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某低厨余填埋场垃圾物理力学特性演化规律

陈宏信, 吕东江, 冯世进, 张晓磊, 吴少杰

陈宏信, 吕东江, 冯世进, 张晓磊, 吴少杰. 某低厨余填埋场垃圾物理力学特性演化规律[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(9): 1850-1858. DOI: 10.11779/CJGE20220551
引用本文: 陈宏信, 吕东江, 冯世进, 张晓磊, 吴少杰. 某低厨余填埋场垃圾物理力学特性演化规律[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(9): 1850-1858. DOI: 10.11779/CJGE20220551
CHEN Hongxin, LÜ Dongjinag, FENG Shijin, ZHANG Xiaolei, WU Shaojie. Evolution of physical and mechanical properties of municipal solid waste in a landfill with low kitchen waste content[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2023, 45(9): 1850-1858. DOI: 10.11779/CJGE20220551
Citation: CHEN Hongxin, LÜ Dongjinag, FENG Shijin, ZHANG Xiaolei, WU Shaojie. Evolution of physical and mechanical properties of municipal solid waste in a landfill with low kitchen waste content[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2023, 45(9): 1850-1858. DOI: 10.11779/CJGE20220551

某低厨余填埋场垃圾物理力学特性演化规律  English Version

基金项目: 

国家重点研发计划项目 2020YFC1808103

国家自然科学基金项目 41931289

国家自然科学基金项目 42077250

国家自然科学基金项目 42277148

详细信息
    作者简介:

    陈宏信(1987—),男,博士,副教授,主要从事环境岩土方向的教学和科研工作。E-mail: chenhongxin@tongji.edu.cn

    通讯作者:

    冯世进, E-mail: fsjgly@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: TU431

Evolution of physical and mechanical properties of municipal solid waste in a landfill with low kitchen waste content

  • 摘要: 垃圾分类处理将导致中国填埋场中厨余垃圾占比显著下降,对填埋场的长期安全运营提出了新的要求。对中国某低厨余城市生活垃圾(MSW)填埋场进行了现场抽水、电阻率测试及室内垃圾组分、质量含水率、剪切强度等测试,分析了其物理力学特性变化。结果表明经过两年抽水后垃圾组分变化不大,但垃圾特性分布更加离散;低厨余垃圾受历史填埋垃圾影响,含水率为86%~161%,经过抽水后降低至42%~116%;抽水后填埋场整体水位下降但在10~15 m深度出现了局部的高含水区域;填埋场垃圾黏聚力及内摩擦角分布范围分别为0~20 kPa及15°~30°,黏聚力及内摩擦角变化范围较大,且黏聚力低于国内一般高厨余垃圾填埋场,抽水后垃圾的剪切强度总体下降但剪切硬化现象更加明显。
    Abstract: The classified treatment of the municipal solid waste (MSW) will lead to a significant decline in the proportion of kitchen waste in landfills in China, which puts forward new requirements for the long-term safe operation of landfills. To evaluate the evolution of the physical and mechanical properties of waste in low kitchen waste landfills, the in-situ pumping and resistivity tests, and the laboratory tests on waste components, water content and shear strength of an MSW landfill with low kitchen waste content in China are carried out. The major conclusions are as follows: (1) The waste components only slightly change after two years of pumping, but the properties of the MSW become more scattering. (2) The water content is at a high level of 86%~161% which is affected by the landfilling history and location, and the range decreases to 42%~116% after pumping. The overall leachate level declines, but there is a local area with a high water content at the depth of 10~15 m, and the local leachate accumulation may be due to component dislocation and migration caused by pumping. (3) The cohesion and internal friction angle vary widely, and their ranges are 0~20 kPa and 15°~30°, respectively. The cohesion is overall lower than that of the domestic traditional landfill with a high kitchen waste content. The shear strength of the MSW after pumping is generally reduced, but the shear hardening phenomenon is more obvious.
  • 随着社会进步与人们环保意识的不断加强,自2019年7月起,中国城市生活垃圾的分类政策首先在上海等地开始实施,这意味着中国城市生活垃圾处理方式开始转变,含有大量有机质的厨余垃圾将不再直接填埋。因此中国城市生活垃圾卫生填埋场内垃圾的组分、含水状况、物理力学特性等也会出现新的变化,这对填埋场的运营管理方式将产生重要影响。

    以往研究认为中国填埋场回填了大量厨余垃圾,渗滤液水位处于较高水平[1],并且随着有机物的不断降解以及渗滤液抽提与回灌[2],填埋场内的渗滤液分布非常复杂[3],容易导致填埋场发生局部失稳。电阻率测试作为一种无损探测手段,在填埋场渗滤液分布探测中已经得到了广泛应用[4]。如Feng等[5]对上海老港填埋场进行了现场电阻率测试及室内的垃圾含水率测试,发现垃圾电阻率约在4~25 Ω·m,体积含水率范围为0.17~0.42,并提出了相应的准三维渗滤液含水率模型。然而目前鲜有国内低厨余填埋场垃圾渗滤液赋存状态的相关报道。

    此外,垃圾的重度与强度特性都会对填埋场稳定性产生重要影响。涂帆等[6]对比了中美垃圾的各项基本特性后认为中国垃圾的重度为7.7~13.8 kN/m3,含水率为20%~152%,重度整体偏低,并且含水率水平较高,对填埋场稳定十分不利。孙春光等[7]收集了中国大量的生活垃圾特性数据,得到的重度为8.0~16.5 kN/m3,黏聚力为0~48.0 kPa,内摩擦角为17°~37°。陈云敏等[8]发现随着垃圾龄期的增长,垃圾黏聚力减小而内摩擦角增大。Feng等[9]对上海老港填埋场16 m深度范围内的生活垃圾进行了室内直剪试验后得到垃圾的摩擦角和黏聚力分别为15.7°~21.9°和18.3~29.1 kPa,并且随着填埋场深度增加,垃圾的黏聚力减小,内摩擦角增大,这样的强度变化与中国垃圾的高厨余占比有关,随着深度增长,垃圾龄期增长,有机物降解度不断增加。孙秀丽[10]与赵阳[11]配置不同降解度的垃圾试样后进行测试,也发现降解度会显著影响垃圾强度。可以发现,由于中国垃圾特性及填埋历史问题,已有研究主要针对传统高厨余垃圾,认为垃圾特性变化主要与有机物降解(龄期)紧密相关,目前对垃圾分类后低厨余填埋场垃圾基本物理力学特性变化的研究还非常有限。

    在垃圾分类政策背景下,本文对中国某低厨余城市生活垃圾填埋场进行了现场抽水、电阻率测试及室内垃圾组分、质量含水率、剪切强度等测试,分析了其物理力学特性变化,揭示了抽水处理对低厨余垃圾填埋场渗滤液赋存状态和垃圾特性的影响规律。本研究可以为中国填埋场的稳定性控制提供工程经验与数据支持,并为垃圾分类后的填埋场建设运营提供参考。

    某山谷型填埋场是华东某市唯一的生活垃圾卫生填埋场,建于20世纪90年代初。填埋场占地面积约135000 m2,长约500 m,宽约400 m。该填埋场在2009年之前为一期工程,在一期填埋工程结束后进行了封场。为了解决2009年后该市城市生活垃圾的处理问题,对该填埋场进行扩建后开始二期填埋,设计标高为90 m,最大填埋厚度约45 m,并在下游建设垃圾坝,如图 1所示。2019年6月的现场监测表明,部分区域的渗滤液水位处于堆体表面以下6~9 m深度,与垃圾堆体整体高度相比处于较高水平。

    图  1  填埋场平面布置图
    Figure  1.  Layout of landfill

    为了降低渗滤液高水位带来的填埋场堆体失稳破坏风险,考虑采用竖井抽水的方法降低填埋场垃圾的含水率及渗滤液水位。依据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范:CJJ176—2012》[12],垃圾填埋场的警戒水位一般取

    h/H=0.6    
    (1)

    式中:h为渗滤液水位高度;H为垃圾堆填高度。

    现场水位显著高于警戒值,需要根据规范将水位降低至地表以下约18 m。由于当打井深度在18 m以上时施工较为困难,抽水井质量较低,同时考虑到竖井不可以侵入底部防渗衬垫。综上,抽水井钻入深度在15~25 m,具体取值依据井位而定,最终确定布置23口抽水井,其中第一平台13口,第二平台10口,平面分布情况如图 2所示。抽水井采用旋挖钻井法施工,0~5 m深度采用300 mm钻头,5~10 m采用250 mm钻头,10~20 m采用170 mm钻头,20 m以下采用150 mm钻头。成井材料选用DN110镀锌钢管,并在管壁开设直径20 mm圆孔,开孔率为3%,管壁外侧包裹孔径2 mm、厚度1 mm的尼龙网,并在管壁与钻孔空隙间回填10~20 mm洗净的非钙质岩石。2021年6月的现场水位测试结果显示,第一平台渗滤液水位大约从堆体表面以下8 m降至18 m,第二平台渗滤液水位大约从堆体表面以下6 m降至14 m。

    图  2  抽水井布置及现场测试安排
    Figure  2.  Layout of vertical wells and field test plan

    生活垃圾电阻率主要分布在1~100 Ω·m,当含水率增加时,渗滤液中的带电离子可以增强垃圾材料的导电性,电阻率随着含水率升高而降低,因此可以通过电阻率的测试结果判断填埋场渗滤液的分布状况。为了更全面地了解填埋场垃圾物理力学特性的分布状况,在2019年8月(抽水井刚布设)及2021年6月(抽水井布设约两年)均进行了现场电阻率测试工作。

    本研究采用WDA-1高密度电法仪,配合WDZJ-4多电极转换器、集中式高密度电缆、铜质电极进行现场电阻率测试工作,根据场地条件与竖井位置,沿水平与竖直方向分别布置一条测线(见图 2),每条测线电极间距为5 m,单条测线布置30个电极,共60个电极,测线长度L为150 m,有效探测深度一般为1/6L~1/8L。由于填埋垃圾分布不均,本研究探测深度取20 m。测试过程中偶极排列方式选用温纳排列,单根测线进行3次测量以消除测试过程中的偶然误差。

    采用平滑约束最小二乘法等计算方法,将原始数据转换为电阻率分布,即原始数据地电断面色谱图(图 3(a)),将其反演计算得到图 3(c)后再对反演结果进行正演计算,从而得到图 3(b)所示正演成像色谱图。当正演结果色谱图与原始数据色谱图结果基本一致(在规定误差范围内)时,说明反演的地电断面结果是合理的。实测值与计算值之间的残差未到精度要求时(方均根误差 < 10%),需要重复上述步骤,直至满足要求。当精度满足要求时,即可认为当前反演电阻率模型剖面为观测位置电阻率分布的合理解译结果。方均根误差(RMS)定义如下:

    图  3  测试断面反演过程示意图
    Figure  3.  Schematic diagram of inversion process of test section
    RMS=1n2nj=1(lg(ρmj)lg(ρcj)lg(ρcj))    
    (2)

    式中:n为测点数量;ρmj为原视电阻率;ρcj为计算视电阻率。

    此外在两次电阻率测试的测线周围进行了不同钻孔的垃圾取样工作,钻孔位置如图 2所示。2019年8月进行现场取样时确定的25 m深度范围内的垃圾龄期分布为0.5~4 a。由于布置了抽水井,该位置暂停了后续垃圾的填埋工作。在2021年6月进行现场取样时,为了保证垃圾的龄期一致,取样深度较2019年8月更浅,两次取样的样品深度及龄期信息见表 1

    表  1  垃圾取样信息
    Table  1.  Sampling information of MSW
    钻孔 Ys/年 Ns/个 dp/m- ys/a
    A1 2019 5 2.5-0.5,7.5-0.5,12.5-2,17.5-2,22.5-4
    A2 2019 5 2.5-0.5,7.5-0.5,12.5-2,17.5-2,22.5-4
    B1 2021 4 2.75-2.5,7.25-2.5,11.75-4,16.25-4
    B2 2021 4 2.75-2.5,7.25-2.5,11.75-4,16.25-4
    注:Ys为取样年份;Ns为取样个数;dp为取样深度;ys为龄期。
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    现场取样方法为干法钻孔取样(钻筒直径0.2 m、长度1.5 m)。由于钻孔取样保持垃圾原状非常困难,因此在取样时将钻筒内垃圾全部保存到塑料桶内用塑料膜密封进行了保水,在试验时选择桶中垃圾中段部分,并以现场测试重度为控制指标装填试样,充分固结后再开展试验。钻孔取样流程如下:①首先采用0.5 m长的成孔钻头在预定位置进行钻孔工作;②成孔后进行标准段钻进,利用1.5 m钻筒进行钻探,并将对应深度的垃圾取出后全部装进已称重的塑料桶中并称重;③计算钻筒钻取垃圾质量与钻筒容积之比,得到垃圾密度和重度。

    采用烘干法确定垃圾的质量含水率(后文简称为含水率w),如下所示:

    w=mwms×100%    
    (3)

    式中:mw为垃圾中水分的质量;ms为干垃圾的质量。

    参考国内学者张季如等[13]的测试方法,在恒温烘箱中保持65℃的温度烘干垃圾试样,第一次烘干时间为72 h,取出测量质量后再次烘干24 h,若两次质量一致则表明试样已烘干,否则继续烘干24 h,直至连续两次测得的质量相同。

    取约1 kg干燥后的垃圾试样进行垃圾组分分析。首先将烘干并冷却至室温的试样过10 mm筛,将大于10 mm的垃圾依据可识别的成分分为以下几类:塑料;砾石、玻璃、金属;纤维、纸张和木材,然后用酒精灯灼烧小于10 mm的剩余垃圾后得到有机物质量,则剩余的废渣主要是渣土及灰。

    由于生活垃圾具有粒径大、组分复杂等特点,测试其剪切强度相比普通土体更加困难。尽管已有现场的原位大型直剪试验[14],然而原位测试难度大、成本高、耗时长,因此本研究采用室内大尺寸直剪试验测试垃圾的剪切特性。仪器的剪切盒尺寸为300 mm×300 mm×150 mm,装填质量依据原位测试得到的垃圾重度进行分层装填,每层厚度2 cm,采用锤子敲击压实后进行下一层的装填。室内剪切试验方案如表 2所示。

    表  2  垃圾室内直剪试验方案
    Table  2.  Schemes for direct shear tests on MSW
    编号 Ys/年 Np/kPa dp/m ys/a γ/(kN·m-3) w/%
    A1-1 2019 100,200,400 2.5 0.5 6.2 90.0
    A1-2 7.5 0.5 6.6 85.5
    A1-3 12.5 2 8.8 161.2
    A1-4 17.5 2 9.6 100.5
    A1-5 22.5 4 11.2 91.3
    A2-1 2.5 0.5 7.6 85.6
    A2-2 7.5 0.5 7.8 91.3
    A2-3 12.5 2 9.3 150.8
    A2-4 17.5 2 8.4 124.5
    A2-5 22.5 4 10.8 90.1
    B1-1 2021 100,200,400 2.75 2.5 9.4 62.3
    B1-2 7.25 2.5 7.8 115.5
    B1-3 11.75 4 7.0 89.0
    B1-4 16.25 4 12.2 89.3
    B2-1 2.75 2.5 6.5 60.2
    B2-2 7.25 2.5 9.6 67.9
    B2-3 11.75 4 6.7 57.2
    B2-4 16.25 4 7.8 42.3
    注:Np为正应力。
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    对于每个剪切试样,在给定的正应力条件下进行不少于2 h的固结,以确保剪切过程中不发生显著竖向变形。由于垃圾加筋效应导致的应变硬化特性使其在剪切过程中很难出现破坏现象,Stark等[15]建议三轴试验采用10%轴向应变,直剪试验采用25 mm水平位移作为垃圾的极限应变准则,因此后文如无特别说明,将30 mm剪切位移(10%剪应变)作为破坏标准计算剪切强度参数。由于本研究不考虑剪切速率对剪切强度的影响,因此剪切速率参照ASTM[16]确定为1 mm/min(破坏时间60 min左右)。

    本填埋场垃圾的重度测试结果如图 4所示,抽水前为6.2~11.2 kN/m3,抽水两年后为6.5~12.2 kN/m3,与国内外其他填埋场相比[9, 17-19],本填埋场垃圾重度总体偏小。对比国外垃圾的重度测试结果,国内垃圾的重度偏小,这与传统回填垃圾组分中含有较多含水率大、孔隙率高的湿垃圾有关,而造成本文填埋场垃圾重度低于国内其他填埋场垃圾的原因则是本文填埋场垃圾含有大量的轻质塑料。对于同一深度不同钻孔,2021年垃圾重度变化范围比2019年垃圾更大,主要与降水导致的垃圾含水率空间变异性变大有关。未进行现场抽水时(2019年),由于渗滤液水位很高,大部分垃圾都在渗滤液水位以下,因此随着深度增长,垃圾体不断被压实,重度也不断增长,这一结果与Feng等[5]在上海老港填埋场开展的原位测试结果趋势一致。经过两年抽水后(2021年),填埋垃圾的重度开始出现沿深度先增长再减小后再增长的趋势,这与Machado等[19]报道的趋势相近。这主要与现场抽水导致的渗滤液水位下降以及垃圾成分空间变化有关。

    图  4  垃圾重度沿深度变化
    Figure  4.  Variation of unit weight of MSW with depth

    本研究与国内外其他填埋场[9, 20-25]垃圾的组分测试结果对比如图 5所示。可以发现,两年抽水并未导致垃圾组分发生明显变化,抽水后纤维、有机物及渣土类物质占比略微减少,其他难降解成分如塑料、砾石等占比有一定增长,除去钻孔位置带来的影响,可以认为两年垃圾组分含量基本相当,主要原因在于低厨余垃圾中可降解的有机物占比较低。

    图  5  国内外不同填埋场的垃圾组分
    Figure  5.  MSW components in different landfills

    此外国内传统填埋场中垃圾组分占比大体类似,各组分占比顺序依次为渣土>有机物≈塑料≈纤维>砾石,大量的有机物来自未分类垃圾中包含的厨余生活垃圾,这也是导致中国填埋场垃圾含水率处于较高水平的重要原因。国外垃圾中纤维占比最高,这一结果与本文填埋场的纤维占比结果相似,但在有机物占比上国内外垃圾与本文填埋场垃圾表现出较大差异。国内填埋场垃圾有机物占比在20%以上,国外填埋场垃圾有机物占比却跨越了较大范围(5%~20%),而本文填埋场垃圾的有机物占比约5%,与国内填埋场存在较大差异。这表明中国即使在实行了垃圾分类政策后,填埋垃圾的组分也具有一定特殊性,直接采用国外干垃圾填埋场的垃圾特性参数用于中国后期填埋场建设及稳定性分析可能存在较大风险。

    抽水两年前后的电阻率变化情况如图 67所示。可以发现经过两年抽水后,填埋场电阻率在地表及抽水井位置处出现增长趋势,但随着抽水过程,填埋场内电阻率分布变异性增大,甚至出现局部低电阻区域。结合填埋场现场工程措施及垃圾组分特性分析结果,认为造成这一现象的原因可能如下:①填埋场内渗滤液水位会随着竖井抽水而不断降低,表层滞水不断下降,同时填埋场深层渗滤液受到抽水井负压作用不断向抽水井高度迁移,从而导致填埋场5~15 m深度附近的垃圾含水率增大;②根据填埋垃圾组分变化(图 5)可以发现,抽水后垃圾中的纤维、有机物、渣土及灰等存在质量损失,说明部分较细小的颗粒(如纤维残渣、降解的有机物、细颗粒土)会随渗滤液一同在抽水井作用下发生迁移,同时本文填埋场垃圾又包含大量比表面积大的轻质塑料,很容易与这些随渗滤液一同迁移的物质形成包络,造成渗滤液的局部淤堵,这也很可能导致填埋场出现局部失稳破坏,在后续进行填埋场稳定性分析时需特别注意。

    图  6  A测线电阻率测试结果
    Figure  6.  Resistivity test results of line A
    图  7  B测线电阻率测试结果
    Figure  7.  Resistivity test results of line B

    垃圾含水率沿深度变化情况如图 8所示,可以发现除B2孔2021年垃圾在6.75 m含水率大于同深度的2019年垃圾外,其余深度2021年垃圾试样含水率均小于同深度的2019年垃圾。抽水在控制渗滤液水位和垃圾含水率上效果明显,两年后垃圾含水率由原来的86%~161%降低至42%~116%。此外,2019年的A1和A2钻孔在同一深度含水率相差不大,而2021年垃圾在同一深度则表现出较大的离散性。结合现场的电阻率测试结果可以发现,2019年钻孔垃圾的电阻率主要集中在3.2~7.6 Ω·m,说明其含水率空间分布比较均匀。而2021年由于抽水导致局部区域出现淤堵,使电阻率范围跨度较大,最大值在24.0 Ω·m以上,最小值约1.0 Ω·m。以上结果进一步说明竖井抽水将导致填埋场内渗滤液分布不均匀。

    图  8  垃圾含水率在抽水前后的对比
    Figure  8.  Comparison of water contents of MSW before and after pumping

    在与国内外其他填埋场[9, 13, 17, 19, 23, 26-28]进行对比时发现(图 9),虽然该填埋场不再回填厨余生活垃圾,其初始含水率也总体偏高,下限值大于86%,甚至高于部分填埋场的上限值。这说明即便中国进行了城市生活垃圾的分类处理后仍需关注高水位带来的填埋场失稳灾变问题。

    图  9  国内外填埋场含水率对比
    Figure  9.  Comparison of water contents of MSW in different landfills

    造成本文低厨余填埋场渗滤液高水位、垃圾高含水率的原因主要包括以下几个方面:①新回填的低厨余垃圾基本分布在表层20 m范围内,因此尽管表层为低厨余垃圾,但填埋场下部还是传统的高厨余垃圾,依然能够产生大量渗滤液,2019年的电阻率测试结果亦显示整个填埋场的电阻率均处于较低水平;②渗滤液的收集与导排系统不健全,因此渗滤液水位随着更深处垃圾的降解与压实,水位慢慢上升至表层;③区域气候条件影响,首先该填埋场处于长江中下游地区,降雨较为丰沛,此外该填埋场是典型的山谷型填埋场,利于富集雨水。

    通过室内直剪试验得到的垃圾剪切位移曲线(取各试样在不同正应力水平下的剪应力上下限)如图 10所示。可以发现,2019年不同钻孔及深度垃圾试样剪应力上限与下限相差不大,差值约在50 kPa以内,而2021年垃圾的剪应力上下限差值最大可达150 kPa。然而2019年垃圾的剪应力下限均高于2021年垃圾,说明抽水后存在一部分剪切强度较低的垃圾,主要原因在于抽水除了导致填埋场渗滤液水位下降外还造成了部分土颗粒的流失,从而导致2021年垃圾中渣土类物质的占比略有下降(见图 5)。此外,由于抽水带来的渗滤液分布不均匀也导致垃圾剪切强度的空间分布出现了较大的变异性。

    图  10  垃圾试样的剪切应力-位移曲线
    Figure  10.  Shear stress-displacement curves of MSW

    图 10中还可以发现,2021年的垃圾在400 kPa正应力下的剪切硬化特性要比2019年垃圾更加显著,在30 mm剪切位移条件下剪应力的上限约为250 kPa,与2019年垃圾几乎相当;而在60 mm剪切位移条件下,2021年垃圾剪应力上下限均增长约50 kPa,涨幅超过20%,而2019年垃圾的相应涨幅仅为13%左右。然而,对于100 kPa与200 kPa正应力情况,无论是30 mm还是60 mm剪切位移条件下,2021年垃圾的剪应力均低于2019年垃圾,说明2021年垃圾在原位条件下所受的前期固结压力由于抽水而增长,其剪切强度受应力历史的影响更加显著,导致其在正应力较低时强度发挥不充分。

    抽水前后的垃圾剪切强度参数沿深度的变化如图 11所示。从图 11(a)可以看出,2019年垃圾内摩擦角沿深度方向变化不大,在25 m深度范围内总体上有减小的趋势,在表面为29.3°,在最深处为24.4°,同一深度不同钻孔垃圾的内摩擦角最大相差不超过3°。而2021年垃圾的内摩擦角在同一深度不同钻孔处的差异十分明显,再次反映了抽水后垃圾的空间变异性变大。值得注意的是2021年垃圾的内摩擦角在深度方向上总体有增长趋势,两个钻孔地表垃圾内摩擦角分别为19.5°和25.7°,但在最深处的内摩擦角分别增长至23.3°和30.2°。

    图  11  剪切强度参数沿深度变化
    Figure  11.  Variation of shear strength parameters with depth

    图 11(b)发现2019年和2021年垃圾黏聚力变化的规律性较差,但2019年垃圾的黏聚力在深度方向上仍具有一定的增长趋势,在最深处达到了20 kPa,这主要与压实度沿深度方向增长有关。而2021年垃圾的黏聚力在最表层几乎为0,在多个试样表现相似。在黏聚力大小的对比上,2021年垃圾的黏聚力在5~15 m深度范围内略大于2019年垃圾,而在更深处2019年垃圾的黏聚力更大。

    可以发现,2021年垃圾强度整体小于2019年垃圾。结合垃圾的基本特性变化,可以发现垃圾在降水后变得较为干燥,强度来源主要是摩擦和咬合作用,颗粒黏结占比很低,而塑料-塑料或塑料-纤维界面又较为光滑,提供的强度难以超过塑料-颗粒间的摩擦作用。这表明以塑料、纤维为主的低厨余垃圾强度受组分特性和含水率影响,回填时需保证垃圾的级配,尤其是避免细颗粒的流失;而适当的含水率能够在黏结加筋相上起到一定作用。

    分别采用10%与20%的剪应变作为破坏标准得到抽水前后垃圾的强度包线。如图 12所示,在100 kPa及200 kPa正应力条件下,两年垃圾的剪切强度变化范围都不大,在400 kPa条件下则出现了较大范围变化,并且在这一正应力水平下2021年垃圾中存在剪切强度明显大于2019年垃圾的部分,这说明抽水能使填埋场部分垃圾剪切强度增长,但较大的剪切强度变异性以及局部高含水率有可能造成填埋场发生局部失稳破坏。从图中拟合的剪切强度包线可以发现,经过两年抽水处理后的垃圾平均黏聚力几乎消失,平均内摩擦角有小幅下降,总体上2019年垃圾的剪切强度大于2021年垃圾。但对比10%和20%剪应变结果,2021年垃圾的强度包线斜率增长幅度大于2019年垃圾,进一步说明2021年垃圾的硬化特性更明显。结合垃圾原位重度及剪切强度参数测试结果可以发现,在11.75 m深度处的2021年垃圾重度较低(7.0 kN/m3左右),垃圾的内摩擦角也在较低水平(图 11(a))。从电阻率测试结果还可以发现这一深度存在局部高含水区域,因此可推测抽水后的填埋场易在这一深度附近发生失稳破坏。考虑到垃圾在抽水作用下的基本相细颗粒物质流失造成的垃圾强度下降,选用10%剪应变条件得到的垃圾强度参数进行稳定性分析是比较安全的选择。

    图  12  垃圾试样的剪切强度包线
    Figure  12.  Shear strength envelopes of MSW

    最后将本文垃圾的剪切强度参数与国内外其他填埋场垃圾的剪切强度参数[9, 13-14, 23-24, 26-27, 29-33]进行对比(图 13)。可以发现,国内外垃圾的黏聚力和摩擦角基本在图中点划线三角形范围内;大多数垃圾的摩擦角介于20°~40°,较多集中在30°左右。中国垃圾的摩擦角明显小于国外垃圾,主要是因为国外垃圾厨余含量小、加筋相含量高。本文填埋场垃圾的剪切强度参数分布范围与Abreu等的统计结果接近,内摩擦角分布范围在15°~30°,变化幅度较大且最小值低于国内其他一般填埋场,而黏聚力则总体低于国内一般填埋场,范围在0~20 kPa,这主要与其细颗粒渣土类物质占比不高有关。

    图  13  国内外垃圾剪切强度对比
    Figure  13.  Comparison of shear strength parameters of MSW

    本研究对某低厨余城市生活垃圾填埋场进行了现场抽水、电阻率测试及室内垃圾组分、质量含水率、剪切强度等测试,分析了垃圾组分、重度、含水率及剪切强度等特性变化,同时通过与国内外其他填埋场垃圾进行比较厘清了中国低厨余垃圾填埋场的特征,得到以下5点结论。

    (1)在未进行抽水时,尽管填埋场内并未填埋厨余生活垃圾,有机质含量也较低,但填埋场内垃圾的含水率仍处于较高水平,这表明即使实行了垃圾分类处理政策后中国城市生活垃圾填埋场仍需考虑高水位导致的失稳破坏问题。

    (2)在填埋场内布设压缩空气抽水井持续抽水两年后,垃圾含水率大幅下降,由原来的86%~161%降低至42%~116%,结合原位电阻率测试结果可以发现,抽水后局部仍然存在高含水区域,潜在的安全风险不可忽视,有必要开展进一步研究。

    (3)组分分析结果表明,经过两年抽水后垃圾组分变化并不明显,但是垃圾特性变得更加离散,相较于中国其他传统的高厨余城市生活垃圾填埋场,该填埋场内的主要成分为塑料和纤维,渣土占比小并且会因抽水发生损失。

    (4)相比抽水前,抽水两年后2021年垃圾的剪切应力-位移曲线及强度参数的变异性更大,其剪切硬化特性更明显,最大剪切强度大于2019年,但平均剪切强度小于2019年,建议在抽水后对填埋场垃圾做进一步压实处理以提高填埋场整体稳定性。

    (5)本文填埋场垃圾黏聚力及内摩擦角分布范围分别为0~20 kPa及15°~30°,和国内外其他填埋场相比,本文填埋场垃圾的黏聚力与内摩擦角变化范围较大,且黏聚力偏小,内摩擦角最小值小于国内一般垃圾填埋场。

  • 图  1   填埋场平面布置图

    Figure  1.   Layout of landfill

    图  2   抽水井布置及现场测试安排

    Figure  2.   Layout of vertical wells and field test plan

    图  3   测试断面反演过程示意图

    Figure  3.   Schematic diagram of inversion process of test section

    图  4   垃圾重度沿深度变化

    Figure  4.   Variation of unit weight of MSW with depth

    图  5   国内外不同填埋场的垃圾组分

    Figure  5.   MSW components in different landfills

    图  6   A测线电阻率测试结果

    Figure  6.   Resistivity test results of line A

    图  7   B测线电阻率测试结果

    Figure  7.   Resistivity test results of line B

    图  8   垃圾含水率在抽水前后的对比

    Figure  8.   Comparison of water contents of MSW before and after pumping

    图  9   国内外填埋场含水率对比

    Figure  9.   Comparison of water contents of MSW in different landfills

    图  10   垃圾试样的剪切应力-位移曲线

    Figure  10.   Shear stress-displacement curves of MSW

    图  11   剪切强度参数沿深度变化

    Figure  11.   Variation of shear strength parameters with depth

    图  12   垃圾试样的剪切强度包线

    Figure  12.   Shear strength envelopes of MSW

    图  13   国内外垃圾剪切强度对比

    Figure  13.   Comparison of shear strength parameters of MSW

    表  1   垃圾取样信息

    Table  1   Sampling information of MSW

    钻孔 Ys/年 Ns/个 dp/m- ys/a
    A1 2019 5 2.5-0.5,7.5-0.5,12.5-2,17.5-2,22.5-4
    A2 2019 5 2.5-0.5,7.5-0.5,12.5-2,17.5-2,22.5-4
    B1 2021 4 2.75-2.5,7.25-2.5,11.75-4,16.25-4
    B2 2021 4 2.75-2.5,7.25-2.5,11.75-4,16.25-4
    注:Ys为取样年份;Ns为取样个数;dp为取样深度;ys为龄期。
    下载: 导出CSV

    表  2   垃圾室内直剪试验方案

    Table  2   Schemes for direct shear tests on MSW

    编号 Ys/年 Np/kPa dp/m ys/a γ/(kN·m-3) w/%
    A1-1 2019 100,200,400 2.5 0.5 6.2 90.0
    A1-2 7.5 0.5 6.6 85.5
    A1-3 12.5 2 8.8 161.2
    A1-4 17.5 2 9.6 100.5
    A1-5 22.5 4 11.2 91.3
    A2-1 2.5 0.5 7.6 85.6
    A2-2 7.5 0.5 7.8 91.3
    A2-3 12.5 2 9.3 150.8
    A2-4 17.5 2 8.4 124.5
    A2-5 22.5 4 10.8 90.1
    B1-1 2021 100,200,400 2.75 2.5 9.4 62.3
    B1-2 7.25 2.5 7.8 115.5
    B1-3 11.75 4 7.0 89.0
    B1-4 16.25 4 12.2 89.3
    B2-1 2.75 2.5 6.5 60.2
    B2-2 7.25 2.5 9.6 67.9
    B2-3 11.75 4 6.7 57.2
    B2-4 16.25 4 7.8 42.3
    注:Np为正应力。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-04
  • 网络出版日期:  2023-09-06
  • 刊出日期:  2023-08-31

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