垃圾土蠕变降解沉降特性试验研究

赵燕茹　谢强　张永兴　杨超　黄达　王龙飞

摘要：为了研究垃圾土蠕变降解沉降特性，选取重庆市某垃圾场典型试样，基于室内蠕变观测试验得到蠕变降解沉降过程曲线（0～330 d），建立了符合其沉降变形特性的PTH计算模型，验证了该模型合理性，同时对沉降影响因素进行了详细分析。结果表明，因外部应力和内部蠕变降解引起的沉降总量可达试样高度的33.2%，渗滤液在前期的溢出量受外部荷载和有机物含量的控制；垃圾土中有机物的降解规律可用Richards 模型来表示，累计沉降量和累计渗滤液产量之间符合指数函数关系；有利于初期压缩变形和后期降解沉降的最优有机物含量区间为29.1%～36.47%；内部温度监测结果显示，20～41 ℃是一个可加快内部有机物降解速率的温度区间，且在41 ℃时作用最大。

关键词：垃圾土；蠕变沉降；降解；温度；渗滤液

中图分类号：TU443文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06000709

卫生填埋技术作为经济的垃圾处理方式，仍然被大多数发达国家采用[12]。由于垃圾土是一种复杂的非饱和多孔介质，影响其变形沉降的因素较多（例如外部荷载、有机物含量等），导致对垃圾土蠕变沉降沉降规律，以及建立符合其蠕变沉降特性本构模型的研究，仍然是目前研究的难点。

在其他国家，垃圾土的研究主要集中于沉降理论、计算模型以及影响沉降因素分析方面。模型计算理论主要有： Sowers[3]建立的分阶段沉降计算模型、基于生物降解反应的降解沉降模型[46]，以及根据一级动力衰减理论建立的Machado模型[7]；Babu等[810]根据临界状态理论、力学蠕变和时间因素决定的降解沉降，给出了具有普遍意义三阶段本构计算模型。但是随着瞬时压缩的完成，针对后期蠕变和降解沉降阶段，由于影响沉降的因素较多（降解、温度、渗滤液量等），至今没有建立一个比较完善的理论和计算模型。根据Watts等[1112]通过对垃圾组成成份近65 a的调查，发现随着垃圾土中有机物含量的增加，因蠕变和降解引起的次固结沉降在总沉降中所占的比例逐渐增加，最高可达占填埋高度的49%。而这成为导致现有的沉降模型不能准确预测垃圾场的沉降的原因之一。〖=D（〗赵燕茹，等：垃圾土蠕变降解沉降特性试验研究〖=〗

在垃圾土的降解沉降影响因素分析方面，Elagroudy等[1315]从有机物降解度方面，研究了降解与产气量、渗滤液以及垃圾土力学参数的影响关系；Hanson等[1620]关于垃圾土中热量的产生以及温度的做了大量的研究，并且得到因垃圾体内部有机物的降解以及内部物理化学反应，会导致垃圾体内部温度的升高，而温度反过来可加快有机物降解的速度。

在中国，胡敏云等[21]通过试验得出垃圾土的沉降是应力和时间的双重函数，而从微观上讲是一个复杂的生化反应和降解的长期过程。施建勇等[22]通过试验指出垃圾中有机物的降解规律可用指数函数来表示；柯瀚等[23]研究了应力对蠕变降解沉降的影响，指出初始压力越大，产生的主压缩应变越大，后期的降解沉降和蠕变沉降越小，随着时间的增加，压力对总沉降的影响相对减小；谢强等[2428]基于实测沉降数据，对垃圾土的蠕变沉降特性也进行了大量工作。

本文基于特制蠕变试验装置（图1），对不同有机物含量的垃圾土进行了330 d的降解蠕变观测试验，根据实测蠕变沉降数据选取适合沉降特性的模型元件，通过分析有机物含量对垃圾土沉降的影响，以及渗滤液、累计沉降、降解、温度之间的关系，建立符合重庆地区垃圾土蠕变降解沉降的本构计算模型，研究结果能够为准确预测垃圾土的蠕变沉降提供理论支持。

2.2试验装置及温度监测

静力蠕变试验采用特制的蠕变沉降观测仪，容器高500 mm，直径300 mm，试样高300 mm，承载板厚18 mm；渗滤层层厚20 mm，试验装置如图2所示。试验前对渗滤层充分饱和压实；碎石层上下表面各垫一层滤纸，容器顶部用密封盖密封，以模拟封场后的厌氧环境；其中：百分表用于观测生活垃圾随时间的沉降量，量瓶用于量测渗滤液产生量，加压设备用以保证荷载的垂直施加，生物反应气的回收采用专门的装置。在试验开始前，对有机物含量为10%、20%、35%、50%、65%、100%的试样进行3 kPa初始预压（等价于0.15 m厚的上覆土层），然后放入蠕变监测仪器中进行观测试验，并开始记录渗滤液和沉降量等数据。

在蠕变降解试验中，通过专门设置的温度敏感探头对垃圾体内部温度场进行了探测，监测时间为330 d，同时详细记录了渗滤液量的变化情况。试验过程中，外部温度保持在恒温（20 ℃）。3试验结果与分析

3.1沉降特征曲线

试验选取有机物含量为50%的试验曲线作为分析对象，并对瞬时应力应变，蠕变降解沉降过程中渗滤液产量、变形沉降量、不同降解阶段试样有机物残余含量等数据进行了统计和分析，曲线如图4、5、6所示。

在厌氧阶段（90～330 d），由于试样在外力作用下已经压密，结合封场后的实际情况，外部应力对沉降的影响可以忽略，而降解对沉降开始起主要作用。当试样中有机物含量为65%时，因降解产生的渗滤液量达到最小值84 mL；对用的沉降峰值为1.44 mm，而试样中有机物含量为100%时对应的渗滤液量为27.75 mL（对应的沉降量值因发酵起泡而读数失败）。而试样中有机物含量为20%时，因降解在厌氧阶段产生的渗滤液量可达229 mL。这说明由于有机物含量高的试样随渗滤液在前期大量溢出，阻碍了有机物在厌氧阶段的降解和生化反应，渗滤液溢出量和沉降量反而减小。根据渗滤液产出量，通过内插方法得到两阶段中有利于前期压缩和后期讲解沉降的垃圾土有机物含量最优区间为291%～3647%。

根据统计结果，有氧阶段（0～90 d）不同有机物含量的试样其平均沉降量为1.71 mm，而后期平均沉降量为1.22 mm，这说明前期碾压有助于加快有机物含量高的填埋体的瞬时沉降，但却导致后期降解反应的速度，而垃圾土的次压缩沉降主要由降解、生化反应速度以及试样中有机物含量的大小决定，这与柯瀚[5]的研究结果趋于一致。

5结论

通过蠕变沉降观测试验，分别对不同有机物配比的新鲜垃圾土进行了长期静力蠕变沉降观测试验，得到以下结论：

1）基于蠕变降解降解沉降特性试验曲线建立的PTH沉降计算模型，能够较好的模拟反应过程的蠕变和降解沉降特性。

2）垃圾土试样因外部应力和内部蠕变降解引起的总沉降量可达试样高度的33.2%且垃圾土中渗滤液在前期的溢出量受外部荷载和有机物含量共同控制。

3）垃圾土试样中有机物降解规律可用Richards模型来描述；通过垃圾土的蠕变降解沉降曲线，得出累计沉降量和渗滤液产量之间符合指数函数关系。

4）通过分析蠕变降解沉降过程曲线得出有利于初期压缩变形和后期降解沉降的最优有机物含量区间为29.1%～36.47%。

5）温度监测结果显示，20～41 ℃是一个可加快内部有机物的降解速率的内部温度场，且在41 ℃时对降解的作用最大。

在本构模型的建立中，没有将温度对沉降的影响考虑进去，而这需要做更进一步的研究工作。

参考文献：

[1]U.S.EPA.2010. Municipal solid waste in the united states： 2009 facts and fgures [S].United States Environmental Protection Agency.

[2]Tony L，Zhan T，Chen Y M，et al.Shear strength characterization of municipal solid waste at the Suzhou landfill， China [J]. Engineering Geology， 2008， 97（3/ 4） ：97111.

[3]Sowers G F. Settlement of waste disposal fills [C]//Proc. of the 8 th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering， Moscow， 1973， 1： 207210.

[4]Hettiarachchi H， Meegoda J， Hettiaratchi P. Effects of gas and moisture on modeling of bioreactor landfill settlement [J]. Waste Management， 2009， 29（3）： 10181025.

[5]Aliyu B N. An analysis of municipal solid waste in Kano Metropolis， Nigeria [J]. Human and Ecological Risk Assessment， 2010，31（2）： 111119.

[6]Yu L， Batlle F， Carrera J， et al. Gas flow to a vertical gas extraction well in deformable MSW landfills [J]. Hazardous Materials， 2009， 168（2/3）： 14041416.

[7]Sandro L M， Miriam D F C， Orencio M V.Modeling the influence of biodegradation on sanitary landfill settlements [J]. Soils and Rocks， So Paulo， 2009，32（3）： 123134.

[8]Sivakumar B G L， Reddy K R，Chouskey S K， et al. Prediction of longterm municipal solid waste landfill settlement using constitutive model [J]. Waste Management， 2010， 14 （2）： 139150.

[9]Sivakumar B G L， Reddy K R，Chouskey S K，et al. Constutive model for municipal solid waste incorporating mechanical creep and biodegradation induced compression [J]. Waste Managent， 2010，30（1）： 1122.

[10]Sivakumar B G L， Reddy K R，Chouskey S K，et al. Parametric study of MSW landfill settlement model [J]. Waste Managent， 2011，31（6）： 12221231.

[11]Watts K S， Charles J A， Blaken N J R.Settlement of landfills： measurements and their significance [M].Waste2002：Integrated Waste Management and Pollution Control： Research， Policy and Practice， 2002：673682.

[12]Swait M， Joseph K. Settlement analysis of fresh and partially stabilised municipal solid waste in simulated controlled dumps and bioreactor landfills [J].Waste Managent，2008，28（8）： 13551363.

[13]Elagroudy S A， AbdelRazik M H， Warith M A， et al. Waste settlement in bioreactor landfill models [J].Waste Management，2008，28（11）：23662374.

[14]Hossian M S， Haque M A. Stability analyses of municipal solid waste landfills with decomposition [J].Geotechnical and Geological Engineering，2009，27（6）：659666.

[15]Hossian M S， Haque M A， Hoyos L R. Dynamic properties of municipall solid waste in bioreactor landfills with degradation [J]. Geotechnical and Geological Engineering，2010，28（4）：391403.

[16]Hanson J L，Yeiller N O， Nicolas K. Spatial and temporal temperature distributions in municipal solid waste landfills [J]. Environment Engineering， 2010，136 （8）：804814.

[17]Rigo J M， Cazzuffi D A. Test standards and their classification[G]// Rollin A L， Rigo J M， Chapman H. Geomembranes： Identification and Performance Testing， New York，1991： 2258.

[18]Townsend T， Miller W， Lee H， et al. Acceleration of landfill stabilization using leachate recycle [J]. Environment Engineering， 1996， 122（4）：263268.

[19]Bowders J J， Mitchell M.Waste settlements at the Columbia， Missouri landfill international workshop《Hydrophysicomechanics of landfills》[R].LIRIGM， Grenoble 1 University， France，2005：2122.

[20]Yeiller N， Hanson J L，Oettle N K， et al. Thermal analysis of cover systems in municipal solid waste landfills [J]. Geotechnical and Geological Engineering. 2008，134 （11），16551664.

[21]胡敏云，陈云敏. 城市生活垃圾填埋场沉降分析与计算[J].土木工程学报，2001，34（6）：8892.

[22]施建勇，雷国辉，艾英钵，等.考虑有机物降解的变形试验和计算方法研究[J].岩土力学，2006，27（10）：16731677.

[23]柯瀚，刘骏龙，陈云敏，等.不同压力下垃圾降解压缩试验研究[J].岩土工程学报，2010，32（10）： 16101615.

[24]谢强，张永兴，张建华. 重庆市城市生活垃圾的蠕变特性研究 [J].土木工程学报，2007，10（40）：7479.

[25]谢强，张永兴，张建华. 生活垃圾填埋过程中的沉降分析与计算[J].岩土力学，2010，31（7）：21352140.

[26]何秋菊，徐帆，解仲民，等，填埋场不同深度垃圾土压缩特性的室内试验研究[J].环境工程学报，2010，4（1）：199203.

[27]刘晓东，施建勇，胡亚东.考虑城市固体废弃物（MSW）生化降解的力气耦合一维沉降模型及计算[J].岩土工程学报，2011，33（5）：693699.

[28]刘东燕，冯国建，罗云菊，等.考虑降解率下的垃圾土降解压缩量计算模型[J].土木建筑与环境工程，2010，32（2）：1418.

[29]Richards F J. A flexible growth function of empirical use [J]. Experimental Botany，1959，10（2）：290301.

（编辑王秀玲）