关于刚性填埋库底板裂缝的研究及应用

周晓明 杨亚丽 付 滨 朱冬舟 朱 敏 叶 海 陆 超 戴 俊 詹 浩 王 强

（1、南京绿环废物处置中心，江苏 南京210047 2、上海勘测设计研究院有限公司，上海200434 3、南京市生态环境保护科学研究院，江苏 南京210013）

1 项目概况

江苏某危废处置中心是该市环保“十五”规划重点工作之一，是该市第一个集中控制危险废物污染的区域性基础设施。以其一期工程为例，采用下沉式钢筋混凝土分仓结构。地下刚性填埋库共设置2×3 个库，1～3#库为3 个独立的填埋库联成一排，4～6#库为整体式底板；总库容约为9.07 万m3。

以最先填埋完成的1#刚性填埋库为例，分析研究从完建期空库工况至运行期满库工况底板裂缝宽度的整个发展情况。1#刚性填埋库尺寸为45.0m×45.0m×6.7m，地下水位不高于15.0m高程；墙后回填土按18.5kN/m3考虑；库内填埋物重度按15kN/m3设计。刚性库断面图如图1 所示（图中尺寸以mm计，高程以m计）。

1#刚性填埋库示意图

2 工程实例计算分析

原设计采用有限元软件进行计算，根据《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001），裂缝宽度按0.2mm 控制。根据现行《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB/T 50046-2018），裂缝控制宽度应控制在0.15mm，原设计底板裂缝宽度限制达不到新规范要求，但实际计算裂缝宽度均在0.15mm 以内。为更好的复核原裂缝宽度的误差范围，采用最新版三维水池软件进一步复核，对比分析两种计算结果，为底板裂缝宽度限制的选取提供相互佐证的理论依据。

2.1 计算工况

空库工况：主要受刚性填埋库自重、库周侧向土压力影响，底板跨中以内侧受拉为主，底板与侧墙交汇处以底板外侧受压为主。

满库工况：主要受填埋废弃物自重应力为主，库周侧向土压力与废弃物侧向力有近乎抵消的趋势，底板跨中以外侧受拉为主，底板与侧墙交汇处受侧墙约束，以外侧受拉为主。

从原始计算结果来看，满库工况较空库工况底板所受内力更大，并且为持久工况，本次主要对满库工况底板进行受力分析及裂缝验算。

2.2 有限元软件计算

有限元分析软件具有强大的建模功能，目前广泛应用于市政、建筑、水利等工程领域的结构分析研究。建模时，需要先建立结构几何模型，给出材料参数和单元类型，最后划分网格，形成结构的有限元模型。

（1）模型简化。有限元计算原理是采用弹性地基模型进行模拟，刚性库底板两个方向的尺寸几乎相等，不宜取单宽简化为梁进行计算，模型简化为弹性地基上的双向板计算，地基垫层系数取30000kN/m3，底板四边位移约束法向位移设为零，且不考虑外侧底板对内侧底板的作用。模型尺寸为45m×45m，底板划分为单元尺寸1m×1m的网格。

（2）计算结果分析。根据有限元计算结果，侧墙和隔墙作用于底板上的弯矩对底板的内力影响很大，底板弯矩的较大值均出现在侧墙和隔墙附近。模型计算过程中底板四边按固端计算，且未考虑底板对内侧底板的作用，计算结果略微偏大。根据最大弯矩值计算底板最大裂缝宽度为0.14mm，底板面层弯矩分布云图。

2.3 三维水池模型简化计算。水池设计软件主要用于钢筋砼水池结构计算，以二维和三维的方式直观显示水池信息，采用有限元方法进行内力分析，自动进行网格剖分、工况组合，程序根据相应规范自动进行配筋、抗裂度及裂缝宽度验算等，使用方便快捷，操作简单。

（1）模型简化。水池底板计算原理是采用温克尔地基模型，假定底板下为弹性支座，基床系数即为弹性刚度，边缘处基床系数与中心处呈线性变化，近似模拟半无限弹性体模型。模型简化为钢筋砼水池结构，刚性填埋库内填埋物及表面堆载换算为恒载加至侧墙和底板，通过结构相对刚度来分配弯矩。

（2）计算结果分析。根据三维有限元模型计算结果，底板弯矩的较大值均出现在侧墙和隔墙附近，最大弯矩为负值，表示内侧底板受拉。模型计算过程中侧墙与底板之间按弹性支撑计算，考虑结构整体的变形协调，但程序中无法剔除隔墙的土压力，四边均按侧墙考虑，对计算结果略有影响，主要对侧墙、隔墙的受力分配。根据计算结果，底板最大裂缝宽度为0.12mm，底板面层弯矩分布云图。

2.4 数值计算结果对比分析。从底板弯矩云图来看，两种模型有限元计算结果弯矩分布情况基本一致，弯矩较大值均位于侧墙外侧底板面层附近。有限元计算底板四边直接按固端考虑，且忽略外侧底板对内侧底板的影响，由于两种计算软件模型简化过程存在一定差异，模型计算结果比三维水池计算结果略大，但两种方法计算结果裂缝宽度均在最新规范规定的0.15mm以内。同时，两种计算方式，对地下水的影响均按定值考虑，未列入雨棚荷载，地下水及雨棚活荷载均未按波动考虑，这将与实测数据存在一定差别。

3 项目监测数据分析

3.1 监测数据自身分析。1#刚性填埋库底板靠近侧墙处两侧埋设有水平向裂缝计，用以监测刚性填埋库底板全生命周期裂缝发展情况。1#刚性填埋库2007 年建设完成至今已有近12 年，封场已有3 年，从完建至今积累了大量监测数据，为分析刚性库各个阶段底板裂缝发展情况提供可靠依据。为更好的分析裂缝发展趋势，将刚性填埋库分成以下几个监测期：空库- 稳定期、空库-2#库（临库）填埋期、填埋期及满库- 封场后稳定期。空库- 稳定期、空库-2#库（临库）填埋期及填埋期与理论计算无直接联系，但可进行趋势分析，理论计算值应与满库- 封场后稳定期进行对比。

3.2 监测数据与理论计算值对比。根据上述分析，理论计算只能与满库- 封场稳定期监测值进行对比，主要得出以下结论：①理论值计算值与监测值基本相吻合，基本未超过0.15mm；②理论计算值只考虑永久荷载，未考虑地下水位波动、雨棚自重、风荷载、施工荷载等，因此，理论计算值为定值，监测值为波动值；③理论计算值

对监测预警值起到控制性上限作用。

4 结论

刚性填埋库底板裂缝宽度理论计算，不管通过什么模型计算，只能考虑某个组合的永久或偶然荷载，其计算值均为定值，属于一维尺度，只能对最不利工况进行控制性计算，作为监测预警值上限依据；而监测值实际反应了周边环境实时变化，其计算值属于动态值，属于二维尺寸，可以按照时间轴与实际影响荷载关联分析，通过趋势分析进行预判，作为指导刚性填埋库安全填埋的依据；监测值理论上不应大于理论计算值。

从刚性填埋库安全运行角度出发，结合模型计算及长期监测数据结果，刚性填埋库底板裂缝预警值可根据《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB/T 50046-2018）从严设置，定为0.15mm，但实际安全运行值应按照老规范、原设计定为0.20mm。实际运行过程中，当监测值有超过预警值趋势时，建议关联分析地下水位、沉降、填埋均匀填埋程度、周边场地荷载等指标是否异常，及时调整影响因子，增加监测频率，确保刚性填埋库安全运行。