高含水工程渣土快速堆填过程抗剪强度增长规律及边坡稳定控制

At present, the unsaturated construction waste with high water content and low permeability is transported to the waste dump for fill. There are many problems in the process of fill, such as fast dump, insufficient compaction, poor drainage and so on. With the increase of fill height, the shear strength of construction waste increases nonlinearly, and the shear stress increases linearly, which leads to slope failure at a certain moment that the shear stress surpasses the shear strength. The strength increasing pattern of construction waste under undrained condition is the basis to judge the stability in the rapid filling process. In this project, the undrained triaxial compression tests of soil samples with different fine-grained content and different initial saturation degree are carried out under different confining pressure. The volume change of unsaturated soil is determined by the double pressure chamber triaxial apparatus; and the CT scanning triaxial test apparatur is used in the analysis of the morphology and distribution of pore water and gas in the test process and determine the inner mechanisam of nonlinear shear strength. Based on these analysis, nonlinear shear strength prediction model is established. The strength prediction model is employed into the stability analysis by total stress limit equilibrium method and finite element limit equilibrium method, and used to establish slope stability control standard for maximum height and inclination. This work is of great significance to the development of geotechnical discipline and practical application.

目前对于高含水率低渗透性的非饱和工程渣土，以运输到渣土受纳场进行堆填为主。渣土堆填过程普遍存在速度过快、压实不足、排水不畅等问题。随着堆填高度增加，土体抗剪强度呈非线性增长，剪应力呈线性增长并在某一堆填高度下超过抗剪强度，导致边坡失稳。高含水率渣土在不排水条件下的强度增长规律是判断其快速堆填过程稳定性的基础。本项目通过制备不同细粒含量、不同初始饱和度的土样进行不排水三轴压缩试验，通过双压力室非饱和土三轴仪确定非饱和土样体积变形，并结合CT实时扫描三轴试验结果分析试验过程孔隙气体和水体的形态与分布，确定抗剪强度非线性增长的内在机理并建立起抗剪强度的非线性预测模型。将这一强度预测模型引入到总应力极限平衡法和有限元极限平衡法的稳定性分析中，对高含水率工程渣土快速堆填过程的稳定性进行准确分析，建立起不同细粒含量工程渣土最大堆填高度和坡度稳定控制标准。这一工作对岩土学科发展和工程应用均有重要意义。

我国城市巨量工程渣土处置是当前急需破解的难题，尤其经济发达的东南沿海城市，高速发展的城市建设产生了大量工程渣土，主要运送至渣土受纳场进行堆填。东南沿海地区地下水位较高，沉积土层细粒含量较高，地下空间开发产生的渣土往往具有高含水率、低渗透性的特点。同时，渣土堆填过程普遍存在速度过快、压实不足、排水不畅等问题，导致渣土堆填体边坡存在较大的失稳风险，亟需相关理论与技术来规范其设计、施工和管理。高含水、低渗透性渣土在快速堆载作用下呈现非线性的强度增长过程，强度增长速率低于剪应力的增长速率是导致边坡失稳的力学原理。实现渣土强度非线性增长曲线的数学描述是开展渣土边坡稳定性评估的理论基础，是亟需解答的关键科学问题。围绕这一问题，本项目以深圳光明渣场12.20特大滑坡事故为背景开展了1）不同初始饱和度全风化花岗岩（CDG）渣土不排水强度特性的试验测试，收集了不排水不排气条件下的体变、孔压和强度数据；2）基于Skempton的孔压系数定义和修正剑桥模型，推导了高含水工程渣土的不排水强度预测模型并进行了验证；3）通过离心模型试验观测了非饱和CDG渣土在快速堆填过程的孔压演变规律，基于水平衡分析了渣土饱和度变化过程，拟合了饱和度与孔压系数的关系曲线；4）基于不排水强度预测模型和离心模型试验确定的孔压系数，分别提出了基于总应力法和有效应力法的工程渣土边坡稳定性评估方法；5）利用提出的方法分析了边坡坡度、初始含水率、水位、堆填速率、压实度和堆体分区等因素对工程渣土允许堆填高度和渣土场容量的影响规律，提出了渣土安全堆填和渣土场容量最大化的控制标准和方法。基于上述研究工作，发表标注项目基金号的SCI论文2篇（均为中科院1区），EI论文2篇；培养硕士研究生2名。项目研究成果为高含水工程渣土边坡的稳定性评估提供了理论与技术支撑，将有效提升东南沿海城市工程渣土安全处置能力。