城市生活垃圾土密度影響因素的室內試驗研究
摘要：通過對填埋場垃圾土的成份進行分析，選擇有代表性的垃圾土組成配置試樣，并進行室內試驗，研究垃圾土組成、擊實功、含水量和上覆壓力對垃圾土密度和干密度的影響。試驗結果表明，對垃圾土進行擊實能有效提高垃圾土密度，垃圾土密度和干密度隨擊實功的增加而增加；垃圾土的干密度與擊實功的關系可以用對數函數表達，垃圾土組成對函數表達式的影響主要體現在函數式的截距項上；垃圾土的最大干密度和最優含水量隨擊實功的變化規律與一般土相同；垃圾土的密度有隨上覆壓力增大的趨勢，但上覆壓力達到一定界線，密度的增長趨勢明顯減緩，該界線值與垃圾土的擊實功有關；對于同一組成的垃圾土，干密度的初始值因擊實功和含水量而異，且隨上覆壓力的增大而增大并趨于定值。
關鍵詞：垃圾土 擊實功 密度 干密度 最優含水量
垃圾土的密度是填埋場設計需要的最基本的參數之一，包括襯墊設計、地基穩定、和填埋場沉降等設計的很多環節都需要用到密度。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方法的不一致，也增加了測試值的不確定性。
發達國家垃圾填埋場的建設早于我國，也積累了較多資料。我國公開發表的垃圾土重度隨深度分布的資料很少。我國關于填埋場垃圾土重度隨填埋深度變化的問題有不同的看法。朱向榮等[2]根據杭州天子嶺填埋場的實測值，得出垃圾土重度的總體趨勢隨深度增加的結論。張振營等[3]對同一填埋場測試的結論是垃圾土重度不隨埋深的增大而有規律的增大。張季如等[4]對某填埋場垃圾土的取樣深度達15 m，垃圾土重度范圍值為8～12 kN/m3，沿深度分布較復雜，但認為干重度有隨深度增大的趨勢。
剛進填埋場的垃圾土，孔隙大、密度小、強度低，經過碾壓后，壓實比通常為2∶1～3∶1，提高強度利于穩定，且增加單位面積的填埋量，經過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程。因此，固體廢棄物的壓實對填埋場的建設和運營關系重大。對于填埋場垃圾土的碾壓，采用多大的壓實功能最為經濟合理，以及在合適的壓實功能下，垃圾土的干密度和含水量之間的關系，這些都是填埋場在運營期間關注的重要問題。通過對填埋場垃圾土的成份進行分析，選擇具有代表性的垃圾土組成配置試樣并進行室內試驗，研究垃圾土組成、擊實功、含水量和上覆壓力對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方法
城市固體廢棄物的組成復雜，通過對多個填埋場的垃圾土組成進行分析和研究，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列出若干個填埋場的垃圾土組成以及河海大學室內試驗的垃圾土組成，可以看出，差別很大。本試驗為了使得試樣具有代表性和可比性，根據當地情況，兼顧其他地區，采用的垃圾土配合比及具體材料見表2。根據表2，稱取各具體材料，按設定的含水量計算需加的水量，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筒進行擊實試驗[8]，擊實筒直徑為15.2㎝，測得擊實后試樣的高度和質量，可以計算得到擊實后試樣的密度。擊實后試樣的頂部和底部鋪上濾紙墊上多孔板后，將試樣沒入水中浸泡12 h使之飽和。飽和的目的是為了模擬填埋場運營期間可能遇到的因為未及時覆土碾壓遭遇強降
表1 垃圾土組成1） ％
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注：1）均為質量分數。
表2 垃圾土配合比及具體材料1）
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注：1）均為質量分數。
表3 組成2各試樣的擊實功、含水量和相應的密度
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雨以及由于垃圾土中有機質降解產生淋瀝液未及時排出的情況。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試樣高度,計算垃圾土密度。對試樣分別施加100、200、400、600 kPa的上覆壓力,得到各級壓力下的密度。各試樣的擊實功、含水量和擊實后的密度見表3。
2 垃圾土密度、干密度與擊實功的關系
根據表2組成1配制的未擊實垃圾土密度為0.44 g/cm3，約為表3中垃圾土密度最小值（0.89 g/cm3）的49％，可以認為，即使在較小的擊實功作用下，垃圾土的密度也比未經擊實的增加很多。因此，填埋場運營過程中，分層碾壓是十分必要的。將組成1按表3所示的3個含水量擊實，試樣的密度和干密度與擊實功的關系見圖1。為了研究不同垃圾土組成對密度的影響，將組成2配置30%含水量的試樣的試驗結果一并列出。根據圖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功增加；（2）對于相同組成的垃圾土試樣，在同一擊實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，表示與擊實功關系的密度指標應采用干密度；（3）干密度隨擊實功增加的趨勢基本一致，經擬合，得到方程式（1）和式（2）。2條曲線均符合對數關系，主要差別在于截距，即初始干密度不同，而該項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為擊實功，kJ/m3。
 圖1 密度、干密度與擊實功的關系 |
3 垃圾土的擊實試驗曲線
根據表3進行了3個不同擊實功能下不同含水量試樣的擊實試驗，擊實曲線見圖2，為了得到最大和最小的擊實功的最大干密度和最優含水量，又補作了2個點。根據圖2，得到不同擊實功下的最大干密度和最優含水量（見表4）；固體廢棄物和其他一般土一樣，通過擊實試驗，能得到最大干密度和最佳含水量；隨著擊實功的增大，最大干密度增大，最優含水量降低。由表4可見，本試驗垃圾土的最大干密度為0.64～0.90 g/cm3，最優含水量為42%～47%。
 圖2 垃圾土擊實試驗曲線 |
表4 不同擊實功的最大干密度和最優含水量
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4 密度、干密度與上覆壓力的關系
為了研究填埋場垃圾土的密度與填埋深度的關系，根據試驗結果，繪制密度與上覆壓力的關系，結果見圖3。從圖3可看出，密度隨上覆壓力的增大而增大；當壓力大于200 kPa，密度增大速率趨緩。2003年全國固體廢棄物處理及綜合利用技術與設備交流研討會上楊先海等做的現場壓實試驗的壓力與密度的關系曲線見圖4，由于垃圾土組成及壓實度低的緣故，初始密度僅為0.28 g/cm3，但其密度與壓力的關系與本實結果相似，不同的是密度增長趨勢的分界點大約在壓力為300 kPa。假設垃圾土的重度為10 kN/m3，則圖3和圖4中密度與壓力變化的拐點相當于發生在20、30 m深度。輕度壓實的垃圾土，密度隨深度增長趨勢的轉折點大約在30 m處，隨著壓實度的提高，轉折點的深度減小。因此，填埋場中的垃圾土在大于一定的深度后,密度隨深度變化不大，這個深度，因垃圾土的壓實度而異。
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，本試驗垃圾土的密度與上覆壓力的關系反映了填埋場垃圾土密度隨深度變化趨勢；本試驗配制的垃圾土的試驗結果合理，可見組成合理；試驗采用的擊實功能相當于填埋場中偏高度壓實。
 圖3 本試驗密度與壓力的關系 |
 圖4 密度與壓力的關系 |
垃圾土的干密度反應了單位體積內填埋的固體垃圾質量。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系曲線見圖5。從圖5可以看出，在0～600 kPa內，干密度隨上覆壓力的增加而增加；壓力為0 kPa時，干密度的范圍值為（0.66±0.06）g/cm3，壓力為600 kPa時，干密度值非常接近，為(0.90±0.01)g/cm3。由此可認為，由于壓實度和含水量不同，填埋場表層垃圾土的干密度有一定差別，但在填埋場深處，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系 |
5 結 論
（1） 垃圾土密度和干密度隨著擊實功的增加而增加，但增長趨勢逐漸趨緩。
（2） 不同垃圾土組成的干密度與擊實功能的關系曲線基本平行，都可以用對數函數表達，垃圾土組成的影響主要體現在對數函數的截距項上。
（3） 根據垃圾土的擊實曲線可以得到最大干密度和最優含水量，兩者隨擊實功能的變化規律與一般土相同。本試樣3個擊實功能下垃圾土的最優含水量為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，但上覆壓力達到一定界線，密度增長趨勢明顯減緩。此上覆壓力界線值約為200～300 kPa，對于擊實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
[1] 錢學德，郭志平，施建勇，等.現代衛生填埋場的設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版，2001.
[2] 朱向榮，王朝暉，方鵬飛，等.杭州天子嶺垃圾填埋場擴容可行性研究[J].巖土工程學報，2002，24(3)：281-285.
[3] 張振營,吳世明,陳云敏.城市生活垃圾土性參數的室內試驗研究[J].巖土工程學報,2000,22(1)：35-39.
[4] 張季如，陳超敏.城市生活垃圾抗剪強度參數的測試與分析[J].巖石力學與工程學報，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邊坡穩定分析[J].土木工程學報，2000（6）：92-97.
[6] 駱行文，楊明亮，姚海林，等.陳垃圾土的工程力學特性試驗研究[J].巖土工程學報，2000，22(5)：622-625.
[7] 廖智強.衛生填埋場降解試驗研究及沉降機理分析[D].南京：河海大學，2006.
[8] 南京水利科學研究院土工研究所.土工試驗技術手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.
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