關(guān)于填埋場(chǎng)堆體壓縮量計(jì)算參數(shù)的分析

摘要：填埋法是處理生活垃圾的一種傳統(tǒng)方式，隨著生活垃圾產(chǎn)出量不斷增加，計(jì)算堆體壓縮量對(duì)于設(shè)計(jì)填埋場(chǎng)有效庫(kù)容意義重大。因此，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析的方法計(jì)算填埋場(chǎng)堆體壓縮量的相關(guān)參數(shù)，并依照試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建模型，最后基于某垃圾填埋場(chǎng)的實(shí)際情況展開(kāi)詳細(xì)分析。相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，研究能夠計(jì)算出案例垃圾填埋場(chǎng)不同時(shí)間段的壓縮量變化情況，對(duì)類似項(xiàng)目有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：填埋場(chǎng)；堆體；壓縮量；計(jì)算參數(shù)

中圖分類號(hào)：TU433 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）09-0-03

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Analysis of the Calculation Parameters of the Landfill Body Compression

FENG Ke

（Zhongcheng Institute （Beijing） Environmental Technology Co.， Ltd.， Beijing 100120， China）

Abstract： Landfill method is a traditional way of dealing with household waste. As the output of household waste continues to increase， calculating the compression of the heap is of great significance for designing the effective storage capacity of landfills. Therefore， the on-site experimental analysis method is adopted to calculate the relevant parameters of the compression of the landfill pile， and a model is constructed based on the experimental results. Finally， a detailed analysis is carried out based on the actual situation of a certain landfill. The relevant data results show that the study can calculate the compression changes of the case landfill site at different time periods， which has certain reference value for similar projects.

Keywords： landfill; heap; compression; calculation parameters

生活垃圾具有壓縮量大的特征，而做好壓縮量參數(shù)運(yùn)算處理對(duì)于垃圾填埋場(chǎng)的綜合治理有重要意義[1]。目前，相關(guān)學(xué)者提出運(yùn)用壓縮量計(jì)算模型等方法判斷壓縮量與時(shí)間之間的關(guān)系，雖然取得一定成績(jī)，但是未提出相對(duì)權(quán)威的垃圾壓縮穩(wěn)定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，且壓縮儀器尚未統(tǒng)一，進(jìn)一步加大填埋場(chǎng)綜合治理的難度[2]。為有效解決這些問(wèn)題，需要結(jié)合垃圾填埋場(chǎng)的實(shí)際情況展開(kāi)研究。

1 填埋場(chǎng)堆體壓縮量計(jì)算試驗(yàn)研究

1.1 生活垃圾的長(zhǎng)期壓縮特征

由于生活垃圾的壓縮特性與土壤相比存在明顯差別，生活垃圾的主要壓縮機(jī)制包含了物理壓縮、物理與化學(xué)變化以及生物分解等內(nèi)容。其中，物理壓縮與有機(jī)土類似，物理壓縮與垃圾體的自重、荷載等因素存在相關(guān)性，在生活垃圾填埋初期最常見(jiàn)。物理化學(xué)變化是指在腐蝕以及氧化等作用下出現(xiàn)的體積減小的情況。生物分解是指在腐爛、發(fā)酵等因素作用下出現(xiàn)的體積下降情況。基于此，將生活垃圾壓縮特性歸結(jié)為3個(gè)壓縮階段：第一，生活垃圾自重及其相關(guān)附加應(yīng)力等造成的瞬時(shí)沉降；第二，在有機(jī)物酶解作用下發(fā)生的次壓縮沉降；第三，由不可降解有機(jī)物產(chǎn)生的最終殘余沉降。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)備

為確保在本次試驗(yàn)中能真實(shí)還原3個(gè)壓縮階段，本次試驗(yàn)準(zhǔn)備的設(shè)備包括壓縮容器、加載裝置、壓縮變形測(cè)量裝置。第一，壓縮容器。本次試驗(yàn)中準(zhǔn)備了7 kg的垃圾，選用規(guī)格為10 kg的容器，該容器的凈高為35 cm，內(nèi)徑為20 cm，壁厚為2.0 cm。在試驗(yàn)過(guò)程中，為真實(shí)還原垃圾壓縮過(guò)程，在垃圾底部與頂端各放置一塊透水石，并在透水石表面加蓋一層濾紙，確保垃圾壓縮時(shí)產(chǎn)生的液體能順利排出。第二，加載裝置。本次試驗(yàn)所用的加載裝置參照三聯(lián)固結(jié)儀的設(shè)計(jì)原理，通過(guò)砝碼重量將荷載施加到垃圾表面，達(dá)到持續(xù)施加荷載的目的，完成壓縮[3]。但考慮到生活垃圾具有壓縮性大的特征，在加載裝置設(shè)定上最終選擇蝸輪蝸桿系統(tǒng)。該系統(tǒng)行程為350 mm，所能施加的最大壓強(qiáng)約為1 650 kPa。第三，壓縮變形測(cè)量裝置。在試驗(yàn)初期使用精度為0.1 mm的游標(biāo)卡尺，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)30 min后，生活垃圾的壓縮量變化逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)可利用大量程百分表測(cè)量壓縮變化。

1.3 填埋場(chǎng)堆體壓縮量計(jì)算試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)樣品制備

本次試驗(yàn)中以某地區(qū)的垃圾填埋場(chǎng)為研究對(duì)象，該填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)庫(kù)容約為710萬(wàn)m3，目前堆體高度約為53 m。

基于案例實(shí)際情況，本次試驗(yàn)所選的垃圾成分如表1所示。

基于表1所示的垃圾成分，還需要采取以下措施：一是將垃圾樣本分成質(zhì)量相等的若干份；二是取少量具有代表性的垃圾樣本，烘干后稱取重量，計(jì)算含水率等關(guān)鍵指標(biāo)，并利用真空抽氣法等做密度試驗(yàn)；三是計(jì)算生活垃圾的天然密度、總質(zhì)量以及不同成分的干質(zhì)量。

采用式（1）計(jì)算生活垃圾天然密度。

（1）

式中：p為生活垃圾的天然密度，kg/m3；m為垃圾與壓縮筒的質(zhì)量和，kg；m0為壓縮筒的質(zhì)量；V為裝入壓縮筒的容積，m3。

生活垃圾會(huì)在各種外加荷載等因素作用下出現(xiàn)明顯的壓縮變形，且整個(gè)變形過(guò)程是多因素、長(zhǎng)期作用的結(jié)果，在此類數(shù)據(jù)運(yùn)算中為能提升數(shù)據(jù)處理能力，引入式（2）計(jì)算垃圾體的初始?jí)嚎s模量。

（2）

式中：Eu為垃圾體的初始?jí)嚎s模量；?q為垃圾體所承受的外加荷載，MPa；Ho為垃圾體的初始高度，m；St為壓縮體的初始?jí)嚎s量。

采用式（3）計(jì)算生活垃圾的主壓縮量。

（3）

式中：Sp為垃圾體的主壓縮量；Cce為修正后的數(shù)據(jù)壓縮指數(shù)；po為施加加載力前的壓強(qiáng)，MPa；?p為壓縮試驗(yàn)中的附加壓強(qiáng)，MPa。

1.3.2 壓縮試驗(yàn)過(guò)程

為進(jìn)一步判斷生活垃圾壓縮量變化情況，本次試驗(yàn)主要分為兩組。第一組采用多級(jí)長(zhǎng)期壓縮試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程為40 d，設(shè)定的荷載等級(jí)分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa、350 kPa、400 kPa，每個(gè)荷載的施加時(shí)間均為5 d。第二組采取單極壓縮試驗(yàn)，施加荷載為400 kPa，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程為40 d。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.4.1 多級(jí)長(zhǎng)期壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

多級(jí)長(zhǎng)期壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，前期隨著荷載量的增加，生活垃圾的極限壓縮變形量明顯增加，提示荷載量的增加與垃圾變形存在相關(guān)性，當(dāng)施加荷載從300 kPa提升至400 kPa時(shí)，極限壓縮變形不明顯。由此表明，生活垃圾具有高度壓縮性，其中前期壓縮變形情況較為明顯，但在后期的壓縮量變形不明顯。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在長(zhǎng)期荷載作用下，生活垃圾第一天所產(chǎn)生的壓縮量約占總量的90%，因此若根據(jù)壓縮量劃分，可將前24 h壓縮量作為主壓縮和次壓縮的界限。

1.4.2 單極壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)本次試驗(yàn)記錄的單極壓縮試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在維持400 kPa荷載量并施加40 d后，生活垃圾的壓縮會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸變化，其中初始?jí)嚎s量較大，后期壓縮量較小，這與多級(jí)長(zhǎng)期壓縮試驗(yàn)結(jié)果基本相同。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，24 h的壓縮應(yīng)變與極限壓縮應(yīng)變較為接近。

2 模型分析

2.1 模型設(shè)計(jì)方案

為驗(yàn)證填埋場(chǎng)堆體壓縮量計(jì)算結(jié)果的有效性，設(shè)計(jì)專門(mén)的堆體壓縮預(yù)測(cè)模型模擬分析堆體壓縮過(guò)程，預(yù)測(cè)得到壓縮量等參數(shù)。

為證明案例所選垃圾填埋場(chǎng)的堆體壓縮量會(huì)隨著時(shí)間變化而發(fā)生改變，并更好地預(yù)測(cè)堆體壓縮量數(shù)據(jù)變化情況，引入Marques模型計(jì)算方法，建立土壤動(dòng)力學(xué)分析模型，將垃圾填埋場(chǎng)堆體壓縮看作持續(xù)沉降，初始?jí)嚎s將在短時(shí)間內(nèi)完成，在考慮主壓縮和次壓縮的基礎(chǔ)上模擬填埋場(chǎng)堆體的平均壓縮特性，該模型的計(jì)算方法如式（4）所示。

（4）

式中：ε為生活垃圾填埋場(chǎng)的總應(yīng)變值；C'為壓縮系數(shù)；?σ為荷載增量；σ0為初始施加的荷載量；b為正常狀態(tài)下填埋場(chǎng)堆體的蠕變系數(shù)；e為施加荷載條件下的蠕變系數(shù)；εd為生物降解作用所造成的填埋場(chǎng)總應(yīng)變。

2.2 模型處理的基本假定

為保證模型的數(shù)據(jù)精度，提出以下假定：第一，生活垃圾中存在部分無(wú)機(jī)固體與水不可壓縮，其他材質(zhì)均可壓縮，并且垃圾的壓縮變化主要由顆粒壓縮、孔隙水及氣體排出等引起；第二，在模型處理過(guò)程中無(wú)法完全排出固相顆粒中封存的液體與氣體，因此為真實(shí)還原垃圾填埋場(chǎng)情況，還需要考慮內(nèi)部聚集的氣體壓縮量等因素的影響。

2.3 模型數(shù)據(jù)處理結(jié)果

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，利用式（4）綜合分析任意因素造成的壓縮變形情況，雖然計(jì)算量較大，但是能提高計(jì)算精準(zhǔn)度，解決單一因素造成的數(shù)據(jù)缺陷問(wèn)題[4]。本次研究中以某地區(qū)的垃圾填埋場(chǎng)為研究對(duì)象，計(jì)算封場(chǎng)后的堆體壓縮量，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，隨著封場(chǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，壓縮量逐漸變化，且計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)差異不顯著，進(jìn)一步論證了該技術(shù)的有效性。

3 研究展望

與常規(guī)的土層力學(xué)壓縮理論相比，生活垃圾的壓縮性變化相對(duì)復(fù)雜，提出的相關(guān)試驗(yàn)方法能真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)基本情況，但試驗(yàn)容器規(guī)格小，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果可能受到固相內(nèi)封存氣體的影響。同時(shí)，需要注意的是，垃圾的固相處理與傳統(tǒng)土力學(xué)相比存在明顯差異，其原因是垃圾可以在生化作用影響下出現(xiàn)降解現(xiàn)象，因此為保證試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)度，建議在未來(lái)研究中可以從垃圾固相分級(jí)的角度拓展研究?jī)?nèi)容。

4 結(jié)論

垃圾填埋作為一種常見(jiàn)的生活垃圾處理手段，識(shí)別填埋處理后堆體的壓縮量變化對(duì)于識(shí)別填埋后的應(yīng)力變化有重要意義。而本次研究的相關(guān)結(jié)果顯示，關(guān)于填埋場(chǎng)堆體壓縮量參數(shù)的計(jì)算具有可行性，該技術(shù)可以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)不同時(shí)間段的堆體壓縮量變化情況，且數(shù)據(jù)敏感度較高，對(duì)類似項(xiàng)目有一定的借鑒與指導(dǎo)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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