中高齡期模型固體廢棄物三軸試驗(yàn)與強(qiáng)度特性分析

呂璽琳 ，翟新樂 ，黃茂松 ，賴海波

（1. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092）

1 引 言

由于受組分、齡期、含水率、周邊環(huán)境、生化物質(zhì)運(yùn)移、生化反應(yīng)等多種因素影響，城市固廢物理力學(xué)特性復(fù)雜變化，其力學(xué)特性研究較困難[1]?？紤]到固體廢棄物（簡(jiǎn)稱固廢）力學(xué)特性對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析的重要性，有必要開展相關(guān)試驗(yàn)和理論研究。目前國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者針對(duì)固廢強(qiáng)度開展過相關(guān)研究，如Stoll[2]早在1971年就開展過固廢試驗(yàn)研究，獲得了其力學(xué)特性。Vilar[3]等針對(duì)巴西圣保羅某填埋場(chǎng)固廢進(jìn)行了固結(jié)試驗(yàn)，結(jié)果表明固廢是一種高壓縮性材料。Stark[4]等分析了城市固廢抗剪強(qiáng)度參數(shù)及對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。Mehrand[5]等進(jìn)行了一系列固廢三軸不排水剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明圍壓、重度等將導(dǎo)致固廢抗剪強(qiáng)度提高。張振營(yíng)等[6]對(duì)杭州天子嶺生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)原狀樣進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了固廢的力學(xué)特性參數(shù)。張丙印等[7]著重研究了垃圾土強(qiáng)度和壓縮變形特性。駱行文等[8]通過對(duì)金口垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行原位靜載試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，得出了陳垃圾土工程性質(zhì)。填埋齡期是影響垃圾土強(qiáng)度的主要因素之一，Machado[9]等通過開展三軸排水試驗(yàn)，研究了齡期對(duì)固廢強(qiáng)度的影響。陳云敏等[1]通過總結(jié)以往研究成果表明，固廢內(nèi)摩擦角隨齡期增大而增加，黏聚力隨齡期增大而減小。Shariatmadari等[10]的最新試驗(yàn)成果亦證實(shí)了這一結(jié)論。

考慮到城市固廢力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜多變，為提高試驗(yàn)的可操作性、統(tǒng)一性和可重復(fù)性，近年來人工配制模型固廢被廣泛用于城市固廢的力學(xué)特性研究。Machado等[11]根據(jù)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維含量和土體顆粒壓縮性均對(duì)模型固廢強(qiáng)度有一定影響。馮世進(jìn)等[12]通過大三軸試驗(yàn)指出，由于固廢中纖維的存在，其應(yīng)力-應(yīng)變常表現(xiàn)出持續(xù)硬化的特性。Shariatmadari等[13]采用不同纖維含量配制的模型固廢進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，分析了孔隙水壓力系數(shù)的變化。劉榮等[14]通過人工配制垃圾土的三軸試驗(yàn)，得出了垃圾土有機(jī)物含量對(duì)c、φ值的影響。然而，以往研究多以獲得固廢強(qiáng)度參數(shù)或壓縮特性角度出發(fā)，并借鑒土力學(xué)思路開展，如固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)條件下固廢強(qiáng)度仍基于Terzaghi有效應(yīng)力原理獲得。然而，由于城市固廢中有機(jī)質(zhì)壓縮性較大，不能像傳統(tǒng)土力學(xué)那樣能夠假設(shè)土顆粒具有不可壓縮性。Skempton[15]的有效應(yīng)力原理能合理考慮顆粒壓縮性，當(dāng)前已在常規(guī)土體強(qiáng)度研究中有一定應(yīng)用，有望用于垃圾土強(qiáng)度特性分析中。

根據(jù)固廢特點(diǎn)，將其組分可主要分為基本相和加筋相。參照楊春寶[16]的人工配制模型固廢方法，通過石英砂和黏土混合物模擬基本相，利用草炭模擬加筋相。受齡期影響，城市固廢中加筋相將減少，基本相增加。本試驗(yàn)利用草炭含量變化反映齡期對(duì)模型固廢的影響，配制模型固廢進(jìn)行三軸排水和不排水剪切試驗(yàn)，從而獲得齡期對(duì)應(yīng)力應(yīng)變、體變或孔壓的影響。基于 Skempton有效應(yīng)力原理，通過三軸排水和不排水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，反分析確定中、高齡期模型固廢的孔隙水壓力折減系數(shù)。

2 模型固廢三軸試驗(yàn)

2.1 模型試樣制作

2.2 三軸固結(jié)排水試驗(yàn)

在初始圍壓為50、100、200 kPa下對(duì)中齡期和高齡期模型固廢分別進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和體變特性如圖1、2所示。

圖1 中齡期模型固廢三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)(CD)結(jié)果Fig.1 CD triaxial test on model MSW at medium age

由圖1（a）和圖2（a）的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以看出，剪應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變?cè)黾樱以鲩L(zhǎng)率緩慢減小，較符合雙曲線模型，與孫秀麗等[18]的分析結(jié)果一致。當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，剪應(yīng)力仍持續(xù)增加，表現(xiàn)出持續(xù)硬化的特性，這是城市固廢的普遍特性。其原因在于加筋相的存在，導(dǎo)致模型固廢在大應(yīng)變情況下仍保持較高的抗剪強(qiáng)度。Jessberger等[19]、Machado等[20]和李俊超等[21]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，固廢在應(yīng)變達(dá)到40%甚至更大時(shí)才會(huì)發(fā)生破壞。根據(jù)圖1（b）和圖2（b）可知，體應(yīng)變?cè)谳^大變形情況下仍保持增長(zhǎng)，反映了城市固廢的高壓縮性。中齡期模型固廢的體應(yīng)變比相同軸向應(yīng)變條件下的高齡期模型固廢的體應(yīng)變略大。這是由于城市固廢的壓縮性主要是加筋相的高壓縮性所引起的。隨著齡期增加，纖維降解導(dǎo)致加筋相所占比例不斷減少，從而導(dǎo)致模型固廢壓縮性有一定程度降低。

圖2 高齡期模型固廢三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)(CD)結(jié)果Fig.2 CD triaxial test on model MSW at old age

2.3 三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)

采用GDS控制應(yīng)力路徑三軸儀，在50、100、200 kPa初始圍壓下對(duì)中、高齡期模型固廢進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和孔壓如圖 3、4所示。對(duì)比圖 3（a）和圖 4（a）可知，模型固廢表現(xiàn)出持續(xù)硬化特性，與固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果一致。在圍壓較高（100、200 kPa）情形下，相同軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力中齡期比高齡期略大，說明齡期增長(zhǎng)導(dǎo)致固廢不排水抗剪強(qiáng)度略有降低，但圍壓較低（50 kPa）時(shí)中高齡期抗剪強(qiáng)度基本一致。

圖3 中齡期模型固廢三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)(CU)結(jié)果Fig.3 CU triaxial test on model MSW at medium age

圖4 高齡期模型固廢三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)(CU)結(jié)果Fig.4 CU triaxial test on model MSW at old age

3 固廢抗剪強(qiáng)度分析

由于模型固廢中草炭的壓縮性較高，根據(jù)Skempton考慮顆粒壓縮性的有效應(yīng)力原理[15]，得到模型固廢強(qiáng)度準(zhǔn)則為

圖5 中齡期模型固廢抗剪強(qiáng)度Fig.5 Shear strengths of model MSW at medium age

圖6 高齡期模型固廢抗剪強(qiáng)度Fig.6 Shear strengths of model MSW at high age

4 結(jié) 論

（1）兩類試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)出持續(xù)硬化的特點(diǎn)，通過軸向應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為固廢強(qiáng)度的分析表明，隨著齡期增加，模型固廢黏聚力降低，內(nèi)摩擦角增加。

（2）模型固廢在不排水剪切時(shí)的孔隙水壓隨齡期增加略有增加，在排水剪切時(shí)，隨著齡期增加，模型固廢體積應(yīng)變略有減小。表明模型固廢的齡期將對(duì)其孔隙水壓特性及體變特性有一定影響。

（3）孔壓折減系數(shù)隨齡期增加而增加，表明隨著固廢齡期增加，加筋相的降解將導(dǎo)致模型固廢的孔隙水壓力特性向普通土靠近。

[1] 陳云敏. 環(huán)境土工基本理論及工程應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2014, 36(1): 1－46.CHEN Yun-min. A fundamental theory of environmental geotechnics and its application[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2014, 36(1): 1－46.

[2] STOLL O W. Mechanical properties of milled refuse[C]//ASCE National Water Resources Engineering Meeting.Phoenix, Arizona: [s. n.], 1971: 11－15.

[3] VILAR O M, CARVALHO M F. Mechanical properties of municipal solid waste[J]. Journal of Testing and Evaluation, 2004, 32(6): 438－449.

[4] STARK T D, HUVAJ-Sarihan N, LI G. Shear strength of municipal solid waste for stability analyses[J].Environmental Geology, 2009, 57(8): 1911－1923.

[5] KARIMPOUR F M, MACHADO S L, SHARIATMADARI N, et al. A laboratory study on the MSW mechanical behavior in triaxial apparatus[J]. Waste Management,2011, 31(8): 1807－1819.

[6] 張振營(yíng), 吳世明, 陳云敏. 城市生活垃圾土性參數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2000, 22(1): 35－42.ZHANG Zhen-ying, WU Shi-ming, CHEN Yun-min.Experimental research on the parameter of life rubbish in city[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2000, 22(1): 35－42.

[7] 張丙印, 介玉新. 垃圾土的強(qiáng)度與變形特性[J]. 工程力學(xué), 2006, 23(增刊2): 14－24.ZHANG Bing-yin, JIE Yu-xin. strength and deformation characteristics of municipal solid waste[J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(Supp.2): 14－22.

[8] 駱行文, 楊明亮, 姚海林, 等. 陳垃圾土的工程力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2006, 28(5): 623－627.LUO Xing-wen, YANG Ming-liang, YAO Hai-lin, et al.Experimental study on the engineering mechanical properties of stale refuse[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(5): 623－627.

[9] MACHADO S L, CARVALHO M F, NASCIMENTO J C F, et al. Aging effect on MSW mechanical behaviour[C]//Proceedings of the ISSMGE’S Fifth ICEG Environmental Geotechnics. Cardiff, Wales, UK: [s. n.], 2006: 1439－1446.

[10] SHARIATMADARI N, SADEGHPOUR A H,RAZAGHIAN F. Effects of aging on shear strength behavior of municipal solid waste[J]. International Journal of Civil Engineering, 2014, 12(3):226－237.

[11] MACHADO S L, KARIMPOUR F M. A study on the effects of MSW fiber content and solid particles compressibility on its shear strength using a triaxial apparatus[J]. Soils and Rocks, 2011, 34(2): 115－127.

[12] 馮世進(jìn), 陳云敏, 高麗亞, 等 城市固體廢棄物的剪切強(qiáng)度機(jī)理及本構(gòu)關(guān)系[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(12):2524-2528.FENG Shi-jin, CHEN Yun-min, GAO Li-ya, et al. Shear strength mechanism and constitutive model of municipal solid waste[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007,28(12):2524-2528.

[13] SHARIATMADARI N, MACHADO S L, NOORZAD A,et al. Municipal solid waste effective stress analysis[J].Waste Management, 2009, 29(12): 2918－2930.

[14] 劉榮, 施建勇, 彭功勛. 垃圾土力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(1): 108－112.LIU Rong, SHI Jian-yong, PENG Gong-xun.Experimental studies on mechanical behavior of refuse samples[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(1):108－112.

[15] SKEMPTON A W. The pore-pressure coefficients A and B[J]. Geotechnique, 1954, 4(4): 143－147.

[16] 楊春寶. 人工城市固廢配置及填埋場(chǎng)變形離心模型試驗(yàn)[碩士學(xué)位論文D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2013.

[17] 朱斌, 楊春寶, 王磊, 等. 人工城市固廢配制及填埋場(chǎng)變形離心模型試驗(yàn)[C]//第一屆全國(guó)巖土多場(chǎng)相互作用及環(huán)境土工學(xué)術(shù)研討會(huì). 杭州: 浙江大學(xué), 2012: 425－432.

[18] 孫秀麗, 孔憲京, 鄒德高, 等. 城市固體廢棄物應(yīng)力-應(yīng)變模型研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(5): 726－731.SUN Xiu-li, KONG Xian-jing, ZOU De-gao, et al.Stress-strain model for municipal solid waste[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(5): 726－731.

[19] JESSBERGER H L, KOCKEL R. Determination and assessment of mechanical properties of waste materials[C]//Proceedings of the International Symposium on Geotechnics Related to the Environment of Waste Materials. Bolton, UK: [s. n.], 1993: 313－322.

[20] MACHADO S L, MIRIAM F C, ORENCIO M V.Constitutive model for municipal solid waste[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,ASCE, 2002, 128(11): 940－951.

[21] 李俊超, 朱斌, 連寶琴, 等. 城市固體廢棄物應(yīng)變硬化機(jī)制與強(qiáng)度參數(shù)確定方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014, 33(4): 826－837.LI Jun-chao, ZHU Bin, LIAN Bao-qin, et al.Strain-hardening mechanisms and methods for determining strength parameters of municipal solid waste[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(4): 826－837.