（岩土工程专业论文）卫生填埋降解试验研究及沉降机理分析.pdf

摘要 摘要 填埋场是采用卫生填埋法对城市固体废弃物( m s w ) 进行处置的场地，填 埋场沉降对填埋场容量、自身稳定以及对周围环境影响是填埋场设计和施工十分 关心的问题。本文运用相关的理论及采用合理的假定，对填埋场沉降进行了较为 系统及深入地研究，得到一些有意义的结论。本文的主要研究工作包括： 1 ) 对现有填埋场沉降模型进行了分类及评述。从岩土力学传统计算角度认 为填埋场压缩沉降应分为瞬时沉降、主压缩沉降及次压缩沉降三部分。从有机质 降解机理出发，认为有机质降解沉降应从有机质质量降解规律和质量与体积损失 关系两方面进行研究。并认为沉降计算中应考虑压缩与降解二者之间的作用。 2 ) 进行了一套较为系统地填埋场稳定过程室内模拟试验，试验包括常规试 验及柱状沉降试验，其中常规试验包括比重、持水率、压缩性、蠕变性、渗透性 及降解性能等基本性质；柱状沉降试验中通过自行研制的柱状沉降试验仪了进行 了室内沉降试验，试验中对沉降、淋滤液及气体收集量进行长时间的观测。 3 ) 从柱状沉降试验结果得到了填埋场稳定过程中有机质质量降解规律应符 合r i c h a r d s 模型的结论；从有机质降解机理一些试验成果出发，提出了新的有机 质降解质容转化比关系式。 4 ) 对m s w 的瞬时模量及主压缩指数在一些常见因素影响下的变化规律进 行了研究，得到了一些有用的结论。 5 ) 以非饱和固结理论为基础，得到了填埋场主固结( 压缩) 计算控制方程， 从理论上得出了填埋场主压缩完成需要得时间，通过对一般情况下填埋场计算表 明，主压缩完成时间受渗透系数影响较大。 6 ) 结合k e l v i n 模型及填埋场沉降“有限应变”特点得到填埋场一维次压缩 沉降计算模型，并根据室内试验边界条件特点对模型进行了修正；探讨了在室内 力学试验中排除有机质降解对试验结果干扰的方法；并提出了在压缩沉降计算中 应如何考虑降解软化影响的计算方法。 关键词：填埋场沉降；有机质降解沉降；有机质质量降解规律；质容转化比；次 压缩沉降模型； a b s t r a c t a b s t r a c t l a n d f i l li st h ep l a c et od i s p o s a lt h em u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s v o ，d u r i n gt h e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，s p e c i a la t t e n t i o nw a sp a i dt ot h el a n d f i l ls e t t l e m e n tw h i c h a f f e c t e do nt h ec a p a c i t y , s t a b i l i t - y , a n dt h es u r r o u n d i n g b a s e do ns o m eh y p o t h e s e s , t h e m e c h a n i s mo fs e t t l e m e n to fl a n d f i l lw a sc o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e dw i t ht h ea n a l y t i c a l m e t h o di nt h i sp a p e ra n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d t h em a i ns t u d i e so f t h i sp a p e rw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) s o m ee x i s t i n gl a n d f i l ls e t t l e m e n tm o d e l sw e r ec o m m e n t e da n dc l a s s i f i e d b a s e do ng e o t e c h n i c a lt h e o r y ，t h ec o m p r e s s i o ns e t t l e m e n tw a sd i v i d e di n t oi m m e d i a t e s e t t l e m e n t 、p r i m a r ys e t t l e m e n ta n ds e c o n d a r ys e t t l e m e n t b a s e d0 1 1t h em e c h a n i s mo f b i o d e g r a d a t i o n ，t h eb i o d e g r a d a t i o ns e r l e m e n tc o u l db eo b t a i n e df r o mt h ea n a l y s i so f t h em a s sl o s sr e g u l a t i o na n dt h ea n a l y s i so f i b r m u l a t i o nb e t w e e nt h em a s sl o s sa n dt h e v o l u m el o s s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p r e s s i o na n db i o d e g r a d a f i o ns h o u l db e t a k e ni n t oa c c o m l tw h e nc a l c u l a t i n gt h el a n d f i l ls e t t l e m e n t 2 ) as e to fs y s t e m i ce x p e r i m e n t st os i m u l a t et h es t a b i l i z a t i o no fl a n d f i l lw a s c a r r i e do u t ，w h i c hc o n s i s to fs o m er o u t i n ee x p e r i m e n t sa n dc o l u m ns e t t l e m e n t e x p e r i m e n t r o u t i n ee x p e r i m e n t si n c l u d et e s t so fs p e c i a lg r a v i t y , f i e l dc a p a c i t y , c o m p r e s s i o n , t h e o l o g y , p e r m e a b i l i t ya n db i o d e g r a d a t i o n t h ea p p a r a t u so fc o l u m n s e t t l e m e n te x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt o1 2 a l t yo nl a b o r a t o r ys e t t l e m e n te x p e r i m e n t s p e c i a l l y , w h i c hc a nm e a s u r et h es e t t l e m e n t ，t h ev o l u m eo fl e a c h a t ea n dg a s t h e s e d a t aw e r ev e r yu s e f u lf u rt h e o r ys t u d y i n g 3 ) 1 1 1 eb i o d e g r a d a t i o nm a s sl o s sr e g u l a t i o ns h o u l db ec h a r a c t e r i z e dw i t ht h e r i c h a r d sm o d e lf r o mt h er e s u l to fc o l u m ns e t t l e m e n te x p e r i m e n t an e wf o r m u l a t i o n o fc o n v e r s i o nb e t w e e nt h em a s sl o s sa n dt h ev o l n m el o s sw a sp u tf o r w a mf r o mt h e m e c h a n i s mo f b i o d e g r a d a t i o na n ds o m er e s u l to f l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s 4 ) t h ea l t e rr u l e so ft h ei m m e d i a t em o d u l u sa n dp r i m a r yc o m p r e s s i o ni n d e x r e l a t e do ns o n r ef a m i l i a rt h c t o rw e r es t u d i e da n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r e g a i n e d 5 ) b a s e do nt h eu n s a t u r a t e dc o n s o l i d a i o nt h e o r y ，t h ec o n t r o le q u a t i o no f p r i n r a r y 1 1 1 a b s t r a c t c o n s o l i d a t i o i lo fl a n d f i l lw a so b t a i n e d t h et i m eo fp r i m a r yc o n s o l i d a t i o nc a nb e c a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y , w h i c hi sg r e a t l yr e l a t e dt op e r m e a b i l i t y 6 ) c o m b i n e dt h ek e l v i nm o d e la n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ff i n i t es t r a i no fl a n d f i l l s e t t l e m e n t t h eo n e - d i m e n s i o ns e c o n d a r ys e t t l e m e n tm o d e lw a so b t a i n e d n l em o d e l w a sm o d i f i e dc o n s i d e r i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no fc o l u m n t h em e t h o d so f r e m o v i n gt h eb i o d e g r a d a t i o n se f f e c t o nc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n ti nt h em s w l a b o r a t o r ya n dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f b i o d e g r a d a t i o ni n t e n e r a t ew e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d ：l a n d f i l ls e t d e m e n t ；b i o d e g r a d a t i o ns e t t l e m e n t ；t h er e g u l a t i o n b i o d e g r a d a t i o n ；t h ef o r m u l a t i o nb e t w e e nt h e m a s sl o s sa n dt h ev o l u m el o s s ； s e c o n d a r yc o m p r e s s i o nm o d e l ； l v 前言 刖舌 卫生填埋法与城市固体废弃物( m s w ) 其他处理方法相比具有经济、安全等 优点，在现阶段是m s w 处理的主要方法。填埋场沉降对填埋场自身稳定及周围环 境造成的危害，将引发一系列工程及社会问题。因此填埋场沉降的研究对填埋场 的容量估计以及安全运行具有很大的指导作用，该课题研究具有重要的理论意义 及社会经济效益。 针对现有填埋场沉降研究的不足，本文对填埋场沉降进行了系统、大量地 理论与试验研究工作。本文主要创新之处有： 1 ) 进行了一套较系统的人工配料m s w 室内试验，试验主要包括常规试验 及柱状沉降试验。其中常规试验包括试样比重、持水率、压缩性、蠕变性、渗透 性及降解性等基本性质试验；柱状沉降试验通过自行研制的柱状沉降试验仪进行 了一个填埋场稳定过程室内模拟试验，试验中对试样的沉降、产生的淋滤液及气 体进行了长时间的观测，这对填埋场沉降理论研究具有极大的意义。 2 ) 分析认为填埋场有机质降解沉降应分别从有机质质量降解规律及有机质 降解质量与体积损失关系两方面进行研究；并通过柱状沉降试验结果得到了有机 质质量降解规律，同时在机理分析的基础e ，提出新的质容转化比模型，得到了 填埋场有机质降解沉降模型。 3 ) 对m s w 的瞬时模量在有机质含量、初始孔隙比、初始含水率及降解程度 等因素影响下的变化规律及对主压缩指数受有机质含量及初始含水率等因素影 响下的变化规律都进行了大量的试验研究，并得到了一些有用的成果；结合非饱 和土固结理论从理论上探讨了填埋场主固结( 压缩) 的完成时间的计算方法，为 次压缩沉降模型合理性的验证提供了良好前提。 4 ) 结合k e l v i n 模型及填埋场沉降“有限应变”的特点，建立了填埋场一维 次压缩沉降计算模型；提出了如何在压缩沉降中考虑有机质降解对骨架的软化作 用影响的计算方法。 学位沦文独创性声明： 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) ： 屡盘叠、泗f 年( 月巧日 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 、 y 年伊月听日 河海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 随着世界各国城市化进程的加快，城市固体废弃物( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ， 简称m s w ，包括生产垃圾、商业垃圾和生活垃圾) 产量的飞速增长已经成为目 前世界各国日益关心的问题【1 1 1 2 1 1 3 1 。据统计，1 9 6 0 年美国m s w 年产量约为0 9 亿吨，日人均产量1 2 0 k g ； 2 0 0 0 年时年产量达2 3 2 亿吨，日人均产量接近 2 0 7 k g 4 1 5 ；在我国，1 9 9 0 年时m s w 产量为6 7 6 6 万吨，2 0 0 0 年m s w 产量已达 i 0 7 亿吨，平均每年以9 6 左右的速度递增。人均日产量大体上也以同速度 水平增加，2 0 0 0 年时已超过了l k g 6 1 。表1 1 为我国某市1 9 9 9 2 0 0 0 年时的垃圾 收集量情况【7 1 。 表1 1 我国某市1 9 9 0 2 0 0 0 年m s w 收集量 1年份1 9 9 31 9 9 4 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 i 产量( 吨)7 5 7 77 6 5 0 8 8 0 39 8 4 51 0 6 7 1 1 1 0 8 3 1 2 8 1 51 3 2 3 4 从上表可以看出，m s w 增长速度非常快。按此速度发展，到2 0 1 0 年时， 该市m s w 产量将达3 3 9 6 3 吨【8 1 。如此高速增长的m s w 若未得到及时有效地处 理，将对周围环境及人们健康造成极大威胁，具体表现为 9 1 ： f 1 1 侵占土地及大量农田c l o l 据1 9 8 5 年航空遥感技术调查：广州市近郊地面堆放的各类固体废弃物占地 1 6 5 8 公顷阳。这些固体废弃物的随意堆放、侵占农田现象，在我国许多城市相 当普遍。截止1 9 9 5 年，我国各城市历年m s w 雄存量累计己高达6 6 4 l 亿吨， 侵占5 5 0 8 5 公顷土地，且每年还在以8 1 0 的速度增长1 2 】。 f 2 1 污染土壤 土壤是许多细菌、真菌等微生物聚集的场所，这些微生物与周围环境构成了 一个和谐的生态系统。m s w 随意堆放时其中的有害成分未经任何处理，在风化、 雨雪淋溶、地表径流侵蚀等因素作用下，产生的有毒液体渗入土壤后将杀死土壤 中的微生物，破坏土壤的腐解能力，会对周围环境造成极大威胁【】。 ( 3 ) 污染水体 m s w 在雨雪作用下产生的有毒液体一淋滤液随天然降水和地表径流进入河 流湖泊会使地面水造成污染；当淋滤液渗入土壤后将造成饮用水源即地下水的污 第一章绪论 染；若进入河流、湖泊或海洋时，则将导致更大的水体污染。 ( 4 ) 污染大气1 2 】【1 3 】 m s w 中有机成分在适宜的温度和湿度下被微生物分解，将释放出一些有害 气体如c 0 2 及c h 4 等，这些气体若未进行收集直接排放到大气中，会加剧温室 效应及导致大气臭氧层的破坏；以细颗粒存在的废渣和垃圾在风作用下将扩散到 很远的区域，对周围居民身心健康将造成极大危害。 f 5 ) 影响周围环境卫生 各种垃圾的随意堆放不仅影响到人们的健康，而且还会破坏城市的市容市 貌。 因此，现代社会所面临一个迫切问题就是如何对m s w 进行有效处理以及在 处理过程中如何避免其对周围环境造成污染。城市固体废弃物处理目前主要遵循 无害化( r e c o v e r ) 、减量化( r e d u c e ) 及资源化c y c l e ) 的“3 r ”原则1 4 l 【1 5 】，在 此基础上衍生出的方法主要有“堆肥法”、“焚烧法”、“卫生填埋法”三种，各方 法简单介绍如下： r 1 ) 堆肥法【1 6 】【1 7 1 堆肥法即采用一定工艺方法将m s w 堆填在某处，利用微生物来分解其中的 有机成分，使其经过发酵和降解变成稳定成分，并利用发酵过程中产生的高温杀 死m s w 中的微生物以达到无害化处理的方法。堆肥法虽然技术较为成熟，但由 于目前m s w 中工业产品成分比重日益增大，加上耕作制度改变以及化肥大量使用 堆肥效果并不佳；同时传统堆肥法本身还存在发酵周期长、处理能力有限、肥效 低等缺点【1 8 】【1 9 】。 ( 2 1 焚烧法2 0 1 焚烧法即将m s w 中可燃成分在焚烧炉中加以焚烧的种较为彻底的m s w 处理方法。但焚烧处理费用较高【2 “，且对m s w 的低位热值有要求。一般要求m s w 的低位热值至少为1 8 6 0 0 0 k j k 9 1 9 ，目前我国大多数城市的m s w 组成中可燃成分 较低，热值一般很难达到该标准。如我国武汉市m s w 的热值仅为2 1 8 1 0 5k j k g ， 若采用焚烧方式处理需要添加辅助燃料才能燃烧，这将增加处理成本，并且燃烧 时产生的毒烟毒气可能会导致二次污染。但随着我国生活水平的提高导致m s w 低 热值的增加以及焚烧技术的完善，焚烧法对m s w 处理的比重将逐步上升。 ( 3 1 卫生填埋法【2 2 】 卫生填埋法即是指在铺设有良好防渗性能衬垫的场地上，将m s w 铺成一定 河海大学博士学位论文 厚度的薄层，压实后并加土覆盖的m s w 处理方法。 目前由于卫生填埋法具有投资少、处理方法简单、二次污染少，对生活垃圾 成分无特殊要求等优点而成为m s w 处理的主要方法之一 2 3 1 。更为重要的是：堆 肥及焚烧后产物最终都需要采用卫生填埋法来进行处理。 由于卫生填埋法具有上述优点，因此即使在发达国家卫生填埋法也是m s w 处理的首选方法。在英国，1 9 7 8 1 9 7 9 采用卫生填埋方法处理的m s w 占总处 置量的8 9 ，目前仍大约有7 0 的生活垃圾及商业垃圾采用填埋方式进行处置 【绷。在美国，尽管过去2 0 年中卫生填埋法处置m s w 的比率从8 1 下降到了6 1 ， 但是它仍将在很长一段时间内是美国m s w 的主要处理方式【2 5 1 1 2 6 1 。我国自6 0 年 代以来，特别是自1 9 9 1 年建设部正式把卫生填埋法确定为近期推广的m s w 处 置首选技术后，卫生填埋方法的比例逐年加大，至上世纪9 0 年代末卫生填埋总 量已占m s w 处理量的7 9 2 ，堆肥处理为1 8 8 ，焚烧法只占2 【2 7 1 。 目前我国已有许多城市陆续兴建了一些大、中型卫生填埋场，如：深圳下坪 生活垃圾填埋场、北京阿苏卫生活垃圾填埋场、上海老港卫生填埋场、杭州天子 岭垃圾填埋场、苏州七子山生活垃圾填埋场，重庆长生桥垃圾填埋场等。可以预 见，随着卫生填埋法理论的日渐成熟及施工水平的日益提高，在未来很长一段时 间内它仍将是我国最主要的m s w 处理方式，也将出现更多以及更大型的一些卫 生填埋场。因此，对卫生填埋场进行相关研究不仅具有较高的理论价值，而且还 会以直接或间接的方式带来巨大的社会效益、环境效益及经济效益。 1 2 现代卫生填埋场沉降研究意义 1 2 1 现代卫生填埋场简介 现代卫生填埋场( 也称现代卫生填埋工程或简称填埋场) 是有控制地处理城 市固体废弃物( m s w ) 的种途径，它是指在铺设有良好防渗性能衬垫的场地 上，将m s w 按一定方式填埋，并加土进行覆盖的系统吲。图1 1 为现代卫生填 埋场的简图，主要由底部衬垫、淋滤液收集、气体收集、上部覆盖等子系统组成。 第一章绪论 填埋场底部衬垫系统采用了压实粘土与h d p e 相结合的防渗方式将淋滤液 对周围环境污染威胁控制到最d d 2 8 】【2 9 l ；淋滤液收集系统将场内被压缩挤出或有 机质降解产生的液体及时排出，降低因淋滤液积压过多而造成的泄漏威胁【3 0 】1 3 1 】： 气体收集系统可对填埋场内产生的气体进行收集，并将其中一些可燃气体焚烧发 电，创造经济效益【3 2 1 1 3 3 1 1 3 4 1 ，同时可避免填埋场内可燃性气体积聚而发生爆炸。 我国重庆、贵阳、岳阳、北京、福州、嘉义等地都曾报道过类似的事故瞰l ；顶部 覆盖系统可避免雨水进入填埋场造成相应的安全问题以及对设施造成破坏，还可 防止垃圾四处飘散而污染环境，避免产生的有毒气体直接排放到大气中对环境造 成巨大危害【3 6 】。总之，现代卫生填埋场是一个设计科学、运行维护合理、可最大 限度发挥环境效益及经济效益的系统。 1 2 2 填埋场沉降造成的危害及研究意义 卫生填埋场沉降包括填埋场基础沉降及填埋场自身沉斛2 2 】口饥。早期填埋场 设计较为简陋，内部没有安装相关的排水及排气管网，同时缺乏对周围环境影响 的考虑，因此当时研究重点主要集中在基础沉降方面 3 8 】例。随着岩土工程中基 础处理技术日渐成熟以及大量现代卫生填埋场兴建，填埋场沉降对填埋场造成的 危害逐渐被人们所认识到并逐渐成为研究的热点问题。 填埋场沉降一般通过填埋场顶部覆盖系统的变形表现出来，它影响到填埋场 4 阿海大学博上学位论文 中各种设施及上部建筑的安全【2 4 】，是填埋场建设者及管理者都非常关心的问题。 具体表现为： ( 1 ) 填埋过程沉降将影响到填埋场有效设计容量1 , 1 0 1 1 4 1 i 。 m s w 是一种高度非均质性、大孔隙的松散材料，重力密度及孔隙比随着种 类、组成、深度、压实方式的不同而变化。s h a r m a 9 2 】对l a n d v a & c l a r k d 3 等人资 料整理后，得到一般填埋场内m s w 重力密度大致在3 1 1 3 2 k n l m 3 范围内；张 振营4 4 1 、朱向荣【4 5 】等人得到杭州天予岭填埋场m s w 的重力密度范围为7 0 1 3 4 k n m 3 ：朱俊高【4 6 】【4 7 1 、陆晓平1 4 8 等人得到了深圳下坪填埋场的m s w 平均重 力密度为1 1 2 斟m 3 ，其他学者对其它填埋场研究后得到的成果也大致在同一范 围h 9 】 s o 】 5 1 】f 5 2 】；m s w 孔隙比一般在1 0 4 0 左右，最高可达8 0 以上。上述这些 都在一定程度上反映了m s w 具有很高的压缩性【4 3 】。因此在填埋过程中，m s w 在碾压及自重等因素作用下将产生相当大的压缩变形及后续变形，这将使得填埋 场设计容量要比实际填埋容量要小得多，从而造成资金的浪费。 ( 2 ) 封场后的沉降变形威胁到填埋场安全运营口3 】【5 4 1 【5 5 】 填埋场中底部衬垫、淋滤液收集、气体收集、上部覆盖子系统由大量排气管 网、内部防渗层、底部衬垫层、渗滤液收集管网及项部密封设计的覆盖层等结构 设施组成。填埋场沉降持续时间非常长，可能持续几十年甚至上百年，最终沉降 可能高达初始填埋高度的3 0 4 0 【4 0 l ，如此大的沉降对填埋场将造成以下严重 后果：1 ) 填埋场内部各种防渗层发生撕裂或破坏，导致淋滤液发生泄漏而对周 围环境造成污染，这种污染在短时间内难以修复酬【5 7 】【5 8 】。2 1 气体收集管可能会 由于填埋场的不均匀沉降而拉断，使气体在填埋体内淤积，严重时将会发生爆炸 3 5 1 1 5 9 1 0 3 ) 顶部防渗层拉裂后，雨水渗入填埋体内后场内淋滤液总量增加，超出 了淋滤液收集系统的设计排放能力，也将增加对周围环境污染的威胁【6 。1 。4 ) 沉 降还可能对边坡防渗隔离层形成“拖曳”作用，从而产生拉伸裂耐6 1 】【6 2 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，又可能会引起填埋体的失稳西3 】【“1 1 6 5 】【6 6 1 。1 9 8 8 年，位于美国k e t t l e 山的一 个填埋场发生了失稳，水平位移达到了3 5 英尺，修复时花费了巨大的人力与物 力，该失稳可能与上述原因有关【6 7 】。 综上所述，过大的填埋场沉降对填埋场造成的危害极大，因此需要在本质上 把握其发展规律，对填埋及封场过程中发生的沉降进行准确地预估，并提前做出 合理应对措施，避免造成不可估量的损失。 第一章绪论 1 3 填埋场沉降研究现状 随着卫生填埋法的广泛使用及国内外卫生填埋场大量兴建，填埋场沉降问题 愈来愈受到重视。围绕卫生填埋场沉降问题的研究，可分为试验研究与理论研究 两部分。 1 3 1 试验研究 许多学者对填埋场沉降进行了大量的试验，其中包括现场取样室内试验及人 工配料m s w 室内试验，得到了一些重要的成果及结论。 1 现场试验 填埋场沉降现场相关试验主要指现场沉降数据的观测及m s w 的压缩性试 验。 现场数据观测是指填埋过程中在填埋场内埋入沉降计或在顶部设置沉降板 分别对填埋场的内部及顶部沉降进行监测。g o u r c & v u i l l e m i n l 6 8 1 等在法国 m o n t r e u i l 及t o r c y 填埋场中埋设了沉降计以监测内部沉降的发展变化；英国建 筑研究所( b u i l d i n gr e s e a r c he s t a b i s h m e n t ，简称b r e ) 分别对英国的e a s tl o n d o n 、 r e d d i i t c h ，h e r t f o r d s h i r e ，l i v e r p o o l 、b r o g b o r o u g h 、c a l v e r t ，s t e w a r t b y ，h e a t h f i e l d 等填埋场进行了长达数十年的沉降数据监测【2 4 】；m a l l l e r 【6 9 i 等在填埋场表面设置水 准点对沉降进行监测。国内刘疆鹰、徐迪民【7 0 】等人在上海老港填埋场北侧的一试 验场进行了历时8 8 0 天的沉降观测，得到了一部分填埋场现场沉降观测数据。 上述两种观测方法都相对简单有效，均可跟踪观测沉降变形的整个过程，其 中沉降计法由于还具有可观测填埋场内部较深处沉降的优点，因此在许多填埋场 现场沉降监测中得到广泛应用。 对恒载下沉降速率测量的测标法也正在被广泛采用，测标法的主要内容为： 比较不同时期的航测照片；观测填埋表面的水准标点；在填埋场之所筑土堤下设 置沉降平台以及还包括了测斜技术的应用。 为了解填埋场内m s w 的压缩性，一些学者还采用了荷载试验1 7 1 1 ，旁压试 验1 7 2 1 和固结试验1 7 3 1 7 4 1 等手段对m s w 的压缩性质进行了研究。 总之，填埋场沉降观测方面的数据资料国外资料较为丰富，由于国内填埋场 建设起步较晚且研究水甲落后，因此现场沉降观测资料较少。 河海大学博士学位论文 2 现场取样室内试验 现场取样室内试验是指在现场取样后在室内进行试验，以获得相关的力学参 数。目前采用这种试验方法主要是在室内将试样重塑或完全扰动然后进行直剪试 验以得到其强度参数。 s i n g h 和m a r p h y 7 5 】使用薄壁取土器或冲击式取土器在现场取样，然后在室内 进行三轴试验；f a n g 和m a r p h y 7 6 j 从现场取样在室内进行了无侧限抗压或拉伸试 验；赵由才1 7 7 1 等人从上海老港填埋场取m s w 试样在室内对淋滤液水质浓度进行 了研究；谢耐7 8 1 等人从重庆封闭多年的卫生填埋场中取样对陈垃圾土压缩性质进 行了研究。 目前在室内对m s w 性质进行试验时大多借助于土工仪器，试验操作也主要 参考相应的土工试验规范。由于土工仪器尺寸都较小以及从现场取样的m s w 具 有高度非均质性，使得试验结果相当离散，因此有学者建议在参考一些相关土工 仪器基础上，研制大尺寸的仪器实现相同功能1 2 斟。 美国缅因州中心填埋场制作了1 5 m 2 的混凝土剪切盒，在现场进行了几组大 型直剪试验盯9 】；r a o 8 0 l 设计了边长3 0 m ，高度1 5 m 的仪器对m s w 的沉降规律 进行了观测；g a n d o l l a 设计了一台内径l m ，高3 0 m 的仪器，在室内进行了m s w 的室内沉降观测【8 i j ，p o w r i e 掣8 2 1 设计了个高3 m 、直径2 m 的压力室对英国 p i t s e a 填埋场的m s w 试样进行水力特性试验研究等。 浙江大学的一些学者在这方面进行了大量富有成效的工作。陈云敏、柯瀚、 张振营【8 3 f 8 4 1 等人设计了一台内径1 9 0 c m ，净高3 4 0 c m ，壁厚2 0 c m 的简易压缩 装置，对杭州天子岭填埋场的m s w 试样进行压缩试验研究；同时进行了大量的 诸如土性参数【“l 【5 2 】、强度参数【5 3 1 8 5 】、压缩特性【4 5 j 8 3 1 【辩8 6 1 、动力特性【8 7 、剪切 波速 8 8 1 、静力及动力抗剪1 8 9 增一系列试验研究，这些试验成果对于我国填埋场 沉降方面理论的研究具有很高的价值。 3 人工配料m s w 室内试验 人工配料m s w 室内试验是指对各种成分选取合适的替代材料并按事先确 定好的配比配制m s w 试样，然后在室内对m s w 的性质进行试验研究，它是近 年来对m s w 性质规律进行研究新的试验途径。 彭功勋 9 0 1 在统计分析了欧荚等国家m s w 的成分与配比后选取与各成分性 第一章绪论 质相近的材料在室内进行了简易的柱状沉降试验；方云飞【9 l 】、胡亚东【9 2 】等人对 其配比进行调整后对m s w 的有机质降解规律进行了研究，并都取得了一些有用 的研究成果。 一些学者以该试验方法为基础对m s w 的强度等性质进行了研究，如刘荣1 9 3 在采用常规三轴仪对人工配制的m s w 试样进行了三轴固结排水及不排水剪试 验研究；冯世进1 8 7 1 参考杭州天子岭填埋场的成分及配比后进行人工配制试样，采 用大型三轴剪力仪对m s w 试样进行了固结排水剪试验以获得相关的力学参数。 1 3 2 理论研究 填埋场沉降常常在旌加填埋荷载时即开始发生，并且将持续很长一段时间， m s w 所表现出来的非均质性和大孔隙程度要比一般土体复杂得多，填埋场沉降 的主要机理如下： 2 2 1 9 4 1 1 9 5 】f 9 6 】 ( 1 ) 物理压缩( m e c h a n i c a lc o m p r e s s i o n ) ：包括m s w 的畸变、弯曲，破碎和 重定向，与有机土固结相似。物理压缩由填埋自重及其受到的荷载所引起，在填 埋初期，主固结( 压缩) 期，次固结( 压缩) 期内都可能发生。 f 2 1 错动( r a v e l l i n g ) ：m s w 内细颗粒向大孔隙或洞穴中运动。 ( 3 1 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 ) ：废弃物因为腐蚀、氧化和燃 烧作用引起的质变及体积减少。 生化分解( b i o c h e m i c a ld e c o m p o s i t i o n ) ：m s w 内有机质因为发酵、腐 烂及需氧与厌氧作用引起的质量减少。 从上述分析可知填埋场沉降产生机理极为复杂，各种机理并非简单迭加，而 是相互作用及相互影响的。由于该问题如此复杂，到目前为止尚未建立完善及合 适的填埋场沉降计算模型与理论，或者说合理的填埋场沉降计算模型与理论还没 有被大家所接受。但可以明确的是填埋场沉降产生的原因是荷载作用下导致的压 缩沉降以及由于有机质在生物化学的作用下引起的有机质降解沉降共同作用的 结果阻】。下面对填埋场沉降研究的一些现有研究成果进行简要介绍： 1 压缩沉降模型 通常假定对于填埋场因为应力引起的压缩沉降经典土力学压缩理论也适用， 因此一一般认为填埋场压缩沉降由三部分组成【9 7 】【9 8 1 1 9 9 1 1 删： s 甚2s 。+ sp + s 。 l t l ) 河海大学博士学位论文 其中：兔一总沉降；t 一瞬时沉降；一主固结( 压缩) 沉降；一次固结( 压 缩) 沉降。 上述区分与一般土体沉降变形阶段区分在形式上完全相同，这种区分方法既 遵循了岩土力学传统计算方法，也符合人们对沉降阶段的认识，容易被大家接受。 ( 1 ) m s w 瞬时沉降模型 m s w 瞬时沉降的一般公式为： s ：垫 ( 1 2 ) e 。 幻一外加荷载；h 。一初始填埋高度；s 一初始沉降量；e 。一初压缩模量。 r i c a r d o 【1 0 1 1 ( 2 0 0 5 ) 得到了一个瞬时沉降经验公式： 埘：旦垃 a c t + b ( 1 3 ) 其中：正，一旖加荷载；h o 填埋体初始高度；曲一经验系数。 瞬时沉降一般只在m s w 填入填埋场时( 封场前) 需要考虑【7 0 】，这部分沉降 主要对填埋场的容量估计影响较大。封场后由于瞬时沉降发生时间非常短，与填 埋场主固结( 压缩) 无法分开，故一般在封场后归入到主固结( 压缩) 沉降中计 算，一起称为“主沉降”p 0 2 。 f 2 1 主、次压缩( 固结) 模型 s o w e r s 9 4 1 最早结合传统土力学中的相关固结公式提出了填埋场的主固结( 压 缩) 、次固结( 压缩) 沉降计算模型，见式( 1 ，4 ) ： s i = h o e s t l = h o c o 其中：巩填埋场初始高度，单位m ； c r 0 。平均初始竖向有效应力，或前期压力，单位k p a ； 盯外作用引起的压力增量，单位k p a ； c l l 修正主固结( 压缩) 指数； e 次固结( 压缩) 系数 t 次固结( 压缩) 结束的时间，单位d a y s ； ，。次同绱( 压缩) 开始的时间，单位d a y s ； 萨 懈 肼 第一章绪论 通过1 5 个月的现场监测，s o w e r s f 9 4 墟议鼍o ，1 5 o 5 5 ) e o ，e = ( o 0 3 o 0 9 ) e 0 ；其中c 与q 值均当m s w 有机质含量较低时取低值，含量较高时取高值。 g o u r c 巧8 1 认为= ( o 1 5 o 3 0 ) ，= ( 0 0 5 2 + 0 0 0 4 ) ，其中式( i a ) 中的主固结 ( 压缩) 沉降公式已包括了对瞬时沉降部分的考虑【2 2 1 。 t 9 7 5 年，y e n 和s c a n t o n 1 0 3 1 对填埋场的次固结( 压缩) 沉降进行研究后提出 了一个积分形式的模型： s 萨i ( a - b 1 0 9 t ) d t 卜= o o 0 0 9 5 日+ o ，0 0 9 8 5 【b20 0 0 0 3 5 h + 0 0 0 5 0 9 ( 1 5 ) r o 次固结( 压缩) 沉降开始时刻 1 9 9 6 年，a d e m e 和s i m e c s o l 1 0 4 将s o w e r s f 9 4 1 与y e n 和s c a n l o n l l 。3 】的模型进行 卜叫警 n 6 ， i 品= ( a - b l o g t ) d t 上式除c ，建议取值为o 2 2 外，其余各参数取值及意义与式( 1 4 ) 与( 1 5 ) 为专门计算填埋场填埋完成及封顶后的沉降以保护顶部覆盖层完整性，一些 学者提出了专门的“长期沉降”模型。在这类模型中认为主固结( 压缩) 沉降已经 完成，只需要考虑次固结( 压缩) 沉降。 1 9 8 9 年，j a m b u 等f 埔5 1 提出了长历时次固结( 压缩) 沉降模型： 品：h i n t ( 1 7 ) 乓次固结参数，1 0 1 0 0 ； f 次固结( 压缩) 沉降结束时间，m o n t h s ； 河海犬学| 尊上学位论文 f 0 。次固结( 压缩) 沉降开始时间，m o n t h s ： 1 9 9 0 年，e d i l 等哪! 提出m s w 长历时次固结( 压缩) 沉降多项式模型： 岛：坐广 ( 1 8 ) 其中，h 、卜_ 意义与式( 1 7 ) 同，t 单位：d a y s ； 盯垃圾柱的平均竖向有效应力，k p a ； q 一一固结参数，2 1 0 5 k p a q 3 4 x1 0 5 k p a ； n 指数，o 3 7 n 1 55 1 9 9 2 年，g a n d o l l a 和g o u r c 8 1 1 提出了指数型次固结( 压缩) 沉降模型： 岛= a h ( e 一1 ) ( 1 9 ) 其中：a 一参数，4 4 1 6 l ；k 一降解速率，o 0 0 7 7 ；卜时间，m o n t h s 。 l i n g 4 0 】提出了双曲线函数次固结沉降模型，在对一些填埋场的沉降进行计算 时得到了较好验证： j ： ! 一( 1 1 0 ) 1 1 s , o + l s 。n 其中：一初始沉降速率；一最终沉降； w a t t s l z 4 1 认为填埋场次沉降可以采用式f 1 1 1 ) 计算： _ 2 3 0 3 r 鲁x 1 0 0 ( 1 1 1 ) 其中：一沉降速率。 由于主、次( 固结) 沉降之问时间分界点存在争议，因此有学者建议将二者 融合在一个公式中计算。 g i b s o n 和e d i l 1 0 6 1 等提出一个指数型沉降计算模型对主、次沉降进行了研究： _ = 日盯 q + q ，一e x p ( 一言r ) c t z ， 其中：c 一主压缩指数参数，9 3 1 0 5 k p a - 1 ；c 2 一次压缩指数参数，1 3 1 0 3 k p a - 1 ； 笼一次压缩沉降率，1 7 1 0 4 d a y l ：r 一荷载开始作用时间： 彭功勋9 0 1 对填埋场沉降曲线进行研究分析后认为，填埋场整个沉降过程可基 于麦钦特模型描述，同时结合填埋场变形的“有限变形”特点，得到了填埋场一 第一章绪论 维沉降全程计算模型： 其中： v 。= 言 巳。， ，+ z c ，p ，( p + 砉嚏c + 嚷 叫卜睢。一婊，) r q ( 力。巧雨1 瓣万 删= 学h e 屹1 je - 鲁卜 ) = 器富 w 一总压缩沉降；p 一上部作用荷载，k p m 一第j 层干容重； 哆一第j 层含水率；巨，b ，t 雎一第j 层流变参数。 2 有机质降解沉降模型 ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 有机质降解引起的沉降( 以下均简称为有机质降解沉降) 是填埋场沉降的重 要组成部分，一般认为有机质降解沉降值最终可达到初始填埋厚度的1 8 2 4 1 0 7 1 1 1 0