降解对垃圾土压缩回弹特性的影响

刘晓东，施建勇，高 海

1)河海大学岩土工程研究所，南京210098;2)岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京210098;3)深圳市政府投资审计专业局，深圳518008

垃圾土由固体、液体和气体组成，与其他非饱和土的主要区别在于垃圾存在生化降解，故垃圾土的压缩回弹特性受生化降解作用的影响.Hudson等［1］在特制的垃圾压缩仪中研究了孔压变化对垃圾的压缩特性的影响;Olivier等［2］研究了淋滤液回灌对垃圾土压缩特性的影响;谢焰［3］通过自制压缩仪测试了垃圾土压缩性随温度和气压的变化;王志萍等［4］通过室内常规压缩固结试验，研究了垃圾土含水率、孔隙比和有机质含量对其压缩性的影响;施建勇［5］、陈云敏［6］和刘荣等［7］也对垃圾土的压缩性进行了试验研究，取得丰富成果.但有关降解与抑制降解环境下垃圾土压缩回弹特性的研究目前还较少.

为研究在抑制降解与降解条件下垃圾土的压缩回弹特性，本研究采用人工配制的垃圾土样进行压缩回弹特性的对比试验，考察了垃圾土中有机质含量和降解条件对垃圾压缩回弹性的影响，获得不同有机质含量和不同降解条件下垃圾土的压缩性指标及规律，通过比对试验结果揭示了降解作用和有机质含量对垃圾土压缩回弹特性的影响.以期为填埋场的沉降分析提供依据.

1 试样配制与实验方法

通常试样尺寸过大难以精确控制降解条件，受Hossain等［8］采用小试样研究垃圾填土压缩特性的启发，本研究采用特制环刀试样 (尺寸为120 cm2×4 cm)，在改造过的常规压缩固结仪上进行压缩回弹试验.王志萍等［4］对不同尺寸 (50 cm2×2 cm和30 cm2×2 cm)垃圾试样压缩特性的对比试验表明，只要按土工试验规程［9］操作，严格控制垃圾成分最大粒径，垃圾试样尺寸的变化对垃圾压缩性变化的影响就甚小.按土工试验规范［9］规定，本研究所配制垃圾试样各成分的最大粒径均控制在压缩仪直径的1/10以内.根据对现有填埋场研究成果［10-12］的总结，结合中国国情，确定本试验所用垃圾土成分及配比见表1.

本实验包括2组共4个试样，分Ⅰ类和Ⅱ类标注.Ⅰ类为有机质质量分数为60%的垃圾土，包括Ⅰ类允许降解和Ⅰ类抑制降解;Ⅱ类为有机质质量分数为30%的垃圾土，包括Ⅱ类允许降解和Ⅱ类抑制降解.为使实验具有可比性，控制各试样初始条件相同:水的质量分数为60%，孔隙比1.5，密度(干)0.776 g/cm3，饱和度77.6%，试验环境温度20℃.将配置好的试样装入固结仪特制环刀中压实后，在试样上下两面分别放滤纸和透水石，调整仪器平衡及百分表读数后进行实验.实验时施加荷载依次为 12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、50 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa，每级荷载作用下，将试样每小时变形＜0.01 mm［9］作为该级荷载下试样变形稳定的标准.

表1 本实验垃圾土 (干)组成Table 1 Composition of solid waste in the experiment

本研究使用镇江恒顺白醋抑制降解，经测定，其pH值约为3.本研究测定了通过添加食醋抑制降解的效果，所用试样与允许降解试样相同，而抑制降解试样用食醋代替水来配置，用已降解垃圾土的质量与初始可降解垃圾土干质量的比值变化来描述垃圾土的降解率变化.不同降解条件下试样的降解率见表2.

表2 抑制降解与允许降解下降解率对比试验结果Table 2 Comparison results of restraining degradationand degradation test

图1 抑制降解与降解处理结果Fig.1 Comparison of restraining degradation and degradation

由表2可见，食醋抑制降解的效果明显.另外从图1试样的形态可见，31 d时抑制降解试样和最初状态相比几乎无变化，而允许降解试样在31 d后，表面出现白色霉状物，另外有刺鼻的气体产生，因此用食醋抑制降解方案可行.

2 结果及分析

2.1 垃圾土的压缩特性

总体压缩特性.图2为不同试样的总体压缩曲线，上图为荷载随时间变化，下图为随时间变化压力下应变的变化.由图2可见，当垃圾土中有机质含量不同时，有机质含量越高，其压缩性就越强，即相同时间沉降量越大;有机质含量相同时，在降解条件下，垃圾土的沉降从一开始就大于其在抑制降解条件时的沉降，使得两种条件下的总沉降差距越来越大.实验结束后，Ⅰ类垃圾土在降解条件下最终应变达54.7%，比抑制降解条件下最终应变的44.5%高出10.2%;Ⅱ类垃圾土在降解条件下最终应变达38.9%，比抑制降解条件下最终应变的36.7%高出2.2%.这归因于降解导致垃圾土成分减少，引起孔隙率增加，在荷载和自重作用下增加的孔隙被压缩导致沉降.

图2 允许降解与抑制降解的压缩曲线对比Fig.2 Compression curves of restraining degradation and degradation condition

各级荷载作用下的压缩特性.由图3可见，Ⅰ类垃圾土在荷载作用下，首先在极短时间内发生瞬时沉降，紧接着发生的沉降呈非线性，后期几乎为线性变化;同级荷载作用下，垃圾土在降解条件下的压缩量要大于垃圾土在抑制降解条件下的压缩量，这种现象主要由降解作用引起.

图3 Ⅰ类垃圾土在允许降解与抑制降解时的压缩量变化Fig.3 Compression change ofⅠkind of solid waste under degradation and restraining degradation condition

图4 为每级荷载下Ⅰ类垃圾土在允许降解与抑制降解时的应变差.由图4可见，这种差距随时间推移呈先增后减趋势，此变化规律与降解速率先增后减过程［13］一致，这也从侧面说明降解的规律.其原因在于试验初始，降解作用很弱，两组试样几乎处于相同状态，所以压缩特性几乎一样，随时间推移，降解作用逐渐增大，导致了垃圾土骨架的软化和孔隙率的改变，使这一时期垃圾土在降解条件下的压缩量比抑制降解条件下的压缩量明显增大，随着时间延长，降解作用逐渐减弱，因此两组试样逐渐又回归相同，所以此时两组试样的压缩量几乎相同.

由图5和图6可见，Ⅱ类垃圾土的压缩性表现出与Ⅰ类垃圾土的压缩性类似规律，不过其绝对压缩量及各级荷载作用下的应变差与Ⅰ类垃圾土相比较小.

图4 每级荷载下Ⅰ类垃圾土在允许降解与抑制降解时的应变差Fig.4 The strain difference ofⅠkind of solid waste under degradation and restraining degradation condition

图5 Ⅱ类垃圾土在允许降解与抑制降解时的压缩量变化Fig.5 Compression change ofⅡkind of solid waste under degradation and restraining degradation condition

图6 每级荷载下Ⅱ类垃圾土在允许降解与抑制降解时的应变差Fig.6 The strain difference ofⅡkind of solid waste under degradation and restraining degradation condition

2.2 压缩系数

由于垃圾土和普通土体的压缩特性不同，普通土体没有垃圾土初始阶段急剧压缩的阶段，且垃圾土的压缩性在不同阶段表现出不同的特征，所以若仍用100～200 kPa荷载作用下的压缩系数来描述垃圾压缩性，就显得不够准确.图7为不同条件下试样的压缩系数.由图7可见，压缩系数随有机质质量分数与增加而增加，说明高质量分数的有机质的垃圾土具有高压缩性;降解也使压缩系数增大;同时压缩系数随荷载增加而减小，其规律为:初始阶段压缩系数都很大，随荷载增加 (0～25 kPa)急剧减小;当荷载持续增至25～200 kPa时，压缩系数变化规律呈非线性，高压力尤其是200 kPa以后，压缩系数与初值相比已变得很小，几乎呈线性.说明由于垃圾土的初始孔隙较大，在初始阶段具有很高的压缩性，随荷载增加，大的孔隙被迅速压缩，此时若荷载持续增加，试样的压缩性将逐渐变小.

图7 压缩系数与试验类别、荷载区间的变化关系Fig.7 Change relation of compression coefficient，species，and loading stage

综上所述，本研究认为应分段描述垃圾土的压缩性，按照垃圾土压缩系数和垃圾土压缩量的变化规律，建议分为0～25 kPa、25～200 kPa和200～400 kPa三个阶段.根据垃圾土所处的不同压力区间，分别得出描述垃圾土瞬时压缩、非线性压缩及线性压缩的压缩系数.

2.3 回弹特性

从图8可见，总体上高质量分数有机质垃圾土的回弹值大于低质量分数有机质垃圾土的回弹值，这主要是由于垃圾土的有机质质量分数高，而一般的有机质 (如纸、布、厨余及纤维素等)与无机质(如土和玻璃等)相比都具有较显著的回弹特性;对于有机质质量分数相同的垃圾土，其回弹值在抑制降解条件下比在允许降解条件下高，这主要是由于降解产生了多种有机物质，这些物质导致了垃圾土黏性增加，使得回弹完成时间较短且回弹量较小，这一点从实验结束后垃圾土的状态也可看出，实验结束拆样时，降解条件下的垃圾土黏性很大，试样牢固黏在透水石上，并有刺鼻气味及白色霉状物产生，抑制降解条件下的垃圾土拆样的黏性较小，没有与透水石紧密黏结现象，也没有刺鼻气味及白色霉状物产生.掌握垃圾土卸荷时的回弹规律对填埋场的设计和填埋施工具有一定的指导意义.

图8 不同试样的回弹特性示意图Fig.8 Swelling characteristic of different sumples

结 语

综上研究可知:① 当有机质质量分数不同时，质量分数越大，垃圾土的压缩性越强，回弹性也越强;有机质质量分数相同时，与抑制降解下垃圾土的压缩性相比，考虑降解时垃圾土呈现压缩性高，回弹性小，本实验证明Ⅰ类允许降解的试样比Ⅰ类抑制降解的试样最终应变高10.2%;② 降解作用对垃圾土试样压缩性的影响表现为前期影响较大，后期影响渐弱;③对人工配置的垃圾土试样，添加食醋能够起到显著的抑制降解作用;④在某一荷载作用下，垃圾土首先在极短时间内发生瞬时沉降，紧接着发生的沉降呈现非线性变化，后期几乎为线性变化.按照垃圾土压缩系数和垃圾压缩量的变化规律，建议分3段选取压缩系数:0～25 kPa、25～200 kPa和200～400 kPa，以全面描述垃圾土瞬时压缩、非线性压缩及线性压缩的能力.

［1］Hudson A P，White J K，Beaver R P，等.填埋场家庭垃圾的压缩特性［J］.废弃物管理，2004，24(3):259-269.(英文版)

［2］Olivier F，Gourc J P.大型压缩仪中考虑渗滤液回灌作用的城市固体废弃物力液特性［J］.废弃物管理，2007，27(2):44-58.(英文版)

［3］谢 焰.城市生活垃圾固液气耦合压缩试验和理论研究［D］.杭州:浙江大学，2006.

［4］王志萍，胡敏云，夏玲涛.垃圾填土压缩特性的室内试验研究［J］.岩土力学，2009，30(6):1681-1686.

［5］施建勇，卢廷浩，朱俊高，等.城市生活垃圾变形性质试验研究［J］.河海大学学报自然科学版，2001，29(S1):131-134.

［6］陈云敏，谢 焰，詹良通.城市生活垃圾填埋场固液气耦合一维固结模型［J］.岩土工程学报，2006，28(2):184-190.

［7］刘 荣，施建勇，彭功勋.垃圾土沉降特性的室内试验研究［J］.扬州大学学报自然科学版，2003，2(6):51-66.

［8］Hossain M S.城市固体废弃物压缩系数与降解的关系［J］.岩土与环境岩土工程，2003，129(12):1151-1158.(英文版)

［9］南京水利科学研究院.SL237-1999.土工试验规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1999.

［10］高 海，艾英钵，张坤勇.垃圾土地基静力触探特性及碎石桩加固［J］.深圳大学学报理工版，2010，27(4):464-469.

［11］USEPA.美国的城市固体废弃物2005年总结［R］.华盛顿 (美国):美国环保署固废办公室，2006.(英文版)

［12］河海大学岩土工程研究所.深圳市下坪固体废弃物填埋场防渗结构层及垃圾体力学性能研究报告［R］.南京:河海大学岩土工程研究所，2001.

［13］刘晓东，施建勇，胡亚东.城市生活垃圾填埋场有机质物降解沉降计算［J］.河海大学学报自然科学版，2008，36(S2):45-47.