生活垃圾腐殖土土工特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

摘 要：為探究垃圾填埋場內(nèi)腐殖土的土工特性隨填埋深度的變化規(guī)律，以陳舊型垃圾填埋場內(nèi)不同填埋深度的腐殖土為研究對象，采用室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法研究腐殖土的理化性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表明：隨著填埋深度的增加，陳腐垃圾中腐殖土的占比以及顆粒級配、有機(jī)質(zhì)含量、比重和浸出液pH 值等理化性質(zhì)均發(fā)生變化，進(jìn)而影響腐殖土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、飽和滲透性和壓縮性等力學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果為腐殖土的資源化利用提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：腐殖土；生活垃圾填埋場；理化性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；填埋深度

中圖分類號：X 705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-0562（2024）01-0001-09

0 引言

陳舊型垃圾填埋場的修復(fù)與資源化利用已成為中國生態(tài)文明建設(shè)的重要戰(zhàn)略需求。經(jīng)過若干年的生化降解，填埋場內(nèi)的垃圾土逐漸演化成腐殖土，在此過程中產(chǎn)生的填埋氣體和滲濾液對周邊土壤、水和大氣造成極大的污染風(fēng)險(xiǎn)，開展填埋場開采和腐殖土再生可行性研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。填埋場開采是指對已封場或在役填埋場中的陳腐垃圾進(jìn)行開挖、篩選處理和分質(zhì)利用[4-5]。陳腐垃圾經(jīng)開采處理后可分為輕質(zhì)可燃材料、建筑材料、可回收材料和腐殖土[1，6]。眾多研究表明， 腐殖土含量占填埋場內(nèi)陳腐垃圾總量的45%～80%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[7-10]，是填埋場開采的主要組成部分，因此開展腐殖土的土工特性試驗(yàn)，研究其回收和再利用的可行性是提高填埋場開采經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外關(guān)于腐殖土的研究主要集中在其理化性質(zhì)方面。郭亞麗等[11-12]最早提出填埋場開采并測定了腐殖土有機(jī)質(zhì)含量、pH 值、總氮、磷含量等化學(xué)性質(zhì)。袁京等[13]、鄭康琪等[14]分別分析了不同粒徑和填埋齡期對腐殖土含水率、pH值、總氮、磷、鉀和重金屬含量等理化性質(zhì)的影響。ZHOU 等[15-16]、MASI 等[17]分析了填埋場開采的經(jīng)濟(jì)可行性，并在此基礎(chǔ)上分別對粒徑小于等于2 mm 和小于等于4 mm 的腐殖土進(jìn)行理化性質(zhì)研究和種植試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，與天然土壤相比腐殖土養(yǎng)分更高，可作為觀賞性植物的栽培肥料。近年來，部分學(xué)者對腐殖土開展了一些力學(xué)性質(zhì)的研究，從重金屬、有機(jī)質(zhì)含量等角度分析了腐殖土作為回填材料的可行性[18-19]。DATTA 等[19]對腐殖土和天然土壤進(jìn)行擊實(shí)和直接剪切試驗(yàn)，通過對比提出腐殖土可以作為填埋場的日覆蓋材料，腐殖土中有機(jī)質(zhì)含量偏高，因此作為回填材料使用前先作進(jìn)一步處理。SONG 等[20]通過對韓國某填埋場內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量不同的兩組腐殖土進(jìn)行擊實(shí)、壓縮和直接剪切等力學(xué)試驗(yàn)，分析了有機(jī)質(zhì)含量對腐殖土力學(xué)性質(zhì)的影響。

由于高有機(jī)質(zhì)含量以及重金屬和可溶鹽浸出等污染風(fēng)險(xiǎn)限制了腐殖土作為工程回填材料的資源化利用，關(guān)于其力學(xué)特性的研究較少，且研究性質(zhì)較為分散。深入分析填埋深度對腐殖土理化性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響，對促進(jìn)腐殖土的資源化利用意義重大。以國內(nèi)陳舊型垃圾填埋場內(nèi)的腐殖土為研究對象，采用土工試驗(yàn)方法，對不同填埋深度的腐殖土進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其理化性質(zhì)和基本力學(xué)性質(zhì)與填埋深度之間的變化規(guī)律，以期為腐殖土的回收和再利用提供基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 取樣和預(yù)處理

試驗(yàn)所用腐殖土取自深圳市某陳舊型垃圾填埋場，填埋齡期為15～25 a。將不同填埋深度的陳腐垃圾分3 組挖掘，充分混合均勻后進(jìn)行晾曬、人工挑揀、粗篩、振篩機(jī)細(xì)篩，以及用烘箱（60 ℃）烘干至恒重，得到粒徑小于等于2 mm的腐殖土樣本，見圖1，腐殖土樣本信息見表1。按四分法取20 kg 混合均勻的陳腐垃圾，測定其物理組成和腐殖土含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.2 試驗(yàn)方法

對不同填埋深度腐殖土的理化性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，測試方法與參考標(biāo)準(zhǔn)見表2，其中力學(xué)性質(zhì)是在試樣處于最大干密度和最優(yōu)含水率條件1 下進(jìn)行測定的。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 陳腐垃圾的物理組成

確定填埋場內(nèi)陳腐垃圾的物理組成，可為填埋場開采和資源化利用的成本效益分析提供參考。圖2 為不同填埋深度的陳腐垃圾中各組成分占比，縱坐標(biāo)表示地下埋深為負(fù)值。由圖2 可知，陳腐垃圾的物理組成以腐殖土為主，其占比隨填埋深度的增加由58.42%增至69.07%，其次是塑料、織物和草木等輕質(zhì)可燃材料，總占比為20.78%～26.56%，礫石等建筑材料占比為7.7%～11.59%，金屬和玻璃等可回收材料的總占比為2.13%～ 3.24%， 其他無法辨別的物質(zhì)占比為0.08%～0.19%，這與FENG 等[22]對老港垃圾填埋場內(nèi)的陳腐垃圾進(jìn)行物理組分試驗(yàn)的結(jié)果一致。

2.2 理化性質(zhì)分析

（1）顆粒分析

3 組不同填埋深度腐殖土試樣的粒徑分布曲線見圖3。

由圖3 可以看出，隨著填埋深度的增加，腐殖土的細(xì)粒含量增多，土顆粒粒徑呈減小趨勢。試驗(yàn)腐殖土樣本的粒組含量變化較為明顯，隨著填埋深度的增加，腐殖土中黏粒（粒徑為小于0.005 mm）含量由1.62%增至7.57%，粉粒（粒徑為0.005～0.075 mm）含量由16.01%增至20.33%，砂粒（粒徑為0.075～2 mm）含量由82.37%減至72.10%，其有效粒徑由0.027 mm 減至0.009 mm，減小幅度為66.67%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象有以下原因：一是由于填埋深度與填埋齡期成正比，隨著填埋齡期的增加可降解物質(zhì)的生化降解作用和巖土顆粒的風(fēng)化作用更充分，使得腐殖土的粒徑減小[6]；二是粒徑和比重較小的土顆粒會隨滲濾液向填埋場底部遷移，導(dǎo)致底部細(xì)粒含量增加[4]。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145—2007），本文腐殖土屬于黏土質(zhì)砂（SC）。

顆粒級配是影響巖土材料力學(xué)性質(zhì)的主要因素之一。鄭康琪等[14]、MONKARE 等[8]以及本文對不同填埋場內(nèi)腐殖土的顆粒級配試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3 可知，本文3 組不同填埋深度腐殖土的不均勻系數(shù)Cu為27.19～45.44，曲率系數(shù)Cc為2.25～2.65，屬于顆粒級配良好土，用作工程回填材料時(shí)，比較容易獲得較大的密實(shí)度。隨著填埋深度的增加，3 個(gè)填埋場腐殖土的不均勻系數(shù)均呈增大趨勢，曲率系數(shù)均呈減小趨勢。由于本文（深圳某填埋場）、浙江某填埋場[14]腐殖土的不均勻系數(shù)均明顯大于芬蘭某填埋場[8]，因此采用國內(nèi)的垃圾填埋場腐殖土作為工程回填材料更具優(yōu)勢。

（2）宏觀、微觀形貌和化學(xué)成分

腐殖土的宏觀、微觀形貌見圖4。由圖4（a）可知，過篩后的腐殖土是一種呈褐灰色的結(jié)構(gòu)疏松的砂土。由圖4（b）、圖4（c）可知，腐殖土外表面粗糙多孔，由許多松散的細(xì)土顆粒組成，且含有少量細(xì)粒針狀的塑料和植物纖維等難降解成分。由于部分細(xì)粒針狀纖維嵌入土顆粒中，導(dǎo)致細(xì)粒纖維架空部分土顆粒，從而增大了土顆粒間的孔隙，這是影響腐殖土力學(xué)性質(zhì)的主要因素之一[23]。

采用X 射線熒光光譜儀對腐殖土的化學(xué)成分進(jìn)行測量分析，結(jié)果見表4。

由表4 可以看出，腐殖土中化學(xué)成分主要為SiO2 ， 占比為55.76% ， 其次為Al2O3 ， 占比為29.64%。同時(shí)含有少量的Fe2O3、K2O、CaO 和微量的MgO、Na2O等氧化物。

（3）有機(jī)質(zhì)含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和比重

圖 5（a）總結(jié)了國內(nèi)外4 個(gè)填埋場內(nèi)腐殖土有機(jī)質(zhì)含量的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出隨著填埋深度的增加，4 個(gè)填埋場內(nèi)腐殖土有機(jī)質(zhì)含量均呈減少趨勢。當(dāng)填埋深度從1 m 增至9 m 時(shí)，本文腐殖土有機(jī)質(zhì)含量從11.73%降至3.53%，且隨著填埋深度的增加其降幅逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，但在數(shù)值上略低于浙江某垃圾填埋場[14]、Nanji-Do 垃圾填埋場[20]、意大利某垃圾填埋場[24]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象有以下兩方面原因：一是由于城市化的快速發(fā)展，深圳市填埋場內(nèi)的固體廢棄物中磚瓦石塊和灰土等重質(zhì)惰性物質(zhì)的含量相對較高；二是由于深圳市位于中國南方，高降雨量導(dǎo)致填埋場內(nèi)陳腐垃圾的含水率較高，其降解速率相對高于其他干旱或半干旱地區(qū)填埋場內(nèi)的陳腐垃圾[20]。

《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB50202—2018）規(guī)定作為工程回填材料的有機(jī)質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)為小于等于5%。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，深層腐殖土（TL3）有機(jī)質(zhì)含量滿足該標(biāo)準(zhǔn)，淺層腐殖土（TL1）相對超出該標(biāo)準(zhǔn)，若直接填埋可能導(dǎo)致地基發(fā)生長期蠕變沉降，因此可先采取一定的處理措施（例如熱處理、混合和改性等）使其滿足作為工程回填材料的有機(jī)質(zhì)規(guī)范要求，或?qū)⑵渥鳛槌鞘泄腆w廢棄物進(jìn)行二次填埋。

圖 5（b）總結(jié)了國內(nèi)外4 個(gè)填埋場內(nèi)腐殖土比重的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出隨著填埋深度的增加，4 個(gè)填埋場內(nèi)腐殖土比重均呈增大趨勢，與有機(jī)質(zhì)含量隨填埋深度的增加而逐漸減小的趨勢相吻合。當(dāng)填埋深度從1 m 增至9 m 時(shí)，本文腐殖土比重從2.52 增至2.61，整體上略高于浙江某垃圾填埋場[14] 、Nanji-Do 垃圾填埋場[20]和羊耳峪垃圾填埋場[25]腐殖土的比重。這可能是由于深圳市填埋場內(nèi)有較多的建筑垃圾，惰性物質(zhì)含量較高，導(dǎo)致本文腐殖土的比重高于其他填埋場。

（4）含水率和pH 值

不同填埋深度腐殖土的含水率和浸出液 pH 值的試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5 可知，不同填埋深度腐殖土的含水率變化范圍為37.52%～45.71%，平均值為42.37%，含水率隨填埋深度的增加呈遞增趨勢。這是由于填埋深度較小的腐殖土位于地下水位線以上，且處于填埋場垃圾堆體的中上部，受蒸發(fā)和地下水位等因素影響導(dǎo)致其含水率較低；而填埋深度較大的腐殖土處于地下水位線以下，導(dǎo)致其含水率較高。

不同填埋深度腐殖土pH 值的變化范圍為7.60～7.73，平均值為7.65，呈弱堿性，適合微生物生存。試驗(yàn)結(jié)果與袁京等[13]在廣東某垃圾填埋場測得的腐殖土pH 值（7.22～7.96）相差較小，略低于ZHOU 等[15]在荊門迎春垃圾填埋場測得的腐殖土pH 值（8.04～8.26）。

2.3 力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

（1）擊實(shí)特性試驗(yàn)研究

圖 6（a）為3 組不同填埋深度腐殖土的擊實(shí)曲線，可以看出隨著填埋深度的增加，擊實(shí)曲線顯著向左上方偏移，表明隨著填埋深度的增加，腐殖土的最佳含水率減小，最大干密度增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是腐殖土的有機(jī)質(zhì)主要以腐殖質(zhì)為主，較多的腐殖質(zhì)會導(dǎo)致試樣孔隙增多，土顆粒不易聚結(jié)[26]，這與SONG 等[20]、ABDI 等[27]對不同有機(jī)質(zhì)土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)所得結(jié)論一致。

圖6（b）為3 組不同填埋深度腐殖土擊實(shí)曲線的峰值擬合曲線?？梢钥闯鲭S著填埋深度增加，擊實(shí)曲線的峰值呈線性遞增趨勢，表明腐殖土最大干密度、最優(yōu)含水率均與填埋深度呈線性關(guān)系。試樣TL1、TL2 和TL3 的最大干密度分別為1.72 g/cm3、1.80 g/cm3 和1.82 g/cm3 ， 最優(yōu)含水率分別為18.93%、16.75%和16.34%。擊實(shí)曲線峰值均位于飽和度Sr 為80%～100%的飽和線范圍內(nèi)，與文獻(xiàn)[28]中細(xì)粒土擊實(shí)曲線的峰值變化范圍一致。

（2）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

3 組不同填埋深度腐殖土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖7?？梢钥闯鎏盥裆疃葘Ω惩翢o側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響非常顯著。加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為4 個(gè)階段，即初始壓實(shí)階段、線彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段。

初始壓實(shí)階段曲線呈下凹狀，持續(xù)時(shí)間較短；線彈性階段曲線呈直線狀，試樣發(fā)生彈性變形，根據(jù)劉寒冰等[29]采用的在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上選擇呈線性相關(guān)的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并利用得到的斜率來計(jì)算彈性模量的方法，得到試樣TL1、TL2 和TL3 的彈性模量分別為1.75 MPa、3.42 MPa和4.45 MPa，彈性模量隨填埋深度的增加而增大；塑性屈服階段持續(xù)時(shí)間較長，曲線呈上凸?fàn)?，?yīng)力逐漸增大并達(dá)到峰值強(qiáng)度，試樣發(fā)生屈服，當(dāng)填埋深度從1 m 增加至9 m 時(shí)，峰值強(qiáng)度由66.27 kPa 增大到133.73 kPa，增幅為102%，填埋深度對腐殖土峰值強(qiáng)度的影響較大；破壞階段應(yīng)力逐漸減小，試樣呈塑性破壞。

（3）飽和滲透性試驗(yàn)研究

將 3 組不同填埋深度腐殖土試樣進(jìn)行飽和滲透性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6?？梢钥闯鎏盥裆疃葟? m 增加至9 m 時(shí)，腐殖土的飽和滲透系數(shù)從1.09×10-6 cm/s 減小至2.83×10-7 cm/s，初始孔隙比從0.47 減小至0.43，兩者變化趨勢基本吻合?！渡罾l(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范》（GB 50869 —2013）規(guī)定終場覆蓋材料飽和滲透系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為小于等于1×10-7 cm/s，本文3 組不同填埋深度腐殖土的飽和滲透系數(shù)均略高于此標(biāo)準(zhǔn)，但可用于垃圾填埋場臨時(shí)覆蓋或日覆蓋。

（4）抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

在垂直壓力P 分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa 條件下，3 組不同填埋深度腐殖土的直接剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖8（a）～圖8（c）。可以看出隨著位移的增大，剪切應(yīng)力快速增大，當(dāng)達(dá)到一定位移后剪切應(yīng)力增速變緩，最終趨于穩(wěn)定。黏聚力和內(nèi)摩擦角是衡量土體抗剪強(qiáng)度的常用指標(biāo)，根據(jù)摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，將3 組不同填埋深度腐殖土的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見圖8（d）?？梢钥闯霎?dāng)填埋深度從1 m增加至9 m 時(shí)，腐殖土的黏聚力從27.28 kPa 增加至66.54 kPa，增幅為144%，摩擦角從35.80o 降低至25.81o，表明腐殖土的黏聚力隨填埋深度的增加而增大，而填埋深度對內(nèi)摩擦角的影響較小，這可能是由于不同填埋深度腐殖土的有機(jī)質(zhì)含量和土顆粒級配存在差異，影響了擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致孔隙比、含水率和土體結(jié)構(gòu)性不同，表現(xiàn)為腐殖土的抗剪強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和飽和滲透系數(shù)發(fā)生變化[30]，這與DATTA 等[19]、SONG 等[20]對印度和韓國某填埋場內(nèi)腐殖土的剪切試驗(yàn)結(jié)果相類似，即隨著填埋深度的增加，有機(jī)質(zhì)含量減少，土體黏聚力逐漸增大，內(nèi)摩擦角略微減小。

（5）壓縮性試驗(yàn)研究

為了更好地評估腐殖土作為回填材料的可行性，對3 組不同填埋深度的腐殖土進(jìn)行一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖9。由圖9（a）可知，隨著垂直壓力的增大，孔隙比逐漸減小，且減小幅度越來越小，表明腐殖土的可壓縮性逐漸降低。通常采用壓力為100～200 kPa 范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)av1-2 和壓縮模量Es1-2來評定土的壓縮性高低，其中壓縮系數(shù)可用e-P 曲線的切線斜率來表征，由此得到試樣TL1、TL2 和TL3 的壓縮系數(shù)分別為0.149 MPa-1、0.146 MPa-1和0.143 MPa-1，對應(yīng)的壓縮模量分別為9.51 MPa、9.52 MPa 和9.72 MPa，根據(jù)土的壓縮性評定標(biāo)準(zhǔn)可確定本文3 組不同填埋深度的腐殖土均為中壓縮性土。

由圖 9（b）可知，腐殖土固結(jié)壓縮過程分為2 個(gè)階段。第1 階段e-lgP 曲線較為平緩，且持續(xù)時(shí)間較長；第2 階段e-lgP 曲線相對較陡，表明在屈服前后腐殖土的壓縮性差異較大。根據(jù)屈服后直線斜率可知試樣TL1、TL2 和TL3 的壓縮指數(shù)分別為0.125、0.121 和0.116，表明隨著填埋深度的增加壓縮指數(shù)逐漸減小，腐殖土的可壓縮性逐漸降低，試驗(yàn)結(jié)果與SONG 等[20]對韓國首爾某填埋場內(nèi)腐殖土進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)所得結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

本文對不同填埋深度的腐殖土進(jìn)行土工特性試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了填埋深度對腐殖土理化性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響，主要結(jié)論如下。

（1）填埋深度是影響腐殖土資源化利用的重要因素，隨著填埋深度的增加，陳腐垃圾中腐殖土的占比增大，且腐殖土的顆粒級配、有機(jī)質(zhì)含量、比重、含水率和pH 值等理化性質(zhì)均發(fā)生明顯變化。

（2）填埋深度對腐殖土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、飽和滲透系數(shù)影響顯著。

（3）隨著填埋深度的增加，腐殖土的黏聚力顯著增大，內(nèi)摩擦角略微減小。

（4）腐殖土固結(jié)壓縮過程分為2 個(gè)階段，且屈服前后壓縮性差異較大。

（5）腐殖土是良好的垃圾填埋場日覆蓋材料；高填埋齡期的腐殖土可直接用于工程回填，低填埋齡期的腐殖土在用作工程回填材料前需作進(jìn)一步處理。

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