（环境工程专业论文）北京南站垃圾填埋场沉降研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国社会经济的发展，城市人口的增加以及人民生活水平的提高，城 市生活垃圾的产量也迅速地增加，同时，随着城市化进程的加快，不断的修建 和拆除建筑物产生的建筑垃圾也不容忽视。当城市生活垃圾与建筑垃圾混合堆 放填埋时，就产生了种特殊的填埋场一杂填土垃圾填埋场。由于土地资源日 益减少，所以许多新的建筑物需要建筑在这类填埋场上。但杂填土垃圾填埋场 自身具有一定的沉降量，不能直接作为建筑地基使用，因此，对杂填土垃圾填 埋场的沉降进行研究是十分必要的。 本文采用理论分析和数学处理相结合的方法，结合北京南站垃圾填埋场二 次利用工程的实际，在广泛阅读国内外文献资料的基础上，对杂填土垃圾填埋 场沉降进行研究。 本文首先分析杂填土垃圾填埋场的沉降机理。从力学与热力学两方面阐述 杂填土垃圾填埋场的沉降机理，根据沉降机理的不同，将杂填土垃圾填埋场沉 降分为有机质降解沉降和压缩沉降进行研究。 在有机质降解沉降方面：从有机质沉降机理出发，将有机质降解沉降划分 为：废物固体部分丧失导致组元体积减少而引起的沉降和因固体骨架降解作用 软化破坏而导致其结构重新调整引起的沉降，分别建立了两部分沉降数学模型； 在压缩沉降方面：用粘弹性理论建立了符合杂填土的本构模型，并结合填埋场 “有限应变的特点，建立了压缩沉降模型。 研究结果表明：杂填土中影响有机质降解沉降量的因素有生活垃圾的含水 率、孔隙度、有机物相对密度、无机物相对密度、降解系数等；而压缩沉降， 则是杂填土干重度、含水率、e ，、e 。、r l 等的函数( e 。、e 。、r l 为蠕变参数) 。 应用建立的模型对北京南站垃圾填埋场沉降进行了预测，结果符合填埋场 沉降趋势。 关键词生活垃圾、建筑垃圾、沉降、有机质降解沉降、压缩沉降 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a o t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y 、t h ei n c r e a s i n go f u r b a n p o p u l a t i o na n dt h e t m p r o v e m e n to fs t a n d a r do fl i v i n g ，t h eg e n e r a t e dq u a n t i t yo fm u n i c i p a ls o l i d w a s t e ( m s w ) i n c r e a s e da th i g hs p e e di nc h i n a a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ep r o g r e s s o fu r b a n i z a t i o n , t h eg e n e r a t e d q u a n t i t yo fa r c h i t e c t u r ew a s t ea tt h ep r o g r e s so f b u i l d i n ga n dd e m o l i s h i n gab u i l d i n gi sa l s oc a n tn e g l e c t ak i n do fe s p e c i a ll a n d f i l l i sp r o d u c e dw h e n m u n i c i p a ls o l i dw a s t ea n da r c h i t e c t u r ew a s t e a lem i x e di n l a n d f l l m i s c e l l a n e o u sf i l l i n gl a n d f i l l b e c a u s eo fd e c r e a s i n gl a n dr e s o u r c e s ，al o to f n e wb u i l d i n gn e e dt ob u i l do nt h i sk i n do f l a n d f i l l h o w e v e r , m i s c e l l a n e o u sf i l l i n g l a n d f i l lc a n tu s et ob et h eb a s eo f b u i l d i n gb e c a u s ei th a si t so w na c e r t a i na m o u n to f s e t t l e m e n t a sar e s u l t , r e s e a r c ho ns e t t l e m e n to fm i s c e l l a n e o u sf i l l i n gl a n d f i l li s n e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra d o p t st h et h e o r ya n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i st od e v e l o p t h er e s e a r c ho fl a n f f i l ls e t t l e m e n ti n t e g r a t i n gt h ep r o j e c to fa s e c o n d a r yu s i n gb e i j i n g n a n z h a nl a n d f i l la n dr e a d i n gal o to fr e f e f e n c e se x t e n s i v e l y i nt h i s p a p e r , a tt h ef i r s t ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h es e t t l e m e n tm e c h a n i s mo f m i s c e l l a n e o u s f i l l i n g l a n d f i l lf r o mm e c h a n i c sa n d t h e r m o d y n a m i c s l a n d f i l l s e t t l e m e n ti n c l u d e s b i o d e g r a d a t i o ns e t t l e m e n ta n dc o m p r e s s i o ns e t t l e m e n td u et o t h ed i f f e r e n c eo fs e t t l e m e n tm e c h a n i s m o nb i o d e g r a d a t i o ns e t t l e m e n t s i d e ，b a s e o ns e t t l e m e n tm e c h a n i s mo f b i o d e g r a d a t i o ns e t t l 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 ti sp a r t e ds e t t l e m e n to fv o l u m e d e c r e a s i n gf o rw a s t es o l i dl o s i n ga n ds e t t l e m e n to ff r a m ea d j u s t i n gf o rf r a m e w o r k d e s t r o y a n d t w or a t i o n a lm a t h e m a t i cm o d e l sa l ee s t a b l i s h e d o n c o m p r e s s i o n s e t t l e m e n t s i d e ，e s t a b l i s ha no r i g i n a lm o d e lu s i n gc r e e pt h e o r y , a n dl i n kt h e c 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 ls e t t l e m e n t ，e s t a b l i s har a t i o n a lm a t h e m a t i c m o d e lo f c o m p r e s s i o ns e t t l e m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tm o i s t u r ec o n t e n t ，p o r o s i t y ，o r g a n i cm a t t e rd e n s i t y ，m i n e r a l d e n s i t y 、d e g r a d a t i o nq u o t i e t ya n ds oo n ，w i l lh a v ea ni m p a c to nl a n d f i l ls e t t l e m e n t ； c o m p r e s s i o ns e t t l e m e n ti st h ef u c t i o no fd r yw e i g h t 、m o i s t u r ec o n t e n t 、e1 、e 2 、 t la n ds oo n ( e 1 、e 2 、na l ec r e e pp a r a m e t e r s ) a t l a s t ，c a l c u l a t et h es e r l e m e n to f b e ij i n gn a n z h a nl a n d f i l lu s i n gt h em o d e li n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 t h i sa r t i c l e ，t h er e s u l ta c c o r dw i t ht h et r e n do ft h el a n d f i l ls e t t l e m e n t k e yw o r d sm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，a r c h i t e c t u r ew a s t e ，s e t t l e m e n t ，b i o d e g r a d a t i o n s e t t l e m e n t 、c o m p r e s s i o ns e t t l e m e n t 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 不保密固，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：罕- 纯琴 日期：跏占，2 7 指导老师签名 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，是在导师指导卜独立进仃研冗工 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 人或集体已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，均己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： p 贴研札珏易k ，： 智牲匕；啤份勾百聿n ，住晦 沉吁勃亿： i 话口叶 。岬佩即_ ： m t 呶k 、如务诅确气佩睁 龅 坪1 柚弓 k ：l 蔓：危越气兮年气象哆幻午构车乞跫，彳钝台囊互场 百1 | 压蔗2 功吁吏一豇舍孑蔓白豇绲派肾杉理 学位论文作者签名： 年日彭垮 f t 期：枷3 ，2 8 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 杂填土及处理 1 1 1 杂填土及危害 杂填土是城市生活垃圾与建筑垃圾混合形成的。 城市生活垃圾( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，简称m s w ) 是指在城市同常生活或 者为城市日常生活提供服务的活动中所产生的固态、半固态废物【2 】【3 】【】，其主 要成分包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃、陶瓷碎片、 砖瓦渣土、粪便，以及废旧电池、庭院废物等。主要特点表现为成分复杂、 有机物含量高。城市生活垃圾主要产自城市居民家庭、城市商业、餐饮业、 旅馆业、旅游业、服务业、市政环卫业、交通运输业、文教卫生业和行政事 业单位、工业企业单位以及水处理污泥等。 随着世界各国城市化进程的加快，城市固体废弃物产量的飞速增长已经 成为目前世界各国日益关心的问题【s 】。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 t 6 j t n ；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 产量己达1 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 也以同一速度水平增加，2 0 0 0 年时已超过了l k g t s l 。表1 1 为我国某市1 9 9 4 2 0 0 0 年时的垃圾收集量情况i ，】。 表卜l 我国某市1 9 9 4 - - 2 0 0 0 年m s w 收集量单位：吨 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d o 。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【1 1 】：( 1 ) 侵占 土地及大量农田：( 2 ) 污染土壤；( 3 ) 污染水体；( 4 ) 污染大气d 2 1 ；( 5 ) 影响周围 环境卫生。 根据建设部2 0 0 3 年6 月颁布的城市建筑垃圾和工程渣土管理规定( 修 订稿) ，建筑垃圾是指建设、施工单位或个人对各类建筑物、构筑物等进行 建设、拆迁、修缮及居民装饰房屋过程中所产生的余泥、余渣、泥浆及其他 废弃物【1 3 】【1 。按照来源分类，建筑垃圾可分为土地开挖、道路开挖、旧建筑 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 物拆除、建筑施工和建材生产五类，主要由渣土、碎石块、废砂浆、砖瓦碎 块、混凝土块、沥青块、废塑料、废金属料、废竹木等组成。建筑垃圾中土 地开挖垃圾、道路开挖垃圾、建材生产垃圾，一般成分比较单一，其再生利 用或处置比较容易，主要讨论建筑施工垃圾和旧建筑物拆除垃圾。 建筑施工垃圾和旧建筑物拆除垃圾大多为固体废弃物，一般是在建设过 程中或旧建筑物维修、拆除过程中产生的。建筑施工垃圾与旧建筑物拆除垃 圾组成成分相差较大。表1 2 为中国香港特别行政区的旧建筑物拆除垃圾和 新建筑物施工垃圾组成比较。 表1 2 中国港特别行政区的旧建筑物拆除垃圾和新建筑物施工垃圾组成比较 从表1 2 可以看出，新建筑物建设施工垃圾与旧建筑物拆除垃圾主要组 成成分为混凝土、石块和碎石、泥土和灰土三大类，三大类组分在新建筑物 施工垃圾与旧建筑物拆除垃圾中所占比例之和分别达到7 7 9 和7 2 8 4 ，其 他组分的百分含量则不大。一般而言，旧建筑物拆除垃圾中废混凝土块成分 较多，而新建筑物建设施工垃圾中石块和碎石、泥土和灰尘成分较多1 1 5 。 不同结构类型建筑物所产生的建筑施工垃圾各种成分的含量有所不同。 其基本组成一致。主要由土、渣土、散落的砂浆和混凝土、剔凿产生的砖石 和混凝土碎块、打桩截下的钢筋混凝土桩头、废金属料、竹木材、装饰装修 产生的废料、各种包装材料和其他废弃物组成【l 。表1 3 列出了不同结构形 式的建筑工地中建筑施工垃圾的组成比例和单位建筑面积产生垃圾量。调查 表明：建筑施工垃圾主要由碎砖、砂浆、桩头、包装材料等组成，约占建筑 施工垃圾总量的8 0 。对不同结构形式的建筑工地，垃圾组成比例约有不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 - 3 不同结构形式的建筑工地中建筑施工垃圾的 组成比例和单位建筑面积产生垃圾量 建筑垃圾具有数量大、组成成分种类多、性质复杂等特点，建筑垃圾污 染环境的途径多，污染形式复杂。建筑垃圾可直接或间接污染环境，一旦建 筑垃圾造成环境污染或潜在的污染变成现实，消除这些污染往往需要比较复 杂的技术和大量的资金投入，耗费较大的代价进行治理，并且很难使被污染 破坏的环境完全恢复。建筑垃圾对环境的危害主要表现在一下几个方面t 1 【1 8 】；( 1 ) 侵占土地；( 2 ) 污染水体；( 3 ) 污染大气；( 4 ) 污染土壤。 1 1 2 杂填土处理 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( r e c y c l e ) 的“3 r 原则1 1 】，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： ( 1 ) 堆肥法 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。 ( 2 ) 焚烧法 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 焚烧法即将m s w 中可燃成分在焚烧炉中加以焚烧的一种较为彻底的 m s w 处理方法。但焚烧处理费用较高，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 k j k g ，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。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 w s 处理的比重将逐步上升。 ( 3 ) 3 2 生填埋法 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。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【1 3 】。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。 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己占m s w 处理量的7 9 2 ，堆肥处理为18 8 ，焚烧 法只占2 。 在部分发达国家，对建筑垃圾的回收利用率已经相当高。 而在我国部分发达的城市的一些建筑公司对建筑垃圾的回收利用方面 作了一些尝试，但是资源化率非常低。实践中的建筑垃圾再利用仅限于利用 废旧砖瓦生产混凝土和利用废旧混凝土及砖块坐桩基填料加固软土地基；在 其他资源化方面，如利用废混凝土生产再生混凝土、利用废混凝土生产再生 水泥、沥青屋面废料作再生沥青路面材料等方面，仅处于实验阶段 1 9 1 2 0 1 。 建筑垃圾量非常大，除极少部分有害外，如经防腐处理的废旧木材、含 有汞的日光灯等，其他均可进行资源化。故从理论上讲，只需将建筑垃圾中 有害部分分拣并运往危险废物处置中心，对剩余的绝大部分无毒无害的建筑 垃圾进行资源化即可。但是我国目前对于建筑垃圾资源化的研究尚不够全 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 面、深入，确保建筑垃圾产品质量的操作规程有待制定，国家有关建筑垃圾 资源化的配套政策还未出台。目前从事建筑垃圾资源化的企业很少，我国建 筑垃圾资源化率非常低。因此，在我国建筑垃圾的处理方式以填埋为主。 1 2 研究填埋场沉降的意义 填埋场沉降研究的意义主要表现在以下几方面： ( 1 ) 估算填埋场场地最终填埋容量，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。 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，难以受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 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，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。 ( 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 统和排水系统开裂，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、 荒地或海滩里，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，封场之后的填埋场 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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。但其前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。 综上所述，深入研究城市生活垃圾卫生填埋场中填埋体的沉降特性不仅具有 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。 1 3 论文研究目的、研究内容、研究意义 1 3 1 论文的研究目的 随着我国社会经济的发展，城市人口的增加以及人民生活水平的提高， 城市生活垃圾的产量也迅速地增加，同时，随着城市化进程的加快，不断的 修建和拆除建筑物被所产生的建筑垃圾也不容忽视。当城市生活垃圾与建筑 垃圾混合填埋时，就产生了一种特殊的填埋场一杂填土垃圾填埋场，本文的 研究目的就是研究杂填土垃圾填埋场的沉降并建立杂填土垃圾填埋场沉降 计算模型。 1 3 2 论文的研究内容 本论文依托铁三院对北京南站垃圾填埋场二次利用工程进行如下研究 内容： ( 1 ) 从机理上明确有机质降解沉降与压缩沉降的不同，指出填埋场沉降研 究较合理途径是将其分为有机质降解沉降与压缩沉降进行研究。 ( 2 ) 从有机质沉降机理出发，将有机质降解沉降划分为：废物固体部分 丧失导致组元体积减少而引起的沉降和因固体骨架降解作用软化破坏而导 致其结构重新调整引起的沉降，分别建立了两部分沉降数学模型。 ( 3 ) 用粘弹性理论建立符合杂填土的本构模型，并结合填埋场“有限应变” 的特点，建立合理的压缩沉降模型。 ( 4 ) 将所建立的模型应用到北京南站垃圾填埋场，计算北京南站垃圾填埋 场沉降。 1 3 3 论文的研究意义 通过本文对杂填土垃圾填埋场沉降的研究，一方面：对杂填土垃圾填埋 场的二次工程化开发利用有着迫切的现实指导意义；另一方面：对地基土沉 降量化的研究有一定的补充作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章杂填土垃圾填埋场沉降机理研究 本文所讲的杂填土填埋场是指城市生活垃圾与建筑垃圾混合填埋形成的 填埋场。如前文所述：城市生活垃圾与建筑垃圾组成成分都比较复杂，所以 决定了杂填土填埋场沉降机理的复杂性。本章将从力学与热力学的角度分析 杂填土沉降的机理，从而更深刻、更全面地认识它。后面将在此基础上建立 数学模型。 2 1 杂填土和土体的比较 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万别，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。 表2 1 杂填土与一般土体的比较 表2 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 一一 设【z i 】，并列出了杂填土的相应性质。 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、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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【2 2 1 。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 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 填土所经历的地质营力的作用时间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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 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，随着时间的增长，杂填土 中的有机质充分降解，骨架的性质也逐渐趋于稳定，杂填土将逐渐向一般土 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。 2 2 杂填土沉降的力学机理 如前所述，杂填土的沉降机理相当复杂。国内外文献都没有讲述过杂填 土的沉降机理，但很多文献中都提到一般把城市生活垃圾( m s w ) 沉降的主 要机理分为如下四个部分： ( 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。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。 ( 2 ) 错动( r a v e l i n g ) ：m s w 内细颗粒向大孔隙或洞穴中运动。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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。 建筑垃圾的沉降包括物理压缩、错动和物理变化。 因此，总的来说，杂填土沉降的主要机理也包括四个部分，即：物理压 缩、错动、物理化学变化和生物分解。 可以看出，影响杂填土沉降的因素很多，例如：杂填土的初始孔隙比、 有机质含量、应力历史、上覆荷载的大小、淋滤液水位的涨落、生物降解速 率，等等。实际上，这些因素可能相互影响；而且，其中有些因素还受其它 一些因素的影响。例如，生物降解的速率将受填埋体内的温度、氧气浓度、 酸碱度、湿度等的影响。 在施工现场，一般只有部分因素可以进行人为控制。例如，通过现场的 碾压或强夯，以减小杂填土的初始孑l 隙比、提高前期压力，改善杂填土的力 学性能，减少填埋后的沉降。再如，防止表面降雨的入渗和埋设排渗管道， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 可以有效控制淋滤液水位的上升。 本文根据各种因素对杂填土沉降的影响方式、影响机制和影响条件的差 异，把杂填土沉降的主要机理分为三种： ( 1 ) 骨架的物理力学变化：包括前述的骨架的物理压缩和错动，如：组元 体积、形状、尺寸、位置、角度的变化，不同组元之间相互位置和接触方式 的变化；还包括淋滤液的水解作用下，骨架的力学参数发生的改变： ( 2 ) 超静孔隙水压力的消散：这一过程在杂填土的含水率超过持水率而接 近或达到饱和的时候较为显著，而在含水率较低时影响较小。在杂填土的含 水率超过持水率的情况下，如果在杂填土之上施加一定的荷载增量，或者组 元因振动而趋于密实，杂填土中将形成一定的超静孔隙水压力。随着孔隙水 压力的消散，杂填土将发生沉降变形。 ( 3 ) 组元的生物化学变化：由于微生物对有机质的降解作用，组元性质发 生改变，并且丧失一定的体积和质量。 因骨架物理力学变化导致的沉降可以通过建立固体力学模型予以描述。 而超静孔隙水压力的消散导致的沉降只有在含水率超过持水率时才发 生。由于填埋场严格控制表面降水的入渗，且设置淋滤液排放系统对填埋体 内的淋滤液进行收集和排放，因此，在多数情况下，场内填埋体的含水率往 往较低，不易形成超静孔隙水压力。也就是说，填埋体的排水固结沉降仅在 特定的情况下出现，即淋滤液不能及时排放的情况下出现。 因生物降解作用导致的沉降则相当复杂。一方面，生物降解作用可引起 填埋体质量和体积的损失；另一方面，它还可能导致组元力学性能的改变。 前者可以通过物质转化质量守恒原理进行描述；后者的描述则较为困难。杂 填土组元在生物化学作用下，将转化为气体和液体两种形态而丧失；其损耗 量可以通过气体和液体的产生量获得。气体的产生量可以通过气体收集系统 获得；液体的产生量则须通过淋滤液动态平衡关系获得。这部分沉降伴随着 填埋体存在于填埋场的全过程，其速率相对而言衰减得很慢。因此，在填埋 体填埋若干年后，它所占据的百分比将超过物理力学作用导致的沉降，其地 位也凸显出来。这部分沉降的一大特点是不随荷载的变化而变化。 2 3 杂填土沉降的热力学机理 杂填土中的城市生活垃圾是一种很特殊的介质。在发达国家，其成分的 6 0 9 0 是有机物，在我国则略低些。这些有机物将在微生物的作用下发生 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 降解而转化为其他物质，只是降解的难易程度互有差异 2 3 】。 从热力学的角度观察【2 4 j ，杂填土在不同尺度上表现出不同的形态。如图 2 1 所示。 囤一，旬 杂填土组元 混乱、无序、高熵完整、有序、低熵 图2 - 1 杂填土二元形态示意图 在整体上，杂填土高度无序，处于高熵的状态：而其组元来自生物界和 人类社会这两大耗散系统，多数呈现出高度有序的低熵状态。例如，其中的 金属、玻璃等人造产物，是人类经过劳动、消耗了大量的能量，把它们从自 然界中相对无序的状态提升到更为有序的状态而形成的；而其中的有机物则 是经过生物体的新陈代谢作用，构造成的高能低熵化合物。杂填土在热力学 上的这种局部低熵、整体高熵的二元形态，从一个全新的角度揭示出了其复 杂性的根源。 其整体高熵不仅决定了它作为“废弃物 的社会属性；也致使它不具有 连续、完整、有序的宏观结构，难以用传统的力学或土力学予以描述。 其局部低熵状态，一方面，使其每一局部都保持各自的形态，不相互交 融，宏观上不具有均一性，从颗粒分布到力学参数都只具有粗糙的统计特性， 从而使其在力学上与土有相当的差异；同时，也决定了它将沿时间轴发生剧 烈的变化。 根据熵增原理，在一个孤立的系统中，低熵的物质必将不可逆转地向高 熵状态转化。而系统熵的增长是由四个部分贡献的，即热传导、扩散、粘滞 流( 动量流) 和化学反应四种作用引起的。填埋场中的废弃物虽然并非处在一 个完全孤立的系统之中，但是，由于其组元的熵值低于周围的环境，与外界 的物质和能量交换都在促使它向高熵状态转化。有机质的生物降解过程是其 中最为显著的一部分。微生物在新陈代谢的过程中，通过生物化学反应不断 向废弃物中的有机物摄取负嫡流，以保证自身耗散作用的延续；同时，有机 物分解产生的热量向周围环境传递；分解产生的气体和液体向四周渗透、扩 散。这些都在促使整个系统的熵不断增加，系统趋于均一和无序。 组元的熵增转化不仅导致部分固体成分的丧失，也包括原有骨架结构的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 软化破坏及孔隙被固体成分填充。这在宏观上的表现就是填埋体的沉降变 形。沉降变形引起势能做功，产生动量流，使填埋场的熵值进一步增加。 上述过程不断循环发展，直到系统达到最终稳定的平衡态。在填埋场中， 这一过程延续的时间长短依赖于废弃物成分及系统的环境是否有利于热力 学作用的发生，其时间可延续几十年、甚至数百年。 总之，杂填土的沉降是一个典型的热力学过程，有其特殊的热力学机理。 局部低熵、整体高熵共同导致其复杂的工程特性。如何协调这两个不同层面 上的熵值状态的矛盾，即如何同时描述一个层面上高度有序、而另一个层面 上却高度无序这种特殊形态，是构筑废弃物数学模型时应该考虑的。 2 4 杂填土垃圾填埋场沉降研究现状 杂填土垃圾填埋场，即当城市生活垃圾与建筑垃圾混合填埋时形成的一 类特殊的填埋场。在发达国家，城市生活垃圾与建筑垃圾采用分开填埋，基 本不存在这类填埋场，所以基本不存在杂填土填埋场沉降研究。在我国，填 埋场沉降研究起步较晚，也几乎没有这方面的资料。所以杂填土填埋场沉降 研究现状只能从城市生活垃圾填埋场和建筑垃圾填埋场的沉降研究现状两 方面描述。 2 4 1 城市生活垃圾( m s w ) 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。围绕城市生活垃圾沉降问题的研究，可分为试验研究 与理论研究两部分。 2 4 1 1 试验研究 许多学者对城市生活垃圾填埋场沉降进行了大量的试验，其中包括现场 试验、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 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【2 5 1 ；英 国建筑研究所分别对英国的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 、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 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f 1 3 】；m a h l e r 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 2 6 1 。 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，旁压试 验和固结试验等手段对m s w 的压缩性质进行了研究 2 7 1 。 ( 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 u s l 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 从现场取样在室内进行了无侧限抗压或 拉伸试验；赵由才等人【2 9 】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；谢强等人【如】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。 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：r a o 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 n a 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，p o w r i e 等设计了一个高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 3 u 。 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【3 2 】【3 ，】等人设计了一台内径1 9 o c m ，净高3 4 o c m ，壁厚2 0 c m 的简 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 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【3 4 】【3 s 】、强度参数 3 6 1 3 7 、压缩特性、动力特性【3 r 】、静力 及动力抗剪1 3 9 等一系列试验研究，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。 张振营f 4 0 】选择了与1 9 9 7 年采自杭州天子岭固体废弃物填埋场生活垃圾 的各成分相同的比例，做了城市生活垃圾压缩性实验。方云飞【t t 】依据国内