垃圾填埋场衬垫层榫卯式锚固结构设计与试验研究

宋凡，李明飞，霍欣雨，张雪梅，李欢，武帅斌

（沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁沈阳 110870）

0 引言

随着经济和社会的发展，工业化与城市化进程加快，人口不断涌入城市，使城市废物和生活垃圾产生量急剧增多。垃圾填埋场以其经济、方便的优势，已经成为各个国家处理城市生活垃圾的有效手段之一。在城市生活垃圾填埋场中，垃圾一般采用分层分块填埋方式，逐渐堆积到设计高度。垃圾填埋体由于其高压缩性和沉降变形，以及填埋作业机械的碾压，将对铺设在填埋场边坡上的衬垫层起到拖拽作用，在衬垫层中形成拉力。为了保证防渗系统的完整性和稳定性，需要在边坡的顶端或分段边坡的平台处设置锚固区对衬垫层进行锚固：一般采用锚固槽（锚固沟）形式，某些条件下也可采用胀栓锚固或预埋锁锚固。衬垫层锚固结构是衬垫系统的重要组成部分，应提供足够的锚固能力，以防止衬垫层材料的拔出破坏[1-2]。

孙洪军等[3]通过对土工膜锚固形式进行分析，建立了不同锚固形式下土工膜拉伸力学模型，并推导了相应的计算公式，但对于沟槽锚固结构，未考虑沟槽侧壁摩擦力提供的锚固作用。张文华等[4-5]对使用螺栓锚固土工膜的固定端做了研究，说明螺栓锚固等穿透式锚固方式只能用于衬垫层最顶端，如果使用位置在填埋垃圾下方，将给渗滤液提供下渗通道，因此在填埋场工程中应用有限。传统沟槽锚固体系在施工过程中需对沟槽侧壁及底面进行加固处理，工程量较大，衬垫层上混凝土浇筑、养生工期较长，且混凝土锚固体下衬垫层如发生破坏，维修加固困难。因此，本文设计了一种衬垫层榫卯式锚固结构，能够解决或改进传统沟槽锚固体系的问题；同时对设计的新型锚固结构进行了模型试验，以评价其锚固性能，确保在使用过程中具有足够的安全性和稳定性。

1 垃圾填埋场衬垫层榫卯式锚固结构的设计

项目设计的垃圾填埋场衬垫层榫卯式[6]锚固结构如图1所示，主要构件包括基锚固块、辅锚固块、栓杆、限位桩等，均由钢筋混凝土材料预制而成。限位桩通过预留限位桩孔插入至垃圾填埋场边坡坡顶或中间平台下部地基中。基锚固块和辅锚固块均设有榫头、卯槽和半圆形凹槽，榫头、卯槽和半圆形凹槽的半径考虑衬垫层厚度并与之相匹配。由土工膜和设置在土工膜两侧的土工布构成的垃圾填埋场衬垫层从基锚固块和辅锚固块间穿过，通过栓杆将基锚固块和辅锚固块固定，使两者通过挤压作用夹紧衬垫层。最终，衬垫层通过基锚固块和辅锚固块的自重以及限位桩的限位作用被固定在填埋场边坡地基上，限位桩预制长度考虑实际工程地基土质条件，根据单桩水平承载力计算确定。设计的填埋场衬垫层榫卯式锚固结构可采用工厂化预制，现场装配式施工。部件进行标准化制作可替代传统混凝土灌注固定方法，提高工作效率、缩短工期，从而解决工期长、维修加固困难等问题，在固定衬垫层的同时，可保持衬垫层的完整性，避免引起渗漏。

图1 垃圾填埋场衬垫层榫卯式锚固结构示意图

图2 基锚固块、辅锚固块以及栓杆实物模型

2 模型制作

为评价新型锚固结构的锚固性能，验证其安全性和稳定性，制作了基锚固块、辅锚固块以及栓杆实物模型并进行了加载试验。基锚固块、辅锚固块以及栓杆三个构件因为在外形上具有能够契合的特点，因此在同一模板箱内一次浇筑完成。这也说明该装置的设计具有便于制作的优点。模型实物如图2所示，拼装后尺寸为长1500mm、 宽 200mm、高300mm。

试验使用HDPE土工膜和无纺土工布作为衬垫层的土工合成材料。作为衬垫层防渗材料和主要受力层的HDPE土工膜厚1.5mm，双面加糙，弹性模量（1%应变）为290MPa，抗拉强度为25MPa；无纺土工布主要起保护土工膜的作用，规格为400g/m2。衬垫层试样（图3）包括一幅土工膜、两幅土工布，长度均为200cm。为保证衬垫层在加载过程中受力均匀，避免应力集中，同时考虑试验过程中可能出现的偏移，宽度定为60cm。

图3 垃圾填埋场衬垫层材料试样

3 榫卯式锚固结构加载试验

3.1 试验装置

试验假定基锚固块被牢固固定在填埋场地基上，研究锚固结构对衬垫层的锚固能力。模型加载试验在电液伺服压力机移动平台上进行，如图4、图5所示。将锚固块与衬垫层组合后（图6），用压力机将基锚固块加压用以固定，通过定制装置将拉力机水平固定于压力机移动平台，位置在辅锚固块一侧，拉力机拉杆与锚固块底部伸出的衬垫层保持在同一高度，防止受力方向不一致，影响实验结果。拉力机收缩量即为衬垫层受拉端的位移量。通过拉力机施加的拉力相当于垃圾填埋场边坡上衬垫层收到的拉伸荷载，衬垫层端部夹具与拉杆端部通过荷载传感器连接，荷载传感器用于测量施加的拉力大小。

图4 试验装置正视图

图5 试验装置侧视图

图6 安装组合后的榫卯式锚固结构

3.2 试验加载过程

锚固块对衬垫层的压力及摩擦力是决定锚固作用能否达到的关键，所以，试验过程中重点关注衬垫层承受的拉力和被拉出的程度。试验步骤如下：

（1）调整拉力机拉杆伸出距离，以拉紧衬垫层，采集系统位移试验力清零，在衬垫层试样上标记控制点，作为衬垫层拔出长度的测点；

（2）开启电动伺服缸开始加载，以5mm/min的速度拖拽衬垫层施加拉力，采集系统自动记录拉力与拖拽距离数据；

（3）试验过程中，观察锚固结构位置变化情况，记录主要标志点变位值；

（4）考虑到加载设备安全，当拉力达到峰值或5kN时停止加载，测量衬垫层从锚固结构内的拔出量。

3.3 试验结果与分析

试验过程中，衬垫层受拉端拉力与位移的关系如图7所示，整个变化过程可以分为三个阶段：

图7 土工膜受拉端拉力与位移关系图

（1）衬垫层拉紧调整阶段（0～400N）

此阶段土工膜由松弛逐渐拉紧，使土工膜和土工布组成的衬垫层与锚固装置间贴合更加紧密，并使得挤压在基锚固块、辅锚固块与栓杆间的衬垫层应力得到调整，表现为受力曲线上的拉力突变。

（2）锚固结构平稳受力阶段（400～1300N）

此阶段衬垫层与基锚固块、辅锚固块与栓杆间紧密咬合，相对滑移量逐渐减小，受拉端位移增加量逐渐变为衬垫层本身的伸长量。

（3）锚固力出现震荡阶段（1300N以上）

此阶段衬垫层与基锚固块、辅锚固块与栓杆间出现微小滑移，基锚固块下部混凝土出现裂缝，基锚固块与辅锚固块间距离局部增大，锚固力出现震荡现象并最终达到峰值。

考虑锚固结构模型厚度，试验中锚固结构平稳受力阶段所能达到的锚固力（约6.5 kN/m）已超过一般工程所需的大小（0.8～3.0kN/m），此时土工膜应力为4.3MPa，远小于其抗拉强度，说明项目设计的榫卯式锚固结构具有足够的锚固能力，能够满足工程需要，设计所考虑的固定机理充分发挥了作用。

4 结论

本文设计的垃圾填埋场衬垫层榫卯式锚固结构，可采用预制装配式施工，部件可进行标准化制作，能提高工作效率、缩短工期，有效改善了传统沟槽锚固体系工程量大、工期长、维修加固困难等问题。另外，在固定衬垫层的同时，可保持衬垫层的完整性，避免引起渗漏。加载试验结果表明，所设计的榫卯式锚固结构具有足够的锚固能力，能够满足工程需要，设计所考虑的固定机理充分发挥了作用。