基于垃圾填埋场隔离材料的压缩性能研究

李学鹏，李彩华，陈荣保，蔡国军

（1、佛山市禅城区建设工程质量安全检测站 广东佛山 528000；2、东南大学岩土工程研究所 南京 210096）

0 引言

随着城市化进程的加速，城市生活垃圾的产量也显著提升［1−2］，由此带来的环境污染问题日益突出。在众多处理城市生活垃圾方式中，填埋是最主要的方式之一［3］。研究表明，有隔离效果的垃圾填埋场能较好地起到抗渗防渗效果。在一系列处理技术中，在天然基土中加入一定比例膨润土的技术，具有成本低、抗渗性能好及易修复等的特点［4］。而研究竖向隔离屏障材料的压缩特性对于分析垃圾填埋场隔离墙的沉降及预测填埋场隔离墙的服务期限显得尤为重要［5］。

研究的主要目的为通过不同含水量及不同膨润土含量的加载固结实验，得出不同加载荷载作用下土−膨润土隔离屏障材料的压缩特性，并总结和分析了垃圾填埋场隔离屏障材料的压缩指数与孔隙比eyr及e1的关系。

1 试验方案

1.1 试验现场

本试验基于江苏省内的某一垃圾填埋场试验工程。为达到隔离抗渗效果，在其周边范围建设了一段土−膨润土隔离屏障［6−8］，该隔离屏障的长度约15 m、宽度约0.6 m 和深度约10 m。取现场的天然基土及膨润土作为室内固结实验的材料，其中，固结试验所用的天然基土与现场隔离屏障材料一致，膨润土亦取自与现场一致的美国怀俄明天然纳基膨润土。

1.2 样本配比

试验的基土及膨润土颗粒级配曲线如图1 所示。为满足试验需要，进一步分析压缩性能，试验综合考虑不同膨润土含量及不同初始含水量，采用12种试验样本，其中，膨润土含量共4 种配比，分别取0%、5%、8%及10%，初始含水量共3 种配比，分别取其液限的0.8倍、1.0倍及1.2倍。

图1 基土及膨润土颗粒级配曲线Fig.1 Particle Grading Curve of Soil and Bentonite

试验所取样本的膨润土含量及初始含水量如表1所示，以Bxy代表样本，x代表不同膨润土含量，y代表不同初始含水量。如B11−B13分别表明该样本的膨润土含量为0%及初始含水量约为其液限的0.8倍、1.0倍及1.2 倍，B21−B23 表明该样本的膨润土含量为10%及初始含水量约为其液限的0.8 倍、1.0 倍及1.2 倍。从含水量配比中可知，试验最终采用的样本含水量接近试验需求，以初始含水量约为其液限的0.8倍为例，试验配比的含水量分别为0.83倍、0.84倍及0.82倍。

表1 试验所用样本的实际初始含水量Tab.1 The Initial Water Content of the Samples Used

1.3 固结试验方案

本试验设计的初始竖向有限应力为3.125 kPa，竖向有限应力呈2 倍增加至1 600 kPa，共10 级压力，卸载的竖向有效固结应力从1 600 kPa 开始，呈4 倍减少至6.25 kPa［9］，共4级压力。

1.4 孔隙比

式中：△h为相应竖向应力下的高度总变形量［11−12］；h0为隔离材料的初始高度。

1.5 压缩指数

BURLAND［13］采用不同固结应力下的孔隙比，将压缩指数Cc定义如下：

式中：e100及e1000分别为加载竖向有效应力为100 kPa及1 000 kPa 作用下试样固结稳定（约24 h 的沉降稳定）的孔隙比。压缩指数Cc及回弹指数Cs分别为固结曲线加载及卸载过程中直线段的斜率。

2 实验结果

2.1 e−lgσ′变化曲线

通过固结试验举例给出的膨润土含量为0%及10%、初始含水量为1.2 倍及0.8 倍液限的试验结果如图2所示。通过该曲线可知：在加载过程中，孔隙比逐渐减小；而在卸载过程中，随着竖向荷载的不断降低，出现回弹变形的现象，孔隙比逐渐增大。加载曲线可近似分为两条直线，这两条直线交点位置处为重塑屈服应力σ′yr［14−15］，其对应的孔隙比为eyr。通过加载曲线得知，交点处反向延伸至竖向有效应力为1 时对应的孔隙比为e1。压缩指数Cc可通过图2所示确定。同样，回弹指数Cs可通过曲线中卸载过程中的直线段确定［16−17］。

图2 压缩曲线中孔隙比与竖向有效应力的关系[18]Fig.2 The Relationship between the Void Ratio and the Vertical Effect Force in the Compression Curve［18］

2.2 重塑屈服应力

通过e−lgp压缩曲线，采用传统的Casagrande 方法来确定重塑土的屈服应力不够准确［19］。洪振舜［20］研究Ariake 粘性土的成果表明，e−lgp压缩曲线对最大曲率点的取值有一定误差，图中的两条直线不够明显。但通过采用粘性土双对数坐标ln（1+e）−lgσ′，可以比较清晰地从压缩曲线中找出两条直线。

双对数坐标ln（1+e）−logσ′下不同含水量及不同膨润土含量的压缩曲线如图3 所示，曲线中两条直线交叉点的所对应的竖向应力为重塑屈服应力σ′yr。图3表明，在同一含水量状态下，随着膨润土含量的增加，隔离材料的重塑屈服应力减小，同时，在同一膨润土含量状态下，随着含水量的增加，隔离材料的重塑屈服应力减小。

图3 双对数坐标下压缩曲线Fig.3 Compression Curve at Double Logarithmic Coordinates

2.3 Cc与eyr关系

研究结果表明，压缩指数Cc值受竖向有效应力σ′的影响，同时也受膨润土含量及液限wl等因素的影响［18，21］。为进一步研究压缩指数Cc和孔隙比eyr的关系，同时结合HONG 等人［22］的研究数据，得出隔离材料Cc和eyr的关系，如图4 所示。图4 表明压缩指数Cc也受孔隙比eyr的影响，并随eyr的增大而增大［23］，这与HONG等［22］的研究结果是一致的。

图4 隔离材料Cc与eyr关系Fig.4 The Relationship Between Cc and eyr

2.4 Cc与e1关系

当竖向有效应力σ′为1 kPa时，孔隙比e定义为e1。不同配比下隔离材料Cc和e1的关系如图5所示。FAN等人［18］对粘性土/钙基膨润土作为隔离回填材料的压缩渗透性进行研究，拟合得出Cc与e1的曲线关系（Cc=0.13e1+0.056e12）。通过对江苏基土及纳基膨润土的压缩性分析后，得出式⑷结论，这与FAN 等人［18］的研究结果及规律基本一致。

图5 隔离材料Cc与e1的关系Fig.5 The Relationship between Cc and e1

3 结语

⑴采用双对数坐标的压缩曲线能更清晰地展示两条直线，得出更为准确的压缩指数。同一含水量状态下，重塑屈服应力随膨润土含量的增加而减小，同时，同一膨润土含量状态下，重塑屈服应力随含水量的增加而减小。

⑵进一步验证了土−膨润土隔离材料压缩指数Cc与eyr的影响，并得出压缩指数Cc随eyr增大而增大的结论。

⑶ 进一步分析了压缩指数Cc与孔隙比e1的关系，得出土−膨润土隔离材料压缩指数Cc=0.076e1+0.07e12。