城市垃圾填埋场的地震响应及稳定性分析

第28卷第10期岩土力学Vol.28No.102007年10月RockandSoilMechanicsOct.2007收稿日期：2005-10-17基金项目：国家自然科学基金重点项目(No.50538080)资助；大连理工大学青年教师培养基金。作者简介：邓学晶，男，1973年生，博士研究生，主要从事环境岩土工程的研究。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598－(2007)10－2095－06城市垃圾填埋场的地震响应及稳定性分析邓学晶，孔宪京，刘君（大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室，大连116024）摘要：对典型构型填埋场的二维地震响应进行了详细计算，目的是考察不同强度地震动作用下填埋场的稳定性，评价影响填埋场稳定性的主要因素，及各因素之间的相对重要性。计算结果显示：（1）覆盖层的稳定性主要依赖于垃圾土的材料属性、填埋场高度、输入地震动的频谱特性、以及场地条件等参数；（2）衬垫层的稳定性取决于输入地震动的加速度峰值、卓越周期和填埋场的基本自振周期。关键词：填埋场；稳定分析；动力分析；地震响应中图分类号：TU435文献标识码：ASeismicresponseandstabilityanalysisofmunicipalwastelandfillsDENGXue-jing,KONGXian-jing,LIUJun(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:2Dseismicresponseoflandfillsisexploredindetail,inordertoinvestigatestabilityoflandfillsatdifferentintensityofearthquakeshaking,aswellastoevaluatetherelativeimportanceofdifferentfactorsinfluencingtheseismicresponseoflandfills.Theresultsindicatethatthestabilityoflandfillcoverdependsprimarilyonwastesproperties,landfillheights,spectralcharacteristicsofinputmotions,andsiteconditions;however,forbaseslidingcase,thestabilityvariessignificantlyduetothepeakacceleration,periodofinputmotions,andthebasicperiodoflandfill.Keywords:landfills;stabilityanalysis;dynamicanalysis;seismicresponse1引言随着城市规模增大、人们对城市可持续发展投入的关注越来越多，城市垃圾填埋场的抗震问题也受到很大的重视。然而，垃圾土材料参数随时间变化幅度较大的特点又增加了填埋场动力分析的复杂性。有人甚至认为，对于覆盖层边坡低于30°的填埋场，采用二维分析来改善计算的精确度不如选用合适的材料参数重要。因此，一维分析一直是对填埋场进行动力分析的主要手段，代表性的工作是Augelloetal.（1997年）采用等效线性化一维波动分析程序SHAKE91，计算分析了简化为土柱的垃圾填埋场的动力响应，并考察了填埋场高度、下卧土层属性、垃圾土初始模量等因素对填埋场地震响应的影响[1]。BrayJ.D.etal.（1998年）采用一维非线性动力分析程序D-MOD计算强震作用下填埋场的非线性响应特性[2]。研究表明，采用一维模型可以近似计算填埋场深层滑动面上的剪应力，而对覆盖层地震荷载的计算可能存在较大误差；另一方面，震害实例显示填埋场的覆盖层往往是地震中破坏最严重的部位。因此对填埋场进行二维分析、调查其地震响应特性、评价地震稳定性，从而为填埋场的抗震设计提供依据显得尤为重要。EllenM.R.etal.（2001年）分别采用一维波动程序SHAKE91和二维等效线性有限元程序QUAD4M计算了填埋场的地震响应，并对比分析了一维和二维计算结果的差异。陈云敏、柯瀚等（2002年）对某填埋场的地震响应进行了动力有限元计算[3]。刘君、孔宪京（2003年）采用非连续变形分析方法，对卫生填埋场复合型边坡的地震稳定性和永久变形进行了详细的二维计算分析[4]。本文采用等价线性模型，对具有代表性的平原岩土力学2007年型垃圾填埋场进行了二维地震响应分析，探讨了中等强度地震作用下垃圾填埋场的响应规律，对填埋场衬垫层和覆盖层的稳定性进行了分析。2填埋场的几何构型和材料参数计算选用的填埋场几何构型如图1所示。垃圾填埋体高度包括12，36，52m3种情况，填埋场底宽184m，下卧土层和填埋体边坡的坡比皆为1:2，下卧土层考虑两种土质条件：黏土层（厚度分别为16，36m两种情况）和风化岩层（厚16m），其下为坚硬岩石层。为了考察垃圾土初始剪切波速sV对填埋场稳定性的影响，依据国内外对填埋场的现场测试和垃圾土的室内试验数据[5－7]，计算分别选取高、中、低3种垃圾土初始剪切波速，它们随填埋深度的变化关系如图2所示，阴影部分为Kavazanjianetal.建议的垃圾土剪切波速合理取值范围，空心小正方形代表其平均值，实心小正方形代表其下限，图例说明了本文计算中选用的高、中、低3种不同剪切波速。本文垃圾土的密度按图3选取，表面为11.5kN/m3，48m深处为14.4kN/m3。按照计算土石坝基本周期（第1振型）的公式ss4/THV，上面选取的几何构型和垃圾土剪切模量，使本文计算能够代表初始自振周期从0.15s到1.92s变化的填埋场的主要地震响应。下卧黏土层的剪切波速也随土层厚度和垃圾土填埋深度变化，从表面66m/s到填埋场基底位置的120m/s，黏土层的最大剪切波速为180m/s。风化岩的初始剪切模量取为760m/s。图1计算中选用的填埋场几何构型Fig.1Typicalgeometricalconfigurationofsolid-wastelandfillsusedinthisstudy图2垃圾土初始剪切波速随深度的变化关系Fig.2Shearwaveofwasteversusdepth图3计算中采用的垃圾土密度随深度的变化关系Fig.3Profileofwastedensityversusdepth图4，图5中的粗实线分别是计算中采用的垃圾土模量衰减曲线和阻尼-应变曲线，两条曲线与文献[6]中按照国内某填埋场垃圾组分配制的垃圾土试样进行中型动三轴得到的曲线相近。阴影显示的是Kavazanjianetal.建议的“最合适”曲线的区间。图4垃圾土剪切模量衰减曲线Fig.4Shearmodulusdegradationasafunctionofshearstrain图5垃圾土的阻尼随剪切应变的变化曲线Fig.5Dampingasafunctionofshearstrain3输入地震波选用3条地震波考察地震动特性对填埋场地震响应的影响，表1给出了它们的主要信息，可以看出它们的周期、峰值加速度、地震动持时都有明显50m垃圾填埋体下卧土层下卧土层2096第10期邓学晶等：城市垃圾填埋场的地震响应及稳定性分析的差异。由3个地震动的标准反应谱（图6）可以看出频谱特性差别也很明显，便于实现本文的分析目的。表1输入地震动的主要参数Table1Inputgroundmotioncharacteristic地震名称记录台站Tp/sTm/s峰值加速度/g地震持时/sHollisterHollister0.40.370.1215.1Corralitos0.280.30.7998.5LomaPrietaEmeryville1.181.080.2520.54图6输入地震动的标准加速度反应谱Fig.6Responsespectralvalueforinputgroundmotion4计算结果4.1填埋场的地震响应特性垃圾土低密度、低剪切波速以及材料参数随时间明显变化的特点导致填埋场的地震响应特性不同于其它的土工建筑物。一般认为，垃圾土初始剪切波速、填埋场高度、下卧土层属性、输入地震动等是影响填埋场地震响应的重要因素。这些因素的差异会引起填埋场地震响应多大的改变，以及如何改变是填埋场抗震设计中最为关心的问题。图7是Hollister地震动（输入加速度峰值为0.4g）作用下，垃圾土初始剪切波速和场地条件对填埋场顶部加速度反应谱的影响，填埋场高度皆为36m，下卧16m风化岩层。粗实线是输入加速度的反应谱，左下角黑体标注的数字是填埋场顶部加速度时程响应的峰值。可以看出；随着垃圾土初始波速由低到高增加，填埋场顶部响应加速度峰值从0.19g增大到0.59g，增加了2倍多。对比各种条件下周期小于1.0s的反应谱加速度值发现：高初始剪切波速填埋场的顶部反应谱加速度比低初始剪切波速填埋场的大得多，最大值从0.49g到3.25g。而对于周期大于1.0s的反应谱加速度来说：中、低初始剪切波速填埋场的顶部加速度响应高于高初始剪切波速的填埋场。图7初始Vs和场地条件对顶部加速度反应谱的影响Fig.7ComparisonofaccelerationspectralontoplandfillfromdifferentVsofwasteandsiteconditions两种下卧黏土场地条件上得到的36m高填埋场的顶部加速度响应分别为0.91g和0.67g，与风化岩层上相同高度的填埋场的地震响应加速度峰值0.59g对比可以发现（垃圾土初始剪切波速为：高）：场地条件对填埋场顶部响应加速度的影响也较大，卓越周期较长的场地（下卧36m黏土层）上，得到的填埋场顶部加速度较大；反之，卓越周期较短的场地（下卧16m风化岩层）上，得到的填埋场顶部加速度较小。可以得到初步结论，就本文研究的填埋场几何构型而言，当输入峰值加速度为0.4g的Hollister地震动时，随着垃圾土初始剪切波速sV增大，填埋场顶部的加速度响应增大；场地卓越周期不同时，填埋场的顶部地震响应也有明显差异，卓越周期越长，顶部加速度响应越大。从图8可以看出，输入3条地震动（加速度峰值相同）得到填埋场顶部加速度最大响应分别为0.48，0.59，0.99g，说明地震动频谱特性对填埋场顶部加速度的影响较大，长卓越周期的地震动（Emeryville）引起较大的地震响应。图8不同地震动作用下填埋场顶部加速度反应谱Fig.8Comparisonofaccelerationspectralontoplandfillfromdifferentinputgroundmotions2097岩土力学2007年4.2填埋场的地震稳定性常采用拟静力方法分析填埋场的地震稳定性，方法以地震系数k代表潜在滑动面上的地震荷载，考虑静安全系数和材料的动强度确定潜在滑动面上的屈服加速度系数yk，比较/ykk可知填埋场在地震过程中的稳定性。与传统边坡、土石坝等土工建筑物不同，防止渗滤液扩散的功能要求现代卫生填埋场包含具有良好的防渗性能但抗剪强度较低的结构层（如，基底衬垫层、覆盖层），它们的地震稳定性是填埋场抗震设计中所关心的问题。（1）地震系数与屈服加速度系数对于二维动力分析中深层的潜在滑动面，Chopra（1967年）给出了地震系数deepk的定义[8]：deephv/iiizoneizonek（1）式中：h为单元水平剪应力；v为单元水平面的正应力；zone为衬垫层滑移面的单元集合。覆盖层的稳定性与地震过程中覆盖层的惯性力直接相关，因此用加速度表示较为合理。同一时刻沿覆盖层各节点的加速度并不相同，按下式进行加权平均能够代表整个覆盖层所受到的总惯性力水平：cover/ixiiig