城市垃圾的工程性质

发布网友 发布时间：2022-04-26 02:08

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热心网友 时间：2022-05-07 16:47

城市垃圾的工程性质对诸如填埋场建设资金、垃圾倾倒费用、填埋单元的寿命和建设周期等问题产生很大的影响，填埋场设计与审批时均需进行广泛的岩土工程分析以论证所有填埋系统均已设计成符合长期运行的要求。不仅如此，堆放场或填埋场的稳定性安全对城市垃圾的工程性质变化反应十分灵敏，其稳定性分析计算直接需要垃圾的工程性质参数。然而，由于城市垃圾成分复杂，其工程性质变化范围非常大且随时间改变，并且不易直接量测。就目前情况来看，国内很少有相关资料，国外已公布的资料也很有限，本章根据作者掌握的资料，对影响处置场稳定性安全的垃圾工程性质作一些介绍。

在进行处置场稳定性工程分析时，需用到的垃圾工程性质列于表4-1。从表中可明显看出，垃圾的重力密度是个最重要的参数。

表4-1 城市固体废弃物工程性质的使用^[3]

目前确定城市垃圾的工程性质还很困难，这是因为：①填埋材料组成成分的不一致，使各种性质变化范围很大；②想获得能代表现场条件足够大小的试样很困难；③垃圾成分不稳定的特点使取样和试验都很困难，至今没有公认的取样和试验方法；④垃圾的性质还随时间而变。

这节将讨论垃圾的工程性质，包括重力密度和抗剪强度等。

一、垃圾的重力密度

城市垃圾的重力密度变化幅度很大，由于它是自然形成的，成分复杂多变，且受处置方式和环境条件的影响。各填埋场经营者用不同方式来处置进场的垃圾，所达到的密实度也不一样。一般来说，正确估计城市垃圾重力密度的主要困难是：①如何将每天覆盖的土与垃圾隔开；②如何估计重力密度随时间和深度的变化，因为各填埋场报上来的数据大多只能反映填埋场表层附近的重力密度；③如何正确获取垃圾含水量的数据。

因此，在确定城市垃圾重力密度之前，必须首先弄清楚某些条件，包括：①垃圾的组成，每天覆土情况和含水量；②对垃圾的压实方法和密实度；③测定重力密度试验点所处深度垃圾的填埋时间。

城市垃圾的重力密度可以通过多种途径量测，如可在现场用大尺寸试样盒、试坑或用勺钻取样在实验室测定；也可测出填埋体积和进场垃圾以及覆盖土料的重量，算出重力密度；可以应用地球物理方法用γ射线在原位测井中测定；还可以测出垃圾各组成成分的重力密度，然后按其所占百分比估计整个垃圾的重力密度。在现场或实验室直接测试的结果比较可靠，如果试验条件控制得好，试样尺寸较大（试坑或试样盒取样），则其试验结果可能是最可靠的。最不可靠的是那些直接计算出来的数据，例如由进场垃圾的重量和现场填埋体积估算出来的结果。

表4-2给出城市垃圾平均重力密度资料的归纳。所提供的重力密度变化范围为3.1～13.2 kN/m³，其变化范围之所以这么大，是由于倒入的垃圾成分不同，每天覆土量不同，以及含水量和压实程度不同等原因造成的。

由于后续垃圾上覆压力的作用，先倾入垃圾的重力密度会因体积的瞬时压缩而加大，也会因随时间增加的附加压缩而增大。在Earth Techrology（1988）的报告中，给出了在美国洛杉矶附近Puente Hills填埋场进行现场和实验室研究的重力密度和深度关系曲线，其结果是根据开挖取样进行室内试验和用γ射线在钻孔中测定的，见图4-1中的虚线。其值从表层的3.3 kN/m³变化到60m深处的12.8 kN/m³。根据已发表的现代卫生填埋场现场垃圾初始密度和Fassett等（1994）给出的垃圾压缩量，Kavazanjian等（1995）又给出了一条表示垃圾重力密度和填埋深度的关系曲线，见图4-1中的实线。Fassett等（1994）还给出垃圾重力密度的上下极限为3.0 kN/m³至14.4 kN/m³，也示于图中。对于缺少当地资料的填埋场，在进行工程分析时，图4-1可作为供估计城市垃圾重力密度的参考。

现今大多数填埋场均对垃圾进行适度压实，其压实比通常为2:1至3:1，对于现代城市垃圾填埋场，经过压实后的垃圾，其平均重力密度通常可取8.6至10.8 kN/m³，如图4-1所示。

表4-2 城市固体废弃物的平均重力密度

图4-1 城市垃圾的重力密度剖面^[69]

二、垃圾的含水量

垃圾的含水量有两种不同的定义方法，一为垃圾中水的质量与垃圾干重之比，常用于土工分析，即：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

式中：ω为用质量比表示的垃圾含水量，%; W_w为垃圾中水的质量；W_s为垃圾的干重。另一定义为固体废弃物中水的体积和废弃物总体积之比，常用于水文和环境工程分析，即

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

式中：θ为用体积比表示的固体废弃物含水量，%; V_w为固体废弃物中水的体积；V为固体废弃物总体积。

如果已知用质量比或体积比表示的任一含水量，则两种含水量可用下式互换：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

式中：y为固体废弃物的重力密度，kN/m³; y_w为水的重力密度，9.81 kN/m³。

其余符号同前，θ及ω均用百分数表示。

填埋场垃圾的含水量，在很大程度上与下列互相关联的因素有关，包括垃圾的原始成分、填埋场地气候条件、填埋场运用方式（如是否每天往填埋垃圾上覆土）、滤液收集和排放系统的有效程度、填埋场生物分解过程中产生的水分数量以及从填埋场气体中脱出的水分数量等密切相关^[70,77]。Sowers（1968）指出，垃圾的原始含水量一般为10%～35%（质量比）。图4-2给出了加拿大全境各种垃圾试样的有机含量与含水量之间的关系（Landva and C1ark,1990），一般来说，含水量将随有机含量的增加而增大。另外，城市垃圾的含水量还受季节气候变化的影响，表4-3表示美国加利福尼亚州North Santa Clara城的垃圾含水量（质量比）随季节变化的情况。城市垃圾的含水量还因填埋地点的不同而发生变化，这是由于各地的气候条件、填埋操作方式和垃圾组成不同而造成的。表4-4列出了美国不同地区城市垃圾不同的含水量值（质量比）。

图4-2 加拿大老填埋场试样的有机含量与含水量的关系^[97]

表4-3 城市固体废弃物的含水量随季节变化情况^[98]

表4-4 美国不同地区城市固体废弃物的含水量^[98]

三、垃圾的孔隙率

孔隙率定义为垃圾孔隙体积与总体积之比。孔隙率n和孔隙比e（孔隙体积与干物质体积之比）之间有以下关系：

城市垃圾地质环境影响调查评价方法

或

根据城市垃圾的成分和压实程度，其孔隙率通常可取40%～52%，比一般压实粘土衬垫的孔隙率（约为40%）要高。表4-5给出了城市垃圾的一些工程性质指标，包括初始含水量，初始孔隙率和孔隙比，以及更多的重力密度。

表4-5 固体废弃物的某些性能指标

四、垃圾的透水性

垃圾的渗透系数可通过现场淋滤液抽水试验，大尺寸试坑渗漏试验或实验室大直径试样的渗透试验求出。图4-3给出加拿大4个填埋场试坑中测定的垃圾重力密度与渗透系数的关系，图中渗透系数是指渗透流稳定以后，垃圾碎片将要填塞孔隙之前，水位下降中间阶段的值，其大小（n×10^-4～n×10^-3cm/s）与洁净的砂砾相当（Landva and Clark,1990）。

利用美国密歇根州一个运行中的填埋场3年现场实测资料，Qian（1994）推算出主要淋滤液收集系统中降水量和淋滤液产出体积之间随时间的变化关系，垃圾的渗透系数可由渗流移动时间、水力梯度及垃圾层厚求出，其值约为9.2×10^-4～1.1×10^-3cm/s。

表4-6综合了城市垃圾渗透系数的试验资料，从中可看出，填埋场城市垃圾的平均渗透系数的数量级约为10^-3cm/s。

图4-3 现场试坑测出的重力密度及渗透系数^[97]

表4-6 城市固体废弃物渗透系数资料综合^[3]

五、垃圾的持水率

持水率是指经过长期重力排水后土或垃圾所能保持的体积含水量；凋蔫湿度则是通过植物蒸发后土或垃圾中剩下的最低体积含水量值。这两个含水量此处均以体积比来定义。持水率和凋蔫湿度两者之差，也就是土或垃圾中可利用的水分含量或持水能力。某种土所能保持的水分与土的结构质地有关，重质土比轻质土可保持更多的水分，图4-4表示不同土类这些特征的变化情况。

垃圾的持水率对于判断填埋场淋滤液的形成非常重要，超过持水率的水将成为淋滤液排出；在淋滤液回流设计中它也是一个主要的参数。垃圾的持水率随外加压力的大小和垃圾分解程度而变，其值约为22.4%～55%，而压实粘土衬垫的持水率约为35.6%^[73、99]。

Sharma和Lewis（1994）建议城市垃圾持水率的典型值可取22.4%，在填埋场运行水文计算模型（HELP模型）说明中^[100]所采用的城市垃圾持水率为29.2%。压实的电厂粉煤灰持水率典型值为18.7%，而电厂炉灰的持水率则为26.6%^[99]。来自居民和商业区的未压实混合垃圾，其持水率约为50%～60%。一些研究文献中已发表的城市垃圾持水率值，综合列于表4-7。

图4-4 不同土类和持水参数的关系^[100]

表4-7 城市固体废弃物持水率值

（据钱学德等，2001）

城市垃圾的凋蔫湿度为8.4%～17%，而压实粘土衬垫的凋蔫湿度约为29%。Sharma和Lewis（1994）建议对城市垃圾、压实的火电厂粉煤灰和炉灰的凋蔫湿度可分别取8.4%、4.7%和6.5%。

影响城市垃圾持水率的主要因素有上覆压力、压实方式和垃圾的组成。一般来说，如果城市垃圾的组成保持不变，则它的持水率将随上覆压力和压实能的增加而减小。显然，垃圾含有的有机成分如纸张硬纸板、纺织品等愈多，它的持水率也愈高。

六、垃圾的强度

与土一样，城市垃圾的强度也随法向荷载的增加而增大。可是，由于城市垃圾有机质含量高并具纤维形态，其性状不像典型的土，反而更接近于纤维质的泥炭^[101]。影响城市垃圾强度特性的因素包括^[68]：①有机质和纤维素含量；②垃圾的年龄和分解程度；以及③填埋年代（指不同年代填埋场的组成成分、压实方式和每日覆盖土的数量等）。同时，城市垃圾的强度也是剪切方向的函数，在直剪试验中，当剪切方向与垃圾堆填层面平行时，抗剪强度值最小^[102]。

城市垃圾的强度特征主要是摩擦角φ和凝聚力c。估算城市垃圾的强度有三种途径：即①在实验室或现场直接测定；②通过破坏实例或荷载试验资料进行反算；及③间接的现场测定。室内试验包括重塑试样或完全扰动试样的大型直剪试验，用薄壁取土器或冲击式取土器取样做三轴试验以及取出试样的无侧限抗压或拉伸试验。用大型直剪试验做出的结果见图4-5和图4-6^[97]。对自然状态和干燥状态下垃圾的检验表明，它们均具有粒状和纤维状的特征。因此，在大型直剪试验中，和粒状土一样，当然能得到摩擦参数，从图4-5和图4-6可以看出，其内摩擦角φ约在24°～41°之间。但从图上也可以看出，这些材料也存在有一个0～23kPa的凝聚力参数C。

图4-5 大直剪试验结果（1）^[97]

图4-6 大直剪试验结果（2）^[97]

由破坏面或荷载试验结果反算强度参数的方法在很多文献中都提到过。美国很多填埋场在进行边坡稳定分析时都采用了根据加利福尼亚州Monterey Park填埋场现场荷载试验得出的抗剪强度参数^[72]。别的资料也可从新泽西州Global填埋场的破坏面反算出^[66]。Singh及Murphy（1990）通过观察南加利福尼亚州很多填埋场在地震期间安然无恙的事例，经过反算也求得了有关的强度资料。由于地震后填埋场边坡并未发生破坏，反算凝聚力c和内摩擦角φ时，可假定边坡的安全系数等于1.0，这样反算得到的强度是最小的强度，因此，这种假定是偏于安全的。

通过直接量测（如直剪试验）得到的强度数据，可用抗剪强度和法向应力的关系加以描述，如图4-5和图4-6那样。而由破坏面或荷载试验反算而得的抗剪强度常为同时满足平衡方程的两个解，即凝聚力c和内摩擦角φ，这是利用已知条件（安全系数＝1.0）去确定两个未知量c和φ的结果。Singh及Murphy（1990）根据室内及现场试验以及通过反算得到的强度资料，以c及φ作为坐标归纳于一张图中，即图4-7，图中阴影部分为他们所建议的可在稳定分析中使用的强度参数范围。

在对城市垃圾抗剪强度进行评价时，Kavazan等（1995）认为，用以进行极限平衡分析的强度参数，还必须考虑垃圾的压缩和应变协调等因素。他们对城市垃圾抗剪强度的评价，主要是根据实例反算和现场试验得出的结果，除了由大直剪试验得出的一组数据外，其他室内试验得出的抗剪强度资料均未采用。因为室内试验的垃圾试样是经过重塑的，同时尺寸又太小，它们不能和城市垃圾填埋场的不均匀性相适应，因此，这些试验数据是不可靠的。

图4-7 城市垃圾强度资料的归纳^[72]

被认为是可靠的并可用于垃圾抗剪强度校核的野外和室内试验数据被归纳于表4-8中。

表4-8 可用于城市固体废弃物抗剪强度校核的数据^[96]

表4-8中的数据可用于对已知稳定的现有废弃物填埋场进行反分析后求得的数据加以补充。表4-9给出了对4个现有填埋场进行反算求得的废弃物抗剪强度。反算时假定凝聚力c=5 kPa，用简化毕肖普法进行计算。这4个填埋场已建成15年，并未产生过大的变形或有其他不稳定迹象，其稳定安全系数显然比1.0大得多甚至可能大于1.3，即使在其废弃物抗剪强度计算中采用1.2的安全系数，还是偏于安全的。

表4-9 现有填埋场边坡反算结果[⁹⁶]

表4-8及表4-9中的抗剪强度与法向应力的关系如图4-8所示，结合观察到在已使用的填埋场垃圾中挖一直立壁面达6m的深沟，其沟壁仍能保持稳定这一事实，说明垃圾的抗剪强度包线具有双线性质。根据上述观察结果和表4-8中的数据，Kavazajniom等（1985）在填埋场城市垃圾的稳定分析中提出了一条折线形的摩尔－库伦强度包线，当法向应力低于30 kPa时，取c=24 kPa，φ＝0°；当法向应力大于30 kPa时，则取c=0，φ＝33°。

图4-8 城市垃圾的抗剪强度^[96]

对于长期稳定分析，抗剪强度参数的变化主要决定于有关的填埋废弃物特性。对卫生填埋场的垃圾种类来说，并无直接的证据表明其抗剪强度会随时间发生重大变化。如果垃圾内因较多的局部分解而留下软弱带或空穴，其整体抗剪强度当然要减小，但这种强度衰减很难通过室内剪切试验被检查出来。

城市垃圾像土一样，其强度随法向0应力（或侧限压力）的增加而增大；同时，由于它的高有机质和纤维素含量，使它的性状不像无机土而更接近于含纤维的泥炭。城市垃圾的纤维素含量可以保持不变，但易腐烂的有机质含量却随时间而减少，因此，其岩土工程性质随时间推移会产生一些变化。另外，城市垃圾可能非常不均匀，因此在某一个部位所取的试样并不能充分代表它的“平均”性能。

有关城市垃圾强度确定的最大问题是摩尔－库伦理论是否同样适用于垃圾？由于城市垃圾可产生很大的变形而不破坏，应取对应多大应变时的剪应力作为强度值才合适呢？Singh和Murphy（1990）做过城市垃圾的三轴压缩试验，在应变达到30%以后，应力仍在持续增长，并无达到一稳定值的迹象。在美国加利福尼亚州Monterey Park进行的荷载试验中，一超载的填埋场边坡产生了很大的变形，但仍无明显的破坏面^[72]。根据以上事实和其他资料，Singh和Murphy断定，用摩尔－库伦理论来描述垃圾的强度特征可能是不合适的。

填埋场稳定破坏常发生于衬垫系统内的接触面或下卧软土层中。因此，当进行稳定分析必须估计垃圾的强度特性时，和应考虑不同材料的应变协调性一样，正确计算软弱接触面和不良地基的强度特性是更为重要的。