城市生活垃圾土的大型水平剪切試驗(yàn)研究

賀建清，胡偉，廖湘華，王永華，高文華

城市生活垃圾土的大型水平剪切試驗(yàn)研究

賀建清1，胡偉1，廖湘華2，王永華2，高文華1

(1. 湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2. 湘潭市城市管理和行政執(zhí)法局，湖南 湘潭 411100)

垃圾土成分極不均勻，工程性質(zhì)變化幅度大，小直徑、小尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果難以反映垃圾土的宏觀性質(zhì)。為獲取具有代表性的城市生活垃圾抗剪強(qiáng)度參數(shù)，采用大尺寸試樣分析城市生活垃圾的組成，測定垃圾土的容重和含水率，利用自研的水平推剪試驗(yàn)裝置進(jìn)行大型水平推剪試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：城市生活垃圾經(jīng)過4 a降解，垃圾成分主要以土、建筑垃圾、塑料和玻璃陶瓷為主，廚余和紙制品等易降解部分基本降解完畢；生活垃圾的密度為1.06~1.25 g/cm3，小于普通土；生活垃圾的含水率為18.10%~25.63%。重塑垃圾土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：=41.94 kPa，=26.46°；飽和重塑垃圾土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：=47.96 kPa，=25.26°。浸水飽和后的垃圾土，內(nèi)摩擦角略有降低，黏聚力有小幅增長；試驗(yàn)結(jié)果與大型三軸試驗(yàn)較為接近。

垃圾；垃圾填埋；工程性質(zhì)；大型水平推剪試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度參數(shù)

衛(wèi)生填埋是目前國內(nèi)城市生活垃圾的主要處置方式，其處置量占我國城市生活垃圾處置量的近80%。城市生活垃圾工程力學(xué)特性的研究是環(huán)境巖土工程最基本和重要的課題之一[1?2]。正確選擇垃圾土的工程力學(xué)指標(biāo)，對于垃圾填埋場的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營極其重要。與填埋場穩(wěn)定性直接有關(guān)的垃圾土的工程力學(xué)指標(biāo)主要包括容重、含水率、相對密度、孔隙率、透水性、壓縮性和抗剪強(qiáng)度等[3]，其中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。垃圾土的強(qiáng)度參數(shù)比較復(fù)雜，由于各地區(qū)垃圾成分相異，填埋方法也有較大的差別，導(dǎo)致垃圾土強(qiáng)度指標(biāo)存在較大的差異，常導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散性較大。為此，國內(nèi)外學(xué)者[4?5]采用了多種直接或間接的手段，以期獲得能真實(shí)反映垃圾土強(qiáng)度的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。如美國Maine州中心填埋場在現(xiàn)場采用16 ft2的混凝土剪切盒對垃圾土進(jìn)行大直徑直剪試驗(yàn)[6]；Kavazangians等[7]根據(jù)垃圾填埋場現(xiàn)場載荷試驗(yàn)結(jié)果和邊坡失穩(wěn)破壞面，反算了美國典型垃圾土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。國內(nèi)對垃圾土的研究起步較晚，有關(guān)垃圾土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的資料還不是很多。見諸報(bào)道的研究成果主要有：陳云敏等[8]采用現(xiàn)場靜力觸探和室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究了垃圾土的垃圾土的抗剪特性；朱向榮等[9?11]利用常規(guī)土工試驗(yàn)分析了城市生活垃圾的抗剪強(qiáng)度；張季如等[12]如對某城市生活垃圾填埋場取得的原狀垃圾土樣進(jìn)行了直剪試驗(yàn)。但因垃圾土成分極不均勻，各成分的物理力學(xué)性質(zhì)離散性較大，小直徑、小尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果難以反映垃圾土的宏觀性質(zhì)。同時(shí)，垃圾土的工程性質(zhì)隨時(shí)間、埋置深度、溫度和濕度等因素而變，給試驗(yàn)和測量帶來困難。至今無論是國際或國內(nèi)，都還沒有研究和制定出一套規(guī)范化的量測垃圾土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)方法。本文擬針對小直徑、小尺寸剪切試驗(yàn)存在的不足，依托湘潭市雙馬垃圾填埋場實(shí)際工程，研制大型水平推剪試驗(yàn)裝置，模擬現(xiàn)場工況，在室內(nèi)進(jìn)行大型水平推剪試驗(yàn)，以獲取符合工程實(shí)際的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并探討分析影響城市生活垃圾抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的因素。

1 垃圾土物理性質(zhì)指標(biāo)

1.1 垃圾土的組成

垃圾土取自已經(jīng)封場的雙馬垃圾場一期填埋區(qū)，填埋齡期已有4 a。每個取樣點(diǎn)，取垃圾土樣重量不少于20 kg，用塑料袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室測試其組成。一般土體的室內(nèi)土工試驗(yàn)，通常采用小體積試件，顯然傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)方法不能適用于垃圾土?？紤]到垃圾土成分極不均勻，采用大體積垃圾土樣進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)芨玫胤从忱恋慕M成，試驗(yàn)時(shí)隨機(jī)挑選4袋試樣，每個袋中取4 kg左右的垃圾土，在65~70 ℃恒溫下烘干24 h，然后手工分揀出塑料、紡織品和橡膠等物品，并分別稱重，計(jì)算各類物品的百分含量，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出，垃圾土經(jīng)過4 a填埋后，垃圾成分主要以石土、塑料和玻璃陶瓷為主，廚余、紙制品等易降解部分基本降解完畢。

1.2 密度

室內(nèi)測定垃圾土的容重，外界干擾少，測量精度高。但現(xiàn)有取樣設(shè)備和技術(shù)很難獲取尺寸足夠大且有代表性的原狀垃圾土試樣。因此，試驗(yàn)結(jié)果很難具有有代表性。為了使得到的容重基本上能代表所填埋垃圾的容重，試驗(yàn)采用試坑灌水法測定垃圾土的容重。即在選定的試驗(yàn)區(qū)域，人工開挖試坑，挖出的垃圾當(dāng)場稱重，試坑垃圾質(zhì)量除以試坑的體積即為垃圾容重，試坑體積通過灌水測定。圖1為生活垃圾的密度分布。

表1 雙馬垃圾場生活垃圾的組成

圖1 生活垃圾密度分布

由圖1可知，生活垃圾的密度為1.06~1.25 g/cm3，平均值為1.16 g/cm3，小于普通土。這主要是由于生活垃圾是大孔隙結(jié)構(gòu)，單位體積生活垃圾中的塑料、草木、紡纖等物品所占比重很大，而密度又比較低，加之經(jīng)過多年降解，水分流失，含水量低所致。

1.3 含水率

取回的試樣按1.1節(jié)的方法烘干至恒重，測定其含水率，生活垃圾含水率分布見圖2。由圖2可知，生活垃圾的含水率為18.10%~25.63%，平均值為20.67%。不同于新鮮垃圾，其值小得多，且變化也不是很大。這是因?yàn)槔鴪龇鈭龊螅罾械挠袡C(jī)物降解產(chǎn)生的滲濾液已經(jīng)通過滲流排走，降低了生活垃圾中的含水率。另外垃圾填埋場上覆蓋層良好的密封性，有效地阻止了地表水的入滲。

圖2 生活垃圾含水率分布

2 垃圾土大型水平推剪試驗(yàn)

2.1 堆載豎向加壓大型水平推剪試驗(yàn)裝置的研制

垃圾土不同于一般工程意義上的自然土和人工填土，含有大量的塑料、紡纖類織物，具有粒狀和纖維狀的特點(diǎn)，小直徑、小尺寸的剪切試驗(yàn)無法真實(shí)反映垃圾土的抗剪強(qiáng)度特性，試驗(yàn)結(jié)果不具備代表性。為此，專門研究了堆載豎向加壓大型水平推剪試驗(yàn)裝置以研究垃圾土的抗剪強(qiáng)度特性。

圖3 大型水平剪切試驗(yàn)裝置示意圖

堆載豎向加壓大型水平推剪試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)原理類似于應(yīng)變式水平直剪儀，其構(gòu)造簡圖如圖3所示。儀器由可移動的上剪切盒和固定的下剪切盒構(gòu)成，試樣位于上、下剪切盒之間。剪切盒內(nèi)腔為方形。上剪切盒內(nèi)腔尺寸為500 mm長×500 mm寬×500 mm高，下剪切盒內(nèi)腔尺寸為500 mm長×500 mm寬×100 mm高。試樣尺寸為500 mm長×500 mm寬×200 mm高。試驗(yàn)時(shí)，配重鐵塊通過傳壓塞對試樣施加法向應(yīng)力，水平推力則由千斤頂施加于上剪切盒，使試樣沿上、下剪切盒接觸面產(chǎn)生剪切位移。剪應(yīng)力由安裝于千斤頂端部的荷載傳感器讀數(shù)經(jīng)換算確定，剪切位移由大量程百分表測定。

3.2 試驗(yàn)方法

1) 給上、下剪切盒間導(dǎo)軌及導(dǎo)向?qū)к墲L珠涂抹一層潤滑油，以減少上、下剪切盒間的摩擦阻力。

2) 上、下剪切盒盒口對準(zhǔn)固定，將從現(xiàn)場取回的原狀垃圾土樣分層放入剪切盒中整平壓實(shí)，置入傳壓塞，堆載預(yù)壓24 h以上，至變形穩(wěn)定，達(dá)到接近工程實(shí)際的密實(shí)度。測定飽和垃圾土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，在試驗(yàn)槽中注水，堆載預(yù)壓期間對垃圾土浸水飽和。

3) 垃圾土經(jīng)堆載預(yù)壓達(dá)到要求的密度，增加或減少配重鐵塊，給垃圾土試樣施加豎向壓力。豎向壓力施加完畢，依次安裝墊板、施加水平推力的千斤頂及測量水平推力的荷載傳感器，同時(shí)安裝測量剪切位移的大量程百分表等測試設(shè)備。施加水平推力過程中，千金頂活塞軸線與剪切盒中上半部分試樣中心重合。

4) 待各種測試設(shè)備安裝完畢，記錄各起始讀數(shù)，開始分級施加水平推力，控制千斤頂加荷速率使變形速率控制在1 mm/min左右，每分鐘記錄2次百分表讀數(shù)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到荷載傳感器讀數(shù)出現(xiàn)峰值，繼續(xù)加壓，荷載傳感器讀數(shù)不增反降，此時(shí)認(rèn)為垃圾土體破壞，停止加壓。剪切過程中，用松弛的起重吊帶兜住配重鐵塊，防止配重鐵塊坍塌傷人。

5) 剪切結(jié)束，松開油閥釋放油壓，關(guān)上油閥；卸去配重鐵塊，提取垃圾土樣，測定含水率。

2.3 推剪試驗(yàn)結(jié)果及其分析

為了研究工程實(shí)際中城市生活垃圾的抗剪強(qiáng)度特性，根據(jù)湘潭市雙馬垃圾填埋場的實(shí)際工況，考慮到垃圾填埋場深處取樣困難，將現(xiàn)場取回的原狀垃圾土樣不經(jīng)挑選直接裝入剪切盒，在211.0 kPa豎向壓力下預(yù)壓24 h以上，直至變形穩(wěn)定，使經(jīng)過預(yù)壓固結(jié)的垃圾土密度接近工程實(shí)際。試驗(yàn)中，根據(jù)壓密后的體積測定，未浸泡飽和的垃圾試樣經(jīng)壓密后的密度略為1.12 g/cm3，與現(xiàn)場測定結(jié)果基本接近。預(yù)壓固結(jié)完畢，分別在49.4，99.6，149.5和211.0 kPa下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。圖4為通過大型水平推剪試驗(yàn)得到的剪應(yīng)力?剪切位移關(guān)系曲線。(其中“”為剪切面上法向應(yīng)力)

對比圖4所示曲線變化趨勢可以看出，在水平推剪過程中，城市生活垃圾呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力屈服和塑性變形特征，其變形破壞表現(xiàn)出與一般巖土材料明顯不同的特點(diǎn)。整個曲線的發(fā)展分為4個階段：1)線彈性階段，亦即起始階段，剪應(yīng)力與位移之間近似于線性關(guān)系，這主要是垃圾土試樣受到剪應(yīng)力作用有一個初始壓密的過程；2)彈塑性階段，試樣開始產(chǎn)生破裂，但由于試樣中塑料、紡纖、草木類成分較多，相當(dāng)于在土中加筋，破裂傳播的速度較慢，出現(xiàn)了一些不規(guī)則的變化段；3)峰值段，這一階段只有較小應(yīng)力的應(yīng)力增幅，而應(yīng)變增幅較大，導(dǎo)致試樣在極限位置產(chǎn)生破壞。不同于密實(shí)砂和硬土，垃圾土的峰值不是很明顯。4)應(yīng)變軟化段，超過應(yīng)力峰值點(diǎn)，應(yīng)力隨著應(yīng)變繼續(xù)增大而下降，但下降的速度比較平緩，未出現(xiàn)陡降段。這主要是因?yàn)樵嚇又兴芰?、紡纖和草木類成分相互交錯咬合，這些材料自身的斷裂伸長應(yīng)變大于垃圾土中土的最大拉伸應(yīng)變，有利于改變垃圾土的剪切變形能力和緩解應(yīng)力峰值后的強(qiáng)度衰減，因此垃圾土的殘余強(qiáng)度性質(zhì)與一般巖土材料明顯不同。

另外，由圖4也不難看出，浸水前后，垃圾土的剪應(yīng)力?位移曲線并未發(fā)生明顯的變化，表明水對垃圾土的抗剪強(qiáng)度特性影響很少，這是因?yàn)榘凑崭鞒煞炙俭w積比重，城市生活垃圾中以密度較小的塑料和纖維材料為主，垃圾土的強(qiáng)度特性主要取決于這些材料的“加筋”作用。

2.4 垃圾土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

取剪應(yīng)力?剪切位移關(guān)系曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強(qiáng)度，由大型水平推剪試驗(yàn)所得Mohr- Coulomb強(qiáng)度包線見圖5。重塑垃圾土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：=41.94 kPa，=26.46°；飽和重塑垃圾土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：=47.96 kPa，=25.26°。垃圾土浸水飽和后，由于水的“潤滑”作用，內(nèi)摩擦角略有降低；垃圾土中紡纖、草木類物品“遇水膨脹”，導(dǎo)致垃圾土更加“密實(shí)”，黏聚力有小幅增長。

(a)σ=49.4 kPa；(b)σ=99.6 kPa；(c)σ=149.5 kPa；(d)σ=211.0 kPa

表2 城市生活垃圾抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2為見諸報(bào)道的有關(guān)垃圾土抗剪強(qiáng)度的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

將本文試驗(yàn)結(jié)果與表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可知，與常規(guī)小直徑、小尺寸試驗(yàn)相比，大型水平推剪試驗(yàn)測得的，值明顯較高，與大型三軸試驗(yàn)較為接近。尤其是黏聚力明顯偏高，這是因?yàn)榇笾睆?、大尺寸試樣試?yàn)不用剔除大粒徑的塑料和纖維材料，而這些材料的加入可賦予垃圾土較大的黏 聚力。

圖5 城市生活垃圾的抗剪強(qiáng)度包線

4 結(jié)論

1) 城市生活垃圾由許多不同類型的成分構(gòu)成，經(jīng)過4 a降解，垃圾成分主要以石土、塑料和玻璃陶瓷為主，廚余和紙制品等易降解部分基本降解 完畢。

2) 生活垃圾的密度為1.06~1.25 g/cm3，平均值為1.16 g/cm3，小于普通土。生活垃圾的含水率為18.10%~25.63%，平均值為20.67%。

3) 重塑垃圾土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：=41.94 kPa，=26.46°；飽和重塑垃圾土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為：=47.96 kPa，=25.26°。浸水飽和的垃圾土，內(nèi)摩擦角略有降低，黏聚力有小幅增長。

4) 采用大型現(xiàn)場剪切試驗(yàn)測定垃圾土的抗剪強(qiáng)度，受試驗(yàn)條件限制，操作困難，且只能測定淺部垃圾的抗剪強(qiáng)度。大型水平推剪試驗(yàn)，可以不用剔除大粒徑塑料和纖維材料，而且可以模擬深部垃圾的工況，試驗(yàn)結(jié)果接近于大型三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較為可靠。

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(編輯 涂鵬)

Experimental study on large scale horizontal push-shear test of municipal solid waste

HE Jianqing1, HU Wei1, LIAO Xianghua2, WANG Yonghua2, GAO Wenhua1

(1. Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Xiangtan City Administration and Administrative Law Enforcement Bureau, Xiangtan 411100, China)

Due to heterogeneity of MSW, its mechanical properties change within a broad range. And it is difficult to gain its macroscopic property according to small size or small diameter test result. In order to obtain representative shear strength parameters of MSW, the components of MSW have been analyzed and its unit weight and water content have been mensurated with large scale tests. The large scale horizontal push-shear tests were carried out by using self-developed large scale horizontal push-shear test device. The test results indicate that after degradation of 4 years the major components of MSW are soil construction waste, plastic material, glass and ceramics, while kitchen waste，paper products and other easily biodegradable materials, have been already basically degraded. It is found that the density of MSW varies from 1.06 g/cm3to 1.25 g/cm3, which is less than that of common soils. And the water content of MSW varies of 18.10% to 25.63%. The shear strength index of reconstituted MSW is as follows:=41.94 kPa,=26.46°; and that of reconstituted MSWafter soaking immersion is as follows:=47.96 kPa,=25.26°. The friction angleof reconstituted MSW aftersoaking decreases slightly, and its cohesion increases slightly. The value of the shear strength parameters obtained by large scale horizontal push-shear tests is close to the value of the shear strength parameters obtained by large scale triaxial shear tests.

municipal solid waste; landfill; engineering properties; large scale push-shear test; shear strength parameters

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.12.013

TU44

A

1672 ? 7029(2018)12 ? 3113 ? 07

2017?11?23

湖南省自然科學(xué)省市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(2017JJ4039)

賀建清(1964?)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，教授，博士，從事土力學(xué)及地基基礎(chǔ)方面的教學(xué)研究；E?mail：hjqing2000@163.com