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资源热力电厂加筋碎石土高填方边坡技术研究与应用

2024-11-11 79 上传者：管理员

摘要：在研究多雨山区资源热力电厂深挖高填工程施工的基础上，开展对高含石量碎石土填料的力学性能试验研究，对不同填料、不同地基处理方式及施工参数的效果进行比较，优选合理的地基处理方式、施工参数，并模拟实际填筑方案，将试验得到的黏聚力、内摩擦角和弹性模量应用到数值计算中，分析填筑过程中的应力变化。研究结果表明：碎石与土比例为7:3且碎石为中风化～微风化的粗粒径碎石土混合料，其力学参数满足60m高填方边坡的设计要求。经五年累计监测，高填方边坡安全稳定，满足工程要求。

关键词：
压板载荷实验
垃圾围城
碎石土填料
资源热力电厂
高填方边坡
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建设资源热力电厂是缓解城市“垃圾围城”困境的重要举措，它不仅能够大幅度降低垃圾处理的成本，还能有效促进环境保护，实现土地资源的节约利用。而广州地形复杂，以山地为主，平原较少，且水道网络密布，地形复杂，随着广州不断发展，城市土地资源越来越缺乏，可供垃圾填埋用地越来越少，项目建设与城乡发展用地需求矛盾加剧。因此，利用山区削山填沟造地建设资源热力电厂势在必行。但是，在这些工程的建造过程及建成运营期内，产生大量的边坡工程，接踵而来的是各种边坡变形、边坡失稳以及滑坡灾患问题[1-3]。这些问题影响工程安全、稳定性和区域环境，亟需加强研究与实践。

本文以广州萝岗福山循环经济产业园公用配套工程场地平整工程为例，旨在深入探究坡顶承受重型荷载工况下的高填方边坡工程，通过详尽的研究分析，为现场施工提供科学指导，确保边坡结构的稳固与安全，进而保障施工过程的顺利进行。同时，为未来类似工程的设计与实施提供宝贵的参考与借鉴。

1、工程概况

福山循环经济产业园位于广州市黄埔区九龙镇福山村，园区总面积1493亩，项目总投资105亿元，是目前全国最大的循环经济产业园之一。本文研究对象为广州萝岗福山循环经济产业园公用配套工程场地平整工程（图1），该工程作为福山循环经济产业园前期工程，为整个园区的后续建设提供坚实基础和重要保证。福山循环经济产业园园区原状山体地势起伏较大，需将园区西侧山体挖除后回填至东侧及南侧，就地取材充分利用既有土、石料混合进行回填，为园区施工节约大量投资，保护现场生态环境。由于建筑边坡的填方高度（最大60m）、坡度（最陡1:1.5）在国内外均罕见，碎石土填料粒径偏大，很多现有的理论和技术规范并不适用于高填方边坡碎石土填料[4]，其次由于碎石土填料的工程性质明显不同于细粒土，现有建筑边坡指标体系和参数也不完全适用于碎石土填料。对于山区建筑高填方，由于石料有蠕变特性[5]，如果填料使用不当或质量控制不合理，这将引发边坡变形的失控，甚至导致边坡失稳，进而对园区内的建筑结构造成损害，并带来严重的经济损失。

2、碎石土混合料的物理力学特性

粗粒土及级配碎石，作为广泛采用的填方边坡回填材料，其力学特性参数的确定方式多样且可靠。而碎石土混合料是一种不同于土和岩体的高度非均质不连续体，加之碎石土混合料粒径大，其力学参数难以通过小尺寸土工试验或经验值进行确定。准确掌握碎石土混合料的物理力学特性是进行高填方地基变形计算和边坡稳定性分析的前提，边坡稳定性分析结果的可靠性，很大程度上取决于碎石土混合料抗剪强度指标的正确选择，且抗剪强度指标不同，会导致分析结果的差别远大于不同计算方法之间的差别[6]。本文对现场取样进行压板载荷试验和室内大型直剪试验，分析获取粗粒径碎石土混合料的强度参数，以进行填方边坡稳定性分析。

图1 资源热力电厂高填方边坡设计简图

2.1 压板载荷试验

为了验证在常规机械组合施工条件下，挖方碎石土混合料的压实度能否达到设计要求，并为后续现场压板载荷试验的顺利进行提供必要数据支持，我们决定采用未经处理的挖方碎石土混合料进行试验段的碾压填筑工作。

根据现场的场地条件，试验段回填面积约500m2(20m×25m），填筑厚度为3.5m，回填碎石土混合料碎石粒径不超过200mm，分层压实层厚不超过500mm，并通过常规碾压确保每层压实度不小于95%（灌水法）。

压板载荷试验碎石土混合料现场筛分结果的级配曲线如图2所示，荷载沉降p-s曲线结果如图3所示。

由现场取样筛分结果及压板载荷试验反算可知：对于碎石与土（质量）比例为7:3且碎石为中风化～微风化的粗粒径碎石土混合料，在满足压实度不小于95%（灌水法）的条件下，反算得到的抗剪强度参数为：c=25kPa，φ=35°，满足设计要求。

图2 压板载荷试验碎石土混合料的现场级配曲线

图3 压板载荷试验p-s曲线结果

2.2 室内大型直剪试验

室内大型直剪试验开展前，需进行现场随机取样，进行碎石土混合料的颗粒筛分，并测定试样的碎石土比例、含水率和颗粒级配。室内大型直剪试验碎石土混合料制样的含水率根据现场取样、密封带回试验室测定的含水率结果确定；而对于室内大型直剪试验碎石土混合料试样的干密度，按设计要求的灌水法压实度进行确定。

表1为碎石土混合料的室内大型直剪试验结果汇总。对于碎石与土比例为3:7且碎石为强风化的碎石土混合料（压实度≥95%），其内摩擦角φ=18.9°；对于碎石与土（质量）比例增加为5:5且碎石为强风化的碎石土混合料（压实度≥95%），其内摩擦角φ=20.6°；当碎石为中风化～微风化的碎石土混合料，其内摩擦角φ=22°，φ值均偏小，仅就内摩擦角而言，未能满足设计要求。以上结果表明，在一定范围内，大粒径填料的抗剪强度随着其中碎石强度、不均匀系数的增大而增大，而随着含石量的增大，碎石土混合料的抗剪强度总体上有先增大后减小的趋势。随着碎石与土的比例增加，碎石强度增大，获得强度参数φ值也进一步增大，但φ值仍未能达到设计提出的要求（φ≥35°），需考虑c、φ的综合效应验算土工结构的安全性。

表1 室内大型直剪试验得到的强度参数

3、土工结构的安全性验算及整体稳定性分析

在采用碎石土混合料进行填筑时，设定碎石与土的质量比为7:3，碎石的风化程度为中风化至微风化，并确保压实度达到95%的标准。在此条件下，虽然复合地基的承载力已满足设计要求的最低标准（即不小于500kPa），但值得注意的是，其抗剪强度参数系通过内摩擦角的经验性假设与黏聚力的反算推导得出。为严格保障加筋土边坡设计的安全可靠性，我们需对碎石土混合料的两个关键力学特性——黏聚力c与内摩擦角φ的综合影响进行深入剖析。具体而言，我们将选取不同石土质量比的碎石土混合料作为边坡填筑材料，并基于这些材料特性构建相应的数值计算模型。随后，利用强度折减法的科学手段，精确计算出加筋边坡在不同工况下的稳定性安全系数，从而为工程实践提供坚实的数据支持与理论依据。

采用GEO5岩土软件对资源热力电厂正下方的村委高填方边坡（60m）进行填料变更后的滑动稳定系数验算，参数取值：抗拉强度50kN/m，筋带长度30m，筋带竖向间距0.5m，筋带与填料摩擦系数0.3（铁路路基支挡结构设计规范0.3～0.4）。

村委高填方边坡坡体为加筋碎石土，坡底设CFG复合地基处理，坡底有排水箱涵，坡脚处设置扶壁式挡土墙，坡面植草绿化，坡体每隔10m高设置2m宽的平台，平台上设置排水沟，边坡内设置导水碎石层，坡顶设置隔水层。其剖面图见图4，验算图见图5。

按瑞典圆弧法计算边坡稳定性：滑面上下滑力的总和：Fa=25358.33kN/m，滑面上抗滑力的总和：Fp=42340.25kN/m，下滑力矩：Ma=2440485.95kNm/m，抗滑力矩：Mp=4074825.20kNm/m，正常使用条件下整体稳定安全系数=1.67>1.35，地震条件下安全系数=1.487>1.15。

因此，经GEO5软件验算，采取碎石与土比例为7:3且碎石为中风化～微风化的粗粒径碎石土混合料及立体排水方式的村委高填方边坡（60m）的滑动稳定性满足规范对于最小安全系数的要求。

4、碎石土填筑高填方边坡施工技术

通过前期开展试验段施工及填料的物理力学性能试验，获取了现场碎石土混合料的物理力学参数，并结合理论与数值模型分析，重新进行了边坡填料与坡体结构优化：加筋区中部回填料由级配碎石更换为碎石土混合料填筑，混合料中碎石最大粒径≤200mm，碎石与土的质量比≥7:3（即填料中粒径5mm～200mm范围内的颗粒应占填料总质量的70%以上）；碎石与土应混合均匀（土料或碎石料不得在局部集中堆积，应分散混合均匀），级配良好（Cu≥5.00）；填料要求分层回填压实，分层厚度≤500mm，压实度≥95%（灌水法）。

本工程主加筋采用HDPE单向拉伸塑料土工格栅，局部位置用三向土工格栅加强。大规模施工阶段是建立在试验段及试验部分完成的基础上开展的，主要包括碎石土开挖、装运、摊铺、碾压、压实度检测、格栅摊铺、坡面压顶麻袋装填与堆砌、格栅反包与张拉、坡面修整及支护等施工内容，还包括施工过程中格栅变形监测、边坡沉降与位移监测以及填料比例组成检测等控制措施。村委高填方边坡施工及工后对比见图6。

图4 村委高填方边坡剖面图

图5 村委高填方边坡GEO5软件验算

图6 加筋碎石土边坡施工及工后对比

为确保工程项目的安全实施，对填方边坡进行了细致的监测规划。经过专家组的严格评审，确定了科学、合理的监测方案及其控制值。自2019年1月完工后，截止至2024年4月，村委高填方边坡坡顶累计往边坡内位移28.0mm，远小于报警值（160mm）；坡顶沉降累计下沉66.06mm，远小于报警值（240mm）；土体深层水平位移（测斜）累计往边坡内位移93.61mm，远小于报警值（240mm）；村委高填方边坡变形在安全范围内，变化速率已收敛，边坡的整体稳定性满足有关规范及坡顶资源热力电厂工程的要求。

5、结论

本文主要对不同配比、就地取材的碎石土填料的力学性能及应用等进行了研究，采用软件模拟分析及结合现场实测指导施工，解决施工中的安全技术问题，确保高填方边坡顺利实施和施工后边坡长期安全稳定，以取得良好的经济效益与社会效益。该技术展现出显著的实用价值和巨大的市场潜力，在房屋建筑高填方工程中应用前景广阔。

主要结论与建议包括：

⑴对于碎石与土（质量）比例为7:3且碎石为中风化～微风化的粗粒径碎石土混合料，在满足压实度不小于95%的条件下，反算得到的抗剪强度参数为：c=25kPa，φ=35°，满足设计要求（φ≥35°）。

⑵随着碎石与土的比例（混合料中碎石占比）增加，碎石强度增大，获得强度参数φ值也进一步增大，但φ值仍未能达到设计要求（φ≥35°），需考虑c、φ的综合效应验算土工结构的安全性。

⑶经GEO5软件验算，采取加筋碎石土及立体排水方式的村委高填方边坡（60m）的滑动稳定性满足规范要求。

⑷建议填方边坡工程就地取材的碎石土混合料应满足以下要求：填料最大粒径≤200mm，碎石（中风化～微风化）与土比例≥7:3，不均匀系数Cu≥5.00，填料分层回填压实，分层厚度≤500mm，压实度（灌水法）≥95%。

参考文献:

[1]李天斌,刘吉,任洋,等.预加固高填方边坡的滑动机制:攀枝花机场12#滑坡[J].工程地质学报,2012,20(5):723-731.

[2]侯俊伟,唐秋元,李杨秋,等.西南某山区机场高填方边坡稳定性研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2016,35(3):82-88.

[3]邱艺文.西南某机场高填方加筋边坡稳定性分析[J].中外公路,2018,38(3):19-23.

[4] GB 50330-2013,建筑边坡工程技术规范[S].