1、86高密度聚乙烯土工膜对分层垃圾填埋体渐进滑移的稳定性影响分析*夏雄1谢献锟1高兆国2仇宏勇1（1.常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；2.江苏佰拓建设有限公司，江苏 常州 213164）摘要对不同填埋龄期的MSW和不同类型HDPE 土工膜进行土-膜界面剪切试验，再结合数值模拟方法，分析不同类型 HDPE 土工膜对分层 MSW 填埋体渐进破坏的稳定性影响。结果表明，随着填埋龄期的增加，土-膜界面粘聚力呈现出总体下降的趋势，而土-膜界面内摩擦角呈现出总体上升的趋势；填埋体边坡呈现出推移式逐层级渐进破坏的滑坡特征，HDPE覆盖层起到了延缓上层滑移面的贯通，并阻断下方填埋体滑裂带
2、形成的作用；布设 HDPE 土工膜能显著增强填埋体在填埋中期的整体稳定性。此外，柱点类型 HDPE土工膜具有更高的土-膜界面抗剪强度，减小填埋体滑移破坏的影响效果更好。研究结果为 HDPE 土工膜作为中间覆盖层的选用，提供试验依据和可靠的模拟理论分析。关键词HDPE 土工膜土-膜界面剪切滑移填埋龄期安全系数Stability analysis of high-density polyethylene geomembrane on gradual slip of layered landfill bodiesXIA Xiong1XIE Xiankun1GAO Zhaoguo2QIU Hongyo
3、ng1（1.School of Environmental and Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164,China）AbstractIn this study，soil-membrane interface shear tests were conducted on MSW of different landfill ages and dif-ferent types of HDPE geomembranes，and then combined with numerical simulation me
4、thods to analyze the stabilityeffects of different types of HDPE geomembranes on the progressive damage of layered MSW landfills.The resultsshow that，as the age of landfill increases，the cohesive force of soil-membrane interface shows an overall decreasingtrend，while the internal friction angle of s
5、oil-membrane interface shows an overall increasing trend；the slope of land-fill body shows the characteristics of slippery slope with gradual destruction layer by layer，and the HDPE cover layerplays the role of delaying the penetration of the upper slip surface and blocking the formation of slippery
6、 fracture zoneof the landfill body below；the deployment of HDPE geomembrane can significantly enhance the overall stability ofthe landfill body in the middle of the landfill.In addition，the HDPE geomembrane of column point type has highershear strength at the soil-membrane interface，which is more ef
7、fective in reducing the effect of landfill slip damage.The results of the study provide the experimental basis and reliable simulation theoretical analysis for the selection ofHDPE geomembrane as an intermediate cover layer.Key wordsHDPE geomembranesoil-membrane interface shearsliplandfill agesafety
8、 factor0引言HDPE膜与其他土工合成材料相比，具有较好化学稳定性、柔韧性和质量轻等优点，在 MSW 填埋场施工中应用方便，而且能适应不平整的堆体表面。在各个国家众多 MSW 填埋场工程中，用 HDPE 土工膜来代替黏土，直接作为中间覆盖层使用，得到了广泛的应用。关于 MSW 填埋场稳定性的一项重要研究是MSW 土体的抗剪强度。近年来，学者们开始关注HDPE 土工膜界面剪切特性，PUNETHA P 等1通过直剪试验研究光面及糙面HDPE土工膜和各类土颗粒物界面抗剪强度。BACASBM 等2通过对 8 种土工合成材料在 18 种不同界面上的直剪试验，分析了界面剪切强度剪切的关系。LI L
9、等3研究了冻融循环作用下，密室粘土衬垫与 HDPE 土工膜界面剪切特性。HDPE 土工膜作为 MSW 填埋体的中间覆盖层时，土-膜的界面抗剪强度和特性是影响填埋体稳定性的重要因素。因此，对不同类型 HDPE 土工膜的界面剪切特性的评估是必要的。对于边坡渐进破坏的研究，坡体的失稳滑移过2023 年第 49 卷第 3 期March 2023*基金项目：中国博士后科学基金（2021M703507）；江苏省产学研合作项目（BY2021208）。87程不是瞬时发生的，而是在坡体内局部应力集中或力学参数的减弱，于是坡体内这一局部范围出现开裂破坏，随着破损范围不断扩展至最终的整体滑移面。LUYF4针对传统滑
10、坡稳定分析方法的缺点，提出了沿滑面的破坏特征划分标准、力和位移不连续特征。自从 ZIENKIEWICZ O C 等5首次将有限元强度折减法的理念引入进边坡稳定性分析，UGAIK等6、郑颖人等7为将有限元分析结果的安全系数适用在工程应用上，对此进行了大量研究，推动有限元强度折减法的发展和应用。李荣建等8认为有限元强度折减法可以在计算中直接得出坡体的安全稳定系数，能够确定合理的临界滑移面，直观地描述边坡渐进破坏的过程。陈雪珍等9通过 PLAXIS 对边坡施工过程中产生的变形、位移进行模拟分析，验证了数值模拟对边坡安全稳定性分析的适用性及正确性。本研究采用 PLAXIS 模拟分层 MSW 填埋体边坡
11、渐进滑移过程及整体稳定性，分析不同类型 HDPE 土工膜对填埋体滑移区域、稳定性的影响特性。MSW填埋体在自然环境下，其木质纤维素将通过微生物作用进行降解，由于填埋场中木质纤维素降解的关键微生物和功能酶目前研究尚不明确，进而限制了 MSW 填埋场快速稳定技术的进步。本文首先汇总分析了MSW抗剪强度的变化规律，然后通过土-膜界面剪切试验，再结合有限元软件，数值模拟填埋体的滑移破坏，分析了 3 种类型 HDPE 土工膜的土-膜界面抗剪强度参数与填埋龄期、填埋体渐进滑移与填埋龄期、3 种类型HDPE土工膜与填埋体滑移的关系。1HDPE 土工膜和 MSW 的土-膜界面剪切试验1.1试验材料与设备本次直
12、剪试验材料来自常州夹山MSW填埋场，常州夹山 MSW 填埋场位于常州市武进区雪堰镇夹山南麓，总计建设填埋库容总量为 476.5 万m3，为削平山坡建造的平原型填埋场，如图 1 所示。试验土样分别是来自该填埋场改扩建工程（2006 年封场）、二期工程（2012 年封场）、续建工程（2015 年封场）、续建二期工程（2018年封场）中，填埋龄期约为1013a、89 a、4.55 a 和 1.52 a 的 MSW。将 MSW 在室内重新塑样进行试验，考虑尺寸效应，保证试样组分的尺寸均小于仪器尺寸的 1/6，MSW 试样的物理指标已在作者参与的其他研究中测得，见表 110。图 1常州夹山填埋场表 1M
13、SW 试样的物理力学指标填埋龄期/a含水率/%孔隙比粘聚力/kPa内摩擦角/（）1.5245762.3323.39.84.551.6523.817.5891.9616.126.010131.886.525.5该试验选用的 HDPE 土工膜是 1.5 mm 不同表面粗糙度的光面、喷着式和柱点式的HDPE土工膜，密度均大于 0.94 g/cm3，炭黑质量分数为 2%3%，如图 2 所示。在其屈服应变下的拉伸强度和拉伸刚度见表 2。采用的拉伸刚度是指弹性体抵抗拉伸变形的能力，本文取拉伸强度与屈服应变的比值，如公式（1）所示：E=Ty（1）式中，E 为拉伸刚度，kN/m；T 为拉伸强度，kN/m；y为
14、屈服应变。（a）光面 HDPE 土工膜（b）喷着式 HDPE 土工膜（c）柱点式 HDPE 土工膜图 2厚度为 1.5 mm 的 3 种类型 HDPE 土工膜考虑到MSW的大颗粒特性和MSW成分复杂，本文进行的 MSW 和 HDPE 土工膜界面剪切试验采用的仪器均为大尺寸直剪仪，该仪器的上下剪切盒尺寸为300mm300mm150mm，满足 土工合成材料测试规程 中剪切盒尺寸宜大于 80mm80mm的要求。进行界面剪切试验时，每组选择 50、100、150、88200kPa 等 4 级竖向荷载作用下试验，要确保在剪切试验过程中土工膜不发生滑移，如图 3。表2HDPE土工膜在其屈服应变下的拉伸强度
15、和拉伸刚度类型厚度/mm拉伸强度/（kNm-1）屈服应变/%拉伸刚度/（kNm-1）柱点式1.517.8016111.25光面1.520.5114146.50喷着式1.517.5114125.07轴向压力垃圾土铁块剪切力HDPE 土工膜图 3HDPE 土工膜和 MSW 土-膜界面剪切试验示意1.2土-膜界面抗剪强度参数HDPE 土工膜铺设的表面比较水平时，土-膜界面产生的相对位移较小，采用土-膜界面峰值强度参数来表征土-膜界面强度。由此依据莫尔-库伦破坏准则，得到不同龄期 MSW 试样与 HDPE 土工膜的抗剪强度参数关系，如图 4 所示，HDPE 土工膜类型对土-膜界面抗剪强度参数的影响表现
16、为：1）随着 MSW 填埋龄期的增长，从图 4（a）可以看出，土-膜界面粘聚力明显呈现出整体下降的趋势。根据 ABREU A E S 等11指出，由于 MSW 中有机质组分快速降解，而纤维状组分降解缓慢导致质量占比增加，能持续提供粘聚效果，所以在填埋龄期小于5a时，土-膜界面剪切粘聚力下降不明显甚至还有略微上升。从数值上看：柱点类型从 22.8 kPa 下降到6.5kPa；喷着类型从 22.9kPa下降到 5.9kPa；光面类型从 20.1 kPa 下降到 4.8 kPa。2）从图 4（b）可以看出，随着 MSW 填埋龄期的增长，土-膜界面内摩擦角明显呈现出总体上升而后平稳的趋势，这是因为填埋龄期较大的 MSW 中，废渣、金属、玻璃等组分颗粒含量高，从而增大了土-膜界面的摩擦。从数值上看：柱点类型从 9.3上升到22.2 22.7；喷着类型从 6.42上升到 14；光面类型从 4.9上升到 9.8 10.2。3）表面更粗糙的 HDPE 土工膜与 MSW 之间的摩擦也较大，所以界面抗剪强度和断裂性能均显著增大和改善，柱点、喷着类型的土-膜界面抗剪强度参数更大，通过对比：柱点喷着光面。2分