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城市生活垃圾时间相关本构模型及填埋场服役性能研究

高武  
【摘要】:随着中国城镇化发展和城市生活垃圾产量的急剧增长,同时部分垃圾填埋场陆续封场,需填埋的垃圾量超过填埋场设计库容的问题越来越突出。面对巨量的待填埋垃圾和新建填埋场选址难等问题,一方面现役填埋场通过竖向和水平扩容,单个填埋场库容日趋增大,大型集约化填埋成为发展趋势;另一方面可持续填埋在中国得到发展,借助各种措施加快垃圾生化降解,促进填埋体沉降发展,再对稳定后的填埋场开挖释放库容。垃圾填埋后在自重、上覆荷载、机械蠕变和生化降解作用下产生显著变形,垃圾的压缩特性影响着填埋场各个方面,包括设计施工、作业运营和库容管理等等。大型集约化趋势下垃圾填埋体沉降对填埋场的服役性能必将产生重要影响,分析填埋场沉降造成的边坡稳定和衬垫系统完整性等问题尤其重要;可持续填埋提倡促进填埋场沉降增大填埋场库容,合理预测和计算填埋场沉降和填埋场库容至关重要;此外,在大型集约化可持续填埋背景下,平衡填埋场沉降和库容与边坡稳定和衬垫系统完整性之间的关系也意义重大。本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究”课题6“填埋场服役性能模拟、灾害评价及可持续防控”(2012CB719806)的资助下,围绕“城市生活垃圾时间相关本构模型及填埋场服役性能研究”这一课题开展了6个方面的研究工作:(1)调研汇总并分析对比了国内外垃圾的工程特性(以压缩特性为重点);(2)建立了垃圾一维时间线压缩模型;(3)建立了垃圾时间相关本构模型;(4)提出了基于填埋过程时空离散化的填埋场沉降和库容分析方法;(5)提出了考虑沉降的填埋场边坡稳定分析方法;以及(6)开展了基于垃圾本构模型的填埋场衬垫系统力学行为分析。本文获得的主要结论如下:(1)根据厨余的湿基含量可将新鲜垃圾分为高厨余含量和低厨余含量垃圾,中国垃圾属于高厨余含量垃圾。垃圾物理组分的差别造成了化学组分的差异,也是造成高厨余含量和低厨余含量垃圾工程特性差异的内在原因。与低厨余含量垃圾相比,高厨余含量垃圾具有相近的田间持水量和更高的初始含水量,胞内水伴随生化降解过程快速释放,渗滤液产量更高;在相近填埋深度条件下高厨余含量垃圾的液相渗透系数低一个数量级;此外,高厨余含量垃圾具有更快的甲烷产生速率但较低的甲烷产生潜力。(2)垃圾的压缩过程可分为应力相关的主压缩阶段和时间相关的次压缩阶段。生化降解会降低垃圾的主压缩特性,且影响次压缩发展过程,在利于生化降解环境下生化降解引起的长期次压缩可以达到甚至超过主压缩。垃圾的应力-应变关系表现出应变硬化特征;随应变的增大,高厨余含量垃圾的黏聚力和摩擦角均呈现增大的趋势,但低厨余含量垃圾的趋势不明显;随填埋龄期的增大,高厨余含量垃圾的摩擦角增大而黏聚力减小,但低厨余含量垃圾不符合该趋势。(3)一维时间线压缩模型分为Type Ⅰ和Type Ⅱ两种表现形式,模拟结果能较好地与实测结果吻合。Type Ⅰ适用于生化降解反应显著、高有机质含量或填埋龄期短的填埋场沉降计算和预测,TypeⅡ适用于机械蠕变显著、低有机质含量或填埋龄期长的填埋场沉降计算和预测,当生化降解环境不明确时推荐选用Type Ⅱ。Type Ⅰ的沉降预测结果相比Type Ⅱ更保守,需考虑垃圾组分确定结果可靠性。模型参数c随垃圾填埋龄期的增大而增大,参数Φ与应力相关而与填埋龄期无关。(4)垃圾本构模型包含了机械蠕变和生化降解引起的时间相关应变,综合考虑了应力引起的时间无关塑性体应变、机械蠕变引起时间相关塑性体应变和生化降解引起的时间相关塑性体应变对硬化定律的影响。模型参数可通过室内或现场试验,垃圾组分及文献数据分析确定,其中模型参数k对时间相关的沉降具有显著影响,通过调整k的取值后模拟结果与实测结果吻合较好。(5)填埋场沉降和库容分析方法通过填埋过程时空离散化将填埋场沉降和库容计算问题转化为填埋柱单元的沉降和库容计算问题,沉降计算中考虑了变化的渗滤液主水位和垃圾的容重对垃圾层所受上覆有效应力的影响。填埋场沉降和库容分析程序LANDFILL具备多种结果展示形式,上海老港填埋场四期工程模拟算例表明该分析方法和计算程序准确可靠,同时填埋过程时间离散化对获得精确的计算结果极为重要;填埋体内部构筑物的设计需进行沉降和不均匀沉降验算,依据沉降发展优化构筑物设计。(6)填埋场边坡稳定分析方法包含计算填埋场沉降和库容以及计算变形后的填埋场边坡稳定安全系数两步骤。渗滤液主水位对填埋场库容和边坡稳定非常重要;降低填埋体填埋速率可降低渗滤液主水位高度控制要求,增大填埋场库容的同时保持边坡稳定;增大边坡最终高度尽管能增加填埋场库容,但为保证边坡稳定的渗滤液主水位高度控制要求提高;降低前坡设计坡度有益于降低渗滤液主水位高度控制要求,但不一定降低填埋场扩容率。受填埋场沉降和垃圾生化降解过程的影响,填埋场边坡稳定安全系数随时间而改变,需结合填埋场的填埋阶段开展填埋场边坡稳定评价。(7)高密度聚乙烯(HDPE)土工膜衬垫系统中轴向拉应变通常发生在边坡上部;与修正剑桥模型相比,采用垃圾本构模型表征填埋体力学特性进行衬垫系统力学行为分析更为可靠,填埋垃圾因机械蠕变和生化降解引起的时间相关应变显著影响着衬垫系统中轴向应变大小和分布;降低填埋体填埋速率增大了填埋场库容但也增大了衬垫系统中最大轴向拉应变;延长中间平台宽度对减小衬垫系统中最大轴向拉应变的效果有限;增加中间平台数量有利于降低填埋场长期沉降对衬垫系统中轴向应变的影响;此外,降低边坡坡度是降低衬垫系统中最大轴向拉应变最有效的方法。


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