謝紅平 譚恒程 邱 林 簡(jiǎn)會(huì)東 張琴光

山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性研究

謝紅平1譚恒程2邱 林1簡(jiǎn)會(huì)東3張琴光1

(1.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司路橋總承包部，云南 昆明 650051；2.西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650051；3.云南建投集團(tuán)交通建設(shè)股份有限公司，云南 昆明 650051)

山區(qū)高速公路建設(shè)因山區(qū)地勢(shì)起伏大，隧道占比高及高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高等原因，不可避免產(chǎn)生大量棄渣，棄渣場(chǎng)在公路建設(shè)中及運(yùn)營(yíng)后的穩(wěn)定性問(wèn)題當(dāng)予以高度重視。對(duì)比分析了基于極限平衡理論、彈塑性變形理論的棄渣場(chǎng)極限堆高確定計(jì)算方法，基于考慮表土層厚度影響，提出棄渣場(chǎng)極限堆高推薦采用計(jì)算方法；同時(shí)基于穩(wěn)定性分析理論，分別對(duì)最終坡面角、臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角和平臺(tái)寬度閾值進(jìn)行研究，提出堆高、坡面角、臺(tái)階寬度之間的反推計(jì)算方法，從棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保障棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

棄渣場(chǎng)；穩(wěn)定性；極限堆高；最終坡面角；臺(tái)階寬度

0 概述

山區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中，由于山區(qū)地勢(shì)起伏大，隧道占比高以及高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高等特點(diǎn)，路基和隧道工程會(huì)產(chǎn)生大量棄渣。棄渣場(chǎng)作為公路附屬工程隨之而生，且棄渣體多為多孔隙、級(jí)配差、非飽和的散體。若在棄渣處置過(guò)程中因設(shè)計(jì)和施工不規(guī)范則很可能造成嚴(yán)重的安全事故。棄渣場(chǎng)一旦發(fā)生坍塌，輕則對(duì)周邊環(huán)境造成破壞，重則威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，給社會(huì)帶來(lái)巨大的負(fù)面影響和損失。山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)在公路建設(shè)整個(gè)生產(chǎn)時(shí)期以及運(yùn)營(yíng)后能否長(zhǎng)期保持安全穩(wěn)定是公路建設(shè)管理者必須考慮的重大問(wèn)題，規(guī)范的設(shè)計(jì)和施工則是棄渣場(chǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)，更要予以高度重視。

1 山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值合理與否直接影響到棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)尤為必要。棄渣場(chǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖1，從穩(wěn)定性分析角度來(lái)看，極限堆置高度和最終坡面角的確定其實(shí)是基于整體穩(wěn)定性角度對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；單臺(tái)階高度、單臺(tái)階坡度和臺(tái)階寬度的確定則是基于局部穩(wěn)定性角度對(duì)棄渣場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分類

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)閾值

目前，沒(méi)有專門(mén)針對(duì)山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)極限堆高的確定方法，主要還是參照冶金、礦山排土場(chǎng)等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供的計(jì)算方法。計(jì)算原理均是從基于基底表土層的變形與承載能力的角度來(lái)確定棄渣場(chǎng)堆高。實(shí)踐表明，上述計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果誤差較大，主要也是由于通常會(huì)把表土層破壞等效為棄渣場(chǎng)破壞，忽略了表土層特性和厚度的影響。通過(guò)類比分析不同理論和方法的計(jì)算結(jié)果，基于考慮表土層厚度影響，提出棄渣場(chǎng)極限堆高推薦采用計(jì)算方法。同時(shí)基于穩(wěn)定性分析理論，分別對(duì)最終坡面角、臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角和平臺(tái)寬度閾值進(jìn)行研究，從棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保障棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2.1 極限堆高閾值

棄渣場(chǎng)最大堆置高度：

式中：

棄渣場(chǎng)的極限堆置高度：

按照粉土、強(qiáng)中風(fēng)化粉質(zhì)泥巖的力學(xué)參數(shù)分別代入式（1）、（2），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1 。

表1 棄渣場(chǎng)堆置高度

依據(jù)計(jì)算結(jié)果分析得到，棄渣初期，基底不考慮排水，基底承載能力小，最大堆置高度相應(yīng)?。划?dāng)基底表土層排水固結(jié)時(shí)，孔隙水壓力不斷減小，基底土層的抗剪強(qiáng)度增大，承載能力隨之增大。因此在棄渣過(guò)程中渣場(chǎng)底部堆置塊度大、密度高、重度大及透水性好的渣體，同時(shí)設(shè)置排滲溝及加設(shè)滲水管網(wǎng)以利于基底排水，可以提高基底土層抗剪強(qiáng)度，提高穩(wěn)定性。

式中：

表2 棄渣場(chǎng)表土層壓縮變形破壞極限堆高

棄渣場(chǎng)作為一項(xiàng)特殊的工程，不同于一般的構(gòu)筑物，其與基底表土層之間的關(guān)系也不同于一般構(gòu)筑物與基礎(chǔ)之間的關(guān)系，渣體是以離散狀嵌入在表土中，隨著堆渣高度的不斷增加，往往導(dǎo)致表土出現(xiàn)沖剪破壞。

目前，棄渣場(chǎng)極限堆置高度的確定通常只考慮地基表土層的變形與承載力，往往忽略了表土層厚度的影響。

從棄渣場(chǎng)基底表土與棄渣場(chǎng)底部蜂窩狀接觸狀態(tài)出發(fā)，研究棄渣場(chǎng)在堆排過(guò)程中地基表土受沖剪破壞、隨機(jī)擠入棄渣體內(nèi)部、整體剪切破壞、地基表土鼓起等棄渣場(chǎng)失穩(wěn)全過(guò)程，在此基礎(chǔ)上提出表土層厚度的計(jì)算公式：

式中：

1）當(dāng)表土層厚度較大時(shí)，即h>h0。雖然部分表土層被壓擠入棄渣場(chǎng)底部棄渣中，隨著堆載高度的增加，荷載加大，表土層剪切破壞向深處發(fā)展，直至外荷載大于地基承載力，地基發(fā)生剪切破壞，從而引發(fā)棄渣場(chǎng)整體破壞，這時(shí)可按表土層的物理力學(xué)參數(shù)代入式（4）計(jì)算。

2）當(dāng)表土層很薄時(shí)，即h

由棄渣場(chǎng)的原始設(shè)計(jì)資料可知，現(xiàn)狀棄渣場(chǎng)的最終坡面角在25°~30°之間，在最終坡面角未知的情況下，分別試算最終坡面角在25°和30°情況下所對(duì)應(yīng)的表層土臨界厚度，計(jì)算結(jié)果如表3 。

表3 不同坡面角對(duì)應(yīng)的表土層臨界厚度

通過(guò)表3 可知，棄渣場(chǎng)的表土層臨界厚度介于5.97m~7.39m之間。若表土層厚度大于7.39m，棄渣場(chǎng)極限堆高最大也僅有65.76m；若表土層的厚度小于臨界厚度，棄渣場(chǎng)的極限堆高則可以達(dá)到132.35m，通過(guò)上述計(jì)算可知當(dāng)考慮到表土層厚度時(shí)，采用不同土層參數(shù)的計(jì)算結(jié)果差異較大。若要提高某棄渣場(chǎng)的極限堆高，削減表土層厚度是一種有效方式。根據(jù)地勘資料，本次研究棄渣場(chǎng)的表土層平均厚度1.50m，實(shí)際表土層厚度小于表土層臨界厚度，基底承載力取決于基巖層的特性。若棄渣場(chǎng)按照單臺(tái)階的棄渣方式進(jìn)行堆渣，棄渣場(chǎng)的堆置高度按照強(qiáng)中風(fēng)化泥巖物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算為25.22~132.35m；按照基底表層土壓縮變形量計(jì)算極限堆置高度為49.32~65.76m。

綜上，以極限平衡和變形理論計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合考慮表土層厚度影響，提出了棄渣場(chǎng)的極限堆高計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果顯示棄渣場(chǎng)的極限堆置高度只要不超過(guò)65.76m，則可保證是安全的，后續(xù)優(yōu)化中也將對(duì)本棄渣場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)增容設(shè)計(jì)。

2.2 最終坡面角閾值

棄渣場(chǎng)的最終坡面角直接反映整個(gè)邊坡形態(tài)，在保證滿足前期棄渣量堆置的前提下，本文通過(guò)模擬在棄渣場(chǎng)高度H為60m，底邊邊長(zhǎng)L為260m時(shí)，通過(guò)對(duì)棄渣場(chǎng)在不同最終坡角的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。本文將最終坡面角界定在20°~30°范圍內(nèi)，1°為一個(gè)分析步長(zhǎng)，采用Midas GTS NX軟件中有限元強(qiáng)度折減法（SRM）進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算不同最終坡面角在自重、地震工況下的安全系數(shù)。為保證分析結(jié)果的可靠性，特運(yùn)用應(yīng)力分析法（SAM）分析結(jié)果作為對(duì)比參照和修正。計(jì)算公式如下：

根據(jù)研究區(qū)域資料，基本地震加速度峰值為0.20g，綜合水平地震系數(shù)為0.050。

圖2 棄渣場(chǎng)最終坡面角估算簡(jiǎn)化模型

圖3 棄渣場(chǎng)最終坡面角估算有限元計(jì)算模型（自重工況）

圖4 棄渣場(chǎng)最終坡面角估算有限元計(jì)算模型（地震工況）

表4 不同最終坡度下棄渣場(chǎng)安全系數(shù)

圖5 不同工況下棄渣場(chǎng)安全系數(shù)與最終坡角關(guān)系圖

（注：自重工況F=1.25，地震工況F=1.05）

由圖5 可知：

1）隨著坡度的增加，棄渣場(chǎng)的安全系數(shù)不斷減??；坡角相同時(shí)，地震工況下棄渣場(chǎng)的安全系數(shù)明顯小于自重工況下的安全系數(shù)，說(shuō)明地震作用對(duì)棄渣場(chǎng)的整體穩(wěn)定性影響較大；

2）自重工況下邊坡最終坡面角大于27.1°時(shí)，計(jì)算安全系數(shù)則不滿足規(guī)范1.25要求；地震工況下邊坡最終坡面角大于24.8°時(shí)，計(jì)算安全系數(shù)不滿足于規(guī)范1.05的要求；基于安全角度考慮，邊坡最終坡面角不宜大于25°。

圖6 不同工況下棄渣場(chǎng)安全系數(shù)與最終坡面角關(guān)系圖

由圖6 可知：后期優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基于安全保守設(shè)計(jì)，選取邊坡一般工況下安全系數(shù)F=1.35、地震工況下安全系數(shù)F=1.15，對(duì)所求安全系數(shù)進(jìn)行線性擬合分析，棄渣場(chǎng)最終坡面角在自重工況下不宜大于25°，在地震工況下不宜大于24°，基于保守考慮，棄渣場(chǎng)最終坡面角建議取24°。

2.3 臺(tái)階寬度閾值

選用棄渣場(chǎng)現(xiàn)狀最大邊陲高度為37.5m，原設(shè)計(jì)采用多臺(tái)階棄渣，共分8級(jí)臺(tái)階堆渣，堆渣臺(tái)階高度（4m~19m）和平臺(tái)寬度（2.9m~4.2m）缺乏嚴(yán)格計(jì)算，不僅無(wú)法保證棄渣場(chǎng)的安全，也不利于后期施工。在多臺(tái)階設(shè)計(jì)時(shí)，第一臺(tái)階處具有較大的剪切應(yīng)變，也是土體最容易滑出的部位，第一臺(tái)階的穩(wěn)定性至關(guān)重要，需要嚴(yán)格控制第一臺(tái)階的高度。

根據(jù)工程實(shí)際，對(duì)棄渣場(chǎng)第一臺(tái)階高度構(gòu)成影響的主要為粉質(zhì)黏土層，代入該層參數(shù)，結(jié)合規(guī)范，取棄渣場(chǎng)第一臺(tái)階的高度為15m。本文基于第一臺(tái)階和第二臺(tái)階高度均為15m，坡角30°，開(kāi)展平臺(tái)寬度的確定方法研究。采取2m一個(gè)分析步長(zhǎng)，分別采用強(qiáng)度折減法（SRM）和應(yīng)力分析法（SAM）分別分析平臺(tái)寬度為2m、4m、6m、8m、10m、12m時(shí)，分析自重工況和地震工況下的穩(wěn)定性，得出符合設(shè)定安全閾值的最佳平臺(tái)寬度。

圖7 臺(tái)階寬度確定計(jì)算模型

圖8 臺(tái)階寬度確定有限元計(jì)算模型（自重工況）

圖9 臺(tái)階寬度確定有限元計(jì)算模型（地震工況）

表5 不同臺(tái)階寬度對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

圖10 不同工況下棄渣場(chǎng)安全系數(shù)與平臺(tái)寬度關(guān)系圖

（注：自重工況F=1.25，地震工況F=1.05）

依據(jù)表5 計(jì)算結(jié)果繪制得到圖10 ，可以看出，增大平臺(tái)寬度，棄渣場(chǎng)安全系數(shù)隨之增大，利于棄渣場(chǎng)整體穩(wěn)定；但同時(shí)棄渣場(chǎng)容納量會(huì)隨平臺(tái)寬度的增大而減小，經(jīng)濟(jì)性降低，因而，應(yīng)當(dāng)平衡安全性和經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的平臺(tái)寬度。

圖11 不同工況下棄渣場(chǎng)安全系數(shù)與平臺(tái)寬度關(guān)系圖

（注：自重工況F=1.35，地震工況F=1.15）

由圖11 可知，后期優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基于安全保守設(shè)計(jì)，選取邊坡一般工況下安全系數(shù)F=1.35，地震工況下安全系數(shù)F=1.15對(duì)所求安全系數(shù)進(jìn)行線性擬合分析，在4~6m時(shí)，符合給定安全系數(shù)要求，考慮棄渣場(chǎng)的整體經(jīng)濟(jì)性，綜合設(shè)計(jì)時(shí)建議取值4m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

棄渣場(chǎng)原設(shè)計(jì)中，雖然在自重工況下基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在地震工況下處于極限穩(wěn)定，易發(fā)生安全破壞事故，這是由于棄渣場(chǎng)缺乏足夠的安全系數(shù)儲(chǔ)備。同時(shí)原設(shè)計(jì)棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)缺乏科學(xué)合理的依據(jù)，不僅帶來(lái)巨大的安全隱患，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也較差，大大增加了施工成本和難度。原設(shè)計(jì)采用的是8個(gè)臺(tái)階堆置，由于臺(tái)階數(shù)較多往往會(huì)形成較多的應(yīng)力集中點(diǎn)，容易造成較大的安全隱患。因此，為提高棄渣場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)的合理性和安全性，增加棄渣場(chǎng)的棄渣容量，對(duì)棄渣邊坡堆置設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，每級(jí)別臺(tái)階高度均采用15m，角度均采用30°，平臺(tái)寬度均采用4m，并采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)優(yōu)化后棄渣場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。研究表明，棄渣場(chǎng)邊坡整體安全性得到了有效的提高。

表6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

圖12 優(yōu)化后計(jì)算模型

圖13 優(yōu)化后有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分模型

圖14 自重工況下最大剪應(yīng)變（優(yōu)化前）

圖15 地震工況下最大剪應(yīng)變（優(yōu)化前）

圖16 自重工況下最大剪應(yīng)變（優(yōu)化后）

圖17 地震工況下最大剪應(yīng)變（優(yōu)化后）

表7 優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比表

通過(guò)分析可知，優(yōu)化后的棄渣場(chǎng)比原始棄渣場(chǎng)增容18.15%，且邊坡穩(wěn)定性明顯有所上升，自重工況下提高19.23%，地震工況下提高16.45%。計(jì)算結(jié)果不僅證明了棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的合理性，同時(shí)也說(shuō)明了棄渣場(chǎng)可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)來(lái)提高其穩(wěn)定性，同時(shí)提升其經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)比分析基于極限平衡理論、彈塑性變形理論的棄渣場(chǎng)極限堆高確定計(jì)算方法，在棄渣場(chǎng)極限堆置高度確定時(shí)，建議采用基于表土層厚度的極限堆置高度計(jì)算方法選取原則，同時(shí)結(jié)合變形理論計(jì)算結(jié)果，保證極限堆高的可靠性和科學(xué)性；

2）采用有限元強(qiáng)度折減法和應(yīng)力分析法，基于Midas GTS NX有限元分析軟件，參考規(guī)范安全系數(shù)閾值規(guī)定，提出棄渣場(chǎng)最終坡面角、第一臺(tái)階坡面角、臺(tái)階寬度反推計(jì)算方法，為棄渣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值提供參考，從而通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證棄渣場(chǎng)的結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1]王俊召.基于不同壓實(shí)強(qiáng)度的山區(qū)高速公路棄渣場(chǎng)穩(wěn)定性研究及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D].重慶交通大學(xué),2019.

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