城市生活垃圾土密度影響因素的室內(nèi)試驗(yàn)研究
摘要：通過(guò)對(duì)填埋場(chǎng)垃圾土的成份進(jìn)行分析，選擇有代表性的垃圾土組成配置試樣，并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究垃圾土組成、擊實(shí)功、含水量和上覆壓力對(duì)垃圾土密度和干密度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)垃圾土進(jìn)行擊實(shí)能有效提高垃圾土密度，垃圾土密度和干密度隨擊實(shí)功的增加而增加；垃圾土的干密度與擊實(shí)功的關(guān)系可以用對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)，垃圾土組成對(duì)函數(shù)表達(dá)式的影響主要體現(xiàn)在函數(shù)式的截距項(xiàng)上；垃圾土的最大干密度和最優(yōu)含水量隨擊實(shí)功的變化規(guī)律與一般土相同；垃圾土的密度有隨上覆壓力增大的趨勢(shì)，但上覆壓力達(dá)到一定界線，密度的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯減緩，該界線值與垃圾土的擊實(shí)功有關(guān)；對(duì)于同一組成的垃圾土，干密度的初始值因擊實(shí)功和含水量而異，且隨上覆壓力的增大而增大并趨于定值。
關(guān)鍵詞：垃圾土 擊實(shí)功 密度 干密度 最優(yōu)含水量
垃圾土的密度是填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)需要的最基本的參數(shù)之一，包括襯墊設(shè)計(jì)、地基穩(wěn)定、和填埋場(chǎng)沉降等設(shè)計(jì)的很多環(huán)節(jié)都需要用到密度。垃圾土密度的范圍值一般為0.31～1.32 g/cm3[1]，變化范圍之所以這么大，是由于垃圾土成分、年份、日覆土量、含水量和壓實(shí)程度等因素造成的。另一方面，獲取垃圾土原狀試樣的困難和試驗(yàn)方法的不一致，也增加了測(cè)試值的不確定性。
發(fā)達(dá)國(guó)家垃圾填埋場(chǎng)的建設(shè)早于我國(guó)，也積累了較多資料。我國(guó)公開(kāi)發(fā)表的垃圾土重度隨深度分布的資料很少。我國(guó)關(guān)于填埋場(chǎng)垃圾土重度隨填埋深度變化的問(wèn)題有不同的看法。朱向榮等[2]根據(jù)杭州天子嶺填埋場(chǎng)的實(shí)測(cè)值，得出垃圾土重度的總體趨勢(shì)隨深度增加的結(jié)論。張振營(yíng)等[3]對(duì)同一填埋場(chǎng)測(cè)試的結(jié)論是垃圾土重度不隨埋深的增大而有規(guī)律的增大。張季如等[4]對(duì)某填埋場(chǎng)垃圾土的取樣深度達(dá)15 m，垃圾土重度范圍值為8～12 kN/m3，沿深度分布較復(fù)雜，但認(rèn)為干重度有隨深度增大的趨勢(shì)。
剛進(jìn)填埋場(chǎng)的垃圾土，孔隙大、密度小、強(qiáng)度低，經(jīng)過(guò)碾壓后，壓實(shí)比通常為2∶1～3∶1，提高強(qiáng)度利于穩(wěn)定，且增加單位面積的填埋量，經(jīng)過(guò)碾壓的垃圾土還減少了氧氣攜帶量，縮短垃圾土好氧降解過(guò)程。因此，固體廢棄物的壓實(shí)對(duì)填埋場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)關(guān)系重大。對(duì)于填埋場(chǎng)垃圾土的碾壓，采用多大的壓實(shí)功能最為經(jīng)濟(jì)合理，以及在合適的壓實(shí)功能下，垃圾土的干密度和含水量之間的關(guān)系，這些都是填埋場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)期間關(guān)注的重要問(wèn)題。通過(guò)對(duì)填埋場(chǎng)垃圾土的成份進(jìn)行分析，選擇具有代表性的垃圾土組成配置試樣并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究垃圾土組成、擊實(shí)功、含水量和上覆壓力對(duì)垃圾土密度和干密度的影響。
1 垃圾土試樣的配制及密度研究的試驗(yàn)方法
城市固體廢棄物的組成復(fù)雜，通過(guò)對(duì)多個(gè)填埋場(chǎng)的垃圾土組成進(jìn)行分析和研究，垃圾土的組成大致包含：廚余，紙類，塑料及橡膠，紡織品，竹木制品，金屬制品，玻璃和陶瓷，灰塵、碎磚、亂石、污泥等。我國(guó)地域廣袤，各地垃圾土組成及各組成的含量不同，表1列出若干個(gè)填埋場(chǎng)的垃圾土組成以及河海大學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)的垃圾土組成，可以看出，差別很大。本試驗(yàn)為了使得試樣具有代表性和可比性，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，兼顧其他地區(qū)，采用的垃圾土配合比及具體材料見(jiàn)表2。根據(jù)表2，稱取各具體材料，按設(shè)定的含水量計(jì)算需加的水量，一起放入桶中攪拌均勻，密封靜置8 h以上，將試樣分層放入擊實(shí)筒進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)[8]，擊實(shí)筒直徑為15.2㎝，測(cè)得擊實(shí)后試樣的高度和質(zhì)量，可以計(jì)算得到擊實(shí)后試樣的密度。擊實(shí)后試樣的頂部和底部鋪上濾紙墊上多孔板后，將試樣沒(méi)入水中浸泡12 h使之飽和。飽和的目的是為了模擬填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期間可能遇到的因?yàn)槲醇皶r(shí)覆土碾壓遭遇強(qiáng)降
表1 垃圾土組成1） ％
|
注：1）均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
表2 垃圾土配合比及具體材料1）
|
注：1）均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
表3 組成2各試樣的擊實(shí)功、含水量和相應(yīng)的密度
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
雨以及由于垃圾土中有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生淋瀝液未及時(shí)排出的情況。將飽和后的試樣取出靜置，待重力水排光后，稱垃圾土的重量及量測(cè)試樣高度,計(jì)算垃圾土密度。對(duì)試樣分別施加100、200、400、600 kPa的上覆壓力,得到各級(jí)壓力下的密度。各試樣的擊實(shí)功、含水量和擊實(shí)后的密度見(jiàn)表3。
2 垃圾土密度、干密度與擊實(shí)功的關(guān)系
根據(jù)表2組成1配制的未擊實(shí)垃圾土密度為0.44 g/cm3，約為表3中垃圾土密度最小值（0.89 g/cm3）的49％，可以認(rèn)為，即使在較小的擊實(shí)功作用下，垃圾土的密度也比未經(jīng)擊實(shí)的增加很多。因此，填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，分層碾壓是十分必要的。將組成1按表3所示的3個(gè)含水量擊實(shí)，試樣的密度和干密度與擊實(shí)功的關(guān)系見(jiàn)圖1。為了研究不同垃圾土組成對(duì)密度的影響，將組成2配置30%含水量的試樣的試驗(yàn)結(jié)果一并列出。根據(jù)圖1，（1）盡管垃圾土組成不同，含水量不同，但密度和干密度都有隨擊實(shí)功增加；（2）對(duì)于相同組成的垃圾土試樣，在同一擊實(shí)功能不同含水量的情況下，密度較大，而干密度相差不大。因此，表示與擊實(shí)功關(guān)系的密度指標(biāo)應(yīng)采用干密度；（3）干密度隨擊實(shí)功增加的趨勢(shì)基本一致，經(jīng)擬合，得到方程式（1）和式（2）。2條曲線均符合對(duì)數(shù)關(guān)系，主要差別在于截距，即初始干密度不同，而該項(xiàng)的不同源于垃圾土的組成。
組合1： ρd=0.1085ln(W)+0.021 （1）
組合2： ρd=0.1185ln(W)+0.112 （2）
式中：ρd為干密度，g/cm3；W為擊實(shí)功，kJ/m3。
 圖1 密度、干密度與擊實(shí)功的關(guān)系 |
3 垃圾土的擊實(shí)試驗(yàn)曲線
根據(jù)表3進(jìn)行了3個(gè)不同擊實(shí)功能下不同含水量試樣的擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)曲線見(jiàn)圖2，為了得到最大和最小的擊實(shí)功的最大干密度和最優(yōu)含水量，又補(bǔ)作了2個(gè)點(diǎn)。根據(jù)圖2，得到不同擊實(shí)功下的最大干密度和最優(yōu)含水量（見(jiàn)表4）；固體廢棄物和其他一般土一樣，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)，能得到最大干密度和最佳含水量；隨著擊實(shí)功的增大，最大干密度增大，最優(yōu)含水量降低。由表4可見(jiàn)，本試驗(yàn)垃圾土的最大干密度為0.64～0.90 g/cm3，最優(yōu)含水量為42%～47%。
 圖2 垃圾土擊實(shí)試驗(yàn)曲線 |
表4 不同擊實(shí)功的最大干密度和最優(yōu)含水量
|
4 密度、干密度與上覆壓力的關(guān)系
為了研究填埋場(chǎng)垃圾土的密度與填埋深度的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制密度與上覆壓力的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可看出，密度隨上覆壓力的增大而增大；當(dāng)壓力大于200 kPa，密度增大速率趨緩。2003年全國(guó)固體廢棄物處理及綜合利用技術(shù)與設(shè)備交流研討會(huì)上楊先海等做的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)的壓力與密度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4，由于垃圾土組成及壓實(shí)度低的緣故，初始密度僅為0.28 g/cm3，但其密度與壓力的關(guān)系與本實(shí)結(jié)果相似，不同的是密度增長(zhǎng)趨勢(shì)的分界點(diǎn)大約在壓力為300 kPa。假設(shè)垃圾土的重度為10 kN/m3，則圖3和圖4中密度與壓力變化的拐點(diǎn)相當(dāng)于發(fā)生在20、30 m深度。輕度壓實(shí)的垃圾土，密度隨深度增長(zhǎng)趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約在30 m處，隨著壓實(shí)度的提高，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的深度減小。因此，填埋場(chǎng)中的垃圾土在大于一定的深度后,密度隨深度變化不大，這個(gè)深度，因垃圾土的壓實(shí)度而異。
圖4中壓力由100 kPa增至600 kPa，密度的平均值由1.26 g/cm3增至1.33 g/cm3，相當(dāng)于填埋深度由10 m到60 m，重度由12.6 kN/m3增加到13.3 kN/m3，本試驗(yàn)垃圾土的密度與上覆壓力的關(guān)系反映了填埋場(chǎng)垃圾土密度隨深度變化趨勢(shì)；本試驗(yàn)配制的垃圾土的試驗(yàn)結(jié)果合理，可見(jiàn)組成合理；試驗(yàn)采用的擊實(shí)功能相當(dāng)于填埋場(chǎng)中偏高度壓實(shí)。
 圖3 本試驗(yàn)密度與壓力的關(guān)系 |
 圖4 密度與壓力的關(guān)系 |
垃圾土的干密度反應(yīng)了單位體積內(nèi)填埋的固體垃圾質(zhì)量。試樣2、試樣4、試樣6、試樣7和試樣9干密度隨上覆壓力變化的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，在0～600 kPa內(nèi)，干密度隨上覆壓力的增加而增加；壓力為0 kPa時(shí)，干密度的范圍值為（0.66±0.06）g/cm3，壓力為600 kPa時(shí)，干密度值非常接近，為(0.90±0.01)g/cm3。由此可認(rèn)為，由于壓實(shí)度和含水量不同，填埋場(chǎng)表層垃圾土的干密度有一定差別，但在填埋場(chǎng)深處，大約40 m深度以下，垃圾土的干密度基本相同。
 圖5 干密度與上覆壓力的關(guān)系 |
5 結(jié) 論
（1） 垃圾土密度和干密度隨著擊實(shí)功的增加而增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨緩。
（2） 不同垃圾土組成的干密度與擊實(shí)功能的關(guān)系曲線基本平行，都可以用對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)，垃圾土組成的影響主要體現(xiàn)在對(duì)數(shù)函數(shù)的截距項(xiàng)上。
（3） 根據(jù)垃圾土的擊實(shí)曲線可以得到最大干密度和最優(yōu)含水量，兩者隨擊實(shí)功能的變化規(guī)律與一般土相同。本試樣3個(gè)擊實(shí)功能下垃圾土的最優(yōu)含水量為42％～47％，最大干密度為0.64～0.90 g/cm3。
（4） 垃圾土的密度有隨上覆壓力增大的趨勢(shì)，但上覆壓力達(dá)到一定界線，密度增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯減緩。此上覆壓力界線值約為200～300 kPa，對(duì)于擊實(shí)功能和密度大的垃圾土，上覆壓力界線值為小值。
（5） 同一組成的垃圾土，干密度的初始值因壓實(shí)度和含水量而異，隨著上覆壓力的增大，垃圾土的干密度增大并趨于基本一致。
參考文獻(xiàn)
[1] 錢學(xué)德，郭志平，施建勇，等.現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版，2001.
[2] 朱向榮，王朝暉，方鵬飛，等.杭州天子嶺垃圾填埋場(chǎng)擴(kuò)容可行性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(3)：281-285.
[3] 張振營(yíng),吳世明,陳云敏.城市生活垃圾土性參數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(1)：35-39.
[4] 張季如，陳超敏.城市生活垃圾抗剪強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)試與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(1)：110-114.
[5] 陳云敏，王力忠,胡亞云，等.城市固體垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000（6）：92-97.
[6] 駱行文，楊明亮，姚海林，等.陳垃圾土的工程力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(5)：622-625.
[7] 廖智強(qiáng).衛(wèi)生填埋場(chǎng)降解試驗(yàn)研究及沉降機(jī)理分析[D].南京：河海大學(xué)，2006.
[8] 南京水利科學(xué)研究院土工研究所.土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2003.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
