基于垃圾填埋場隔離材料的壓縮性能研究

李學(xué)鵬，李彩華，陳榮保，蔡國軍

（1、佛山市禪城區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測站 廣東佛山 528000；2、東南大學(xué)巖土工程研究所 南京 210096）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市生活垃圾的產(chǎn)量也顯著提升［1?2］，由此帶來的環(huán)境污染問題日益突出。在眾多處理城市生活垃圾方式中，填埋是最主要的方式之一［3］。研究表明，有隔離效果的垃圾填埋場能較好地起到抗?jié)B防滲效果。在一系列處理技術(shù)中，在天然基土中加入一定比例膨潤土的技術(shù)，具有成本低、抗?jié)B性能好及易修復(fù)等的特點［4］。而研究豎向隔離屏障材料的壓縮特性對于分析垃圾填埋場隔離墻的沉降及預(yù)測填埋場隔離墻的服務(wù)期限顯得尤為重要［5］。

研究的主要目的為通過不同含水量及不同膨潤土含量的加載固結(jié)實驗，得出不同加載荷載作用下土?膨潤土隔離屏障材料的壓縮特性，并總結(jié)和分析了垃圾填埋場隔離屏障材料的壓縮指數(shù)與孔隙比eyr及e1的關(guān)系。

1 試驗方案

1.1 試驗現(xiàn)場

本試驗基于江蘇省內(nèi)的某一垃圾填埋場試驗工程。為達(dá)到隔離抗?jié)B效果，在其周邊范圍建設(shè)了一段土?膨潤土隔離屏障［6?8］，該隔離屏障的長度約15 m、寬度約0.6 m 和深度約10 m。取現(xiàn)場的天然基土及膨潤土作為室內(nèi)固結(jié)實驗的材料，其中，固結(jié)試驗所用的天然基土與現(xiàn)場隔離屏障材料一致，膨潤土亦取自與現(xiàn)場一致的美國懷俄明天然納基膨潤土。

1.2 樣本配比

試驗的基土及膨潤土顆粒級配曲線如圖1 所示。為滿足試驗需要，進(jìn)一步分析壓縮性能，試驗綜合考慮不同膨潤土含量及不同初始含水量，采用12種試驗樣本，其中，膨潤土含量共4 種配比，分別取0%、5%、8%及10%，初始含水量共3 種配比，分別取其液限的0.8倍、1.0倍及1.2倍。

圖1 基土及膨潤土顆粒級配曲線Fig.1 Particle Grading Curve of Soil and Bentonite

試驗所取樣本的膨潤土含量及初始含水量如表1所示，以Bxy代表樣本，x代表不同膨潤土含量，y代表不同初始含水量。如B11?B13分別表明該樣本的膨潤土含量為0%及初始含水量約為其液限的0.8倍、1.0倍及1.2 倍，B21?B23 表明該樣本的膨潤土含量為10%及初始含水量約為其液限的0.8 倍、1.0 倍及1.2 倍。從含水量配比中可知，試驗最終采用的樣本含水量接近試驗需求，以初始含水量約為其液限的0.8倍為例，試驗配比的含水量分別為0.83倍、0.84倍及0.82倍。

表1 試驗所用樣本的實際初始含水量Tab.1 The Initial Water Content of the Samples Used

1.3 固結(jié)試驗方案

本試驗設(shè)計的初始豎向有限應(yīng)力為3.125 kPa，豎向有限應(yīng)力呈2 倍增加至1 600 kPa，共10 級壓力，卸載的豎向有效固結(jié)應(yīng)力從1 600 kPa 開始，呈4 倍減少至6.25 kPa［9］，共4級壓力。

1.4 孔隙比

式中：△h為相應(yīng)豎向應(yīng)力下的高度總變形量［11?12］；h0為隔離材料的初始高度。

1.5 壓縮指數(shù)

BURLAND［13］采用不同固結(jié)應(yīng)力下的孔隙比，將壓縮指數(shù)Cc定義如下：

式中：e100及e1000分別為加載豎向有效應(yīng)力為100 kPa及1 000 kPa 作用下試樣固結(jié)穩(wěn)定（約24 h 的沉降穩(wěn)定）的孔隙比。壓縮指數(shù)Cc及回彈指數(shù)Cs分別為固結(jié)曲線加載及卸載過程中直線段的斜率。

2 實驗結(jié)果

2.1 e?lgσ′變化曲線

通過固結(jié)試驗舉例給出的膨潤土含量為0%及10%、初始含水量為1.2 倍及0.8 倍液限的試驗結(jié)果如圖2所示。通過該曲線可知：在加載過程中，孔隙比逐漸減?。欢谛遁d過程中，隨著豎向荷載的不斷降低，出現(xiàn)回彈變形的現(xiàn)象，孔隙比逐漸增大。加載曲線可近似分為兩條直線，這兩條直線交點位置處為重塑屈服應(yīng)力σ′yr［14?15］，其對應(yīng)的孔隙比為eyr。通過加載曲線得知，交點處反向延伸至豎向有效應(yīng)力為1 時對應(yīng)的孔隙比為e1。壓縮指數(shù)Cc可通過圖2所示確定。同樣，回彈指數(shù)Cs可通過曲線中卸載過程中的直線段確定［16?17］。

圖2 壓縮曲線中孔隙比與豎向有效應(yīng)力的關(guān)系[18]Fig.2 The Relationship between the Void Ratio and the Vertical Effect Force in the Compression Curve［18］

2.2 重塑屈服應(yīng)力

通過e?lgp壓縮曲線，采用傳統(tǒng)的Casagrande 方法來確定重塑土的屈服應(yīng)力不夠準(zhǔn)確［19］。洪振舜［20］研究Ariake 粘性土的成果表明，e?lgp壓縮曲線對最大曲率點的取值有一定誤差，圖中的兩條直線不夠明顯。但通過采用粘性土雙對數(shù)坐標(biāo)ln（1+e）?lgσ′，可以比較清晰地從壓縮曲線中找出兩條直線。

雙對數(shù)坐標(biāo)ln（1+e）?logσ′下不同含水量及不同膨潤土含量的壓縮曲線如圖3 所示，曲線中兩條直線交叉點的所對應(yīng)的豎向應(yīng)力為重塑屈服應(yīng)力σ′yr。圖3表明，在同一含水量狀態(tài)下，隨著膨潤土含量的增加，隔離材料的重塑屈服應(yīng)力減小，同時，在同一膨潤土含量狀態(tài)下，隨著含水量的增加，隔離材料的重塑屈服應(yīng)力減小。

圖3 雙對數(shù)坐標(biāo)下壓縮曲線Fig.3 Compression Curve at Double Logarithmic Coordinates

2.3 Cc與eyr關(guān)系

研究結(jié)果表明，壓縮指數(shù)Cc值受豎向有效應(yīng)力σ′的影響，同時也受膨潤土含量及液限wl等因素的影響［18，21］。為進(jìn)一步研究壓縮指數(shù)Cc和孔隙比eyr的關(guān)系，同時結(jié)合HONG 等人［22］的研究數(shù)據(jù)，得出隔離材料Cc和eyr的關(guān)系，如圖4 所示。圖4 表明壓縮指數(shù)Cc也受孔隙比eyr的影響，并隨eyr的增大而增大［23］，這與HONG等［22］的研究結(jié)果是一致的。

圖4 隔離材料Cc與eyr關(guān)系Fig.4 The Relationship Between Cc and eyr

2.4 Cc與e1關(guān)系

當(dāng)豎向有效應(yīng)力σ′為1 kPa時，孔隙比e定義為e1。不同配比下隔離材料Cc和e1的關(guān)系如圖5所示。FAN等人［18］對粘性土/鈣基膨潤土作為隔離回填材料的壓縮滲透性進(jìn)行研究，擬合得出Cc與e1的曲線關(guān)系（Cc=0.13e1+0.056e12）。通過對江蘇基土及納基膨潤土的壓縮性分析后，得出式⑷結(jié)論，這與FAN 等人［18］的研究結(jié)果及規(guī)律基本一致。

圖5 隔離材料Cc與e1的關(guān)系Fig.5 The Relationship between Cc and e1

3 結(jié)語

⑴采用雙對數(shù)坐標(biāo)的壓縮曲線能更清晰地展示兩條直線，得出更為準(zhǔn)確的壓縮指數(shù)。同一含水量狀態(tài)下，重塑屈服應(yīng)力隨膨潤土含量的增加而減小，同時，同一膨潤土含量狀態(tài)下，重塑屈服應(yīng)力隨含水量的增加而減小。

⑵進(jìn)一步驗證了土?膨潤土隔離材料壓縮指數(shù)Cc與eyr的影響，并得出壓縮指數(shù)Cc隨eyr增大而增大的結(jié)論。

⑶ 進(jìn)一步分析了壓縮指數(shù)Cc與孔隙比e1的關(guān)系，得出土?膨潤土隔離材料壓縮指數(shù)Cc=0.076e1+0.07e12。