垃圾土蠕變降解沉降特性試驗(yàn)研究

趙燕茹　謝強(qiáng)　張永興　楊超　黃達(dá)　王龍飛

摘要：為了研究垃圾土蠕變降解沉降特性，選取重慶市某垃圾場(chǎng)典型試樣，基于室內(nèi)蠕變觀測(cè)試驗(yàn)得到蠕變降解沉降過程曲線（0～330 d），建立了符合其沉降變形特性的PTH計(jì)算模型，驗(yàn)證了該模型合理性，同時(shí)對(duì)沉降影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明，因外部應(yīng)力和內(nèi)部蠕變降解引起的沉降總量可達(dá)試樣高度的33.2%，滲濾液在前期的溢出量受外部荷載和有機(jī)物含量的控制；垃圾土中有機(jī)物的降解規(guī)律可用Richards 模型來表示，累計(jì)沉降量和累計(jì)滲濾液產(chǎn)量之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系；有利于初期壓縮變形和后期降解沉降的最優(yōu)有機(jī)物含量區(qū)間為29.1%～36.47%；內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，20～41 ℃是一個(gè)可加快內(nèi)部有機(jī)物降解速率的溫度區(qū)間，且在41 ℃時(shí)作用最大。

關(guān)鍵詞：垃圾土；蠕變沉降；降解；溫度；滲濾液

中圖分類號(hào)：TU443文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2013）06000709

衛(wèi)生填埋技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)的垃圾處理方式，仍然被大多數(shù)發(fā)達(dá)國家采用[12]。由于垃圾土是一種復(fù)雜的非飽和多孔介質(zhì)，影響其變形沉降的因素較多（例如外部荷載、有機(jī)物含量等），導(dǎo)致對(duì)垃圾土蠕變沉降沉降規(guī)律，以及建立符合其蠕變沉降特性本構(gòu)模型的研究，仍然是目前研究的難點(diǎn)。

在其他國家，垃圾土的研究主要集中于沉降理論、計(jì)算模型以及影響沉降因素分析方面。模型計(jì)算理論主要有： Sowers[3]建立的分階段沉降計(jì)算模型、基于生物降解反應(yīng)的降解沉降模型[46]，以及根據(jù)一級(jí)動(dòng)力衰減理論建立的Machado模型[7]；Babu等[810]根據(jù)臨界狀態(tài)理論、力學(xué)蠕變和時(shí)間因素決定的降解沉降，給出了具有普遍意義三階段本構(gòu)計(jì)算模型。但是隨著瞬時(shí)壓縮的完成，針對(duì)后期蠕變和降解沉降階段，由于影響沉降的因素較多（降解、溫度、滲濾液量等），至今沒有建立一個(gè)比較完善的理論和計(jì)算模型。根據(jù)Watts等[1112]通過對(duì)垃圾組成成份近65 a的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隨著垃圾土中有機(jī)物含量的增加，因蠕變和降解引起的次固結(jié)沉降在總沉降中所占的比例逐漸增加，最高可達(dá)占填埋高度的49%。而這成為導(dǎo)致現(xiàn)有的沉降模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)垃圾場(chǎng)的沉降的原因之一。〖=D（〗趙燕茹，等：垃圾土蠕變降解沉降特性試驗(yàn)研究〖=〗

在垃圾土的降解沉降影響因素分析方面，Elagroudy等[1315]從有機(jī)物降解度方面，研究了降解與產(chǎn)氣量、滲濾液以及垃圾土力學(xué)參數(shù)的影響關(guān)系；Hanson等[1620]關(guān)于垃圾土中熱量的產(chǎn)生以及溫度的做了大量的研究，并且得到因垃圾體內(nèi)部有機(jī)物的降解以及內(nèi)部物理化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致垃圾體內(nèi)部溫度的升高，而溫度反過來可加快有機(jī)物降解的速度。

在中國，胡敏云等[21]通過試驗(yàn)得出垃圾土的沉降是應(yīng)力和時(shí)間的雙重函數(shù)，而從微觀上講是一個(gè)復(fù)雜的生化反應(yīng)和降解的長(zhǎng)期過程。施建勇等[22]通過試驗(yàn)指出垃圾中有機(jī)物的降解規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)來表示；柯瀚等[23]研究了應(yīng)力對(duì)蠕變降解沉降的影響，指出初始?jí)毫υ酱?，產(chǎn)生的主壓縮應(yīng)變?cè)酱?，后期的降解沉降和蠕變沉降越小，隨著時(shí)間的增加，壓力對(duì)總沉降的影響相對(duì)減??；謝強(qiáng)等[2428]基于實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，對(duì)垃圾土的蠕變沉降特性也進(jìn)行了大量工作。

本文基于特制蠕變?cè)囼?yàn)裝置（圖1），對(duì)不同有機(jī)物含量的垃圾土進(jìn)行了330 d的降解蠕變觀測(cè)試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)蠕變沉降數(shù)據(jù)選取適合沉降特性的模型元件，通過分析有機(jī)物含量對(duì)垃圾土沉降的影響，以及滲濾液、累計(jì)沉降、降解、溫度之間的關(guān)系，建立符合重慶地區(qū)垃圾土蠕變降解沉降的本構(gòu)計(jì)算模型，研究結(jié)果能夠?yàn)闇?zhǔn)確預(yù)測(cè)垃圾土的蠕變沉降提供理論支持。

2.2試驗(yàn)裝置及溫度監(jiān)測(cè)

靜力蠕變?cè)囼?yàn)采用特制的蠕變沉降觀測(cè)儀，容器高500 mm，直徑300 mm，試樣高300 mm，承載板厚18 mm；滲濾層層厚20 mm，試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)前對(duì)滲濾層充分飽和壓實(shí)；碎石層上下表面各墊一層濾紙，容器頂部用密封蓋密封，以模擬封場(chǎng)后的厭氧環(huán)境；其中：百分表用于觀測(cè)生活垃圾隨時(shí)間的沉降量，量瓶用于量測(cè)滲濾液產(chǎn)生量，加壓設(shè)備用以保證荷載的垂直施加，生物反應(yīng)氣的回收采用專門的裝置。在試驗(yàn)開始前，對(duì)有機(jī)物含量為10%、20%、35%、50%、65%、100%的試樣進(jìn)行3 kPa初始預(yù)壓（等價(jià)于0.15 m厚的上覆土層），然后放入蠕變監(jiān)測(cè)儀器中進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，并開始記錄滲濾液和沉降量等數(shù)據(jù)。

在蠕變降解試驗(yàn)中，通過專門設(shè)置的溫度敏感探頭對(duì)垃圾體內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為330 d，同時(shí)詳細(xì)記錄了滲濾液量的變化情況。試驗(yàn)過程中，外部溫度保持在恒溫（20 ℃）。3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1沉降特征曲線

試驗(yàn)選取有機(jī)物含量為50%的試驗(yàn)曲線作為分析對(duì)象，并對(duì)瞬時(shí)應(yīng)力應(yīng)變，蠕變降解沉降過程中滲濾液產(chǎn)量、變形沉降量、不同降解階段試樣有機(jī)物殘余含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，曲線如圖4、5、6所示。

在厭氧階段（90～330 d），由于試樣在外力作用下已經(jīng)壓密，結(jié)合封場(chǎng)后的實(shí)際情況，外部應(yīng)力對(duì)沉降的影響可以忽略，而降解對(duì)沉降開始起主要作用。當(dāng)試樣中有機(jī)物含量為65%時(shí)，因降解產(chǎn)生的滲濾液量達(dá)到最小值84 mL；對(duì)用的沉降峰值為1.44 mm，而試樣中有機(jī)物含量為100%時(shí)對(duì)應(yīng)的滲濾液量為27.75 mL（對(duì)應(yīng)的沉降量值因發(fā)酵起泡而讀數(shù)失?。?。而試樣中有機(jī)物含量為20%時(shí)，因降解在厭氧階段產(chǎn)生的滲濾液量可達(dá)229 mL。這說明由于有機(jī)物含量高的試樣隨滲濾液在前期大量溢出，阻礙了有機(jī)物在厭氧階段的降解和生化反應(yīng)，滲濾液溢出量和沉降量反而減小。根據(jù)滲濾液產(chǎn)出量，通過內(nèi)插方法得到兩階段中有利于前期壓縮和后期講解沉降的垃圾土有機(jī)物含量最優(yōu)區(qū)間為291%～3647%。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有氧階段（0～90 d）不同有機(jī)物含量的試樣其平均沉降量為1.71 mm，而后期平均沉降量為1.22 mm，這說明前期碾壓有助于加快有機(jī)物含量高的填埋體的瞬時(shí)沉降，但卻導(dǎo)致后期降解反應(yīng)的速度，而垃圾土的次壓縮沉降主要由降解、生化反應(yīng)速度以及試樣中有機(jī)物含量的大小決定，這與柯瀚[5]的研究結(jié)果趨于一致。

5結(jié)論

通過蠕變沉降觀測(cè)試驗(yàn)，分別對(duì)不同有機(jī)物配比的新鮮垃圾土進(jìn)行了長(zhǎng)期靜力蠕變沉降觀測(cè)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）基于蠕變降解降解沉降特性試驗(yàn)曲線建立的PTH沉降計(jì)算模型，能夠較好的模擬反應(yīng)過程的蠕變和降解沉降特性。

2）垃圾土試樣因外部應(yīng)力和內(nèi)部蠕變降解引起的總沉降量可達(dá)試樣高度的33.2%且垃圾土中滲濾液在前期的溢出量受外部荷載和有機(jī)物含量共同控制。

3）垃圾土試樣中有機(jī)物降解規(guī)律可用Richards模型來描述；通過垃圾土的蠕變降解沉降曲線，得出累計(jì)沉降量和滲濾液產(chǎn)量之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4）通過分析蠕變降解沉降過程曲線得出有利于初期壓縮變形和后期降解沉降的最優(yōu)有機(jī)物含量區(qū)間為29.1%～36.47%。

5）溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，20～41 ℃是一個(gè)可加快內(nèi)部有機(jī)物的降解速率的內(nèi)部溫度場(chǎng)，且在41 ℃時(shí)對(duì)降解的作用最大。

在本構(gòu)模型的建立中，沒有將溫度對(duì)沉降的影響考慮進(jìn)去，而這需要做更進(jìn)一步的研究工作。

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（編輯王秀玲）