（环境工程专业论文）杂填土垃圾填埋场沉降控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 城市垃圾填埋场随着中国经济发展和城市建设规模不断扩大，占据了城 市周围大量的土地。并且土地资源同益减少，城市发展由中心地带向周围扩 延，所以很多新的建筑物需要建筑在城市周边的杂填土垃圾填埋场上( 由生 活垃圾和建筑垃圾填埋所形成) 。但杂填土垃圾填埋场无法满足建筑地基承 载力的要求，且自身还有一定的沉降量，往往不能直接作为建筑地基使用。 所以对杂填土垃圾填埋场的沉降研究是十分必要的。 鉴于杂填土垃圾填埋场的沉降不仅与杂填土的特殊性质有关，还与杂填 土垃圾填埋场当地的水文地质、环境气候等不确定性因素相关。本文探讨了 随机性数学方法中的b p 神经网络方法预测垃圾填埋场沉降方面的可行性， 并结合北京南站垃圾填埋场的二次利用工程对预测模型进行了验证，得出了 适合预测杂填土垃圾填埋场沉降的b p 神经网络模型。并且运用建立的随机 性数学模型对北京南站垃圾填埋场的沉降进行了预测。 由于杂填土垃圾填埋场并不适于直接做为建筑地基使用，所以针对其特 点选取了渣土桩、强夯法、强夯渣土注浆法、现浇砼薄壁筒桩地基处理方案， 并运用随机性数学方法中的主成分分析法对这四种地基处理方案进行了优化 选择。为杂填土垃圾填埋场作为建筑用地的二次利用的地基处理技术做了量 化比较方法研究。 关键词：杂填土垃圾填埋场；沉降；沉降控制；b p 神经网络；主成分分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t m u n i c i p a ls o l i dw a s t el a n d f i l l w i t hc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d u r b a nc o n s t r u c t i o nh a v eb e e ne x p a n d i n ga r o u n dt h ec i t ya c c o u n t e df o ral a r g e n u m b e ro fl a n d a n dd e c r e a s i n gl a n dr e s o u r c e s ，u r b a nd e v e l o p m e n tf r o mt h e c e n t e rt os p r e a da r o u n d ，s oal o to fn e wb u i l d i n gc o n s t r u c t i o nn e e d si nt h e n e i g h b o r i n gc i t yo fm i s c e l l a n e o u sl a n d f i l lf i e l d ( b yt h es o l i dw a s t el a n d f i l la n d c o n s t r u c t i o ni sf o r m e d ) h o w e v e r , m i s c e l l a n e o u sl a n d f i l lc a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fb u i l d i n gt h ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t y , a n da l s oo w nac e r t a i n a m o u n to ft h es e t t l e m e n t ，o f t e nc a nn o tb ed i r e c t l yu s e da sab u i l d i n gf o u n d a t i o n s of o rm i s c e l l a n e o u sl a n d f i l ls e t t l e m e n to ft h er e s e a r c hi se s s e n t i a l i nv i e wo ft h em i s c e l l a n e o u sf i l lt h el a n d f i l ls e t t l e m e n t n o to n l yw i t ht h e s p e c i a ln a t u r e o ft h em i s c e l l a n e o u sf i l l a n da l s of i l l i n gi a n d f i i lm i s c e l l a n e o u s l o c a l h y d r o - g e o l o g i c a l ，e n v i r o n m e n t a l ，a n do t h e rc l i m a t e r e l a t e du n c e r t a i n t i e s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h em e t h o d so fm a t h e m a t i c a lr a n d o m n e s so fb pn e u r a l n e t w o r k f o r e c a s t i n g l a n d f i l ls e t t l e m e n t v i a b i l i t y o fac o m b i n e dl a n d f i l l b e i j i n g n a n z h a nt h eu s eo fs e c o n d a r yw o r k so nt h ep r e d i c t i o nm o d e lw a sv e r i f i e d ， t h ef o r e c a s tf o rad r a wm i s c e l l a n e o u sf i l l i n gl a n d f i l ls e t t l e m e n to ft h eb pn e u r a l n e t w o r km o d e l a n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h er a n d o mu s eo fm a t h e m a t i c a lm o d e l s o fb e i j i n g n a n z h a ns e t t l e m e n to ft h el a n d f i l lh a df o r e c a s t a st h ef i l l i n gm i s c e l l a n e o u sl a n d f i l li sn o ts u i t a b l ef o rd i r e c tu s ea sa b u i l d i n gf o u n d a t i o n ，s oi t sc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e l e c t e dz h a t up i l e ，d y n a m i c ， d y n a m i cz h a t ug r o u t i n g ，t h i n - w a l l e dt u b ec a s t - i n p l a c ec o n c r e t ep i l ef o u n d a t i o n t r e a t m e n ta n dr a n d o mu s eo fm a t h e m a t i c a lm e t h o d so fp r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i so ft h e s ef o u rt y p e so fg r o u n dt r e a t m e n tp r o g r a m so p t i m i z e dc h o i c e m i s c e l l a n e o u sf o rf i l l i n gl a n d f i l l sa st h ec o n s t r u c t i o no ft h es e c o n d1 a n d u s e t e c h n o l o g yt od e a lw i t ht h ef o u n d a t i o nh a sd o n eaq u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o ns t u d y k e yw o r d s ：t h em i x t u r eo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t ea n dc o n s t r u c t i o nw a s r e l a n d f i l l ；s e t t l e m e n t ； c o n t r o l l a b i l i t ys e t t l e m e n t ： b pn e r v e n e t w o r k ；p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s 西南交通大学学位论文创新性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出过贡献的个人 和集体，均已在文中做了明确说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 学位论文作者签名：律乃幽 日期：z , a o & 位7 西南交通大学 学位论文版权使用说明书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：穗似 日期：a a o 足s 1 9 - 7 指导老师签名_ 气冬站指导老师签名：弋 备k t 广 日期：川，1 孑一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 我国垃圾填埋处理现状 我国城市垃圾处理起步于2 0 世纪8 0 年代。在1 9 9 0 年前，全国城市的垃 圾处理率还不足2 0 ，进入2 0 世纪9 0 年代以后，城市垃圾处理水平不断提 高，1 9 9 9 年全国城市年清运城市垃圾1 1 4 亿吨，共有各种类型的垃圾处理 场r 厂) 6 9 6 座，垃圾处理能力达到2 7 6 8 吨日，垃圾处理率6 3 4 。在1 9 8 6 1 9 9 9 年间，城市垃圾清运量年平均增长率为6 5 城市垃圾量增长与人口增 长基本同步。 中国自改革开放以来，随着经济的发展和城市规模的扩大，城市固体废 弃物的铲除量逐年增加。1 9 9 5 统计全国工业废弃物产出6 5 亿吨( 不含乡镇企 业) ，历年累计堆存量已达6 6 4 1 亿吨，占地5 5 0 8 5 公顷，并以每年8 1 0 的速度递增，人均同产量超过1 千克，面对数量这么庞大的固体废弃物，占 用越来越多的土地。 随着国民经济的发展，现代城市建设规模不断扩大，由于城市发展一般 由中心地带向周围扩延，所以往往新的建筑物需要建筑在城市周边由生活垃 圾和建筑垃圾堆积所形成的城市杂填土上。杂填土或者说是城市回填土、垃 圾回填土，是由于人类的生产和生活活动而形成的地面填土层，其填筑物随 着地区的生产和生活水平不同而异，可分为生活垃圾、建筑垃圾、工业垃圾 所形成的城市杂填土或者是几者的混合，其回填的方法通常是任意堆放。因 此，生活垃圾堆积而成的杂填土的工程地质问题，同益得到人们的关注，因 而对于城市杂填土的沉降机理研究及沉降控制方法也就变的非常必要，为了 减少对环境的危害和利用有限的土地资源，对已经停用的垃圾填埋场进行沉 降控制和地基加固技术研究，是十分必要的。 1 2 杂填土垃圾填埋场垃圾沉降特性 杂填土垃圾填埋场土层的厚度变化很大，分布范围广，深度一般可达 6 - 3 0 m ，面积可达数万至数百万平方米，填筑过程中，在重力分筛的作用下 颗粒组成一般形成下大上小的分布规律，力学性质差异性很大，挤密性较好， 湿陷性较强，总湿陷量差异很大，地基变形极不均匀。建造在未经处理或处 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 理不当的地基上的建筑物，一般常出现以下通病： 1 、建筑物的过大下沉 人工地基，如土层厚度较大，则往往由于以下的原因造成建筑物的过大 下沉：建筑物缓慢下沉：一般多表现在基础下部存在较厚的生活垃圾，堆 填时间较短，土层结构比较疏松，当其受到上部较大的荷载后，由于附加应 力的影响，逐渐使上层压密，而出现较大的下沉。另外，当杂填土中有机物 含量较多时，天长日久发生腐朽变质，也会造成地基下沉。建筑物突然下 沉：多表现为地表水大量浸入基础，使松散的基土颗粒发生移动流失，到一 定程度后，突然发生大量下沉。 2 、建筑物不均匀下沉 引起这种通病的主要原因有：杂填土土层厚薄不均匀：由于杂填土厚 薄不一致，地基的下沉量就有所差异，厚度压缩变化小，从而造成建筑物的 不均匀沉陷；上部结构荷载差异大：由于荷载差异大，使地基受力不均匀， 尤其是对于人工杂填土的地基，沉陷比较敏感，微小的荷载变化，都会造成 杂填土基变形。因此，如果建筑物高度变化大、体型复杂、荷载不均匀，都 会使地基发生不均匀不沉。 1 2 1 杂填土垃圾的特性 杂填土或者说是城市回填土、垃圾回填土，是由于人类的生产和生活活 动而形成的地面填土层，其填筑物随着地区的生产和生活水平不同而异，可 分为生活垃圾、建筑垃圾、工业垃圾所形成的城市杂填土或者是几者的混合， 其性质与其组成的原地貌有关，回填的方法通常是任意堆放。 杂填土的特点是：填料物质成分不一，颗粒粗细大小悬殊，颗粒间孑l 隙大 小不一，孔隙比大，压缩性高；回填前地貌高低起伏变化较大，形成填土层 薄厚不一，均匀性差、承载力低；回填时间常常先后长短不一，固结程度差 异性很大，具有湿陷性和负摩阻力：不确定性成分大且无规律性，勘察通常 无法提出准确地基承载力值。杂填土一般具有以下一些共性： 1 、性质不均、厚度变化大 由于堆积条件、堆积时间、堆积物质成分的差异，造成杂填土的性质很 不均匀。因受原始地貌影响，杂堆土的堆填厚度可从1 - 2 m 到l o m 以上不等， 分布范围又存在很大的人为随意性，往往在很小的范围内就有很大的变化， 缺乏规律性，由于时间跨度大，从新近堆积至上千年，形成了性质各异的堆 填层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 、变形大并有湿陷性 杂填土是一种欠压密土，一般具有较高的压缩性，对部分新的杂填土， 除j 下常荷载作用下的沉降外，还存在自重压力下沉降及湿陷变形的特点，在 干旱和半干旱地区，往往具浸水湿陷性，对生活垃圾土还存在因进一步分解 腐殖质而引起的变形。 3 、压缩性大、强度低 由于杂填土成份复杂，颗粒间生活垃圾的腐烂及堆填的随意性，导致孔 隙较大，使杂填土压缩性大而强度低。不同的物质成份直接影响杂填土的工 程性质，以建筑垃圾的砖石土和工业废料为主的杂填土，一般情况下强度较 高。对有机质含量较多的生活垃圾，因含有大量有机质和未分解的腐殖质， 即使堆积时间较长，仍具很大的压缩性和很低的强度i i ，2 1 。 4 、自重压密性 填土是一种欠压密土，在自身重量和大气降水下渗的作用下，有自重压 密的特点。其自重压密所需的时间长短与填土的物质成分和颗粒组成有关。 时间短的需1 3 年，如大块碎石。而含有大量有机质的生活垃圾填土的自重 压密时间可长达3 0 年以上i i 。 1 2 2 杂填土垃圾和土体的比较 杂填土在许多方面表现出与一般土体相似的特点，例如：它们都是多孔 隙介质；都是固体颗粒( 组元) 通过一定的方式组合而成；都存在固、液、气 三相状态；颗粒( 组元) 间的连接较为松散，可以相互移动或转动等等。但杂 填土有其特殊而复杂的成分和结构，其沉降机理的复杂性也正源于此。 杂填土的成分中既有无机物，也有有机物；既有坚硬的金属和玻璃，也 有柔软的布和纸；既有不易降解的塑料，也有极易降解的瓜果菜叶等等。如 果称组成杂填土的具有相对固定的外形的单元体为组元，那么，这些组元的 形状和尺寸也是千差力别，既有实心的，也有空心的；既有体积庞大的，也 有肉眼难辨的；既有方形的，也有圆形的，还有片状的、长条形的、絮状的， 甚至更为复杂。这些成分不同、形态各异的物质，性质各不相同，而且，水 和微生物等在杂填土中的作用也与一般土体有差别1 5 l 。 表1 1 列举了土力学中关于土的基本假设以及控制方程中隐含的一些假 设，并列出了杂填土的相应性质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 表l 一1 杂填十与一般十体的比较 可以看到，杂填土的性质与土体有显著的不同。如前所述，杂填土的组 元成分、尺寸和形态各异，分布也不均匀，因此，杂填土往往属于非均质、 各向异性的材料，杂填土的这一性质可能导致填埋体的不均匀沉降。不均匀 沉降对地表排水、覆盖层安全、地基稳定都有重大影响，应当予以关注。在 对最终覆盖层的抗变形能力及坡度的设计中，应当分析可能出现的不均匀沉 降的幅度及概率，以制定出适当的方案以消除影响。 由于杂填土为大孔隙介质，沉降变形量往往很大。这时，用小应变理论 中常用的应变定义已经不合适，必须用一个更加有利于反映其变形的应变定 义方式来描述。这就是所谓的“有限应变”，有限应变中包含有非线性项，该 项在小应变情况下省略，即成为常见的小应变时的应变描述。 杂填土的组元相当于土体中的土颗粒，但是，两者的材料性质、几何形 态和尺寸等的差异相当大。在土力学中，认为土颗粒是不可压缩的，但是杂 填土的一些组元视为不可压缩却不太适宜。据研究，城市生活垃圾的部分组 元压缩后的密度甚至可以达到压缩前的3 倍以上，在杂填土沉降变形的初期 阶段，部分组元的可压缩性导致的变形量所占的比例和产生的影响可能相当 小而可以忽略不计；但在发生次固结( 压缩) 沉降时，其组元的体积变化却可 以影响孔隙度和渗透系数，从而影响孔隙水压力的消散，改变固结的速率。 另外，杂填土中的城市生活垃圾会产生一些物理化学反应和生物降解反 应，尤其后者，伴随着填埋场建设、运营的全过程，它将自始至终影响杂填 土的沉降变形。据估计，杂填土中平均4 0 左右的城市生活垃圾最终将被分 解转化，因此，生物降解影响不可忽略。生物降解反应的存在，导致固体骨 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 架的损失和性质变化，同时产生相应的淋滤液和气体，并发生反应热，因此， 土力学中隐含的几个平衡方程即：固体骨架质量守衡方程、液体和气体质量 守衡方程、热量守衡方程都不再是杂填土隐含成立的条件。 从上述分析可以看出，杂填土与一般土体存在较大的差异，其沉降变形 方程也必然与常规土体的沉降变形方程有所不同。因此，建立杂填土的沉降 模型时，从最基本的假设到基本方程的建立，以及一些基本参数的描述方式 等，都可能与土体有所不同。 实际上，杂填土和土的上述差异与它们所经历的地质历史作用不同有直 接的关系。填埋场的工作年限相对于地质历史而言只是短暂的一瞬，因此杂 填土所经历的作用时白j 相对于土体也是无法比拟的，也正因如此，前者尚处 于各种反应的活跃期而表现出多变的性质，而后者相对更为稳定，性质较为 确定。 同时，这两者的性质接近与否是随环境条件而变化的。在某些情况下， 两者较为接近，而在另一些情况下却差异较大，例如，对于饱和的杂填土， 其固结沉降规律则应当和土相似：而非饱和状态下的沉降变形，却可能差异 很大。当然，当杂填土中的土颗粒含量超过一定比例后，其性质会越来越接 近于土体，某些性质甚至与土体完全相同，而且，随着时问的增长，杂填土 中的有机质充分降解，骨架的性质也逐渐趋于稳定，杂填土将逐渐向般土 体转化。因此，对于两者的异同，不宜用静止的眼光看待，而应当视具体情 况而定。 1 2 3 垃圾填埋场沉降机理 1 、基于土力学的沉降原理 传统土力学所研究的对象是由矿物颗粒构成土骨架、孔隙水和气体填充 骨架孔隙而组成的一个三相体系。由于土颗粒及水的压缩性很小，一般都不 考虑其体积变形，土体的压缩变形是由于孔隙中水体的流失及气体体积减小， 作用在土骨架上的有效应力逐渐增加，颗粒重新排列，粒间距离缩短，骨架 产生错动的结果。 由于流体的排出，孔隙体积的变化和颗粒的重新排列需要一个过程，所 以土体的固结与时间有关，开始土体所受荷载在作用瞬时，由孔隙水承担。 如果水能够排出的话则孔隙压力逐渐消散，有效应力增加，在有效应力( 骨架 应力) 作用下，骨架体产生了瞬时变形和蠕动变形。其中蠕动变形由于颗粒重 新排列和骨架体错动的时间效应而与时间有关。对于固体废弃物由于其中含 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 有有机物在一定的条件下有机物的分解将会使垃圾土体的固相体积变形，这 是垃圾土与天然土体的最大差别，这种特性也导致了其沉降计算不能按照传 统的土力学公式计算。城市固体废弃物的主要压缩机理如下： ( 1 ) 物理压缩：包括废弃物的畸变、弯曲、破碎和重定向，与有机质土 的固结相似，物理压缩由填埋物自重及其所受到的荷载引起，在填埋初期主 固结期及封场后期都有可能发生； ( 2 ) 错动：垃圾填埋物中的细颗粒向大孔隙或洞穴中运动。这个概念通 常与其它机理难以区分； ( 3 ) 物理化学变化：废弃物因腐蚀、氧化和燃烧作用引起的质变和体积 减小； ( 4 ) 生化分解：垃圾因发酵、腐烂及需氧、厌氧作用而引起的质量变化， 这个过程主要发生于有机物。 2 、有机物生物降解原理 有机物的生化降解作用，指的是有机成分化合物在其不适合长期存在的 环境里，由大分子分解为小分子，小分子分解为更小的分子乃至h 2 0 、c 0 2 、 n h 3 等无机分子和分子量减少过程的各种作用的总称。在垃圾填埋场这个巨 大的生化反应堆里，生化降解是极其常见的，自城市生活垃圾埋入垃圾填埋 场开始，一直延续到垃圾填埋场封顶投入再使用后的很长一端时间，这个过 程需要3 0 到5 0 年才可以彻底完成。城市卫生填埋场的有机生物降解过程可 分为四个阶段，即兼性好氧阶段、厌氧甲烷不稳定阶段、厌氧甲烷稳定阶段 和仄氧递减阶段1 6 l 。 1 9 1 3 年m i e h a e l i s 和m e n t e n 采用纯酶做了大量动力实验，根据中间产物 学说列出如下方程式，并由此反应推导出酶促反应速度方程式： e + s e s e + p ( 酶) ( 底物) ( 中间产物) ( 酶) ( 最终产物) 并由此反应式推导出酶促反应的反应速度方程式： ，v m a x x s y 拿一 o n + s 式中v 一酶反应速度： v m a x 一最大酶反应速度； s 一底物浓度； ( 1 1 ) ( 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 k m 一米式常数。 在垃圾填埋场中，以微生物浓度x 代替浓度酶s ，由于垃圾组成成分中 大部分是难生降解物质，封场后3 - 6 个月内，垃圾的降解进入完全厌氧分解 阶段。可以认为，底物浓度s 较小，又k s 在数值上等于垃圾降解速度等于 最大降解速度一半时底物浓度，因此，远小于米氏常数k m ，k s + s = k m 则有 生化反应动力学方程一般表达式： 由于 y 皇k s ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 式中v 一垃圾( 具体计算时可以是其中某一可降解成分) 的降解速度； k 一垃圾降解生化反应速度常数； s 一底物浓度； 入一填埋场生化反应器完全厌氧开始时污染物负荷； t 一垃圾填埋时间。 在垃圾填埋场中主要是有机质溶解及有机质水解两部分，由于m s w 中 绝大部分为可溶解，所以有机质降解速度中水解作用很重要，许多学者提出 垃圾场有机质水解公式为： m c ( t ) = m c ( o ) 。e - 材 ( 1 5 ) 式中m c ( t ) 一t 时刻有机质质量： m c ( 0 ) 一初始时刻有机质含量； t 一埋填时间； k 一有机物降解速率。 其中k 与垃圾的含水量作业方式、湿度、温度有关，国内有关垃圾场的 实验结果也验证了此公式的可靠性1 7 1 。 1 3 地基沉降控制方法现状 杂填土是人类活动所形成的无规则堆积物，其成分复杂、成层有厚有薄、 性质也不相同，且无规律性。在大多数情况下，杂填土是比较疏松和不均匀 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的，在同一场地的不同位置，地基承载力和压缩性也有较大的差异。地基一 般需要人工处理才能作为结构物地基。 对于杂填土的沉降控制方法，可以按沉降控制原理，沉降控制的目的， 处理地基的性质，沉降控制的时效、动机等不同角度进行分类，其中最本质 的是根据沉降控制原理进行分类。沉降控制方法的严格分类是困难的，不少 沉降控制方法具有几种不同的作用：如振冲法具有置换作用，有的还有挤密 作用，又如各种挤密法中，同时也有置换作用。此外，还有一些沉降控制方 法的加固机理以及计算方法目前还不是十分明确，尚需进一步探讨。 杂填土场地沉降控制与一般场地的处理相比有较大区别，首先范围大而 且大部分为新的、厚度不等、不规范填筑、成分复杂，该类场地处理的难度 大，国内外类似工程可以借鉴的经验很少。处理的关键是采取适宜、经济、 可行的加固处理措施，控制沉降达到场地正常使用要求，并作好防排水系统， 防止地表水大量下渗加大建筑垃圾和生活垃圾湿陷沉降，适宜的防排有害气 体措施，经过处理后能够满足环境要求。根据场地所处地理位置、地层及其 工程性质情况，吸取类似场地处理的经验教训，对各种常用沉降控制方法进 行分析比较与择定。 城市杂填土沉降控制方法按处理机理可分为以下几类： 1 、振密挤密法 ( 1 ) 表层压实法：采用人工或机械碾压或振动对地层进行压实，适用于 浅层疏松黏性土，砂性土和杂填土，加固深度较浅在1 5 m 左右。 ，( 2 ) 强夯法：利用夯锤的强大冲击能量使地基产生强大的振动和很高的 动应力，从而提高地基土的强度并降低压缩性。适用于砂性土、素填土、杂 填土、非饱和黏性土及湿陷性黄土。工艺简单，效果明显，可根据场地周边 环境及填土分区，合理布置加固范围。但因加固深度有限，一般在l o m 以 内。当场地与周围建筑物距离较近，施工噪音、震动很大，扰民问题严重， 实施时存在不确定性。 ( 3 ) 重锤夯实法：利用重锤自由落下时的冲击能来夯实浅层地基，使表 面形成一层较为均匀的硬壳层。适用于浅层的杂填土、砂性土及湿陷性黄土。 沉降控制深度较浅宜小于6 m ，对于深厚杂填土不适用。在居民区不能使用， 因为居民区内旧房多，结构性能又差，旧房受到震动后易产生裂缝或其它不 良后果。 ( 4 ) 各种挤密桩法：由桩间挤密土和夯填桩体组成复合地基，提高地基 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 承载力。适用于湿陷性黄土、杂填土、素填土和黏性土。该方法加固效果较 好，但加固深度不大。 2 、置换及拌入法 ( 1 ) 换填挚层法：将基底下一定深度的软弱土层挖除，然后回填以无侵 蚀性的压缩性较低的材料，经过分层夯实至要求的密实度为止，使其满足结 构对地基强度和稳定性要求。通过挚层应力的扩散作用，可减少挚层下天然 土层所承受的压力，并可降低地基的沉降量。另外，下卧层软弱土层中的水 分，也可以部分地通过垫层排出，从而能加速软土的固结。适用于浅层杂填 土场地处理，且造价较高。 ( 2 ) 石灰桩法：石灰桩法用机械或人工的方法成孔，然后用不同比例的 生石灰( 块或粉) 和掺和料( 粉煤灰、炉渣等) 灌入，并进行振密或夯实后 形成石灰桩柱体，桩体与桩间土形成石灰桩复合地基，以此来提高地基承载 力，并减小地基沉降，满足地基基础设计要求。石灰桩法操作简单，适用于 饱和黏性土、淤泥、素填土、杂填土等。桩长有限，复合地基承载力不宜超 过1 6 0 k p a 。 ( 3 ) 夯实水泥土法：利用人工挖孔或机械成孔，将水泥和土及水充分拌 和，然后再将拌和料逐层填入孔中并经外力机械夯实所成的桩，与桩间土构 成复合地基，提高地基承载力，改善地基土的变形特性，从而满足建筑物对 地基土的需求。这种沉降控制方法具有施工速度快、无环境污染、周期短、 适应性广、质量易于控制等特点。适用于粉土、素填土、杂填土和黏土等地 层。处理深度不宜超过l o m 。其他置换及拌入法如深层搅拌法、高压喷射注 浆法也经常应用于杂填土沉降控制，该类桩方法处理深度和效果能满足要求， 但由于杂填土场地存在有大块的建筑垃圾使成孔困难甚至无法成孔，且需外 运材料，造价高，不适用于深厚杂填土场地沉降控制。 3 、注浆法 注浆是在压力作用下，使浆液通过渗透、劈裂、压密或其组合形式进入 土中，排挤孔隙中存在的自由水和气体后，经人工控制一定时间后，浆液和 土体形成塑性变形区，离浆体较远的土体则发生弹性变形，形成强度大、防 水性能高和化学稳定性良好的“结石体”并与土体之问紧密接触，从而提高 土体强度，加强整体性，改善其物理和力学性能，起到控制沉降、提高承载 力的作用；另一方面浆液在地层中形成方向各异、厚薄不一的片状、条状、团 块状浆体，纵横交错的浆脉随着其凝结硬化，造成结石体与土体之f b j 紧密而 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 粗糙的接触，沿注浆管形成不规则的、直径粗细相问的桩柱体。这种桩柱体 与压密的地基土形成复合地基，共同作用起到控制沉降、提高承载力的作用。 杂填土由于其组成十分复杂，带有极大的偶然性，缺乏规律性，差异性很大， 孔隙大，串浆严重，注浆压力不容易确定，均一性相对较差，沉降相对较大， 注浆法不适宜处理深厚杂填土。 1 4 课题研究背景、内容和意义 1 4 1 研究背景 随着我国经济发展和城市建设规模不断扩大，城市垃圾填埋场的数量和 规模也呈上升趋势，占用了大量土地，垃圾填埋场封场之后作为建设用地的 二次利用问题也越来越被人们所重视。并且土地资源同益减少，城市发展由 中心地带向周围扩延，所以很多新的建筑物需要建筑在城市周边的杂填土垃 圾填埋场上( 由生活垃圾和建筑垃圾填埋所形成) 。但杂填土垃圾填埋场无 法满足建筑地基承载力的要求，且自身还有一定的沉降量，往往不能直接作 为建筑地基使用。所以对杂填土垃圾填埋场的沉降控制研究是十分必要的。 1 4 2 研究内容 本论文依托项目新建北京南站渣土及垃圾填埋场二次利用地基加固研 究开展研究工作。采取的研究内容包括： 1 、全面收集杂填土填埋场的成分、填埋时间及所处地域，根据杂填土垃 圾填埋场的沉降数据分析垃圾填埋场沉降规律； 2 、应用随机性数学方法根据对杂填土沉降规律分析结果预测垃圾填埋场 的沉降，根据预测沉降范围结合杂填土垃圾的特殊性质提出具体工程应对措 施； 3 、将所提出的工程应对措施应用主成分方法比选最佳应用方案，并量化 讨论不同工程措施对杂填土垃圾填埋场的二次利用的影响。 1 4 3 研究目的 本论文对垃圾填埋场二次利用的深化研究，对于垃圾填埋场如何作为二 次建设用地，根据杂填土垃圾填埋场具体实际，建立能够反映实际沉降情况 的数学模型，研究其基本变化规律，并结合具体工程实例，提出合理的地基 加固工程措施，并对为垃圾填埋场二次利用提出科学可行的措施，保障建筑 物长期的稳定和安全。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章随机性数学方法预测杂填土垃圾填埋场沉降 垃圾填埋场的沉降预测是垃圾填埋场设计和二次利用的一个重要难题， 如果能够预测垃圾填埋场的沉降，则能为垃圾填埋场的设计和二次利用提供 理论依据的包括： 1 、估算场地最终填埋容量，为合理地组织填埋场生产和最大限度地利用 有限的填埋空间提供依据，达到少占地的目的。尽管卫生填埋存在诸多优点， 但是其大面积占用土地的问题的严重弊端仍需引起广泛重视。 表2 1 为2 0 0 2 年重庆市各区垃圾同产量预测表( 按各区人口及人均垃圾日 产量推算估算) 表2 12 0 0 2 年重庆市各区垃圾日产昔预测表t d 由表2 1 可以得出重庆各区垃圾年产量为： a = 4 0 5 5 搴3 6 5 = 1 4 8 0 0 7 5 ( t a )( 2 1 ) 考虑目前垃圾填埋场大多属简易填埋，压实程度不够，垃圾容重一般 o 2 5 0 6 t m 3 ，取垃圾平均容重q - - o 3 5 t m 3 ，则填埋垃圾总体积： v = a q = 1 4 8 0 0 7 5 0 3 5 = 4 2 2 8 7 8 5 7 m 3 ( 2 2 ) 另设填埋场垃圾的平均填埋高度h = 3 0 m ( 大多数填埋场实际上无法达到此高 度) ，由此可估算得出重庆各区每年垃圾将侵占的土地面积： s = v h = 4 2 2 8 7 8 5 7 3 0 = 1 4 0 9 5 9 5 m 21 4 力m 2 ( 2 - 3 ) 可以预见，随着人口的增多和居民生活水平的提高，垃圾量的增加，垃 圾填埋将占用越来越多的土地资源。据不完全统计，全国历年的垃圾存量已 达到6 0 多亿t ，侵占土地面积多达5 亿m 2 ，国内2 0 0 多个城市已陷入垃圾包 围之中。实际上，自7 0 年代以来，填埋场占地问题就已经很突出了，填埋处 理在国内外大多数城市均面临地荒的尴尬境地；此外，填埋设施以及由填埋 场管理不善而引发的各类环境问题1 8 。i ，难以让当地居民的接受及欢迎，新场 址的选择往往遭到反对。尽量设法延长垃圾场的寿命、合理高效地利用有限 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的垃圾卫生填埋空间已成为目前生活垃圾卫生填埋技术研究的主要任务。发 达国家和国内一些发达城市的垃圾卫生填埋场由原始废物的直接填埋转向卫 生填埋处理之前都先进行预处理，例如焚烧、堆肥、高压打包等等ij o l ，以达 到减少填埋物的体积，延长垃圾卫生填埋场使用年限的目的。但是，国内大 多数城市，实行垃圾预处理的条件并不成熟，资金有限、管理难度大是限制 垃圾预处理的主要因素。另外，在填埋达到设计高度并封闭填埋场以后，填 埋场通常会迅速沉降到拟定的最终填埋高度以下，这样往往会导致先前被管 理机构所批准征用的有偿使用空问因沉降问题而没有被充分利用i i h 。 鉴于上述原因，为有效利用有限的土地资源，最大限度地提高垃圾卫生 填埋场库容的利用率，一种间接有效的方法是实现垃圾源头的减量化，而最 直接有效的方法则是更为精确地预估填埋过程中已填垃圾体和封场后整个填 埋场的沉降量，并根据其沉降规律挖掘其填埋潜力。 2 、为填埋场保护系统的设计和维护提供依据 为减少填埋场封场之后的二次污染，必须建立合适的填埋场保护系统。 但是填埋场保护系统，诸如覆盖系统、污染控制屏障、排水系统的设计和运 营同样会受到填埋场沉降的影响。填埋场的沉降可能会使填埋场形成凹槽， 积水成池，甚至会引起覆盖系统和排水系统丌裂，由此可能使得进入填埋场 的雨水和渗出的渗滤液大为增加，最终导致环境污染：较大的沉降还会影响到 填埋场内外的建筑物和道路，影响其正常使用，阻碍填埋作业的顺利实施。 因此，设计合理的填埋场保护系统和制定有针对性的保护系统维护措施必须 以充分把握填埋场沉降规律为基础。 3 、为填埋场的竖向扩容设计和场地再利用提供依据 另外，已封闭的填埋场是可以再利用的。我们知道，城市垃圾填埋场大 多建在城市近郊的山坳、荒地或海滩罩，随着城市规模的不断扩大，此类垃 圾填埋场也将逐渐被新兴的工业民用建筑所包围，其土地利用价值将进一步 提高1 1 2 l 。封场之后的填埋场经安全防范处理后可用于种植各类经济林木，可 改造为种植浅表作物的良田，也可用作兴建各类厂房、停车场、公园、娱乐 场、高尔夫球场、足球场等等p 3 1 。但其自订提是必须保证填埋场沉降变化已经 停止或沉降变化已不足以影响场地的再利用，因此，掌握垃圾填埋场中沉降 变化特性是非常必要的。 所以，深入研究城市生活垃圾卫生填埋场沉降特性不仅具有一定的理论 价值，而且还会间接性地带来较大的社会效益、环境效益和经济效益i i 射。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 垃圾填埋场沉降预测是填埋场作为地基的二次利用中一个难题。目前国 内外对垃圾填埋场沉降的计算，主要采用土力学模型预测法、静态预测法、 动态预测法和数值法等。杂填土垃圾填埋场以建筑垃圾和生活垃圾为主要类 型，其在沉降特性方面具有强烈的非均质性和各向异性，所引起的沉降往往 具有强烈的不确定性；另外，沉降量的大小还受其他许多非确定性因素的影 响，例如大气降水、地表环境特征等，这些因素都具有很强的随机性。土力 学模型预测法、静态预测法、动态预测法和数值法等确定性方法的缺点就是 忽视了这些不确定性因素对杂填土垃圾填埋场沉降的影响，把实际存在条件 理想化，因此对杂填土垃圾填埋场沉降的预测还存在一定的不足。因而有必 要借助于近年来发展起来的随机性数学方法，建立与杂填土垃圾填埋场沉降 实际情况相接近的预测方法。下面主要介绍适合杂填土垃圾填埋场沉降预测 的几种随机数学方法。 2 1b p 神经网络预测法 沉降受多种因素的影响和制约，其变化的自然规律很难用一个显式的数 学公式予以表示，而b p 神经网络是这一领域的一个突破。b p 神经网络作为 一门新兴的信息处理系统，它模拟生物脑神经系统的计算机处理模式，是由 一系列简单的高度互联的处理单元组成。b p 神经网络模拟人脑的学习过程， 通过对现有数据的学习与训练，找到现有数据的规律，而不是从微观条件、 各个影响因素关系| 日j 的建模来反映沉降规律。该方法视传统函数的自变量和 因变量为输入和输出，将传统的函数关系转化为高维的非线性映射1 1 6 i t i 。 该方法在处理非线性问题上，具有独特的优越性。在针对杂填土垃圾填 埋场沉降预测时，它具有在复杂非线性系统中较高的建模能力以及对所提供 数据良好的拟合能力1 1 8 i 。 2 2 主成分分析法 主成分分析是一种直观、全面的评价方法，它的优越性在于：( 1 ) 消除 量纲，使各种设计方案的多个原来不可比的经济，技术指标可比；( 2 ) 通过 计算可以得到相关性的评价指标，对各指标归类，消除相关性大的( 即类型相 似的) 评价指标的相互干扰，全面的进行综合评价；( 3 ) 对各评价指标进行排 序，直观的分析出决定性的和对综合评价结果影响大的评价指标，并分析出 适合度较小的指标，可以适当删除；( 4 ) 分析相关性，最大程度上利用原始 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 数据，避免结果的失真。当然，主成分分析对各量化的评价指标进行综合， 对非量化的评价指标，要借助于模糊理论进行分析。 主成分分析的是综合评价的一种方法，其目的是建立一种高维空间到低 维空间的映射，这种映射能保持样本在高维空间的某种“结构”，其中最明显 的是与“序”有关的结构，因为综合评价的目的往往与排序是分不开的1 1 9 l 。 主成分分析的统计依据为： 设有p 个指标五，z 2 ，x 3 ，x 口，这p 个指标反映了客观对象的各个特性， 因此每个对象观察到的p 个指标值就是一个样本值，它是一个p 维向量。如 果观察了n 个对象，就有n 个p 维向量，用矩阵x 表示就有： j c l l2毛3 五| 口 x 2 1 屹砀吒p lx n 2 3 ( 2 4 ) x 每一行就是一个样本的观察值。统计问题是：已知数据矩阵x ，能否 找到反映p 个指标x l , x 2 ，x 3 ，工p 线性函数a i x i ，它能最好地反映 一，石2 ，x 3 ，x ，的变化状况。如果行，这个线性函数就是一个很好的指标， 它就是这p 个变量的主要成分( p r i n c i p l ec o m p o n e n t ) ，找出这个主要成分的方 法就称为主成分分析方法。 把p 个指标毛，工2 ，毛，x p 看成随机变量，它们的期望值和协方差矩阵 是： e x 2 ；e ( x l ，x 2 ， o 工p ) = ( e x i e x 2 。- e x p ) = l u 2 w p ) ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 y = ( ) = c o v ( x ，) = h l v 2 1 v p l h 2 v 2 2 v p 2 v i i 为第i 个变量的方差；p 个变量的总方差用屹来反映。 现在考虑它们的线性函数y 一口t ，于是y 的方差： 妇“力2t ：毫，誊：二；) ；，妇 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 要寻找最能反映这些x ：变化，就要求v a t ( v ) 尽可能大。但是，v a r ( v ) 无限 增大没有意义，因此，限制口r 口= 口? = 1 。所以数学问题就是：已知协方差 矩阵v ，求满足约束条件，a r a 。1 ，使v a r ( y ) 一口7 v a 达到最大值。用拉式乘 子法处理，令 f ( a ) = a t v a 一2 2 ( a 7 口一1 ) ( 2 8 ) 于是 a ，o a 一2 1 a 一2 z a 一0 ( 2 9 ) 导出方程 v a = 2 a a r a = 1( 2 1 0 ) 表示特征根a 就是a t 工的方差，相应的特征向量口= ( 口，口p ) 。于是 口。x 1 + a 2 x 2 口p 就是所要的主成分分。a 艺这个比值称为主成分a t x 的贡 献率，贡率越大表明a r x “综合”的能力强。 根据统计原理可以证得，对于特征方程l a = 加。其特征根也有意义，但 占影响因素的成分很小。 p p p 嘞 饧 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 23 灰色关联分析法 灰色系统理论的关联分析采用关联度分析的方法，对因素的相关性进行 分析和研究，这种分析的基本点是按各因素统计数列的几何关系进行比较研 究m i 。 如图2 - 1 所示数据序列曲线，从直观上曲线1 与曲线2 的几何形状比较 接近，曲线3 与曲线1 的几何形状相差较大，故从关联分析的角度，曲线1 与曲线2 的关联度较大，曲线3 与曲线1 的关联度较小。 x 1 2 3 图2 - 1 天联分析 关联分析的一般步骤： 设有n 个数列，每个数据列聚集m 个数据 x i o )