（岩土工程专业论文）城市生活固体废弃物（MSW）的沉降变形研究.pdf

摘要 卫生填埋场是环境岩土工程学关心的主要研究对象之一。城市生活固体废弃物 ( m s w ) 的沉降直接影响着卫生填埋场的安全。鉴于其研究缺乏系统性的现状，本文 试图通过基础性的室内试验及理论研究，建立起一个系统性的框架，为今后的研究建立 一个平台。论文的主要内容如下： ( 1 ) 在机理分析上，从热力学角度阐明了m s w 沉降的机理和特点：剖析了m s w 与一般土体间的差别；并提出不宜人为地把m s w 的物理压缩沉降划分为主、次压缩沉 降，而应根据m s w 在卫生填埋场中的工程特性划分其阶段。 ( 2 ) 在试验上，设计了两台沉降试验装置研究m s w 的沉降。为使试验成果之间 具有可比性，本文按一定配比人工配制试样。试验对试样的沉降进行了长期的观测，特 别观察了m s w 沉降过程中不同淋滤条件下淋滤液的变化，以分析淋滤液对m s w 物理 压缩沉降和生物降解沉降的影响。 ( 3 ) 在理论上，分别建立了m s w 的生物降解沉降估算模型及其压缩( 闽结) 沉 跨模型e 在m s w 熬生物降解沉降传冀模型的槐建上，考虑到慧秘降璐沉海难以直接残 测的特点，提出从m s w 产气率变化放其淋滤液动态平衡关系来估算的研究思路。在 m s w 毯缭( 黧络) 沉舞模型懿橡建上，试蓬壤箨对m s w 沉簿捉理懿认识及嶷蠢试验 结果，从基本假设出发，建立其理论模溅。鉴于m s w 在填埋场中的现实赋存环境，文 中主要臻导了低含水率m s w 沉降的压缩褥交模壅。 关键词：至生填堙场；城市生活圆体废弃物；沉降：生裙滞解；胃黻应燹；轿霭液 博士论文 a b s t r a c t s a n i t a r yl a n d f i l li so n eo ft h ep r i m m yo b j e c t se n v i r o n m e n t a l - g e o t e c h n i c se n g i n e e r i n g c o n c e r n e d s e t t l e m e n to f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) m i g h ti n f l u e n c ed i r e c t l yt h es a f e t yo f s a n i t a r yl a n d f i l l p r e s e n t l y ，i t s r e s e a r c hi ss h o r to fs y s t e m a t i z a t i o n s o ，o nt h eb a s i so f f u n d a m e n t a l l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a n dt h e o r e t i c a l r e s e a r c h ，as y s t e m a t i c f r a m ei s c o n s t r u c t e d ，a sap l a n ef o rf u r t h e rr e s e a r c h t h e m a i nw o r ko f t h et h e s i si sa sf o l l o w e d ： ( 1 ) m e c h a n i s ma n a l y s i s t h e t h e r m o d y n a m i c m e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so f s e t t l e m e n to fm s wa r es e tf o r t h , a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm s wa n dn o r m a l s o i li s a n a l y z e d i ti sa l s op u tf o r w a r dt h a ti t sa l w a y su n s u i t a b l et od i v i d et h es e n l e m e n to f m s w i n t op r i m a r ya n ds e c o n d a r yc o m p r e s s i o np h a s ea r t i f i c i a l l y , b u tt od i v i d ei ta c c o r d i n gt ot h e e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f m s w i nl a n d f i l l ( 2 ) l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s t w oa p p a r a t u s e sa r ed e s i g n e df o rr e s e a r c h i n gs e t t l e m e n to f m s w t h es a m p l e sa r e p r e p a r e dm a n u a l l y f o rt h es a k eo ft h e c o m p a r a b i l i t ya m o n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t s d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h es e r l e m e n to f m s w i so b s e r v e df o ral o n g t i m e ，a n dt h ee q u i l i b r i u mo fl e a c h a t eu n d e rd i f f e r e n tl e a c h a t i n gc o n d i t i o n s i so b s e r v e d e s p e c i a l l yf o ra n a l y z i n g t h ei n f l u e n c eo fl e a c h a t eo nt h ep h y s i c a lc o m p r e s s i v es e t t l e m e n ta n d d e c o m p o s i t i o n s e t t l e m e n t ( 3 ) t h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h ee s t i m a t i n gm o d e lo fb i o d e g r a d a t i o ns e t t l e m e n ta n d c o m p r e s s i o n ( c o n s o l i d a t i o n ) s e t t l e m e n t m o d e lo fm s wa r ec o n s t r u c t e d r e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n gt h a tb i o d e g r a d a t i o ns e t t l e m e n to fm s w i sd i f f i c u l tt ob eo b s e r v e dd i r e c t l y , i t s p r o p o s e dt oe s t i m a t et h es e t t l e m e n ta c c o r d i n gt o t h ee v o l u t i o no f g a s - p r o d u c t i o nr a t ea n d d y n a m i ce q u i l i b r i u mo fl e a c h a t e t h ec o m p r e s s i o n ( c o n s o l i d a t i o n ) s e t t l e m e n tm o d e l so f m s wa r em e dt ob ec o n s t r u c t e do ns o m ef u n d a m e n t a l h y p o t h e s e sa c c o r d i n g t ot h e m e c h a n i s mo fs e t t l e m e n to fm s wa n dt h e e x p e r i m e n t s c o n s i d e r i n g t h e p r a c t i c a l c i r c u m s t a n c eo fm s wi nt h el a n d f i l l ，t h er h e o l o g i c a lm o d e lo fl o w - w a t e r - c o n t e n t e dm s w s e t t l e m e n ti sp u s h e do v e r p r i m a r i l y k e y w o r d s ：s a n i t a r yl a n d f i l l ；m u n i c i p a ls o u dw a s t e so 订s 、) ；s e t t l e m e n t ；b i o d e g r a d a t i o n ；f m i t es t r a i n ； 1 e a c h a t e 城市生活固体废弃物的沉降变形研究 月u舌 城市生活固体废弃物( m s w ) 的沉降变形是现代卫生填埋场建设中无可回避的岩 土工程问题之一。目前，关于这一研究课题，国外已有较多的研究成果，国内的研究则 f l j i 目l j 起步。由于m s w 的复杂性，现有的这些成果大多具有一些共同特点，即：一般都 针对具体卫生填埋场的具体项目进行研究，而非基础性研究，成果缺乏普遍性和可比性： 现场模拟试验较多，室内基础性试验研究较少：经验成果较多，机理分析较少，且多数 沿用土力学理论：成果中多数没有考虑淋滤作用对m s w 沉降的影响；关于生物降解导 致的沉降变形的研究成果尤其匮乏。 针对现有研究成果中存在的上述问题，本文自主设计研制了试验仪器，展开了m s w 沉降变形的试验和理论研究。论文的主要创新点包括： ( 1 ) 从热力学角度分析了m s w 发生沉降的机理和本质，提出m s w “整体高熵， 局部低熵”的二元性特征是决定其社会属性和工程特性的根本原因；并由此揭示了m s w 和一般土体的根本差别。本文提出，研究m s w 的沉降变形需采取多样化、综合性的研 究途径，而不能采用单一的研究思路，并对m s w 沉降过程的划分提出了新的观点。 ( 2 ) 为保证研究成果的系统性和可比性，本文根据m s w 的典型配比人工配制了 m s w 试样进行室内沉降变形试验，试验仪器自主设计研制：试验对淋滤作用进行对比 性试验，结果表明，淋滤作用对m s w 的沉降变形有巨大的影响，不容忽略； ( 3 ) 针对m s w 生物降解难以直接观测的特点，本文提出了间接研究的新思路， 即：通过对降解产物的观测分析m s w 中生物降解反应的进程，进而估算生物降解沉降。 根据这一思路，本文建立了m s w 生物降解沉降的估算方程，并根据上述试验中的淋滤 液平衡关系，计算出了试样的生物降解沉降量； ( 4 ) 根据m s w 在现场的赋存特点，论文将m s w 分为低含水率及饱和两种情况进 行研究。根据试验结果，本文提出，低含水率状态下的m s w 的沉降实际上是一种流变 过程；考虑到m s w 的沉降变形一般较大，引入了“有限应变”概念，并建立了低含水 率m s w 的蠕变沉降模型。 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) ! 三至翌壁乡咧年7 月7 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( 签盔五二毒净d 趁一拥4 年7 月 f 目 城市生活固体废弃物的沉降变形研究 第一章绪论 作为本世纪三大主题之一，环境的保护和改善已逐渐成为全球瞩目的焦点，人们对 环境的要求也越来越高。同时，与之相关的岩土工程问题也日益增多，在某些情况下甚 至成为环保工程的关键技术难题。 环境岩土工程学正是在这样的背景下应运而生，以期把传统的岩土工程理论和技术 应用到与环境保护相关的工程问题当中。 作为城市固体废弃物( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e s ) 最终处置手段之一的卫生填埋场 ( s a n i t a r yl a n d f i l l ) 恰恰面临大量与岩土工程学相关或相似的问题。因此，环境岩工 程学的主要任务之一就是将岩土工程理论、技术和手段运用到卫生填埋场建设当中。其 研究的主要内容包括m s w 的工程特性，以及它在填埋场中与周围的岩土体、工程设施 等之间的相互作用。 本论文主要致力于对m s w 的沉降变形特性的研究。 1 1 研究城市生活固体废弃物沉降变形的意义 城市生活固体废弃物的工程特性是赋存于卫生填埋场之中呈现出来的；研究其工程 特性的目的则是为卫生填埋场的建设、运营和开发利用服务，解决其中的工程问题。因 此，讨论城市生活固体废弃物沉降变形问题的研究意义，首先应当了解卫生填埋场在当 今城市建设中的地位。在此基础上，还应了解其沉降变形对卫生填埋场建设、运营和开 发利用的影响。 1 1 1 卫生填埋场在城市发展建设中的重要地位 ( 1 ) m s w 对现代城市发展的影响 近几十年以来，随着全球经济的快速发展，各国城市化进程加快，城市人口急遽膨 胀；与此同时，城市居民的生活消费水平也日益提高，人均m s w 产出量随之增长【1 捌。 在两者共同作用下，城市生活垃圾总量迅速增加。这些垃圾如不予以妥当的处理处置， 必将严重威胁到城市的环境卫生和居民的健康；在一定条件下，甚至可能造成一些重大 的安全事故。 博士论文2 表1 1 我国城市居民生活固体废弃物( m s w ) 人均日产出量演变 旦! ! ! ! ：! 望! ! ! ! ! ! ! ! 竺竺! ! ! 坚! ! ! ! ! 坐! ! ! ! 塑里! ! ! 型! ! ! ! 垫! 年份1 9 8 21 9 8 31 9 8 41 9 8 51 9 8 61 9 8 71 9 8 81 9 8 91 9 9 0 产出量( k g ) o 8 80 9 00 9 31 0 41 1 81 1 51 1 3 1 2 01 2 6 以我国为例1 2 3 j ，1 9 8 2 1 9 9 0 年问城市居民m s w 人均日产出量的演化进程如表1 1 所示：近几年年增长率更达8 0 o 1 0 。目前，我国城市垃圾年产出总量已超过l 亿吨1 1 , 2 1 ， 并且还在不断地增长。 近些年来，由于这些生活垃圾所造成的危害，各地均时有报导1 4 , 5 】。这些危害包括： 一些没有采取合理措施控制的垃圾体，其淋滤液排放到周围环境中，污染了附近的地下 水或地表水源；露天堆放的垃圾在风的作用下或燃烧时形成的漂浮物污染了周围的空 气，对附近居民的生活造成严重的影响；而这些垃圾引来的鸟类，威胁着附近机场飞机 的安全起降；等等。这些都将大大地削弱城市的美好形象，制约着城市的发展与建设 3 1 。 因此，面对“垃圾包围城市”的严峻形势，以及人们对居住环境舒适度要求的不断 提高，合理、有效地处置好城市生活固体废弃物已经交得刻不容缓。 ( 2 ) 卫生填埋场在处理处置m s w 中的重要地位 根据9 2 年国际环境生态( e c o ) 大会提出的对m s w 处理处置的“3 r ”( r e d u c e ， r e c o v e r , r e c y c l e ) 原则【6 】，对m s w 合理、有效地处理处置要达到减量化、资源化和无 害化之目的。 m s w 处理处置的方法包括分选回收、堆肥、焚烧、自然堆放、卫生填埋等f 7 1 。图 1 i 对这些方法进行了分类。 固体废弃物处理及利用 jj l减量化无害化资源化 i ( 工程处理) 图1 1 固体废弃物处理处置方法分类示意图 r i g1 1s k e t c hm a p o f c l a s s i f i c a t i o no f m s w d i s p a lm e t h o d s 城市生话固体废弃物的沉降变形研究 其中，分选回收即能变废为宝，又能减少废弃物总量，同时满足了减量化和资源化 的要求，是人们最愿意接受的方案。但是，目前高昂的分选代价使m s w 的回收再利用 量受到限制【7 】；同时，从中分选出玻璃、纸和塑料等成分的过程会造成污染，也大大降 低了其回收再利用的商业价值。实际上，提高m s w 回收再利用率、降低分选成本的最 有效措施是实行源头控制。不过，源头控制的实旌有赖于全民素质的提高、相关法规制 度和配套设施的建设，需较长时间的教育、推广和宣传，短期内难以达到显著的效果。 以葡萄牙为例【8 】，1 9 9 3 年度固体废弃物日产出量为1 4 0 7 8 2 吨，其中的玻璃和纸进行了 分选回收，但回收循环利用的量仅为5 6 _ 3 1 吨，约占产出量的4 ：据估算，纸的回收 率约1 2 5 ，玻璃的比例则更小。根据其规划设计资料，预期在2 0 1 4 年，纸和玻璃的 分选回收率均达到2 5 。但这在固体废弃物的总产出量中也仅占1 0 左右。总之，分选 回收方法在目前尚无法成为垃圾处理处置的主要方法。 堆肥也属于减量化方法，但所能处理的成分不多、数量有限，般仅作为卫生填埋 等主要方法的辅助手段【8 l 。 焚烧法能大大缩减m s w 的体积，缩减率可达9 0 ；产生的能量还可予以利用，是 m s w 处置中可供选择的主要方案。焚烧法运营成本与卫生填埋场的费用大致相当：但 是，其前期设备投入费用极其高昂，而且焚烧所生成的灰渣仍需予以填埋。因此，其总 体费用远高于卫生填埋场 3 j 。另外，我国m s w 的无机、不可燃成分多，有机、可燃成 分少，热值过低，不具有燃烧回收热能的价值【”。因此，在我国，焚烧法只能有条件地 用来处理极少量特殊成分的垃圾。 自然堆放是在经济相对落后的情况下常用的方法，目前我国许多城市的固体废弃物 处置仍采取自然堆放或进行简单的填埋。但这种处理方法产生的沥出液未得到有效控 制，溢出或渗入周围的地表水和地下水将造成污染；有机物降解产生的沼气未予以排放， 可能破坏周围的植被，甚至在一定条件下发生爆炸等危险。这在国内外都有过相应的惨 痛教训。 作为m s w 的最终处置方法，卫生填埋法由于相对经济、快捷，可以迅速提高生活 垃圾处理率。有效解决当前日益膨胀的垃圾出路问题。同时，现代卫生填埋场理论、技 术和实践水平的提高使其安全运营有了相当的保障。因此，卫生填埋法已成为现代大中 城市固体废弃物处置的首选方案。发达国家早在2 0 世纪上半页就已经对卫生填埋法展 开研究并具体应用；我国近些年也在广州、成都、杭州、深圳、重庆、福州、青岛等大 博士论文 4 中城市建设了一些大型现代卫生填埋场【”。预计在不久的将来，我国其它许多大中城市 也将陆续建设自己的现代卫生填埋场。作为一门新兴的城市固体废弃物处置方法，卫生 填埋法在我国的发展前景是相当广阔的。 1 1 2m s w 沉降对卫生填埋场建设、运营及重新开发利用的影响 无论是在卫生填埋场的早期设计期间，还是在其建设、运营期间，亦或是对其重新 开发利用之时，都应当对m s w 沉降所带来的影响予以足够的重视。 m s w 的沉降与卫生填埋场的有效填埋容量直接相关。m s w 属于低密度、大孔隙的 松散材料。随着成分、每天的覆土量、含水率及压实程度的不同，m s w 的重力密度都 在变化，一般约3 1 2 3 2 k n m 3 【3 1 ，与水接近，甚至远低于水；孔隙率通常在4 0 以上。 而在填埋过程中，填埋体将承受自重、上覆垃圾体的静荷载及车辆和地震等动荷载的共 同作用。在这些荷载作用下。m s w 将产生相当大的物理压缩变形和后续变形。据资料 显示，填埋场沉降可达到初始填埋厚度的5 3 0 ，甚至更高【9 】。因此，如果忽略了 m s w 的高压缩性，未充分考虑其沉降变形，将错误地估计填埋场的有效填埋容量及服 图1 2 垃圾体沉降对填埋场安全的影响 f i g1 2i n f l u e n c eo fm s w s s e t t l e m e n to ns a f e t yo fl a n d f i l l 务年限，给业主和设计部门以不实的信息，造成国家或个人不必要的损失。例如，杭州 天子岭卫生填埋场在运营十年后，填埋体的实际高度仅为当初设计预计高度的6 0 l l o 。 m s w 的沉降变形还将威胁到填埋场的安全运营 i o q 2 1 。 为保证在封顶后表面排水通畅，般要求填埋场最终覆盖的坡度在任何地方都不应 小于4 【1 3 , 1 4 。但是，如图1 2 所示：在m s w 沉降过程中，填埋场顶部防渗盖层发生弯 曲，一些地方的坡度可能会发生变化，甚至在其顶部盖层上形成洼坑。这些洼坑在多雨 城市生活固体废弃物的沉降变形研究 时可形成积水，加大了防渗盖层所承受的上覆荷载和渗透压力。此时，防渗盖层将同时 受到图示的拉伸和剪切作用。当这两者共同作用超过某一量值时，可能使防渗盖层中在 应力最大处形成裂隙，成为地表水向填埋场内入渗的通道，致使填埋场内的淋滤液总量 增加，淋滤液水位抬升，加大其水头和对周围防渗构件的渗透压力。当入渗量很大时， 还可能造成淋滤液向地表溢出，污染周围水体。 底部防渗层也可能因m s w 的不均匀沉降而发生变形。由于其上覆压力很大，该处 不易发生拉伸破坏，但却可能发生剪切破坏。底部防渗层破坏将导致沥出液向下渗漏到 地下水层，从而对地下水造成污染。 m s w 的沉降还可能对边坡防渗隔离层形成“拖拽”作用，使其在坡肩附近受到较 大的拉应力，从而产生拉伸裂隙 1 5 , 1 6 1 。边坡防渗隔离层的破坏既可能为地表水向填埋场 入渗和淋滤液向周围环境泄漏提供通道，也可能引起填埋体的失稳 1 7 _ 1 9 】。 另外，填埋场内的水平或竖直隔离层、排水设施与排气管道等也都可能在m s w 沉 降或不均匀沉降过程中发生错断或损坏”4 , 2 0 。 当把填埋体和周围的岩土体及垃圾坝等工程设施作为整个系统进行考虑时，还可以 看到，m s w 的沉降破坏了系统原有的平衡状态，应力重新调整，可能导致局部或整个 系统的稳定性丧失【1 9 】。这在山坡型填埋场中尤其值得关注。 另外，由于城市的不断扩张，以及交通和住房压力的不断上升，往往在卫生填埋场 建成若干年后，填埋场所在地的重新开发就成为必须【9 】。此时，填埋体可能成为其它构 筑物的地基和载体，其沉降也将成为影响这些构筑物安全正常运营的重要因素。例如， 在英国h e a t h r o w 机场和伦敦p a d d i n g t o n 之间，有一条地铁就不可避免地穿越了一个垃 圾填埋场2 1 1 。虽然由于卫生填埋场最初的选址总是位于较偏远的城郊，使卫生填埋场的 重新开发往往在封场后多年才进行，然而，据大量资料显示，m s w 的长期变形沉降在 填埋场封场数十年后仍在延续，这必将影响到填埋场的重新开发利用。这些影响包括： 可能导致的地基沉降和不均匀沉降：可能导致的填埋体和周围岩土体组成的复合体的稳 定性问题；对周围地形地貌的的影响，等等。因此，仅从这个角度而言，研究卫生填埋 场沉降变形的发展也是意义重大的。 综上所述，对m s w 沉降变形的研究是城市卫生填埋场建设中不可或缺的重要一环： 有效控制其变形是卫生填埋场设计的关键问题之一。为此，对固体废弃物沉降变形规律 予以专门研究是必要的。 博士论文6 1 2 国内外研究现状 最早建设的卫生填埋场已有七八十年的历史，但它成为环境岩土工程学的一个重要 研究方向却是在上世纪末，现在仍属于一个新兴的研究领域；在我国，最近几年才逐渐 受到重视并发展起来。 由于m s w 的成分复杂、性质多变、分布随机，研究其工程性质尤其困难。因此， 虽然已有了一些这方面的研究成果，但远未形成一套完整的理论，总体而言，国内外对 其中的岩土工程问题的研究尚很不完善。m s w 的沉降变形问题就是其中之。 1 2 1 卫生填埋场建设和研究的历史概况 发达国家，如英国，早在二十世纪二、三十年代就已开始建立卫生填埋场，并对其 开展研究 8 】。但由于当时的大中城市的数量不多、规模相对较小，可资利用的材料种类 有限、性能较差，技术也比较落后，因此，真正意义上的现代卫生填埋场建设是从六十 年代才开始的，现代卫生填埋理论研究也从这时开始逐渐发展起来。这数十年中，关于 卫生填埋场的岩土工程问题研究中，针对土工防渗衬垫的安全所进行的研究最多 2 2 3 3 ； 另外还有关于其区域地质状况【3 4 】、边坡稳定陟”1 等方面的研究。 我国则到近十几年才开始在部分发达的大中城市建设现代卫生填埋场。早期对于卫 生填埋场及m s w 的研究工作主要由环境工程学的研究和技术人员来完成，岩土工程工 作者很少介入。因此，可以看到，早期关于卫生填埋场的文献主要集中于沥出液成分分 析及其处理方面的研究。这些研究可以认为是粗放堆填时期对沥出液污染问题研究工作 的延续。在我国，张国政( 1 9 9 3 ) 【7 1 对废弃物浸出液的厌氧处理进行的研究、徐迪民( 1 9 9 5 ) 7 1 填埋场沥出液回灌技术的研究、张莲花等( 2 0 0 0 ) 3 8 1 对填土层净化机理的研究、以及 国土资源部的何连生等人( 2 0 0 1 ) 【3 9 】对沥出液循环处理的研究等，均为此例。 直到后来，越来越多的工程问题牵涉到岩土工程的知识，环境工作者无法独立予以 解决，岩土工程工作者才真正开始介入到卫生填埋场的研究。这一过程，发达国家从上 世纪七、八十年代开始，我国则从九十年代前后开始。当时，由于经济的发展，环境污 染引发的矛盾日趋尖锐，使环境问题日益受到人们的重视，并最终成为本世纪人类社会 的三大主题之一。而现代卫生填埋理论的研究也进入了黄金时期，成为环境岩土工程学 的主要研究方向之一。 1 2 2 国内外关于m s w 沉降问题的研究现状 城市生活固体废弃物( m s w ) 是一种全新的、性质复杂的材料，其沉降变形大、 城市生活固体废弃物的沉降变形研究 影响因素众多，研究难度很大，因而对其沉降变形规律及相关物理力学特性进行研究的 文献相对较少，研究深度也显不足。 以下分别从室内外试验观测、m s w 的成分分选与统计和理论研究计算三个方面对 与m s w 沉降变形相关的研究进展进行介绍。 ( 1 1 室内外试验观测 对m s w 沉降变形的现场试验观测主要有两种途径，即：观测沉降变形的发展规律 和获取m s w 物理力学参数。前者可用于建立m s w 沉降理论模型及对计算结果进行验 证：后者可用于沉降模型计算和承载力设计。m s w 密度小、孔隙比大，可以发生很大 的变形，旦其分布很不均匀，这使得现场试验的难度很大。 j p g o u r c 和m v u i l l e m i n 等( 1 9 9 7 ) 对法国m o n t r e u i ls h rb a r s e 和t o r e y 两个填埋场 进行了研究 4 叫，他们在填埋场中埋设了沉降计以监测其沉降的发展变化，观测效果较好。 c f m a h l e r 等【4 1 】( 1 9 9 8 ) 则设置水准点来观测填埋场的表面沉降。这种方法相对而言较 为原始，但对m s w 却简单有效。以上两种方法均可跟踪观测沉降变形的整个过程，其 中沉降计法还有可以观测填埋场内部、深部沉降的优点。 s m a c h a d os a n t o s 等【4 2 】用静荷载( p l t ) 试验测定了m s w 在不同上覆条件下的基 床反力模量墨和杨氏模量e ；同时，还进行了标准贯入( s p t ) 试验和圆锥触探( c p t ) 试验。该试验测得的疋值与l a n d v a 和c l a r k 4 3 1 ( 1 9 9 0 ) 年研究的结果相吻合，说明这种 试验方法得到的结果相对稳定，能较好地反映废弃物的力学特性。 但是，该试验测得杨氏模量e 随荷载增加而减小，这一结果与介质压密后模量将增 大的常识相悖，颇值得怀疑。否则，可能有不同寻常的物理力学机理隐藏其中。然而， s m a c h a d os a n t o s 并未予以解释。实际上，当荷载增加时，除非固体废弃物已经被压得 足够密实，或者处于饱和不排水条件下，才可能出现上述情况；否则m s w 将被压得更 密，其模量应当上升。由于s m a c h a d os a n t o s 没有交代具体的试验条件，因此难以作出 定论。s p t 试验和c p t 试验的结果相当离散。比较而言，c p t 试验的结果更有规律些； 但总结出其中规律的前提是数据量必须足够大。 j f t j u e h 等【4 4 4 5 1 对巴西m u r i b e e a 填埋场内的m s w 也进行了s p t 测试，结果也相 当离散。e k o d a 4 6 】则用c p t 法测取固体废弃物的有效摩擦角。 v c u 6 1 1 a r 等【4 7 1 试图用声波测试法( 动载法) 获取m s w 的弹性模量。但他发现，用 动载法测得的模量值比用静载法( p l t ) 测得的值大l o 倍以上。因此，m s w 中声波传 博士论文 递方式及波长、波速与废弃物弹性模量问的相关关系有待进一步研究。本人认为，一个 可能的原因是：m s w 中有部分弹模较大、波速较快的组元，如金属、玻璃、砖瓦等： 由于m s w 的分布不均匀，这部分高弹模的组元可能形成一些断断续续的通道，声波沿 着这些通道的传播不易衰减，且其速率将远大于平均值，接收器测试到的波速正是这部 分声波的波速值。因此，动载法测得的弹性模量远大于静载法测得的值。声波测试法的 优点是对废弃物的扰动比较小。 另外，还有人用反分析法得到m s w 的力学参数。例如，e k o d a c 4 6 】曾把m s w 砌筑 成堤，然后在堤上用混凝土块加载，使其发生滑坡；根据试验，用b i s h o p 法进行反分 析求出西。a n t h o n y j a u g e l l o 等【4 8 】也做过类似的尝试，但使用的是动载法。 由于m s w 的组元尺寸悬殊、性质各一，现场取样的随机性也很大，如何解决室内 试验参数对现场介质的代表性问题较为困难。因此，关于m s w 的室内试验成果相对较 少。目前，对m s w 缺乏专门的名词术语，也没有自成系统的理论体系，因此，虽然 m s w 有许多不同于土的性质，如今对m s w 的研究仍沿用土力学的术语；m s w 的室内 试验采取也基本上是土工测试手段，仅仅在某些情况下对一些试验结果予以了修正。 j p g o u r e e 和s t h o m a s t 4 0 提出，应当寻求更合适的参数来描述m s w 的行为；e k o d a 则提出必须探索新的、更有效的测试手段来获取m s w 的力学参数】。但他同时指出， 要使新的测试手段得到认可，需要通过长期的观测和经验积累。因此，常规的土工测试 仍是目前常用的方法。 有些研究人员曾尝试用新的测试方法或仪器进行室内试验。例如，w p o w r i e 等【4 9 】 为英国e s s e x 的p i t s e a 填埋场设计了一个高3 m 、直径2 m 的压力室，对m s w 的水力特 性进行了研究。压力室的工作原理类似于常规的固结仪，因此，也可用于做沉降试验； 但必须注意的是，由于其高径比大，侧壁摩擦的影响不容忽视。 我国的科研人员进行的相关研究较少，许多文献都以介绍发达国家的研究成果为 主。我国关于m s w 的试验研究工作相对具有代表性的是张振营、陈云敏等 5 0 - 5 2 1 人对杭 州天子岭卫生填埋场的研究。其研究总体来说还都是基础性的室内试验工作，遵循的是 土力学的成熟理论。相对发达国家而言，相关数据和文献资料还比较匮乏。因此，要形 成一套相对完整的理论体系尚有很多工作要做。 ( 2 ) m s w 的成分分选与统计 m s w 的成分组成是决定其物理力学参数和生物降解速率的首要因素，因而，也是 城市生活固体废弃物的沉降变形研究 影响填埋场沉降量的主要因素之一。国内外许多大中城市及其填埋场都对m s w 的成分 进行过分选和统计。 据k s w a t t s 等人记载，英国从1 9 3 5 年开始，就对英国国内的填埋场进行了现场监 测【9 】。对填埋场内m s w 成分的分选结果显示，其组成随时代变迁而演变。其变化规律 大致如图1 3 所示【9 l 。从图中可以看出，随着经济的发展，m s w 的成分变化很大。包括 塑料在内的混合物含量自七十年代后增长得很快；金属和玻璃的含量稳步上升；纸的含 量在六十年代后迅速增加；而由于城市对燃煤的限制，废弃物中尘土和灰渣的含量大幅 7 o 5 0 用的重视，金属、玻璃、纸匿雾蕊囊蒸鹫罨：弱 等的含量逐渐有所回落；同童鹾霉享芋蔫翥青i 笺麓鍪霉萋薹萋至；i i i i 彗弱 时，有机物的含量却相对增鑫睡誊i ：；：j 委i 罩蠢慕薹露蚕霪麓萋鬻i 鬻j 臻墓! | 加 这对于生物降解沉降盏 i 鼍：i 三：j 矗：摹i 甚器婺鎏：! 疑鬻乏鞫 显然是有利的，因而将对填 f ! j 芝：i 娄：i 曼毫j 冀蕊氆叁要薹薹 i ：i i 蒌习 埋场的长期沉降产生很大的 i 蔓：蔓i 凳i 誓j 善j 鼍蓦譬妻耄i ：i ；鞫 博士论文l o 行相关的工作。少数大型现代卫生填埋场在运营过程中虽通过取样、人工分选的办法获 得了一些资料：但并未交代其取样方式及m s w 试样柱的性状描述，使其参考价值受到 了限制。 ( 3 ) 理论研究与计算 国外针对m s w 沉降变形的理论研究已经有数十年的历史，对其沉降机理也有了较 深入的认识。 几十年来，s o w e r s ( 1 9 7 3 ) 6 s s l 、m u r p h y & c i l b e r t ( 1 9 8 5 ) 6 5 6 、e d i l 等( 1 9 9 0 ) 6 5 7 、e d g e r s 等( 1 9 9 2 ) 6 5 8 1 、钱学德郭志平( 1 9 9 8 ) 【1 9 1 、k s w a t t s 等 9 , 5 9 1 ( 1 9 9 0 ，1 9 9 9 ) 、d e b l e i k e r 等( 1 9 9 5 ) 6 0 、h y u nhp a r k 等( 2 0 0 2 ) 【6 1 】、b c y e n 等( 1 9 7 5 ) 【6 2 】、h k a n o u 等( 1 9 9 7 ) 6 3 】、m g a n d o l l a 等( 1 9 9 2 ) 即】、a d e m e & s i m e c s o l ( 1 9 9 6 ) 6 6 5 、彭功勋& 施建勇( 2 0 0 2 ) 6 6 6 1 都m s w 的沉降变 形进行过相应的研究与描述。总的来说，一般把m s w 的沉降变形机理分为物理压缩 ( p h y s i c a lc o m p r e s s i o n ) 、错动( r a v e l l i n g ) 、物理化学变化( p h y s i c a l c h e m i c a lc h a n g e ) 和生物降解( b i o c h e m i c a ld e c o m p o s i t i o n ) 四部分【1 柏】。 值得注意的是，其机理与一般土体有明显的不同之处：尤其其中的生物降解部分， 与土体有显著的差异。物理化学变化和生化降解都将使m s w 发生质变，并使m s w 的 干重量减小。另外，w p o w r i e 等( 1 9 9 9 ) 【4 9 1 发现，随着应力的增大，m s w 组元的密度 将增加，即组元具有可压缩性；而土力学中常认为土颗粒是不可压缩的。这一点往往被 m s w 研究工作者忽略。这一性质无疑对m s w 的沉降会产生影响，只是影响程度尚有 待探讨。 从宏观上看，m s w 的沉降过程与土体的沉降基本相似。因此，常被分为三个阶段： 瞬时压缩沉降。这部分变形在自重或施加荷载后很短的时间内即可完成；主固结( 压 缩) 沉降：次固结( 压缩) 沉降【9 19 1 。一般认为前两个阶段与荷载或应力的大小有关； 而次固结( 压缩) 沉降则同时间密切相关。由于m s w 的沉降可以延续很长的时间，故 又称次固结( 压缩) 沉降为长历时沉降。例如，y e n 和s c a n l o6 0 曾对美国加利福尼亚 州洛杉矶地区的三个建成的卫生填埋场持续进行了 年的观测，,n9发现该场地的沉降仍在 继续；j l h i l d e & j r e g i n s t e r ( 1 9 9 5 ) 6 州也开展过类似的工作。 在这一认识基础上，国外许多学者对m s w 的主、次固结( 压缩) 沉降规律进行了 研究，提出了一系列经验或半经验半理论的沉降计算模型。 1 9 7 3 年，s o w e r s t 5 5 l 提出了一组分别计算新填m s w 的主固结( 压缩) 沉降量w ，和 城市生活固体废弃物的沉降变形研究 次固结( 压缩) 沉降量w l l 的半对数型沉降模型： 其中，日沉降前m s w 的初始厚度，单位m ； 盯。垃圾柱的平均初始竖向有效应力，或前期压力，单位k p a ； o j 外作用引起的压力增量，单位k p a ： g 修正主固结( 压缩) 指数，o 1 7 c c 0 3 6 ；又有些文献 4 0 】中记为 c r ，取值范围为0 1 5 - 0 3 0 ： t 次固结结束的时间，单位d a y s ： “次固结开始的时间，单位d a y s ； c 。，次固结( 压缩) 系数，取值范围为o 0 3 - 4 ) 1 ：又有文献( 删中给出的 取值范围为c 。= o 0 5 2 0 0 0 4 ； 该模型认为，主固结( 压缩) 沉降与无量纲化后的应力的对数值成正比；而次固结 ( 压缩) 沉降则与无量纲化后的时间的对数值成正比。实际上，这一模型与一般土体的 沉降模型形式完全相同，既遵循了岩土工程工作者的习惯，也符合上述人们对固结沉降 阶段的认识，易于为大家所接受。因此，后来建立的许多沉降模型基本上都遵循了这一 思路。 然而，其中存在一些矛盾。例如，在关于主固结( 压缩) 沉降完成时间上，有人认 为是、两个月左右；有人却认为可达三年。并且，如果主固结( 压缩) 确实是在某一 时间跨度内完成的，式( 1 1 ) 无法表达主固结沉降随时间的发展规律。其实，当含水率 较低时，m s w 在很短的时间发生较大的瞬时压缩沉降后，就开始进入持续的、类似于 蠕变的变形阶段。 1 9 7 5 年，y e n 和s c a n l o n 6 2 1 提出了以积分形式描述m s w 长期沉降的模型： w 口= i ( a b l o g t ) d t ( 1 ，2 ) ia = 0 0 0 0 9 5 h + 0 0 0 9 8 5 lb = 0 0 0 0 3 5 h + 0 0 0 5 0 9 其中，日m s w 厚度，单位n l ； 苷 博士论文1 2 t 时间，单位m o n t h s ；t o 为次固结( 压缩) 沉降开始时刻 这一模型对s o w e r s 提出的模型进行了修正，认为并非次固结( 压缩) 沉降自身和 时间的对数呈线性关系；而是次固结( 压缩) 沉降的变化率与时间的对数呈线性关系。 1 9 9 6 年，a d e n n e 和s i m e c s o l 6 5 1 将以上两种模型进行了综合： 卜( 制 。， i w l = 一b t o g z l 除了其中的g 的值定为o 2 2 外，其余各项的意义与( 1 1 ) 、( 1 2 ) 式的相同。 1 9 9 0 年，g i b s o n 和e d i l 等陋8 j 提出了种把主、次固结( 压缩) 沉降归入一个函数 式的指数型沉降计算模型： w = m 盯 c ，+ 一唧( - 毒珊 其中，c ，9 3 ) 1 0 4 k p a 1 ；c ，_ 1 3 1 0 3 k p a 1 ：= 1 7 1 0 。d a y ( i 4 ) ；其余各项的意义 与( 1 1 ) 式同。 其实，目前许多文献的试验表明，m s w 沉降曲线中主、次固结( 压缩) 的分界点 难以把握，两部分常常交错发生，很难区分开来【4 5 1 。因此，基于这样的认识，人为地把 m s w 的压缩过程分割成两个阶段可能是不必要的。该模型首先试图把两个阶段融合到 一起，无疑是有意义的。 1 9 8 9 年，j a m b u 等提出的长历时次固结沉降模型为： w 。；旦l l l 上 ( 1 5 ) 。i m i j 其中，m s w 厚度，单位r l l ； 次固结参数，1 0 r s 1 0 0 ； t 欢固结( 压缩) 沉降结束