江苏某垃圾填埋场污泥库特殊性土的分析与评价*

陈 赟，王 亮，郑智杰，吴家葳，谢海建

（1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028；2.浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058；3.杭州市路桥集团股份有限公司，浙江 杭州 310022）

1 引言

在20 世纪60 年代，发达国家就开始对大量产生的城市污泥进行有关安全处理和处置方面的研究，并通过不断的工程实践，逐步建立了相应的污泥处理和处置方法，主要包括土地利用、焚烧、投海和卫生填埋［1］。目前，我国对污泥的处置主要采用卫生填埋的方法。污泥库在很多垃圾填埋场中均有存在，主要是由于填埋市政污泥所形成。我国的污泥处置在经过污水厂内灭菌、脱水后，通常是直接倾倒于填埋场中的低地或谷底，形成深度不等的污泥库，如成都长安、深圳下坪、苏州七子山填埋场等［2］。目前对污泥处置的研究则是集中于脱水及后续的固化上。脱水方面主要采用物理和化学方法改变污泥的脱水性能，并最终采用机械和离心等手段降低污泥的含水率。而固化则是采用水泥、石灰等添加剂与污泥发生物理、化学反应，最终达到提高强度及固化污染物的目的［3-4］。也有相关学者对污泥库进行了相关研究，如冯源等［5］研究了处置库污泥的工程特性，王英达［6］研究了生活垃圾填埋场污泥塘的处置方式，罗鹏等［7］对污泥坑提出了岩土工程评价，但是没有计算污泥坑的体量及污泥的层序分布。

污泥库如果不进行处理会带来很大的环境问题［8］。填埋场如果进行封场，首先面临的是顶盖系统的稳定性问题：污泥的物理力学性质极差，能否具有足够的承载力支撑上部荷载；污泥受力后变形非常大，在上部荷载作用下，产生的不均匀沉降是否引起顶盖产生过大的沉降造成顶盖破坏；污泥和顶盖系统的接触面是否具有足够的抗滑稳定性而保证顶盖不产生滑动破坏。除此之外，由于污泥的含水率高且流动性强，大体积污泥库的存在会对填埋场的运营安全产生较大的影响，严重的将会引起污泥库的失稳及污泥涌出，对周边环境造成严重的破坏和影响。如我国南方某填埋场由于在未经处理的污泥坑上堆载垃圾造成污泥外涌和垃圾堆体局部滑移事故［9-10］。因此，对污泥库进行加固处理以满足上方堆填垃圾的要求成为我国许多垃圾填埋场亟需解决的难题。

本研究通过对苏州某垃圾填埋场污泥库的勘察，利用相关的室内试验方法，得到了污泥含水率、有机质含量等工程特性及污泥库的体量和污泥层序分布，并对其进行分析与评价，为后续污泥库的稳定性分析及治理方案的选择提供了相关的数据支持。除此之外，污泥库这类特殊的岩土工程勘察，对于完善岩土工程勘察体系，丰富污泥这类特殊性土的性质评价体系，也有重要的现实意义。

2 工程概况

2.1 基本情况

江苏某垃圾填埋场属于典型的山谷型填埋场，采用垂直防渗帷幕来控制填埋场垃圾渗滤液对周围环境的污染，库区西南侧山谷里存在一处污泥库，占地面积超过2 hm2，多年以来填埋高含水率（80%～90%以上） 市政污泥约2.0×105t，并在垃圾焚烧厂投入使用后，也短期接纳过该厂无法处理的渗滤液。根据现有资料，污泥呈流态状、强度极低，上部水位高。需要立即进行处理，否则将影响填埋场的扩建，包括下游水平拓展区和竖向堆高区。

为了查明污泥塘边界，污泥埋深、污泥层序分布及总量，掌握坑内各层污泥的工程特性，需要对污泥库进行岩土工程勘察，通过分层取样测试，为污泥库治理提供不同位置、不同深度污泥的含水率、有机质含量及物理力学性质等特性参数。

2.2 勘察平面布置

本次污泥塘勘察钻孔平面布置见图1，共布置钻孔25 个，其中勘察孔ZK01～ZK05 为控制性孔，孔深至基岩，勘察孔LK01～LK17 为一般性孔，孔深至塘底垃圾层，勘察孔BK01～BK03 主要用于查明塘内污泥状态的分界。共计完成勘察钻孔进尺254 m，取样122 个，其中勘察孔LK08、LK11、LK14 及LK17 未取样。

图1 钻孔平面布置

2.3 钻孔与取样

由于污泥为流塑状，强度极低，整个污泥塘类似于沼泽地，勘察设备无法直接在塘面架设，工作人员也无法在塘面行走，取样难度非常大且具有施工安全风险。本次勘察工作专门定制了2个钢质箱体用于搭设浮动勘察作业平台，现场组装后，将钻机固定在平台上，如图2（a） 所示。勘察过程中，通过施工机械协助提供牵引动力，进行设备移动和钻孔取样，现场取样如图2（b）所示。

图2 勘察与取样现场照片

根据工程特点，本次勘察采用XY-100 型钻机。勘察采用全孔跟管干钻方式，套管口径不小于130 mm，岩芯管口径不小于91 mm，确保掌握真实、准确的污泥层层序，并取到相应位置的污泥样。优先采用静压方式，以减少钻进过程中产生的动荷载，提高作业安全度。钻进过程中的各项深度数据均用尺量测，误差不大于50 mm。

采用专利技术活门式取样器［11］取样，不锈钢采样头设有活门装置，活门开启时与管壁齐平，关闭时将取样器底端封闭，并封存其上的试样。污泥样采用静压法获取，垃圾样采用回旋法获取。取样器可一次性提取2 m 以上的柱状试样，在提取过程中柱状试样封存在PVC 管，保持原状。取样的竖向间距为2 m。

3 材料与方法

3.1 室内试验

1） 污泥含水率试验。

含水率测定采用烘干法，首先取代表性试样60～70 g 放入称量盒内，称盒加试样质量，精确至0.01 g；然后打开盒盖，将盒置于烘箱内，在70 ℃恒温下烘至恒重，烘干时间约为48 h；试样的含水率θ 采用式（1） 计算，式中mw为试样中水的质量，m 为试样总质量。试样的含水量w 采用式（2） 计算。

2） 污泥有机质含量试验。

有机质含量测试方法参照城市污水处理厂污泥检验方法［12］，首先将污泥试样在70 ℃的温度下烘干，烘干后将试样磨碎，再过2 mm 筛，筛后的粉末状试样备用并称重；然后在550 ℃马弗炉灼烧至恒重，再次称重；2 次称重之差即为试样中有机碳的质量。试样的有机质含量Om采用式（3）计算，式中m1为灼烧前试样的质量；m2为灼烧后试样的质量；1.724 为碳换算成有机质的经验系数。

3） 室内直剪与无侧限抗压强度试验。

固化程度较低的试样采用直剪试验进行强度检测。对于室内直剪试验，采用直剪中的不固结不排水试验。试验制样及强度取值原则：①纯固化污泥（垃圾含量很少） 进行不固结不排水直剪试验，测试结果作为其强度的取值；②对于垃圾含量较多的试样，先剔除垃圾，并选择其中的污泥进行重塑再进行不固结不排水直剪试验，并根据垃圾与污泥的强度指标按照含量进行加权平均，以加权平均值作为其强度的取值。针对固化程度较高类似于水泥体的固化污泥样，采用无侧限抗压强度试验进行强度检测。

3.2 现场试验

1） 现场动力触探试验。

试验前将触探架安装平稳，使触探保持垂直地进行；贯入时，应使穿心锤自由下落，落锤落距为（0.76±0.02） m；锤击速率为每分钟15～30 击。及时记录每贯入0.10 m 所需的锤击数，其方法可在触探杆上每隔0.10 m 划出标记，然后直接（或用仪器） 记录锤击数；也可以记录每一阵击的贯入度，然后再换算为每贯入0.10 m所需的锤击数。每贯入0.10 m 所需锤击数连续3 次超过50 击时，即停止试验。

2） 现场静力触探试验。

平整试验场地，设置反力装置；贯入前应试压探头，检查顶柱、锥头、摩擦筒等部件工作是否正常；将探头按（1.2±0.3） m/min 均速贯入土中0.5～1.0 m（冬季应超过冻结线），然后稍许提升，使探头传感器处于不受力状态。待探头温度与地温平衡后（仪器零位基本稳定），将仪器调零或记录读数，即可进行正常贯入。在深度6 m 内，一般每贯入1～2 m，应提升探头检查温漂并调零；6 m 以下每贯入5～10 m 应提升探头检查回零情况，当出现异常时，应检查原因及时处理。当贯入到预定深度或出现下列情况之一时，应停止贯入：触探主机达到额定贯入力；探头阻力达到最大容许压力；反力装置失效；发现探杆弯曲已达到不能容许的程度。试验结束后应及时起拔探杆，并记录仪器的回零情况。

3） 现场十字板试验。

在试验点两旁将地锚旋入土中，安装和固定压入主机，用分度值为1 mm 的水平尺校平，并安装施加扭力的装置；将十字板头接在扭力传感器上并拧紧；将十字板头压入土中预定的试验深度后，调整机架使钻杆位于机架面板导孔中心；拧紧扭力装置上的钻杆夹具，并将量测仪表调零或读取初读数；顺时针方向转动扭力装置上的手摇柄，当量测仪表读数开始增大时，即开动秒表，以0.1°/s 的速率旋转钻杆。每转1°测记1 次读数。应在2 min 内测得峰值。当读数出现峰值或稳定值后，再继续旋转测记1 min。峰值或稳定值作为原状土剪切破坏时的读数。

4 结果和讨论

4.1 室内试验

1） 污泥含水率实验。

污泥含水率试验共完成114 组，图3 为不同含水率的污泥试样。根据试验结果，含水率在83%～97%之间，平均值为86%，部分试样含水率达到95%以上，接近水的状态。

图3 不同含水率的污泥试样

冯源等［5］测得污泥液限对应的含水量为353%，塑限对应的含水量为106%。根据本次实验结果，污泥含水率83%对应的含水量为500%，含水率75%对应的含水量为300%，因此本研究以含水率80%作为污泥流塑状态与软塑状态的分界标准。其次，根据罗小勇［1］得出的污泥含水率与不排水抗剪强度的关系，当污泥含水量趋向800%时，其不排水抗剪强度接近于0 kPa。由本次实验结果，污泥含水率89%对应的含水量为800%，因此本研究以含水率90%作为污泥泥水混合状态与流塑状态的分界标准。

表1 所示为各取样孔污泥含水率平均值，由实验结果可见污泥塘出现了较明显的泥水分界的情况，即塘中污泥状态存在分层性，且从上而下依次为泥水混合层、流塑污泥层及软塑污泥层。其中LK05 孔各深度试样含水率大多处于90%左右，仅最下部污泥状态偏流塑、软塑态，因此也归为泥水混合状态。如图1 所示，以虚线为界，污泥塘划分为南北区块，图4、图5 为污泥塘南北区块污泥含水率随深度的变化情况。由图4 可见，南区块深度12 m 以上污泥含水率随深度变化幅度较小，含水率为80%～90%，以流塑状态为主。其中勘察孔ZK03、ZK05 深度12 m 以下污泥含水率大幅度减小，由流塑状态进入软塑状态。由图5可见，北区块污泥含水率随深度变化幅度较大，含水率大部分大于90%。随着深度增加，部分试样含水率在80%～90%，呈流塑状。综上，污泥塘南区块主要以流塑污泥层（深度为0～12 m） 及软塑污泥层（深度为12～20 m） 为主，北区块存在较厚的泥水混合层（深度为0～4 m），然后是流塑污泥层（深度为4～8 m） 及软塑污泥层（深度为8～14 m）。

表1 各取样孔污泥含水率及有机质含量平均值

图4 南区块污泥含水率随深度变化情况

图5 北区块污泥含水率随深度变化情况

2） 污泥有机质含量试验。

污泥的有机质含量试验进行了114 组，各钻孔平均值结果如表1 所示，有机碳含量一般在17.2%～27.1%，平均值为23.52%；有机质含量分布范围一般在30.56%～46.66%，总体平均值为40.56%。Imhoff 等［13］测得某污水处理厂中等降解程度污泥的有机质含量为70%，而深度降解程度污泥的有机质含量为45%～55%；O’Kelly［14］测得的中等降解程度污泥的有机质含量也为70%，经过室外2.5 a 的自然降解后污泥的有机质含量减少为58%。可见，本研究污泥塘中污泥经过多年的自然降解，基本达到深度降解程度。

3） 室内直剪与无侧限抗压强度试验。

直接剪切试验共完成81 组，从试验结果可以发现直接剪切强度的黏聚力c 大多分布在10～60 kPa，黏聚力大于10 kPa 的约占82%；摩擦角φ 大多分布在6°～400°，摩擦角大于10°的约占65%。图6 和表2 分别是典型状态下固化污泥样的抗剪强度试样图（依次为固化污泥样、含固化剂较多的泥沙混合样、偏粉土状样、污泥垃圾混杂样、掺入少量固化剂污泥样及固化较差底部纯污泥样） 和试验结果。

图6 典型固化污泥直剪试验试样

表2 典型固化污泥直剪试验结果

抗压样共20 个，强度大部分在120～1 500 kPa，深度范围在2～8 m，桩样深度在12～15 m。李亚林等［15］以含水率为97.5%的原污泥为研究对象，重点对固化体的无侧限抗压强度进行了测定，添加无机调理剂可起到骨架构建体的作用，在不外掺其他固化剂的条件下，脱水泥饼固化体养护1 a 后无侧限抗压强度大于450 kPa。此与本次检测的特殊土的高值相比仍相距甚远。图7 和表3 分别为典型抗压试验样图和试验结果。

图7 典型无侧限抗压强度试验试样

表3 典型无侧限抗压强度试验结果

直剪试验及无侧限抗压强度试验结果显示，强度相对较弱的几个样品有如下特点：①范围上较为集中分布在8、10、16 孔，其中10、16 孔为污泥塘中心位置，污泥固化养护周期较短；②深度上集中在底部16～24 m，原因可能是含垃圾较多，固化搅拌在此处不均匀，但对整孔区域稳定性不构成影响；③边缘处8 号孔位位置，深度较深且临近岸坡，可能由于机械在该处施工不便，固化剂掺杂不均匀，导致部分样固化效果一般。

4.2 现场试验

1） 现场动力触探。

表4 为部分孔样的动力触探结果，并依据规范，参考相似土类计算出承载力值。本次动力触探采用钻孔入探的方法，相比前期的连续贯入方式，实验结果将整体偏小，剔除个别异常点，动探击数多分布在3～7 下，一部分水泥块或岩状层位击数在15～35 下，一部分底部固化较差的污泥在1 或者2 下。同时，可以发现南部孔的动探击数最大，而偏污泥塘中心的孔，固化处理时间较短，动探试验击数结果也相对较小，这一结果与室内强度试验结果较为吻合。

表4 部分动力触探试验结果

2） 现场静力触探。

表5 为静力触探试验结果，可以发现静力触探锥尖阻力主要分布在300～2 100 kPa，检测深度主要在2～10 m，底部垃圾层与上部固化较好的层位阻力值较大。

罗鹏等［7］对深圳市下坪固体废弃物填埋场某污泥层进行了静力触探实验，锥尖阻力平均值为130 kPa。不难发现，本次特殊土的静力触探锥尖阻力大体均高于上值。

3） 现场十字板试验

表6 为十字板试验结果，检测值主要分布在20～70 kPa，底部15 m 以下CU 值相对较小。

表6 十字板剪切试验结果

林署炯等［16］对深圳福永污泥填埋场固化污泥进行了十字板试验，土体十字板抗剪强度值为13.8～23.7 kPa，强度随固结应力的增加而大幅增加，但强度值整体低于本次特殊土的检测值。

5 结论及建议

5.1 结论

1） 本工程污泥塘污泥的含水率在83.35%～96.80%，平均86%左右；有机质含量在30.56%～46.66%，平均40.56%左右。

2） 塘中污泥状态存在分层性，从上至下依次为泥水混合层、流塑污泥层及软塑污泥层。北区块存在较厚的泥水混合层，然后是流塑污泥层及软塑污泥层，南区块以流塑污泥层及软塑污泥层为主。

3） 依据室内直剪试验与无侧限抗压强度试验，可以整体判断得到对于浅层0～3 m 层位的污泥状样（降雨因素导致），直剪指标c 为15～35 kPa、摩擦角φ 为12°～30°，无侧限抗压强度值在50 kPa 左右，而水泥状样则达到130～300 kPa；对于深层16～25 m 层位污泥垃圾混合层的直剪指标c 为3～15 kPa（部分在30 kPa 以上）、摩擦角φ 为3°～18°。

4） 现场试验结果显示，静力触探锥尖阻力主要分布在300～2 100 kPa，检测深度主要在2～10 m，底部垃圾层与上部固化较好的层位阻力值较大，较其他填埋场的静力触探锥尖阻力检测值较大；十字板试验主要分布在20～70 kPa，底部15 m 以下CU值相对较小；动探击数多分布在3～7 下，一部分水泥块或岩状层位击数在15～35 下，一部分底部固化较差的污泥在1 或者2 下。现场测试结果与室内强度试验测试结果较为吻合。

5） 针对污泥库治理，浅部95%以上高含水率的污泥，建议采用泵送的方式抽取；对于含水率为90%～95%的污泥建议采用固化与泵送相结合的方式处理；而对于含水率90%以下的污泥则建议采取原位固化的方式处理。

5.2 建议

1） 污泥库勘察外业工作应采用全孔跟管干钻方式，钻进过程中，优先采用静压方式，减少对污泥的扰动，提高作业安全度。取样应采用活门式取样器，确保所取污泥试样不流失。

2） 污泥库勘察的主要分析评价工作内容：通过室内试验和现场试验，获取污泥的含水率、有机质含量、静力触探试验及十字板剪切试验等工程性质指标。同时，应查明污泥库的体量及不同状态污泥层的层序分布，并进行评价，为后续污泥库的针对性治理提供可靠的勘察依据。

3） 污泥库勘察结果评价应根据勘察成果中污泥库的体量、污泥状态和层序分布、含水率及有机质含量，针对处置方法、时间、成本等提出综合性建议。

4） 污泥是一种特殊性土，含水率极高且流动性强，应通过工程实践积累经验，补充完善现有岩土工程勘察规范中关于此类土的评价体系。