建筑垃圾堆体稳定性分析及工程防护措施研究

张 黎，伏 凯，张思梦，仲 璐，王 璐

(中国城市建设研究院有限公司 北京100120)

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快和旧城改造工程的全面铺开，大量建筑垃圾随之而生。我国建筑垃圾的排放量逐年上升，粗略统计每年产生的建筑垃圾占城市固体废物总量的30%～40%[1-2]。部分城市的建筑垃圾产生量远超这个平均水平，如武汉市2016年城市固体废弃物产生量为7616万t，其中建筑垃圾约为5000万t，占比达到66%，需要外运的存量建筑垃圾约有2100万m3，合3360万t[3]。目前我国建筑垃圾的处置多以填埋为主，占用大量土地资源，很多城市的建筑垃圾消纳场都远远不能满足其建筑垃圾处置需求，导致很多存量建筑垃圾随意堆放处理，形成了建筑垃圾堆体。

2018年3 月住房和城乡建设部印发了《关于开展建筑垃圾治理试点工作的通知》，在全国35个城市(区)开展建筑垃圾治理试点工作。《通知》明确了开展建筑垃圾存量治理的试点任务，要求全面排查建筑垃圾堆放点隐患，对存在安全隐患的堆放点，制定综合加固整治方案并限期治理。

对于很多城市来说，部分建筑垃圾无法在短时间内清运干净，还需在原地存放一段时间，因此需要排除其中的安全隐患。首先要对这些建筑垃圾堆体进行安全稳定性分析，分析其可能存在的塌方危险，再根据测算的过程和结果，制定适合各个建筑垃圾堆体的工程防护措施方案。

1 取样与方法

1.1 建筑垃圾堆体取样

本文以北京市某处遗留建筑垃圾堆放点为例，分析其堆体稳定性。该堆填场主要用于工程渣土堆填处置，占地面积约为61852m2，堆体最低处约为5m，最高处约为10m，而且坡度较大，属于典型的建筑垃圾堆体。根据现场踏勘情况，在此遗留建筑垃圾堆放点均匀选取6个取样点进行后续稳定性分析。

图1 土壤样本的颗分试验结果 Fig.1 Particle distribution test result of soil samples

1.2 试验方法

1.2.1 土力学参数测定方法

通过开展一系列室内试验，测试现场所取土样的土力学参数，测定方法如表1所示。

1.2.2 堆体稳定性分析方法

建筑垃圾堆体的边坡稳定性分析采用Geo-Studio软件中的SLOPE/W模块和SEEP/W模块进行计算[6-7]。该软件采用Morgenstern & Price法对典型剖面进行极限平衡条分法计算。极限平衡法由Fellenius于1927年首次提出，建立在Mohr-Coulomb屈服准则、安全系数的定义与静力平衡的基础之上。经过半个多世纪的发展，这一力学方法逐步从一种经验性的简化方法发展成为一个具有完整理论体系的、成熟的分析方法，在工程中得到了广泛应用，并具有自动检索滑面功能。

表1 土力学参数测定方法 Tab.1 Test methods of soil mechanical parameters

2 分析与结论

2.1 土力学参数分析

通过开展一系列室内试验，获取现场土样的土力学参数如表2所示。

表2 土壤样本的土力学参数 Tab.2 Soil mechanical parameters of soil samples

从表2可以看出，6个取样点的土壤样本中只有3号取样点的初始含水率远超其余取样点，为17.75%，几乎是其余各取样点的两倍。这主要是由于3号取样点周围地表坑洼，形成了小型积水坑，之前蓄积的雨水导致3号取样点的土壤样本的初始含水率偏高；2号取样点土壤样本渗透系数相对较高，1号取样点土壤样本渗透系数相对较低，但总体来看， 6个取样点的土壤样本渗透系数依然在同一个数量级上，差别不大。6个取样点的土壤样本的内摩擦角分布在21.2°～27.4°范围内，土样粘聚力很小。将土壤样本分别过20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.075mm筛进行筛分实验，获得颗分试验结果如图1所示。依据GB/T 50145—2007《土的工程分类标准》，将土样定名为细粒土质砂或含细粒土砂。

2.2 堆体稳定性分析

通过现场踏勘，选取建筑垃圾堆体的3个代表性剖面进行分析，坡高及坡度见表3。此外，根据北京地区2010—2019年气象信息，估算该堆体所在区域年平均降雨量为1.62mm/d，雨季(6～9月)平均降雨量为3.8mm/d，在这10年间出现的最大日降雨量为 253.5mm/d。因此根据以下3种工况进行堆体稳定性分析：

工况(一)，现场踏勘取样时；工况(二)，雨季降雨工况下，降雨持续2d；工况(三)，极端降雨工况下，降雨持续2d。

表3 3个代表性剖面的坡高及坡度 Tab.3 Height and slope of three representative sections

根据现场踏勘结果，在Geo-Studio软件的SEEP/W模块中建立3个剖面图，如图2～4所示。根据土样颗分曲线在岩土工程软件Soilvision中检索，确定每个土样的非饱和土土水特征SWCC曲线，并依据试验所得饱和土渗透系数，在SEEP/W模块中，采用Fredlund and Xing方法推算出土样渗透系数随吸力变化曲线，对3种堆体进行材料赋值。根据取样点位置确定各边坡采用土样信息并对其进行赋值，具体见表4。在SEEP/W渗流分析中，首先通过土样初始含水率和SWCC曲线确定堆体内部初始吸力并对其进行区域赋值，认为左侧边界不透水，底部边界为潜在渗流面，边坡上边界设置单位流量为年平均降雨量，由于右侧斜坡坡度较陡，设定降雨量中只有20%雨量能够渗入，从而对堆体进行稳态分析并在SLOPE/W模块中进行稳定性分析。将稳态分析结果作为初始条件，根据上述工况(二)、(三)，改变上边界和右侧斜坡边界降雨量，对堆体进行瞬态分析以及稳定性分析。根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，当临时边坡的安全系数大于1.15时，认为边坡处于安全稳定状态。

3个剖面在3种工况下的稳定性分析结果如图5～7所示。根据稳定性分析结果，剖面一(坡高为5m，坡度约为1∶1)在3种工况下均能保持稳定，安全系数均大于1.15，因此总体来看剖面一稳定性良好，安全储备高；剖面二(坡高为7m，坡度约为1.2∶1)在年平均降雨量和雨季降雨量持续2d条件下，稳定安全系数都在1.15以上，但当遭遇极端降雨持续2d时，稳定安全系数为0.968，边坡具有失稳的风险；剖面三(坡高为10m，坡度约为∶1)相对较高，且坡度较大，其稳定性分析结果与剖面二分析结果基本一致，只有在极端降雨条件下存在失稳滑坡的风险，且失稳模式为浅层土体，故失稳后果不严重。

图2 剖面一 Fig.2 First section

图3 剖面二 Fig.3 Second section

图4 剖面三 Fig.4 Third section

表4 3个代表性剖面的稳定性安全系数 Tab.4 Stability safety factor of three representative sections

2.3 结论

首先通过对北京市某建筑垃圾堆体采样进行室内土工实验获取其土性参数，现场选取6个取样点进行实验测试，包括颗分实验、液塑限测定、变水头渗透实验以及直剪实验，现场取样点均匀，基本覆盖整个场地，实验测定的参数能很好地代表整个建筑垃圾堆体的土性参数，结果可靠。室内实验结果表明，场地土体主要为细粒土质砂或含细粒土质砂，渗透系数为10-4～10-5cm/s，塑限介于12%～30%之间，液限介于20%～40%之间。

随后选取建筑垃圾堆体的3个典型剖面进行安全稳定性分析，考虑年平均降雨、雨季降雨以及极端降雨3种工况通过分析发现：剖面一(坡高5m，坡度1∶1)在3种降雨工况下均能保持稳定，安全储备较高；剖面二(坡高7m，坡度1.2∶1)在年平均降雨和雨季降雨条件下，安全系数均大于1.15，不会发生失 稳滑坡现象，但当遭遇极端降雨时，安全系数小于1，存在失稳滑坡的风险；剖面三(坡高10m，坡度∶1)的结果和剖面二类似。由此可见，剖面二和剖面三相比剖面一坡度更陡，遭遇强降雨时有浅层失稳的风险。

图5 剖面一在3种不同工况下的稳定性分析结果 Fig.5 Stability analysis result of first section under three different conditions

图6 剖面二在3种不同工况下的稳定性分析结果 Fig.6 Stability analysis result of second section under three different conditions

图7 剖面三在3种不同工况下的稳定性分析结果 Fig.7 Stability analysis result of third section under three different conditions

3 建议

本文所介绍的针对建筑垃圾堆体的稳定性分析方法具有一定的普适性，可用于我国大部分城市同类建筑垃圾堆体的稳定性分析。建议城市主管部门或建筑施工单位针对此类需要暂时存放在原地、无法在短时间内清运至填埋场或建筑垃圾资源化处理场的建筑垃圾堆体进行稳定性分析，通过减弱使堆体稳定性降低的因素，改善堆体岩土体的力学强度或直接降低滑动力、提高抗滑力，采取如下工程防护措施，避免发生环境和安全问题。

3.1 增加简易绿化或苫盖

在坡度比较陡的斜坡上进行简易绿化或增加苫盖进行防护，可以增强土体之间的粘聚力，同时减少因强降雨时地表水的下渗，避免土体的抗剪强度降低进而导致堆体失稳。

3.2 修建排水沟

地表水或地下水能否及时顺利排出往往是堆体能否稳定的关键因素，做好相应的排水措施，如修建排水沟，可以防止堆体潜在滑动面的土体软化，这对于堆体的稳定性极为重要。

3.3 削减高度

削坡往往采取削减不稳定岩体或者已经处于变形破坏土体的高度，通过减轻堆体上方荷载降低坡高，提高堆体稳定性。

3.4 堆体人工加固

采用SNS边坡柔性防护技术等措施进行堆体的人工加固。

3.5 清除或削坡减荷与压脚

及时发现并清除堆体上危岩或潜在危险物。如果难以清除或不可能清除时，可以支撑以防止其掉落，进而避免影响堆体稳定性和周边建筑物的安全。

3.6 修建挡墙

可以设置抗滑建筑物，如选用彩钢夹芯板或绿色预制挡土墙，避免堆体发生失稳滑坡时，影响周边建筑物的安全。