垃圾土大尺寸平板载荷试验与变形特性

崔梦麟，李焕兵，胡胜刚，张启培

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉 430070；2.武汉市市政建设集团有限公司 隧道工程公司，武汉 430050；3.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

随着经济的快速发展和城市的快速扩张，原有垃圾填埋场已位于城市当中，势必要对其进行改造。在城市垃圾填埋场上覆盖土层，将其改造处理为城市公园是目前的趋势。经过改造，垃圾填埋场将蜕变为高标准城市生态公园。改造以原位治理工艺进行生态修复，修复后在垃圾场上覆土堆山造景，建设高标准的城市公园；通过生态修复与新科技环保手段创造新景观，实现“垃圾变黄金”的理想，短时间内消除垃圾场的环境污染隐患，满足后续城市公园建设的要求，实现土地再利用。而覆盖一定厚度土层，形成假山景观，获得其准确的承载力与变形规律对后续的大面积填筑土方进行堆山造景及安全运营具有十分重要的意义。

许多学者对垃圾土的工程性质做了大量的研究。衡涛等[1]对兰州地区某工程垃圾地基土进行了表层开挖、灰土紧密和换填夯实的综合技术处理，利用原位现场静载荷试验，得到了垃圾土处理前后的变形性能、承载力和变形机理。雷华阳等[2]对建筑垃圾堆填工程进行了现场载荷试验和堆填过程中土压力、沉降、孔隙水压力等监测，提出了利用建筑垃圾进行地基处理的方法。赵瑜等[3]结合重庆的填埋场，对陈垃圾土的工程力学性质进行试验研究，得出陈垃圾土是具有一定的结构，但结构性很弱的土体；同时探讨了陈垃圾土有机物纤维、土体颗粒对陈垃圾土的黏聚力和内摩擦角的影响。蒋善超等[4]对卫生填埋场封场的陈垃圾土进行现场载荷试验和数值模拟，结果表明，荷载较小时陈垃圾土压缩性较高，但随荷载增加纤维组分起到加筋作用，承载性能反而有所提高。顾成权[5]通过边长为1 m的方形板平板载荷试验对沪昆客运专线线路沿线粉土地层进行试验，并与室内试验及静力触探测试数据进行对比，为该地区粉土地层上的路基沉降计算提供了力学参数。Sun等[6]基于经典土力学中城市生活垃圾填埋场的沉降机理和应力-应变关系，提出了荷载、蠕变与生物降解的联合作用，获得了荷载、蠕变与生物降解下屈服面应力增量的表达式。Yang等[7]通过平板载荷试验研究了岩坝基软弱层在长期荷载下的变形机理，准确地获得了载荷试验的变形-时间曲线。Zhang等[8]在冻土区进行平板载荷试验研究荷载作用下的地基长期变形，结果表明，载荷为0.25 MPa时，变形呈阶梯状，变形过程中观测到的沉降量受地表温度和冰量的影响较大。杨明亮等[9]对武汉市金口垃圾填埋场内拟建大型垃圾中转站处垃圾土进行了室内土工试验、现场平板载荷试验，其平板载荷试验采用0.707 m×0.707 m的刚性载荷板，3处试验点的垃圾土承载力特征值离散性很大，最小值与最大值相差达4倍。根据规范要求，不能取平均值作为该土层地基承载力特征值。由于垃圾土构成的不均匀，其工程性质变化范围大，通过室内试验难以对现场的垃圾土进行准确评价。常规小尺寸承压板可以只反映周边小范围且浅深度土层的承载力和变形特性的特点。因后续的堆填改造工程面积大且填方高，对垃圾土层的影响范围广且深度大。大尺寸承压板载荷试验更能反映垃圾土层的承载力和变形特性。因此，采用大尺寸承压板载荷试验对垃圾土层的整体变形性能进行试验研究，对于垃圾填埋场工程具有更加重要的参考价值。

2 大尺寸平板载荷试验

2.1 场地概况

试验场地位于洪山区和平乡白马洲村及北洋桥村辖区内，整个场地面积约0.373 km2，场地沿线地貌单元为长江Ⅱ级阶地和Ⅲ级阶地过渡地段，属亚热带季风气候。垃圾填埋场于1989年启用，原设计规模为400 t/d，其高峰时的垃圾进场量曾一度高达1 500 t/d。由于垃圾场运行时间较长，堆积厚度高达23.3 m，杂色，呈松散状，主要由厨渣、纸张、塑料、橡胶皮革、纺织纤维、木质杂草等有机物垃圾和建筑垃圾等无机物垃圾组成。

2.2 试验点确定

本次试验共设置2个试验点，均处于主要堆填范围内。根据地质勘察结果可知，载荷试验点地层分布从上到下分别为上覆盖黏土、垃圾土及黏土。试验点中心位置勘察孔地质剖面图见图1。

图1 试验点中心位置地质剖面图Fig.1 Geological profile of test points

试验时清除表层覆盖黏土，考虑到垃圾土层厚度方面的代表性，结合现场实际工况，针对地层分布情况选择2处有典型代表性的试验点垃圾土深度均为20 m左右，可代表堆填范围内垃圾土的厚度分布。

2.3 试验方案

试验设备、载荷板采用正方形钢板(边长D为4 m)，钢板厚0.1 m。利用压重平台反力装置加载，平台压重采用长条状混凝试块。大尺寸承压板加载对堆载体重心和钢梁的要求较高。因此在载荷板上搭设钢梁平台，控制好堆载体的重心，堆载平台见图2。由于采用分级堆载，堆载操作具有一定的安全隐患，在堆载过程中应对载体进行变形监控，确保堆载的稳定性。每一级加载完后根据沉降稳定观测情况进行下一步加载。

图2 7 200 kN堆载平台Fig.2 Stacking platform with a load of 7 200 kN

2.4 加载系统与加载方法

垃圾土层厚度高达23.3 m，在大荷载的作用下将产生较大压缩变形，常规千斤顶量程已不能满足试验需求，为确保试验顺利进行，此次试验的加载系统由2台630 t的千斤顶组成，千斤顶顶在主梁上，主梁上铺设次梁，次梁搁置在支墩上，并上部铺设钢板，形成堆载平台。加荷按照1 200、1 800、2 400、3 000、3 600、4 200、4 800、5 400、6 000、6 600、7 200 kN进行分级，共11级；对应承压板的压应力分别为75.0、112.5、150.0、187.5、225.0、262.5、300.0、337.5、375.0、412.5、450.0 kPa。根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[10]进行现场大型平板载荷试验。

2.5 监测点布置和观测方法

本次进行的4 m×4 m大型载荷试验，在每个载荷测试点布置分层沉降孔5个，深层位移测孔4个，表面沉降标16个，监测点布置如图3所示。载荷试验变形点布置和观测方法如下：

图3 监测点布置示意图Fig.3 Layout of monitoring points

(1)载荷板沉降：在载荷板的4个角点上布置竖向位移测点。对4个测点的竖向位移进行观测，取4个角点的平均值为载荷板的沉降，得到加载过程中载荷板的沉降。

(2)表面变形：在载荷板四周附近埋设表面变形标，四周每边各布置4个，间距为2 m，共布置16个测点，位于载荷板外侧的中心断面上。观测施加荷载的过程中，载荷板周边垃圾土体表面的变形情况。

(3)分层沉降：在载荷板下布置1孔分层沉降孔，并在载荷板东西两侧各布置2孔，距载荷板分别为1 m和3 m；1#试验点和2#试验点的分层沉降测试深度均为25 m。分层沉降测点沿孔深方向每2 m布置分层沉降磁环1个。查明载荷板及周边垃圾土层在不同深度处受荷载后的变形情况。

(4)深层水平位移：在承压板东西两侧各布置深层水平位移观测(测斜)孔2个，距载荷板边的距离分别为1 m和3 m；试验点的深层位移孔埋设深度为25 m。监测荷载施加过程中，垃圾土体的水平位移变化情况。

3 试验结果分析

3.1 P-S曲线

两个试验点的P-S曲线如图4所示。从图4可知，垃圾土的P-S曲线的形态可以分为3个阶段。在荷载75.0 kPa以内时，载荷与沉降呈线性增加，为线性变形阶段；随着载荷的增大，荷载与沉降曲线的斜率逐渐增大，现场观测到板边缘处土体开始发生了剪切破坏，垃圾土体内部产生塑性变形；当荷载的进一步增加到375.0 kPa时，垃圾土体发生较大变形时，变形急剧增加且无法稳定，垃圾土体发生破坏，表现为冲剪破坏。根据P-S曲线的形态可知，垃圾土层地基的极限承载力约为375.0 kPa。从图4的P-S曲线图中的拐点(土的破坏点)可明显得出土体破坏时的沉降量(纵坐标)>100 mm。

图4 试验点的P-S曲线Fig.4 P-S curves of two test points

根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[10]和《建筑地基基础检测技术规范》(JGJ 340—2015)[11]，结合现场试验和文中公式(1)可得两个载荷试验点的变形模量分别为8.80 MPa和10.78 MPa，故得出试验场地内垃圾土变形模量为8.80～10.78 MPa。

(1)

式中：E0为变形模量；I0为承压板的形状系数，方形承压板为0.886；μ为泊松比,取0.4；d为承压板直径或边长(m)；P和S为曲线线性段内的压力(kPa)和对应的沉降(mm)。

3.2 表面沉降与分层沉降

1#试验点东西方向表面变形标沉降曲线如图5所示。

图5 1#试验点东西方向表面标沉降曲线Fig.5 Surface settlement curves along east-west direction in test point 1

垃圾土在矩形载荷作用下沉降呈盆形，表面沉降影响范围可达到和超过6 m(1.5D)的范围。随着施加荷载的增大，表面沉降急剧增加。当荷载达到破坏荷载375 kPa时，载荷板下的表面沉降达到100 mm以上，试验点垃圾土体破坏时最大沉降量均达100 mm以上。1#试验点南北方向载荷板下的表面沉降为127.9 mm，2#试验点南北方向和东西方向载荷板下的表面沉降分别为102.2 mm和104.5 mm。超过破坏荷载后，沉降进一步急剧放大，地基处于失稳状态。1#试验点南北方向及2#试验点表面沉降规律相似。表面沉降规律与栾光日等[12]研究结果相似，距离中心越远，沉降越小，并呈现盆状。

图6为1#试验点载荷板下、距载荷板1 m和距载荷板3 m处土体的分层沉降曲线。

图6 1#试验点分层沉降曲线Fig.6 Layer-wise settlement curves of test point 1

从图6(a)可以看出，随着荷载逐步增加，深层土体的沉降也逐渐增加，当土体破坏时，变形影响的深度可达2D以上，约为10 m，变形影响深度可达10 m(2.5D)；在相同荷载下，沉降随着深度的增大而变小。分层沉降规律与栾光日等[12]研究结果相似，相同载荷时距离表面越远，沉降越小。对比图6(b)和图6(c)可知，载荷板周边垃圾土体也有一定沉降。随着离载荷板的距离增加，分层沉降变小，且沉降影响深度减小，与土压力扩散理论相符。

3.3 深层水平位移

1#试验点距载荷板1 m和3 m处土体的深层水平位移曲线如图7所示。

图7 1#试验点深层水平位移曲线Fig.7 Deep horizontal displacement curves of test point 1

图7反映了垃圾土层在竖向荷载作用下的侧向挤出变形。垃圾土可以看成由固体颗粒和纤维组成。其中，固体颗粒是垃圾土中的颗粒状成分，同普通土体一样具有摩擦材料的性质，纤维是垃圾土中的塑料和纺织品等纤维状成分，在受到荷载时，纤维可以增强土体的强度和变形能力[3]。由于垃圾土中的纤维作用，板下的表层土体深层水平位移受到纤维的拉力作用，向板的方向移动。随着深度的增加，侧向挤出变形开始发挥，水平位移开始增加，最大值出现在深度5 m(1.25D)附近。在破坏荷载375.0 kPa作用下，距载荷板1 m和3 m处土体水平位移峰值分别为7.34 mm和2.97 mm；随着深度的增加，垃圾土体产生的沉降逐渐变小，垃圾土体产生的水平位移也逐渐变小。

4 结 论

本文通过在垃圾填埋现场进行大型平板载荷试验，获得了垃圾土层的承载力和整体变形特性，根据现场试验，得出主要结论如下：

(1)现场试验以大型平板载荷试验与表面标变形沉降、深层水平位移、分层沉降监测相结合，获得垃圾土整个试验过程的承载力和变形特性，可供类似的工程项目借鉴参考。

(2)对于本次载荷试验垃圾填埋场中的垃圾土层，在施加的荷载作用下，荷载-沉降(P-S)曲线分为线性变形、塑性变形、破坏3个阶段。载荷板周边的垃圾土体无显著的隆起变形，土体的破坏模式表现为冲剪破坏，但区别于一般的冲剪破坏，载荷板周边1.5D范围内的垃圾土体都产生了不同程度的表面沉降，载荷板周边的垃圾土体内有较小的横向水平位移。

(3)根据现场试验测得场内垃圾土层变形模量为8.80～10.78 MPa，极限承载力约为375 kPa，两个试验点垃圾土体破坏时最大沉降均达100 mm以上，在受荷下具有大变形的特征，变形影响深度可达10 m(2.5D)。