新鮮生活垃圾壓縮與直剪聯(lián)合測定試驗(yàn)研究

張振營，嚴(yán)立俊，吳大志

（浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310018）

1 引 言

生活垃圾由很多性質(zhì)不同的成分組成，包括廢紙、蔬菜、果皮、木、草、樹葉、紡織品、肉骨、塑料、橡膠、金屬、磚、石、土、陶瓷、玻璃等。這些成分通常是多孔和非飽和的，對生活垃圾的工程性質(zhì)產(chǎn)生很大影響[1]。影響垃圾土強(qiáng)度的因素有很多，如有機(jī)質(zhì)和纖維素含量、填埋時間、降解程度、壓實(shí)方式、壓實(shí)程度、組成成分、顆粒大小及含水率等[2-3]。一些學(xué)者對城市固體廢棄物（MSW）的變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，Machado 等[4]把MSW 分成纖維狀的加筋相和泥狀物兩部分，在分析室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出一個復(fù)合本構(gòu)模型，纖維狀的加筋相采用彈塑性模型，泥狀物采用修正劍橋模型。Babu 等[5]認(rèn)為，在荷載作用下修正劍橋模型被擴(kuò)展，總應(yīng)變包括兩部分，即蠕變應(yīng)變和降解應(yīng)變。Diambra 等[6]基于混合物原則建立了加筋土本構(gòu)模型，認(rèn)為纖維相采用線彈性模型，基本相采用理想彈塑性模型。Jonathan 等[7]分析了MSW 的組成、側(cè)限應(yīng)力、有機(jī)物成分、加載速率等對抗剪強(qiáng)度的影響。Christopher 等[8]分析了MSW的組分和降解的不同對MSW 剪切強(qiáng)度的影響。張振營等[9]采用鄧肯-張模型來表達(dá)MSW 的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。朱俊高等[10]采用直線擬合了垃圾的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。張季如等[11]分別進(jìn)行直剪試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)測定生活垃圾的強(qiáng)度，得到了垃圾的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。馮世進(jìn)[12]提出將多組分的MSW 看作一個整體，采用鄧肯-張模型來模擬其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。孫秀麗等[13]采用雙曲線模型來表達(dá)MSW 的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。陳繼東等[14]針對垃圾填埋場沉降計算問題，考慮垃圾土中有機(jī)物降解及降解過程中重度的變化，推導(dǎo)了垃圾土一維壓縮計算的修正公式。張文杰等[15]基于現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)測試，對垃圾土重度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變異規(guī)律和概率特性進(jìn)行研究，采用蒙特卡羅法分析了填埋邊坡可靠度。王偉等[16]對1～7 d 齡期內(nèi)的垃圾進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，提出一個復(fù)合正切-指數(shù)模型來表達(dá)剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系。郭城等[17]用鄧肯-張模型、修正劍橋模型模擬MSW 單元體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，提出了彈塑性蠕變降解模型。王磊等[18]在加筋土模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)修正，建立了包括基本相的修正劍橋模型和纖維相的線彈性模型。本文在總結(jié)他們各自研究成果的基礎(chǔ)上，將生活垃圾材料分為易降解材料、難降解材料及不可壓縮的固體材料三類，采用3種不同的初始孔隙比、4 種不同的豎向壓力，每種壓力按照8 種不同的壓縮時間，進(jìn)行了新鮮生活垃圾的壓縮與直剪聯(lián)合測定試驗(yàn)，系統(tǒng)地對城市新鮮生活垃圾在不同壓縮應(yīng)變下的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)采用大型固廢壓縮-直剪聯(lián)合測定儀進(jìn)行，儀器見圖1。試驗(yàn)容器的內(nèi)直徑為180 mm，容器上下盒高150 mm，水平剪切位移量程為0～45 mm。儀器由豎向壓力系統(tǒng)、豎向壓縮測試系統(tǒng)、水平剪力系統(tǒng)及水平位移量測系統(tǒng)4 部分組成，其中水平剪力及水平位移數(shù)據(jù)可以自動采集。本次試驗(yàn)參照杭州天子嶺固體廢棄物填埋場垃圾的主要成分，人工配制試樣，其濕質(zhì)量比分別為50%、15%和35%，成分比例見表1。

圖1 固體廢棄物壓縮-直剪聯(lián)合測定儀Fig.1 Compression-direct shear combined test apparatus for municipal sold waste(MSW)

表1 新鮮生活垃圾的成分比例(濕重)Table 1 Percentage composition of fresh MSW(wet weight)

3 試驗(yàn)過程

按《土工試驗(yàn)規(guī)程》[19]進(jìn)行壓縮與直剪聯(lián)合試驗(yàn)。

3.1 制樣過程

采集新鮮生活垃圾，按表1 各成分的比例秤取并配制垃圾。采用相對比重瓶法[20]得到垃圾各成分的相對密度，再根據(jù)50%、15%及35%的配比計算出垃圾的加權(quán)平均相對密度。采用烘干法[20]測出垃圾的含水率，根據(jù)式（1）計算出垃圾的天然密度，并得到垃圾試樣各成分的質(zhì)量，將各成分混合并攪拌均勻，靜置24 h，將垃圾倒入試驗(yàn)容器內(nèi)，采用分層壓實(shí)的方法，對MSW 進(jìn)行壓實(shí)，然后倒入垃圾、再壓實(shí)并重復(fù)上述步驟，直到垃圾全部填滿容器且被壓實(shí)為止，同時保證垃圾試樣的初始孔隙比分別為2.1、2.5、2.9，隨后放置透水石和加壓板，將百分表對準(zhǔn)加壓板的中心，調(diào)整百分表并記錄初始讀數(shù)。將剪切試驗(yàn)速率調(diào)整到1.8 mm/min，并做好試驗(yàn)前的一切準(zhǔn)備工作。初始孔隙比為

式中：ds為試樣的加權(quán)平均相對密度；ω為試樣的含水率；ρ為試樣的天然密度。

3.2 加壓試驗(yàn)過程

豎向壓力分別為25、50、100、200 kPa，每級壓力作用的時間分別為0、0.25、0.5、1、2、6、12、24 h，某級壓力作用下記錄壓縮時間，采用快剪的方式使試樣剪切破壞。為便于說明，以初始孔隙比e=2.1，豎向壓力25 kPa為例，對試驗(yàn)過程進(jìn)行敘述。施加壓力25 kPa，首先進(jìn)行加壓后的快剪試驗(yàn)，記錄剪應(yīng)力和剪切位移，直到MSW 試樣破壞為止（要求剪切應(yīng)變超過20%）。剪壞后，重新安裝相同的試樣，施加壓力25 kPa，記錄壓縮時間并觀測壓縮量，壓縮到0.25 h時，進(jìn)行快剪試驗(yàn)，直到試樣破壞為止（要求剪切應(yīng)變超過20%）。剪壞后，按同樣的方法依次分別安裝相同的試樣，施加荷載25 kPa，壓縮時間依次為0.5、1、2、6、12、24 h，記錄相應(yīng)的壓縮量，依次分別進(jìn)行剪切試驗(yàn)，直到試樣破壞為止（要求剪切應(yīng)變超過20%）。然后再分別安裝相同的垃圾試樣，分別施加壓力50、100、200 kPa，壓縮時間分別為0、0.25、0.5、1、2、6、12、24 h，按同樣的方法重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，記錄全部的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 不同壓縮時間下剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系

某級壓力下壓縮時間分別為0、0.25、0.5、1、2、6、12、24 h時的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，3 種不同初始孔隙比e0所得到的結(jié)論基本一致，即隨著剪應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力的總體趨勢在增加，且增大的趨勢有逐漸變緩的跡象是一條剪應(yīng)變硬化曲線，符合雙曲線模型。將縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成γ/τ，如圖3 所示。由圖可見，γ/τ與γ 的關(guān)系可以擬合成一條直線，直線方程為

式中：a、b為與豎向壓力、壓縮時間、材料組分等因素有關(guān)的參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出參數(shù)a為0.028～0.144，參數(shù)b為0.012～0.024。

4.2 不同豎向壓力及不同剪應(yīng)變限值下抗剪強(qiáng)度與豎向壓縮應(yīng)變的關(guān)系

垃圾填埋過程中，隨著新鮮垃圾的逐漸堆高，垃圾填埋體出現(xiàn)壓縮變形并伴隨滑移失穩(wěn)的趨勢。模擬垃圾填埋場中垃圾之間及防滲層與垃圾之間的相對位移，把剪應(yīng)變限值定為5%、10%、15%、20%，其對應(yīng)的剪應(yīng)力即為抗剪強(qiáng)度。新鮮垃圾的fτ-εv關(guān)系如圖4 所示。從圖中可以看出，3 種不同孔隙比新鮮垃圾的τf-εv的規(guī)律基本相同，即在相同初始孔隙比及相同剪應(yīng)變下，τf隨著豎向壓力的增大而增大；在相同初始孔隙比、豎向壓力及剪應(yīng)變下，τf隨著壓縮時間的延長而增大，但壓縮時間超過6 h 后τf又減小，當(dāng)壓縮時間超過12 h 后τf又增大，且隨著壓力越大，規(guī)律越明顯。分析原因，MSW 本身是由多種組分構(gòu)成，隨著壓縮時間的延長，垃圾各組分重新排列，并趨于密實(shí)，抗剪強(qiáng)度隨之增加，當(dāng)壓縮時間超過6 h 后，垃圾組成中的易降解、易壓縮成分由于壓縮原因，很多水分流出，對MSW 本身起到潤滑作用，因而其抗剪強(qiáng)度開始降低，當(dāng)壓縮時間再延長時，水分流出，結(jié)構(gòu)重新排列并趨于密實(shí)，抗剪強(qiáng)度隨之又開始增加。在相同壓縮時間、豎向應(yīng)變和剪應(yīng)變下，τf隨著初始孔隙比的增加而減小。圖4 中，實(shí)線部分為擬合曲線，方程可用式（3）表示，其規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。其相關(guān)參數(shù)和擬合系數(shù)的參考值見表2。

圖2 不同壓縮時間下MSW 的τ-γ 曲線Fig.2 τ-γ curves of MSW under different compression times

圖3 不同壓縮時間下MSW 的γ/τ-γ 曲線Fig.3 γ/τ-γ curves of MSW under different compression times

式中：A、B、C、D 分別為與初始孔隙比、組分、時間、豎向壓力、剪應(yīng)變等因素有關(guān)的系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[21]有式（4）。

圖4 不同初始孔隙比τf-εv曲線Fig.4 τf-εvcurves of MSW with different initial void ratios

式中：L、M 分別為與壓力、初始孔隙比、材料組分等因素有關(guān)的參數(shù)。

將式（4）代入式（3）得出τf-t 關(guān)系，即

簡化可得

式中：f、g、j、k 分別為與初始孔隙比、組分、時間、豎向壓力、剪應(yīng)變等因素有關(guān)的系數(shù)。

4.3 不同初始孔隙比的抗剪強(qiáng)度與豎向壓力的關(guān)系

為便于說明，以壓縮時間為0 h 和24 h為例，不同剪應(yīng)變限值的τf-σ 關(guān)系曲線如圖5 所示。由圖可知，MSW 的τf-σ 關(guān)系符合庫侖定律，MSW的抗剪強(qiáng)度隨壓力的增大而增大、隨初始孔隙比的增加而減小、隨剪應(yīng)變的增大而增大。新鮮垃圾在壓縮時間為0 h 和24 h 的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表3。由表可以看出，新鮮生活垃圾的黏聚力c 值在11.1～34.2 kPa 之間，內(nèi)摩擦角φ 值在11.2°～30.6°之間。

表2 MSW 的擬合參數(shù)表Table 2 Fitted parameters of MSW

圖5 MSW 的抗剪強(qiáng)度包線Fig.5 Shear strength envelope curves of MSW

表3 MSW 的抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Shear strength parameters of MSW

5 結(jié) 論

（1）MSW 的剪應(yīng)力隨著剪應(yīng)變的增大而增大，但其增大的趨勢逐漸變緩。隨著初始孔隙比的增加，其剪應(yīng)力值減小。剪應(yīng)力-剪應(yīng)變的關(guān)系符合雙曲線模型，得到了模型參數(shù)的取值范圍，a 在0.028～0.144 之間，b 在0.012～0.024 之間。

（2）隨著豎向應(yīng)變（壓縮時間）的增大，抗剪強(qiáng)度的值有先增大，后減小，然后再增大的趨勢。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，新鮮垃圾的強(qiáng)度-變形-時間的理論模型可以擬合成3 次多項(xiàng)式的形式，給出了τf與εv及τf與t 的關(guān)系表達(dá)式，并給出了參數(shù)的擬合值及相關(guān)系數(shù)的取值，相關(guān)系數(shù)在0.63～0.98 之間。

（3）新鮮生活垃圾不同壓縮時間段的抗剪強(qiáng)度與豎向壓力的關(guān)系符合庫侖定律，試驗(yàn)得到了3 種初始孔隙比新鮮生活垃圾的黏聚力和內(nèi)摩擦角的取值范圍。黏聚力c 值在11.1～34.2 kPa 之間，內(nèi)摩擦角φ 值在11.2°～30.6°之間。

本文沒有考慮溫度、降解等因素的影響。對于降解垃圾的長期壓縮變形與強(qiáng)度的相關(guān)特性將另行撰文研究。

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