善处置工程建设期间产生的弃渣剥离体十分重要。弃渣场作为工程建设的副产物，是伴随着工程施工而形成的一种巨大的人工松散堆积体。弃渣场所堆放的弃渣体属于松散介质，工程性能差，边坡抗滑能力差，降雨易入渗，其物理性质介于固体和液体之间。分析掌握弃渣场的稳定状态，对于工程的正常施工建设及运营十分关键。

国际上关于弃渣场边坡稳定性及其防治措施的研究始于20世纪70年代[1-2]。近年来，国内外学者从不同角度对渣场边坡稳定性进行了分析。吴谦等以某铁路隧道为例，基于Monte Carlo算法，分析了弃渣场边坡稳定系数对各项计算参数的敏感性，得到了弃渣内摩擦角φ、黏聚力及重度变化对渣场边坡稳定系数的影响程度[3]。陈武等学者基于渗流理论对渣场稳定性进行了数值模拟分析计算，得到了降雨对渣场稳定性的影响[4-6]。保华富等对弃渣场边坡的变形范围及可能失稳区域分别进行监测，从而探寻边坡的变形特性、破坏机理。这些研究虽然考虑了降水及渣场计算参数变化等因素对渣场稳定性的影响，但未能反映弃渣场的动态堆载过程[7]。

本文以山西省某工程弃渣场为例，利用有限元软件Midas GTS对弃渣场的变形和应力特征进行数值分析，研究弃渣场内部的应力大小及分布、位移大小及分布规律，探讨在动态堆载过程下，分析不同分步堆载情况下弃渣场的变形和稳定性变化情况。

1 弃渣场堆积体模型及参数选择

以山西省某工程弃渣场为例，利用有限元软件Midas GTS对弃渣场的变形和应力特征进行有限元分析。弃渣场边坡分析模型见图1。

图1 弃渣场边坡分析模型

考虑弃渣场堆积体的弹塑性特点，本文本构模型采用Mohr-Coulomb屈服准则进行相应模拟分析。Mohr-Coulomb塑性模型的参数具有简单且能较好反映土体的弹塑力学特性的特点。

其屈服函数为[8-9]：

(1)

(2)

式中：I1为应力张量第一应力不变量，I1=σx+σy+σz；θσ为洛德角，-30°≤θσ≤30°；J2为应力偏张量的第二不变量。

采用有限元计算是否收敛作为评价标准，计算得出的折减系数即为安全系数。安全系数取值及边坡稳定性状态，参考《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)进行选取。

该工程典型弃土场堆渣体力学参数见表1。为便于建模分析计算，对每一土层的计算参数取特定值。

表1 弃渣场堆渣体计算参数

2 弃渣场的稳定性分析

根据有限元法的计算要求对弃渣场模型的计算区域进行网格划分，划分网格时选用循环网格化四边形网格，并根据强度折减法要求，生成中间节点。将弃渣场堆积体进行模型网格划分，划分为1 094个单元，共1 166个节点，见图2。理论上划分的网格越密计算结果越精确，但会导致计算量的增加。因此在计算时，对弃渣堆积体及坡面边坡的网格划分进行适当的加密处理。

堆积体坡顶以及坡面边界网格尺寸为4 m，基岩和粉质黏土全部边界和堆积体底边界网格尺寸为8 m。计算得到自重作用下弃渣场边坡位移云图和剪切应变云图，见图3、图4。其最大、最小主应力主要体现弃渣体的拉压状态，位移云图和剪切应变图可用来判断弃渣场边坡的失稳区域，根据塑性区的情况可判断其渣场边坡是否发生整体性失稳破坏。

图2 弃渣场边坡分析模型网格划分图

图3 弃渣场边坡位移云图

图4 弃渣场边坡剪切应变云图

通过数值模拟计算，得到此模型中弃渣场堆积体在重力作用下整体稳定性系数为1.225。边坡最大位移为0.302 m，边坡位移变形主要集中在下部，在弃渣场坡脚处有局部破坏趋势。

3 分步堆载过程中渣场的变形演变

为更好地反映弃渣场建设过程中弃渣体的堆置对边坡稳定性的影响，将该弃渣场按不同堆置步骤分为压坡脚式(顺排)和覆盖式(逆排)两种堆置步骤，并对不同堆载步骤的弃渣场模型进行边坡稳定性分析。

3.1 分步堆载模型

弃渣场的分步堆载分析模型建立在原弃渣场边坡分析模型(图1)的基础上，考虑堆载步骤的不同，建立顺排堆载和逆排堆载两种分析模型，见图5。

3.2 堆载过程变形演变规律

对弃渣场逐步堆载过程进行建模运行计算，在考虑自重作用的情况下，分析其每一个堆载步骤在施工过程中对边坡稳定性系数、位移变化以及剪切应变的影响，并分析弃渣场在堆载过程中的演变规律。

图5 不同堆置步骤分析模型图

3.2.1 压坡脚式堆载过程的变形演变

对压坡脚式堆载方式进行加载计算，计算结果见图6及表2。从计算结果来看，压坡脚式(顺排)堆置方式在堆载过程中，其稳定性系数在1.221～1.331之间，在自重作用下处于基本稳定状态。弃渣场最大位移出现在第一步堆载后，数值为31.2 cm左右，之后位移变化呈较缓的递减趋势，变化范围在0～0.033 m之间。第三步堆载后呈现出最大剪切应变为3.751，随着每一个堆载步骤下的渣体对前一步骤堆置的渣体的反压作用，其塑性区域逐渐缩小收敛，压坡脚式堆置方式的可能剪出口始终位于坡脚位置，且随最终堆置线坡脚位置的改变而改变。云图中相邻步骤变化趋势相近的将不单独列图，相近两步或多步则取其最后一步为示意图，下文中不再说明。

图6 压坡脚式堆载过程分析

表2 弃渣场堆载过程参数变化值

3.2.2 覆盖式堆载过程的变形演变

同理，对覆盖式(逆排)堆置进行加载计算，计算结果见图7及表2。覆盖式(逆排)堆置方式在堆载过程中稳定性系数在1.306～1.693之间，在自重作用下处于稳定状态。弃渣体堆置完后体现出最大位移为30.8 cm，位移随着堆载步骤的推进呈递增趋势，第三步和第四步堆载过程中最大位移变化出现分散集中现象。整个堆载基本完成时出现最大应变3.390，堆载过程中塑性区由边坡上部逐渐向中部再向下部移动，在堆载彻底完成时塑性变形区完全收敛于坡脚。

图7 覆盖式堆载过程分析

由表2可知，在堆置过程中，覆盖式弃渣场的平均稳定系数为1.518，高于压坡脚式弃渣场的平均稳定系数1.278，对弃渣场边坡的稳定性提高更有益，提高率为18.73%。在弃渣场边坡稳定性更好的前提下，覆盖式的最大位移平均值和最大应变平均值均小于压坡脚式。

运用Midas GTS模拟计算弃渣场堆载渣体前原始边坡稳定系数，得到原始值为1.54。从表2可以看出，无论渣体的堆置采用压坡脚式还是覆盖式，对边坡整体稳定性都呈削弱趋势，但边坡依旧稳定。同时，也可发现覆盖式堆载方式对边坡稳定性的削弱作用远小于压坡脚式，由此可知覆盖式堆载方式较压坡脚式更利于保证弃渣场边坡的稳定。

4 结 论

1) 以山西省某工程弃渣场为例，建立弃渣场有限元分析模型，分析弃渣场整体稳定性及考虑不同堆载过程的渣场稳定性变化情况。

2) 从渣场整体稳定性分析可知，边坡位移变形主要集中在边坡下部，在弃渣场坡脚处有局部破坏趋势。

3) 考虑分步堆载过程演变，根据堆载顺序不同，分为压坡脚式(顺排)和覆盖式(逆排)堆置，无论渣体的堆置采用哪种方式，对边坡整体稳定性均呈削弱趋势。

4) 弃渣场安全系数、位移、应变的变化随堆载过程不同而有所区别，覆盖式的最大位移平均值和最大应变平均值均小于压坡脚式。从最终稳定性来看，覆盖式堆载优于压坡脚式堆载。