循环侧压作用下垃圾土动力特性试验研究

刘国强， 舒 实

（1.河海大学土木与交通学院，南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098）

根据国家统计局统计年鉴［1］，我国垃圾产量巨大并保持着接近5%的增加速度，因而城市生活垃圾的处理成为城市发展亟需解决的重大问题.目前，卫生填埋依然是处理生活垃圾的主要方式之一，而对于填埋场而言，其安全稳定是岩土工作者们关心的重点.一旦填埋场发生失稳破坏，轻者会污染周边环境，重者则会危及人们的生命财产安全.比如2005年2月21日，印尼万隆市附近的Leuwigajah填埋场约270万m3的垃圾填埋体发生失稳破坏，造成140多人死亡［2-3］.因此，卫生填埋场的边坡安全稳定分析十分重要.

影响填埋场稳定的因素之一是垃圾土自身的强度，已有专家学者针对不同工况下的垃圾土强度开展研究.例如Houston［4］、Mazzucato［5］、Zekkos［6-7］、Reddy［8-9］、Nayebi［10］、李修磊［11-12］等分别对人工配置的垃圾土进行了各种工况下的直剪、静三轴试验，探究各因素对垃圾土强度变形特性的影响.在实际工程中，由于垃圾生化降解产气，造成巨大的气压力，对填埋场安全稳定构成威胁，因此填埋场内的孔压分布对其稳定性也有较大影响.目前，已有学者针对填埋场气压对填埋场的边坡的影响进行了理论分析［13-14］.居朦萌和施建勇［14］研究了渗滤液水位以下垃圾体产气对孔隙压力的影响.何海杰等［15-16］利用Geo-Studio软件计算分析了填埋气、渗滤液的分布对填埋场稳定性的影响，并在现场对填埋场气压值进行了测量.以上学者都通过计算表明填埋场内气压降低了填埋场的安全系数，是诱发填埋场边坡失稳的重要影响因素之一.也有不少学者针对垃圾土进行了相关的动力试验研究，例如冯世进［17］、张涛［18］、李丽华等［19］分别研究了垃圾土在地震荷载以及交通荷载下的动力特性.然而在填埋场运行过程中，填埋体受到的动力扰动更多的是由产气期间气体运移产生的，而针对产气过程中对试样产生的扰动的相关研究还比较罕见，因此十分有必要对填埋体在此种扰动下产生的变化进行研究.

本试验通过动三轴试验装置，在K0固结完成后采用加载动围压的方式模拟填埋场气体运移经过填埋体时对土样的扰动，进而观察试样轴向应变及内部孔隙水压的发展情况.通过对垃圾土施加不同的有效围压、循环应力比以及加载频率，分析该三个因素对垃圾土的影响，为完善填埋场边坡稳定奠定理论基础.

1 试验方案

1.1 试验装置

本试验采用英国GDS公司生产的型号为MAXDYN的伺服电机控制的动三轴试验系统（见图1），该系统由主机、数采系统、压力控制器以及压力室组成，最大加载频率10 Hz，轴向最大动出力为10 kN，侧限压力为0～2 MPa，反压为0～2 MPa，最大允许轴向位移为100 mm.该仪器可以适时监视实验过程，并记录、储存实验过程中的轴向力、应变和孔隙水压力.另外该仪器通过油压施加动围压，不但能够单独控制动偏应力与动围压的幅值，而且能够通过自定义波形改变动偏应力与动围压的相位差，从而实现各种幅值及相位差条件下循环偏应力与循环围压的耦合，可以充分满足试验所需的加载条件.

图1 GDS变围压动三轴系统Fig.1 GDS variable confining pressure dynamic triaxial system

1.2 试样制备

为了保证垃圾土试样的均匀性，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）［20］采用人工配样的方式制样，其配比方案见表1所示.为了避免原状土样结构的差异性对试验结果产生影响，且为了使试样在试验开始前具有相同的初始状态，废弃物分别按照设计比例配置并搅拌，待试样充分搅拌均匀之后，将试样分成5等份在饱和器内进行分层击实至指定高度，为了避免试样脱模之后出现分层现象，在每层击实完毕之后需对试样进行刮毛.试样的直径为50 mm、高度为100 mm，初始含水率为50%，孔隙比为2.0，干密度为0.66 g/cm3.

表1 人工配置垃圾土样的组分质量分数Tab.1 The dry weight mass percentage of artificial waste soil samples

试样制备完成后将其放入真空缸内进行抽气饱和，抽气时间不少于1.5 h，然后将清水注入真空缸内并浸泡24 h备用.试验时，首先将橡皮膜套在承膜筒上，进行底座排气.然后将试样从饱和器内取出装入承膜筒内，在试样的上下两端放入透水石，然后将试样放在压力室的底座上并安装试样帽，在底座和试样帽上将橡皮膜用橡皮筋扎紧，防止漏水.安装压力室，采用反压饱和的方式进一步进行饱和处理，检测到试样的b值达0.95及以上时，认为试样达到饱和.标准砂试样则完全按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）中提到湿法制样的方式制备.

1.3 试验过程

图2 动三轴加载波形Fig.2 Dynamic triaxial loading waveform

2 试验结果及分析

2.1 垃圾土试样孔压发展变化规律

不同加载条件下所对应的试样的累积超孔压与加载次数N的关系曲线见图3，对其进行分析可以将试样的超孔压发展规律分为三个阶段：①快速增长阶段，试样在振动开始前的孔隙相对较大，当振动开始时试样内部的孔隙迅速减小，此时垃圾土试样内部的超孔隙水压力快速增长.②增长变缓阶段，初始加载阶段过后，试样间的孔隙被进一步的压缩填充，此时继续施加动载，试样内部的孔隙继续缓慢变小，试样的超孔隙水压力发展也逐渐变缓.③孔压稳定阶段，随着动荷载的进一步施加，试样内部的孔隙基本被填满，此时继续施加动荷载对试样内部的孔隙基本不再产生影响，所以试样的超孔隙水压力不再随振动次数的增加而增长并且基本保持不变.

从图3（a）、（b）、（c）可以看出，不同的影响因素对试样产生不同的影响.由图3（a）可知，加载频率对试样孔压的影响总体体现为频率越低，试样的累积超孔隙水压力越大.在加载前期，频率对孔压发展规律的影响并不明显，随着循环次数的增加，不同试样的累积孔压值的差别越来越大，各组试样频率对累积孔压的影响逐渐显现，最后试样内部的孔压趋于稳定值.由图3（b）可知，试样内部的累积超孔压值随着循环应力比的增大而增大，且各组试样之间的区别在加载初始阶段就十分明显，随着循环次数的增加，最终各组试样的超孔隙水压力趋于稳定.由图3（c）可见，试样内部最终的稳定超孔压值随着固结压力的增大而增大.

表2 变围压动三轴试验加载方案Tab.2 Loading scheme of dynamic triaxial test with variable confining pressure

图3 各加载因素对试样对孔压的影响Fig.3 Influence of loading factors on pore pressure of sample

2.2 垃圾土试样轴向应变发展变化规律

不同加载条件下的垃圾土样的轴向应变发展规律见图4.由图4可见，试样的轴向应变的发展可以划分为两阶段.在初始加载阶段，试样的轴向应变表现为轴向拉伸，这是由于在加载时为了消除施加的动围压对轴向的影响，在试样的轴向施加了一个负的半正弦波，相当于在轴向给试样进行了卸载，试样的轴向拉伸在很短的时间内达到最低点；在继续加载阶段，试样呈现出被压缩的趋势，开始时轴向应变的发展速率相对较大，随着循环次数的增加，发展速率逐渐减小，最后试样的轴向应变趋于稳定.

加载频率对试样轴向应变发展规律的影响如图4（a）所示，随着加载频率的降低，试样的滞后效应逐渐减弱，由于轴向卸载引起的试样的轴向应变在每个周期内能得到充分回弹，因此试样在初始加载阶段产生的轴向拉伸应变随着频率的降低而增大，轴向拉伸达到最大值之后，继续加载，试样出现被压缩的趋势，同样由于频率对滞后性的减弱，试样最终的压缩量随着频率的降低而增大，且频率对轴向应变的影响在第二阶段更大.因此试样最终稳定时的轴向应变随着频率的降低为增大.

循环应力比对试样轴向应变发展规律的影响见图4（b），循环应力比越大，为了保持试样的轴向力不变，试样在轴向受到的卸载力就越大，因此试样产生的轴向回弹量也就越大.随着加载的继续进行，试样逐渐被压缩，最终试样稳定时的轴向应变随循环应力比的增大而减小.

固结围压对试样轴向应变发展规律的影响见图4（c），在不同的固结围压下，试样前期产生的拉伸应变基本相同，即固结围压对试样前期的拉伸应变基本不产生影响.随着加载次数的增加，固结围压对轴向应变的影响逐渐显现.由于固结围压对试样刚度的影响，固结围压越大，试样的刚度也就越大，仅需要很小的应变变化，试样的应力水平便能达到设定的目标，因此最终试样稳定时的轴向应变随着固结围压的增大而减小.

图4 不同加载条件对试样轴向应变的影响Fig.4 Influence of different loading conditions on axial strain of specimen

2.3 两种试样的孔压及轴向应变发展变化规律对比

在相同的加载条件下，砂样和垃圾土样的超孔压和轴向应变的发展规律见图5.和砂样相比，由于垃圾土试样含有较多的加筋相，有效地阻止了试样内部的颗粒在加载过程中的错动和滚动，即便在相同的加载条件下，垃圾土试样内部的超孔压发展要比砂样的小得多.由于砂样的回弹特性要比砂样的小得多，因此在轴向产生的应力卸载并不会引起试样轴向应变的明显变化，由图5（b）可见，砂样的轴向应变基本呈现直线发展，与垃圾土样的轴向应变发展规律有明显的区别，而且在循环次数足够多的情况下，砂样的轴向应变可以达到5%的破坏应变标准［21］.

图5 不同试样的孔压及轴向应变发展对比Fig.5 Comparison of pore pressure and axial strain development of different samples

3 结论

本文针对加载频率、循环应力比、固结围压等三种不同的加载因素对垃圾土展开动三轴试验，研究不同的加载因素对试样超孔压以及轴向应变的影响，并将相同加载条件下垃圾土试样和砂样的孔压及轴向应变的发展规律做对比.对试验结果进行分析后得出如下结论：

1）垃圾土试样的孔压发展规律基本可以划分为快速增长、增长变缓和趋于稳定三个阶段，同时其孔压发展受加载频率、循环应力比、固结围压的影响较大，试样稳定时的超孔压值随着频率的降低而增大，随着循环应力比的增大而增大，随着固结围压的增大而增大.

2）不同的加载因素对试样轴向应变的发展规律产生的影响也不尽相同.频率越低，由试样滞后性产生的影响就越小，试样产生的轴向应变就越大.同时又由于试样本身较大的回弹特性，循环应力比越大，试样产生的回弹就越大，最终稳定时的轴向应变压缩量反而更小.因为试样的刚度受固结围压的影响，固结围压越大，刚度越大，试样在动载情况下产生的应变就小.

3）由于垃圾土样含有较多的加筋相，砂样和垃圾土样的发展规律有明显的区别，不能简单采用砂样在动荷载条件下的超孔压和轴向应变的发展规律衡量垃圾土试样，宜采用符合垃圾土自身的衡量标准，降低工程计算中的误差.