（岩土工程专业论文）人工改良垃圾土强度特性研究.pdf

摘要 摘要 为了城市发展的需要，需要对城区内的垃圾填埋场进行开发和利用，因此， 需要对生活填埋场进行地基加固，垃圾土的改良研究成了一个热点。垃圾土自身 具有有机质含量高、孔隙率大、成分间粘聚力差等特点，这些因素对改良垃圾土 到底有没有影响，影响有多大呢等等，都是我们应该考虑的问题。 室内试验具有易于控制、影响因素单一等等特点，因此针对上述的问题，本 文进行了大量的室内试验，主要工作如下： 1 ) 垃圾土的地基处理采用水泥进行改良，其形状和强度都是在淋滤液中形 成的。进行淋滤液对水泥试样强度特性的影响研究，主要探讨了淋滤液对水泥试 样强度特性的影响规律。本文中主要研究了淋滤液中几种主要的离子，考虑了这 些离子对水泥试样强度特性的影响规律。 2 ) 垃圾土中有机质含量较高，其将对改良后的垃圾土的强度特性产生影响， 水泥和垃圾土共存将对垃圾土降解和水泥的强度形成产生耦合作用。本文中主要 进行了新鲜、降解旺盛期、降解稳定后的垃圾土分别掺入不同质量比的水泥，研 究各种情况下的强度特性。 3 ) 垃圾土与土的性质差别较大，土工试验规范的强度取值标准不一定适合 垃圾土，而不同的强度取值标准会对工程应用有较大影响。本文根据刘荣的三轴 试验结果及本文试验的改良垃圾土的应力一应变关系，分析强度一应变之间的关 系。 关键词：改良垃圾土，淋滤液，有机质降解，机理分析，三轴试验 应力一应变关系 a b s t r a c t l a n d f i l ls i t e sw i l lb er e u s e df o rt h ed e v e l o p m e n to fc i t i e si nt h e f u t u r e i ti sn e c e s s a r yt or e i n f o r c et h el a n d f i l ls i t et om a k ei ta s u i t a b l ef o u n d a t i o n ，b e f o r ew h i c hw eh a v et od o r e s e a r c ha b o u tt h e i m p r o v e m e n to fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) d i f f i c u l t i e si ns t u d y i n gm s w 2 t r e a t m e n ta r ea s s o c i a t e dw i t ht h eh i g ho r g a n i cc o n t e n t 、h i g hv o i dr a t i o ， l o wc o h e s i o no ft h em a t e r i a l h o wt h e s ec h a r a c t e r se f f e c tt h et r e a t m e n t o fm s wi sw h a tw es h o u l db ec o n c e r n e da b o u t as e r i e so fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dt ow o r ko u tt h e p r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e b e c a u s el a b o r a t o r yt e s t sa r ee a s yt or e p e a ta n d h a v ef e w e ri n f l u e n c ef a c t o r s 1 c e m e n ti su s e dt oi m p r o v et h ef o u n d a t i o no fm s wa n di t ss h a p ea n d s t r e n g t ha r ef o r m e di nl e a c h a t e ，w h i c hh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es t r e n g t h o fc e m e n t t h em a i n i o n s 7 si n f l u e n c e so nt h es t r e n g t ho fc e m e n ta r e p r e s e n t e di nt h i ss t u d y 2 m s wh a sh i g ho r g a n i cc o n t e n tw h i c ha l s oh a se f f e c to nt h es t r e n g t h o fi m p r o v e dm s w t h ed e c o m p o s i t i o no fm s w a n dt h es t r e n g t ho fc e m e n ta f f e c t e a c ho t h e rb e c a u s ec e m e n ta n dm s wc o e x i s t f r e s h 、f a s td e g r a d i n ga n ds t a b l e d e g r a d i n gm s wa r em i x e dw i t hd i f f e r e n tc o n t e n t so fc e m e n tt od e t e r m i n e t h e i rs t r e n g t h 3 t h es t a n d a r df o rs o l lt e s tm e t h o di sn o ts u i t a b l ef o rm s wb e c a u s em s w a n ds o i lh a v ed i f f e r e n tc h a r a c t e r s s t r e n g t ho fm s wi sa f f e c t e db y d i f f e r e n ts t a n d a r d sf o rs o l lt e s tm e t h o d s t r e n g t h s t r a i nr e l a t i o no f t h ei m p r o v e dm s wi sa n a l y z e db a s e do nt h et r i a x i a lt e s tr e s u l t sa n d s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n k e y w o r d s ：i m p r o v e dm s w ，l e a c h a t e ，d e c o m p o s i t i o no fo r g a n i cc o m p o n e n t s ， m e c h a n i s ma n a l y s i s ，t r i a x i a lt e s t ，s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) 医迄阳。年石月旷日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 蜃焦 嘲年彳月矿咱 第一章绪论 第一章绪论 1 1m s w 的基本介绍 随着现代化城市建设的迅速发展，人类对环境的影响范围越来越广，作用程 度越来越严重，城市生活垃圾的排放量也越来越多。日益增多的城市生活垃圾正 在持续不断地对周围环境和地下水造成污染，并引起一系列的环境地质病害。一 个开敞的、没有严格控制措施的垃圾堆，将是一个巨大的污染源。因此，城市生 活垃圾的处理、处置已成为现代化城市面l 临的重大环境工程问题之一，受到各级 政府的普遍重视。美国已兴起了一门新兴学科一垃圾学“。 1 1 1 国内外m s w 的现状 城市固体废弃物( m s w ) 一般包括生产垃圾、商业垃圾和生活垃圾。一个现 代化城市产生的固体废弃物每天可高达千吨以上。 据统计，日本最近1 0 年垃圾平均每日抛弃量增加一倍，英国城市垃圾量1 5 年增加了一倍。美国1 9 7 0 1 9 7 8 年因经济萧条，生活垃圾增长不快，仅为2 ， 1 9 7 8 年以后，随着经济的复苏，增长率达4 以上，目前达到5 。欧洲经济共 同体国家生活垃圾平均增长率为3 ，德国为4 ，瑞典2 ，韩国生活垃圾增 长率达1 l 0 1 。 而我国自改革开放以来，我国的社会、经济和文化均发生了深刻变化。环境 污染也越来越严重。1 9 9 7 年全国产生一亿二千万吨城市生活垃圾。据有关方面 报道，我国目前城市年产垃圾量约一亿三千万吨，并以8 1 0 年递增速度增 加嘲，如此大量的城市生活垃圾如果得不到有效的处理，将对城市生态环境及周 边的水体、大气、土壤等造成严重的污染，而且造成垃圾中大量有用的资源浪费。 我国的城市垃圾总量的大幅度增长主要是由于城市规模、数量和城市人口的增加 所造成的；我国城市垃圾的人均产量为4 4 0 k g y ，人口多的城市垃圾产量大，在 城市垃圾管理中的压力也就越大：我国城市垃圾产量仍呈上升趋势，形势不容乐 观。 1 1 2m s w 的特点 1 量大面广 m s w 伴随着人类生活而产生，无处不在；同时，人人又是生活垃圾的制造者。 因此，生活垃圾是“无入不有、无处不有、无时不有”。 河海大学硕士学位论文 2 成分多变 m s w 成分本来就很复杂，由于各地的气候、季节、生活水平与习惯及能源结 构的不同，造成了垃圾成分和产量的多样化，而且变化幅度非常大。例如，近年 来我国家庭燃料构成的变化导致垃圾中的无机炉灰比重大大降低；食品冷冻及成 品半成品的普及，导致食品垃圾废弃物有所减少；包装技术的进步与材料的改革， 导致纸品等其他废弃物品的增加。一般可大致把垃圾分为有机物和无机物( 表 1 1 ) 表1 1m s w 组成分类 有机物无机物 易腐烂 不易腐烂可以分解不可以分解 食物垃圾、庭院垃 纸张、木材、纺织玻璃、陶瓷、灰土、 品、皮革、塑料、各种金属混凝土及砌体碎 圾、动物垃圾 橡胶、油脂类片 表1 2 8 1 是国内部分典型城市的m s w 的组成成分，从表中我们可以看出m s w 的组成成分差异非常大。 表1 2 我国部分城市的m s w 组成( 单位：) 城市有机废物无机废物其他 厨余废纸纤维竹、木塑料、废金玻璃、煤灰、 制品橡胶属陶瓷水泥、 碎石 北京3 9 0 01 8 1 83 5 61 0 3 5 q 6 1 3 0 21 0 9 32 o o 天津 5 0 1 15 5 3o 6 8o 7 44 8 1 上海 7 0 0 08 o o2 8 00 8 91 2 0 0o 1 24 0 02 1 9 杭州 5 2 4 84 9 03 8 01 6 61 1 3 00 6 71 1 52 4 0 3 南京5 2 0 04 9 01 1 81 0 81 1 2 01 2 84 0 92 0 6 43 0 0 武汉 3 9 1 6 4 3 31 3 33 2 07 5 0o 6 9 6 5 5 3 2 7 44 5 0 重庆 3 8 7 61 0 4o 9 7 1 5 89 1 0 0 5 39 0 33 7 9 91 0 0 广州 6 3 o o4 8 03 6 02 8 01 4 1 03 9 04 0 03 8 0 深圳5 8 0 07 9 12 8 05 1 91 3 7 01 2 03 2 08 o o 3 产量的不均一性 m s w 会随季节的变化而变化，并具有一定的规律。以北京为例，第一季度产 2 第一章绪论 量最多，第二季度有明显的减少。第三季度出现最低点，然后随着天气变冷，第 四季度逐渐增多，迅速到达最高峰。 4 危害严重 大量生活垃圾集中露天堆放，直接侵占了农田和土地，据统计，在1 9 9 5 年， 我国垃圾累计堆存量已达到6 6 4 l 亿吨，占地5 5 0 8 5 公顷附。同时，未经处理或 未经严格处理的生活垃圾混入农田，破坏了土壤的团粒结构和理化性质，严重影 响了土壤生产力，还可直接或间接地对环境造成严重污染。污染和爆炸事故时有 发生，隐患潜在。此外垃圾自然现象也有报道，不仅造成财产损失的威胁，还可 产生二嗯英类毒物，导致不可忽视的环境污染。 1 1 3 垃圾处理方法 目前城市生活垃圾的处置方法包括分选回收、堆肥、焚烧、自然堆放和卫生 填埋等“1 。由于安全填埋能够处理几乎所有的的城市固体废弃物，且所需费用较 少，所以在发达国家至今仍是最普遍使用的处理方法。表1 3 蜘为部分国家垃圾 各种处理方法所占的比例。考虑到我国实际情况：城市生活垃圾产量非常大，且 垃圾成分中多以灰土、碎石等无机材料为主，在量上和条件上都不适合其他方法， 所以城市固体废弃物的安全填埋是目前最为经济、方便和适用的处理方法，也是 未来相当长的时问内处理城市固体废弃物的主要手段。 生活垃圾卫生填埋要求各种预防措施，尽量减少填埋场地对周围环境的污 染，同时该法处理生活垃圾量大，从而为城市化的社会发展提供了垃圾出路的保 证，而且填埋场中的开发利用( 如填埋气体的有效利用) 也可带来巨大的经济效 益，所以无论从环境还是从社会与经济角度进行考察，卫生填埋场的建立都是必 须和必要的。它主要优点“1 ： ( 1 ) 如有适当的土地资源可利用，一般以此法处理垃圾最为经济； ( 2 ) 与其它处理方法比较，其一次性投资额较低； ( 3 ) 与需要对残渣和无机杂质等进行附加处理的焚烧法和堆肥法相比，填 埋法是一种完全的、最终的处理方法 ( 4 ) 可接受各种类型的城市生活垃圾而不需要对其进行分类收集； ( 5 ) 有充分的适应性，能处理因人口和卫生设施增多而加大产量的生活垃 圾； ( 6 ) 边缘土地可重新用作停车处、游乐场、高尔夫球场、航空站等等。 河海大学硕士学位论文 表1 3 部分发达国家m s w 处理方式的比例“1 垃圾总量各处理方法所占比例 国家年份 万吨 填埋焚烧堆肥分选回收 美国 1 9 9 6 3 2 7 4 66 21 02 8 英国 1 9 9 32 0 0 08 3 1 34 日本1 9 9 35 0 0 01 57 41 l 加拿大 1 9 9 5 2 0 5 97 342 3 法国 1 9 9 32 0 0 04 5 4 21 03 德国 1 9 9 33 3 8 06 1 3 63 西班牙1 9 9 31 3 3 06 461 71 3 意大利1 9 9 32 0 0 07 41 673 1 1 4 淋滤液的产生及基本特征 淋滤液由水或者其它液体透过废弃物产生，也可由废弃物自重挤压作用产 生。因此淋滤液定义为水或其它液体与废弃物作用产生的一种液体”1 。淋滤液是 包含一定数量溶解物质或悬浮物质污液。部分落在填埋场的降水( 雨或者雪) 在 向下渗流时和废弃物发生物理化学反应，渗透水还可以溶解由废弃物自重作用挤 出的液体( 如有造纸厂废弃物挤出的孔隙流体) ，因此渗透水在淋滤液的产生中 扮演着十分重要的角色。但是即使没有水渗透过废弃物，还会有少量污液因生物 化学反应而形成，在这样的液体中化合物的浓度是很高的。渗透水冲淡污物又有 助子淋滤液形成的作用，淋滤液的数量增加是由于渗透水，同时渗透水又稀释污 物的浓度。 淋滤液是一种成分复杂的高浓度的有机废水，其主要来源： 1 降水入渗 降水包括降雨和降雪，它是淋滤液产生的主要来源。影响淋滤液产生数量的 降雨特性有降雨量、降雨强度、降雨频率、降雨持续时间等。降雪和淋滤液生成 量的关系受降雪量、升华量、融雪量等影响。确切数量可根据当地气象资料确定 2 外部地表水入渗 这包括地表径流和地表灌溉，淋滤液具体数字取决于填埋场地周围的地势、 覆土材料的种类及渗透性能、场地的植被情况及排水设施的完善程度等。地表灌 溉与地面的种植情况和土壤类型有关。 4 第一章绪论 3 地下水入渗 当填埋场内淋滤液水位低于场外地下水水位，并没有设置防渗系统时，地下 水就有可能渗入填埋场。 4 垃圾自身的水分 随固体废物进入填埋场中的水分，包括固体废物本身携带的水分以及从大气 和雨水中的吸收量。入场废物携带的水分有时是淋滤液的主要来源之一。 5 覆盖材料中的水分 随覆盖材料进入填埋场中的水量与覆盖层物质的类型、来源以及季节有关。 6 有机物分解生成水 垃圾中的有机组分在填埋场内经好氧、厌氧分解产生的水分，其产生量与垃 圾的组成、p h 值、温度和菌种等因素有关。 垃圾填埋场淋滤液的水质随垃圾组分、当地气候、水文地质、填埋时间和填 埋方式等因素的影响而显著不同。总体来说，淋滤液具有以下特征 1 有机污染物浓度高 实验研究表明，淋滤液中含有主要有机物七十多种，这七十多种有机物仅占 淋滤液中c o d 的1 0 左右。 一般而言，垃圾淋滤液中的有机物可分为三类，即：低分子量的脂肪类酸类； 腐殖质类高分子的碳水化合物；中等分子量的黄腐酸类物质。 对相对不稳定的填埋过程而言，大约有9 0 的可溶性有机碳是短链的可挥 发性脂肪酸，其次是黄腐酸类；而相对稳定的填埋过程，易降解的挥发性脂肪酸 随垃圾的填埋时间而减少，难生物降解的黄腐酸类的比重则增加。 2 氨氮含量较高 “中老年”填埋场淋滤液中较高的氨氮含量是导致其处理难度较大的一个重 大原因。由于目前多采用厌氧填埋，氨氮在垃圾进入产甲烷阶段后不断上升，达 到峰值后再缓慢下降。有研究表明，淋滤液中的氨氮占总氮含量的8 5 阶9 0 。 氨氮含量过高要求进行脱氮处理，但过低的c n 不但对常规生物过程有较强的抑 制作用，而且由于有机碳源的缺乏难以进行有效的反硝化。 3 磷含量偏低 垃圾淋滤液中的含磷量通常较低，尤其是溶解性的磷酸盐含量更低。 4 金属离子含量较高 淋滤液中含有多种金属离子，其含量与所填埋的垃圾组分及时间密切相关。 河海大学硕士学位论文 对生活垃圾工业垃圾混合填埋的填埋场来说，重金属离子的溶出量会明显增加。 5 总溶解性固体含量较高 这些溶解性固体通常随填埋时间的延长而变化，在0 。5 2 5 年间达到高峰 值，同时含有高含量的n a 、k 、c 1 、s o , 等无机类溶解性盐和铁、镁等。此后，随 填埋时间的增加含量逐渐下降，直至达到最终稳定。 6 色度较高 淋滤液具有较高的色度，其外观多呈淡茶色、深褐色或黑色，有极重的垃圾 腐败臭味。 7 水质随填埋时间的变化较大 填埋时间在5 年以下的淋滤液p h 值较低，b o d 。及c o d 浓度较高，且b o d j c o d 。 比值较高，同时各类重金属离子的浓度也较高。填埋时间5 年以上的淋滤液p h 接近中性值，b o b 。及c o d = ，浓度下降，b o d ；c o d 。的比值较低，而n h 。一n 浓度较高， 重金属离子的浓度下降。 此外，垃圾淋滤液的化学性质还取决于垃圾的组成、垃圾的预2 n - r 、填埋时 间、填埋场的供水率、填埋场的深度等等。 1 2 研究现状 1 2 1 国内外垃圾土强度研究现状 卫生填埋法是处理城市生活垃圾常用的方法之一。就垃圾填埋体边坡稳定性 分析而言，抗剪强度是最重要的计算参数。垃圾土的强度参数比较复杂，由于各 地区垃圾成分相异，填埋方法也有较大的差别，导致垃圾土强度指标存在较大的 差异；其次，垃圾士自身成分极不均匀，常导致试验结果离散性较大。迄今为止， 许多学者采用了多种直接或间接手段，以期获得能真实反映垃圾土强度的指标。 浙江大学的冯世进。1 等为了在填埋场稳定性分析时合理地选取城市固体废 弃物剪切强度参数，参照杭州天子岭填埋场城市固体废弃物的主要成分，人工配 置固体废弃物试样，利用大型三轴剪力仪进行固结排水剪试验，延伸岩土工程中 研究土体的概念和方法，研究城市固体废弃物的剪切强度特性，城市固体废弃物 的黏聚力和摩擦角随着轴向应变的增加逐渐增大，摩擦角增长较为平缓，应变较 大时达到峰值，黏聚力主要由纤维状加筋相所产生，增长趋势较快，结合国内外 大量的强度参数资料，提出了两种典型城市固体废弃物成分的强度参数，可以用 于成分相近的填埋场稳定分析中。 6 第一章绪论 陈云敏“等结合城市固体垃圾填埋场在填埋过程中曾发生的滑坡工程实例， 进行了现场静力触探和室内试验，研究了垃圾填埋体的组成成分、物理性质指标、 不固结不排水和固结不排水抗剪强度指标。在此基础上，对实际工程垃圾填埋体 的边坡稳定进行计算，分析了填埋体中淋滤液的饱和度。边坡坡角和浸润线埋深 对垃圾边坡稳定的影响。 张振营m 1 等用杭州天子岭生活垃圾卫生填埋场的三个钻孔4 2 桶原状土样， 进行了室内生活垃圾的成分分析、物理性质指标测定、有机质含量试验及三轴剪 切试验，对试验结果进行了分析与整理，这些结论可为生活垃圾卫生填埋场的稳 定分析、变形计算及其作为建筑地基的可行性研究提供必要的数据。 刘荣、施建勇“2 1 等对室内配置的不同成分的垃圾土分别进行了固结不排水和 固结排水三轴压缩试验。结果表明，垃圾土的本构关系基本符合邓肯一张双曲线 模型。垃圾土中有机质及土的含量是影响垃圾土强度参数c ，毋值的重要因素。 对于有机质含量较高而土粒含量较低的垃圾土，c 宜取低值，宜取高值。给出 了c ，庐值的取值范围及其变化规律。随着时间的变化，c 值会有所增加，而值 会有所降低。还观察到垃圾土的轴向应变超过3 0 而其主应力差仍然在增长。 垃圾土固结过程中，存在滞留孔隙水压力，其渗透系数_ | 值的变化与应力、时问， 垃圾土的成分等因素有关。在固结排水三轴压缩试验的剪切过程中，孔隙水压力 会随轴向应力增加而增加，试验所得到的总应力参数并不就是有效应力强度参 数。 目前，有一些学者对垃圾土进行了现场试验和动力试验。武汉理工大学的张 季如“w 等对某城市生活垃圾填埋场取得的原状垃圾土样进行室内大尺寸直剪试 验，根据试验结果，初步分析了影响垃圾土抗剪强度参数的诸因素。在垃圾填埋 场进行现场旁压试验，给出了一种利用旁压曲线推求强度指标的方法。冯世进“” 等参照杭州天子岭填埋场城市土体废弃物( g s w ) 主要成分，入工配置圆体废弃 物试样，利用中型动三轴试验仪研究在较大应变范围内m s w 的动力特性。m s w 的 动剪切模量q 和阻尼比d 随着动剪应变乃的变化曲线与泥炭土的相关曲线形状 基本一致，并且在相同应变时数值相差不大。在相同的动剪应变水平下，随着围 压的增大，q 增加而d 减小；当动剪应变增大时，q 减小而d 增大。由于m s w 的高压缩性，初始孔隙比不同对试样的动力特性影响不大。同时进行了现场剪切 波速试验，确定了最大动剪切模量g 。的估算式。为便于应用，建议了归一化q 和d 与动剪应变依赖关系的取值范围和平均值曲线，并将其与o i i 填埋场i s v 7 河海大学硕士学位论文 动力特性的研究结果进行对比，得出m s w 的成分对其动力特性的影响还是比较 大。 发达国家的典型m s w 成分“”与国内相比，橡胶、塑料和纤维加筋相成分明显 增多，而颗粒状成分的含量要低的多。冯世进“4 等通过试验得出我国东部沿海发 达地区，以及中部部分地区的m s w 的妒值主要在1 7 0 2 6 0 ，c 在0 5 0 k p a 。e i d “” 等人为了研究不同正应力条件下m s w 的抗剪强度，将很多大直剪试验和反分析的 结果放在一起比较分析，e i d 提出的强度参数为：妒= 3 5 0 ，c = 2 5 k p a ，尤其在 高的正应力条件下，得出：1 ) 剪应力都低于提出的剪切强度，2 ) 提出的强度参数 偏高，3 ) 偏于不安全。k a v a z a n j i a n “7 1 等人根据几个填埋场边坡的反分析数据及 大尺寸试样的强度试验，结合观察到的在填埋场垃圾体中挖一直立壁面达6 m 的 深沟，其沟壁仍能保持稳定，提出了m s w 的双折线强度包线，当正应力小于 3 7 k p a 时，妒= 0 0c = 2 4 k p a ；当正应力吒大于3 7 k p a 时，妒= 3 3 0 , c = o k p a ，可 以看出，这里仅仅是对强度参数的拟合，不能解释m s w 中的各个组分在抗剪强度 发挥中所起的作用，在较高的正应力条件下，c 不会为0 ，这与m s w 的抗剪强度 机理不符合。l a n d v a “”等人根据不同正应力的试验结果，对发达国家典型组分的 m s w 抗剪强度参数可以分阶段取为 当0 吒6 0 k p a 时，c = 2 0 k p a ，伊1 5 0 当o - 6 0 k p a 时，c = 2 0 k p a ，俨3 0 u 而国内一些主要城市m s w 成分的抗剪强度参数分阶段取为： 当0 吒6 0 k p a 时 ，c = 2 0 k p a ，萨l o o 当c r n 6 0 k p a 时，c = 2 0 k p a ，q r = 2 2 0 1 2 2 改良垃圾土材料及其长期稳定性研究现状 目前对垃圾土的研究，主要是在集中在沉降计算这一方面，国内外很多学者 通过研究建立了一些m s w 沉降计算的模型。但是对于垃圾土的改良方面却少有研 究。美国e p a 将水泥基材料固化称为处理有毒有害废物的最佳技术“”。目前用水 泥作为固化材料在其它一些领域已经有了一定的研究并取得了一些成果。 张天红等对镇江软粘土进行室内水泥稳定化实验，研究水泥掺量、养护龄 期、添加改良剂、浸水湿养护及初始条件对强度增长的影响，力求通过强度的变 化间接了解水泥土的固化程度，为工程施工中掌握合适的条件，充分发挥水泥土 的作用提供依据。实验结果表明：掺加5 的水泥土强度明显高于原素土；加入 改良剂可提高水泥的早期强度。水泥土2 8 天强度占标准强度的比例从4 0 增加 第一章绪论 到6 7 * * ；湿养护比标准养护更有利于强度增长，添加7 8 的改良水泥土7 8 天 强度可达8 3 k l p a 。李文斌1 从五个方面分析水泥土强度及耐久性机理：一是水 泥凝结硬化；二是土料中k + ( n a + ) 离子与c a ( o h ) ，溶液中的c 矗2 + 离子吸附交换； 三是不稳定的c a ( o h ) ，结构的碳化作用；四是土料中的盛d 2 及爿厶q 与c a ( o h ) ： 火山灰反应；五是外力压实。以上几个方面相互影响，是错综复杂的物理化学及 物理化学反应过程。从机理分析提出增强措施：一是重视拌和；二是掺外加剂如 硅粉等。能提高强度1 3 6 一3 1 2 ，l o 个循环冻融强度损失率低于2 5 。李 永华恤1 对水泥加固土硬化机理进季亍了详细分析，揭示了水泥土孔隙水中的 c a ( o h ) ，的不饱和，是由于土颗粒对c a “、c a o 和o h 一的大量吸收或损耗，它 可大量降低水泥水化产生的c s h 凝胶物，致使水泥加固土的强度低下。 有机质对固化效果有着明显的影响。苟勇。1 通过两种不同有机质含量的软 土，采用水泥和磷石膏、粉煤灰固化剂加固土强度对比试验，讨论了有机质、水 泥、磷石膏、粉煤灰对加固土强度影响机理，提出了减小有机质含量对水泥土强 度影响的措施。黄新m 4 蚓等利用工业废石膏与水泥配合加固软土地基，与单用 水泥加固相比，加固土强度可成倍提高。废石膏的最佳掺量一般为水泥掺量的 2 0 左右，用废石膏一水泥加固时，其水化物不仅有水化硅酸钙将松散的土粒胶 结成整体，而且还产生大量的钙钒石，其晶体膨胀填充孔隙，使加固土强度进一 步提高。h o l m 。”，o g i n o ”，p a r k k i n e n 。3 等人先后对提高有机质土的加固效果展 开了研究，得出对于有机质土采用水泥进行加固，通过在水泥中掺加适量的外加 剂能大大提高加固土的强度，而具体对于某地的土，在选用外加剂时，不但要考 虑有机质对水泥加固的影响，同时还要综合考虑土的其它性质，如含水率等对水 泥加固的效果影响。杨崇波1 等采用有机质含量较高的盐城泻湖相软土进行了大 量的水泥土加固室内试验，在试验中采取不改变含水量和水泥用量的情况下，研 究了有机质对无测限抗压强度的不利影响，并对试验结果进行了分析，得到了强 度随龄期增长的公式，并且提出了一些抵抗有机质含量对水泥土强度影响的对 策。范昭平1 等在淤泥固化的试验研究中发现有机质含量对淤泥固化的效果有着 显著影响，通过对不同有机质含量的固化试验揭示了该种影响的规律，发现淤泥 中有机质存在一个极限含量4 3 ，当超过这极限含量后，有机质量不再对固 化效果产生更大的影响。根据这一结果，提出了对于高有机质淤泥采用水泥一石 膏进行固化的方法。h e l e n et r e m b l a y 。2 1 进一步研究有机质种类对固化淤泥的固 化效果的影响，他通过对1 3 种有机物质加入两种不同来源的土样中，研究固化 9 河海大学硕士学位论文 淤泥样的力学性质，发现有些有机物质阻碍了固化淤泥强度的形成，有些物质只 是延缓了固化淤泥强度的形成，而有部分有机物质对固化淤泥固化效果没有影 响。 由于废弃物一般都是处于比较复杂的环境，对于加固材料的长期稳定性的研 究是必须而且非常重要的。 宁宝宽。”等通过探讨自然水、各种化学离子浓度、不同p h 值及不同种类的 化学溶液对水泥土的侵蚀，环境侵蚀对水泥土的力学性质有较大的影响。具体来 讲，不同p h 值、不同浓度及不同种类化学溶液对水泥土力学性质的影响是明显 的；与自然水养护比较，酸性环境水泥土强度降低，碱性环境水泥土强度提高， 其增长呈非线性关系；水泥土强度的变化与化学溶液摩尔浓度的变化成反比，不 同化学溶液在各自摩尔浓度时，水泥土强度变化值不同。 宁宝宽“”采用模拟试验的方法探讨了在各种环境因素( 水、不同化学溶液、 不同浓度以及不同p h 值等) 影响下的水泥土在各个龄期的力学特性，对其相应 荷载位移曲线进行了分析和讨论。得到了水泥土在各种侵蚀环境下的力学特性与 时间的关系，并对环境侵蚀条件下水泥土的强度增长规律进行分析，结果显示各 种环境因素对水泥土力学性质均有影响，从时间效应看，随着水泥土中水泥的水 化和水泥固化体的形成，侵蚀效应逐渐减弱。 张莺”等采用普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥，分别配置了水灰比在 0 4 5 0 6 0 范围内的混凝土试件，采用加速腐蚀试验，研究了在海水腐蚀后，其 强度随时间变化的规律及原因，并为试件损伤状态定量化解析提供了试验数据， 研究结果表明，在相同试验条件下，矿渣硅酸盐水泥混凝土抗海水侵蚀性优于普 通硅酸盐水泥混凝土，混凝土试件的抗蚀系数为0 8 时与美国的a s t m 标准规定 的强度损失2 5 的界限值相吻合。 马保国啪1 等利用化学分析对土壤环境，混凝土集料的觚含量表明，环境土 壤中0 一离子浓度较高，为可能的侵蚀源；利用化学分析、x r d 分析、电子探针 等对基础不同深度的混凝土分析表明：表层混凝土s 谚一离子浓度高于混凝土本 体，环境土壤中的s 研一已经渗透入了混凝土内部，与水泥水化反应生成了钙钒 石，形成了硫酸盐侵蚀特征型的破坏。 梁咏宁。7 1 等考虑硫酸盐侵蚀的阳离子类型、侵蚀溶液浓度、侵蚀溶液p h 值 等环境因素影响，研究了环境因素对受硫酸盐腐蚀的混凝土性能退化的影响。对 在不同侵蚀环境下受腐蚀混凝土试件的抗压强度、抗折强度进行了测试，实验结 1 0 第一章绪论 果表明：在腐蚀后期硫酸钠溶液中混凝土强度降低幅度比硫酸镁溶液中混凝土强 度降低幅度大；还对各种环境条件下不同腐蚀阶段的混凝土进行了超声声速测 试，结果表明，随混凝土强度的降低，超声波在混凝土中的传播速度降低，两者 变化具有一致性。 王立成通过对钢筋混凝土氯离子腐蚀枫理的分柝，综合讨论氯盐环境条件 下影响混凝土氯离子侵蚀的各种机理。总结国内外对混凝土氯离子侵蚀模型的最 新研究进展，并分析评价了考虑多种机理氯离子侵蚀模型的特点和适用条件，为 氯盐环境条件下混凝土的耐久性评估提供参考。 由于一些离子对材料长期的稳定性的影响，目前对抵抗这些离子侵蚀作用有 一些研究。徐善华啪1 研究了粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，给出掺粉 煤灰混凝土在不同浓度的硫酸盐溶液中强度增长规律，分析了粉煤灰混凝土具有 较好抗硫酸侵蚀性能的原因。赵尚传1 等通过试验对不同水胶比以及掺粉煤灰、 硅灰的混凝土进行氯离子扩散系数测试，分析水胶比以及粉煤灰和硅灰等活性集 料对混凝土结构抵抗氯离子侵蚀性能的影响。根据试验结果对混凝土结构抵抗氯 离子侵蚀耐久寿命进行预测。 1 2 3 计算模型 周敏峰“”等为了研究水泥土的力学性能，建立了一种用分段连续函数表示水 泥土非线性应力一应变关系的数学模型，给出了确定模型参数的方法，讨论了模 型参数的影响因素，最后，给出了水泥土模量的表达式。 b i d a 8 上 皂 上图为水泥土的应力一应变关系典型曲线；作者对该曲线进行了两个阶段拟 河海大学硕士学位论文 合。 第一阶段曲线的拟合： 一2 ( q c , o s + 已s i n 砟) 1 + 6 2 疋足 吼一q 5 f 盂万一一l + b 3 r , l + b l r 。 = r e 。p 6 i 、6 2 、岛都为参数 巴黏聚力 内摩擦角 第二阶段曲线的拟合： 作者假定这一阶段符合双曲线方程，则得到： ( q 训嘞翌髦毒型一丽r e - r c r - - r c - p 6 4 、如都为参数 e 黏聚力 内摩擦角 王立峰1 等在假定应力主轴与材料主轴重合，并在加载过程中保持不变在此 基础上，推导出水泥土的损伤模型。水泥土未损伤时，其线弹性本构方程为： 占= c 一1 ：仃 s 。、盯分别为弹性应变和c a u c h y 张量；卜对称的弹性常数张量。设 存在弹性应变能w 。= ( 占8 ，w ) ，则有 形8 却8 ，w ) = ：c + c ：s 。 w 为损伤变量，c 为有效弹性常数张量，为满足这一条件，根据s i d o r o f f f 提出的弹性等效性假设，在一般情况下，等效应力吒可表示为： o e = m ( w ) ：盯 式中m ( w ) 是损伤影响系数，一般是由四阶张量表示的线性算子，假定应 力主轴和材料主轴重合，并在加载过程中保持不变，则有 第一章绪论 占) = c 1 】- l 盯) l ( i - w 1 ) 2 c-1】=丢l二o-w,)o-w：) 一1 ， ( 1 一) ( 1 一m ) 一v ( 1 一w 2 ) ( 1 一w 3 ) l ( i - 嵋) 2 f ( 2 + 2 y x l 一) 2 五( 1 一w 1 ) ( 1 一w 2 )五( 1 一w , x l w 3 ) 1 c 】= j2 ( 1 一w 1 ) ( 1 一) ( 2 + 2 a ) ( 1 一) 2a ( 1 一w 2 ) ( 1 一w 3 ) l ia ( 1 一h ) ( 1 一也)旯( 1 一吃x l 一) ( a + 2 ) ( 1 一w m ) 2j 对无侧限的水泥土进行单轴试验，t r 2 = c r ，= o ，取w 2 = w 3 ，可得： q = e ( 1 一) 2 岛 因此为描述水泥土的本构关系，就必须正确地建立水泥土的损伤演变方程， 作者根据众多的w 一占的试验曲线散点图及其相关关系，提出水泥土的损伤演化 方程： w = l e a ( 5 6 ) a ，b 为材料的待定系数，b 的含义可解释为水泥土开始发生损伤的轴向应变 值( 门槛值) 得出： q = e e 2 4 4 。毛( 52 b ) 上式即为水泥土在无侧限条件下的损伤本构关系( 当瓴6 ) 时，本构关系与 无损材料相同) 。 哈尔滨工业大学的张尔齐等研究了土的一种典型的应力应变关系线，即显 示出软化性能的应力一应变关系。在指出这种应力一应变关系线的特征基础上， 给出这种典型应力一应变关系线的数学表达式，以及割线模量和切线模量的表达 式；给出了该数学表达式的参数确定方法，并以实例来说明如何从试验资料确定 这些参数。刘保健等根据实测资料，运用材料损伤理论原理，结合水泥黄土的 特点，推出了水泥黄土的应力一应变本构方程。浙江大学的王立峰“”等通过试验 的基础上对纳米硅水泥土的本构模型进行了研究。 空兰一 河海大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 垃圾土的改良是个比较新的课题，目前这方面的研究只有较少的报道，同时 也是个难点，这主要是由于垃圾土自身的特殊性质，首先，填埋垃圾成分复杂， 性质多变，受地域、气候、季节、填埋时间等众多因素的影响，这为研究工作的 开展带来了重重困难。其次，垃圾土具有多孔隙性、高压缩性等特点，且渗透系 数非常大。再次，垃圾土的有机质降解问题，是目前研究垃圾土的重点，垃圾土 中的有机质降解使得垃圾土的固体体积减少，同时对骨架具有软化作用，这些特 点对我们改良垃圾土有着很大的影响；填埋场中淋滤液对我们使用水泥改良垃圾 土也存在一定的影响作用。 本文工作主要分以下几个方面： 1 研究淋滤液对改良材料一水泥的影响作用。通过阅读大量国内外文 献，总结出国内外垃圾填埋场中的淋滤液一些主要成分及其浓度变 化范围，本文中选择了五种主要的浓度较大的离子 ( c ，一、s o ：一、n o ；、m g “、c a 2 + ) ，选择合适的化学药品，分别将这 五种离子分别配置成五种不同浓度的溶液，再将水泥试样放入各自 溶液中进行养护，研究龄期和离子浓度对水泥试样强度的影响，并 对试验结果进行了机理分析。 2 水泥改良垃圾土，本文主要进行三个方面的试验研究：一、新鲜垃 圾土与水泥混合样的强度特性试验研究；二、降解旺盛期垃圾土与 水泥混合样的强度特性试验研究；三、降解稳定后垃圾土与水泥混 合样的强度特性试验研究。三个阶段的垃圾土中分别加入加上质量 比( 水泥质量垃圾土质量) 1 5 ，2 5 、3 5 、4 5 的水泥，养护 7 d 、1 4 d 、2 8 d 、4 5 d 、6 0 d 、9 0 d 、1 2 0 d 后，研究垃圾土的强度变化 规律。 3 课题组刘荣所做的固结不排水、固结排水三轴试验和本文的改良垃 圾土试验都是参照土工试验规范，取试验应力一应变曲线上应变1 5 对应的主应力差作为抗压强度，由于垃圾土特殊的性质，土工试 验规范的强度取值标准不一定适合垃圾土，强度标准取值不同，其 强度指标就会有很大的变化。本文中主要对刘荣的垃圾土三轴试验 和改良垃圾土试验的应力一应变曲线进行分析，研究强度和应变之 间的关系。 1 4 第一章绪论 本文最后，将对本文的研究成果进行总结，指出自己在研究中的不 足，并且对以后的工作进行了展望。 河海大学硕士学位论文 第二章淋滤液对水泥试样强度影响规律的研究 淋滤液是城市固体废弃物填埋场污染环境的主要因素之一，8 5 座城市的 地下水检测资料“7 1 表明，被污染地下水总硬度、n o ；、t d s 等严重超标， a 一、s o ：一、m 鬈和n o ；等逐年增长或超标。淋滤液主要依赖于降水量，是由降 水和填埋场中废弃物挤出的孔隙液体而产生的，易腐烂的废弃物分解也产生水或 其它液体。以填埋场为主体，根据进去料平衡，淋滤液产生量的计算公式“如下： l = p + w + g + q 一置一易一q 3 一q 4 一h 式中，三为淋滤液产生量；p 为填埋场作业区域的降水量；肜为垃圾中的含 水量；q l 为作业区域的地下水入渗量；q 为地表径流流入量；最为填埋场地表 自然蒸发量；e 为填埋场地表植被页面蒸发量；q 3 为填埋场地表流失量；q 4 为 作业单元底部衬层渗出量；h 为填埋场的持水量。 垃圾组分的变化分三个时期1 ：初期、中期( 淋滤组分降解较快，向环境中 释放的污染组分的量也较大) 、后期。淋滤液成分复杂且浓度变化范围大，组分 里存在大量的腐蚀性离子。因此，我们在加固城市固体废弃物填埋场时，必须考 虑淋滤液对加固材料的长期稳定性的影响。 水泥是一种水硬性胶凝材料，它广泛用于建筑、水利、交通和国防建设。随 着我国经济的高速发展，水泥已成为土木工程离不开的材料，其性能好、材料来 源广泛、价格低廉“”。因此选择水泥作为城市固体废弃物填埋场的加固材料。 本文将参考国内一些大型填埋场( 北京市北天堂垃圾填埋场、深圳下坪垃圾 填埋场等等) 测得的淋滤液的组分的变化范围，再根据这些组分的变化范围，总 结出几种浓度范围较大的离子，分别研究这些离子浓度的变化对水泥试样强度的 影响。 2 1 试验材料及试验方案 2 。1 1 试验材料及其基本性质 表2 1 3 , s o s t 为目前国内一些城市的卫生填埋场的淋滤液中的常见一些离子 的浓度及变化范围。根据表2 1 ，可以看出，一些离子的浓度范围很小，因此本 文中没有考虑，而是针对几种浓度范围较大的离子进行试验研究，具体见表2 2 。 试验使用的水泥是南京江南水泥厂4 2 5 。普通硅酸盐水泥，水泥的基本参数如表 2 3 。 1 6 第二章淋滤液对水泥试样强度影响规律的研究 表2 1 卫生填埋场淋滤液水质 成分变化范围 一般值 成分变化范围一般值 p h 5 6 7 56 o m g 5 0 7 5 0 1 5 0 b o d , 5 0 0 1 3 0 0 08 0 0 0 h g 0 0 0 3 2o 0 1 c o dl 0 0 0 2 6 0 0 02 0 0 0 0甜0 0 5 0 1 1 2o 1 t pl i 0 03 0 p b0 1 1 3 6