环境岩土工程论文 百度分享版Word格式.docx
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哈尔滨
厨房类
16.2
18.6
22.0
23.0
42.7
50.3
21.8
26.5
14.6
16.6
废品类
84.2
81.4
78
77
57.3
49.7
78.2
73.5
85.4
83.4
3.化学成分和化学性质
主要有总氮、总磷、有机质、重金属、pH值、垃圾土的温度等内容。
杭州天子岭卫生填埋场中的化学成分及性质为表2。
表2杭州天子岭生活垃圾填埋场中的化学成分及性质
总氮（%）
总磷（%）
有机质（%）
铜（1／106）
铅（1／106）
锌（1／106）
镉（1／106）
PH值
温度（℃）
0.33~0.5
0.27~0.37
7.3~15.3
181~297
145~308
447~896
<
8
8.3~8.7
38.7~43.8
4.矿物成分
主要受填埋垃圾时所使用的土的影响，其主要成分包括石英、碳酸钙、伊利石和长石等，其中石英含量最多，其次为碳酸钙，其成分一般比较稳定，与填埋时间和取样深度没有明显的内在联系。
5.垃圾土的基本工程性质指标
1.1.密度
确定垃圾土的密度必须先弄清其组成（包括每天覆土和含水情况）、对垃圾土进行压实的方法和程度、测定试样所处深度和填埋时间等问题。
美国等发达国家填埋场垃圾土的天然密度具有随深度增加而明显增大的规律,表3给出了国外不同压实程度和填埋时间垃圾土的密度平均值
表3垃圾土密度的平均值
资料来源
垃圾填埋条件
容重kN／m3
Sowers（1968）
卫生填埋场，压实程度不同
4.7~9.4
轻微压实
3.1
NAVFAC（1983）
卫生填埋场
未粉碎
中度压实
6.2
压实紧密
9.4
粉碎
8.6
NSWMA（1985）
城市垃圾
刚填埋时
6.7~7.6
发生分解并发生沉降以后
9.8~10.9
LandvaandClark（1986）
垃圾和覆盖上之为10:
1~2:
1
8.9~13.2
EMCON（1989）
垃圾和覆盖上之为6:
7.2
由于我国的垃圾基本没有经过分类投放和粉碎处理，填埋体一般具有大孔隙结构，且含有较多的塑料、废纸、金属、纤维等，它们在自重作用下的压密需要比较长的时间，而且有机物在填埋场中的降解需要很长时间，同时垃圾土的含水率也比较大，造成我国垃圾土的密度随着埋深的增大而有规律增大的趋势并不明显，且具有较大的离散性。
1.2.含水率
垃圾土的含水率通常随着埋深的增大而呈现逐渐减小的趋势，这是由于随深度的增大和填埋时间的增加，垃圾土中由于自重和有机物降解产生的渗滤液经排水层排走，从而含水率降低，当然，在接近填埋场底部，可能会由于渗滤液汇集而导致垃圾土含水率增大。
1.3.有机质含量
与西方发达国家相比，我国城市垃圾土中的有机质，特别是纸类含量普遍偏低，在国内，经济发达地区有机质含量普遍较经济相对落后的地区偏高，表4为我国部分城市垃圾土的有机质含量统计数据。
表4我国部分城市垃圾土的有机含量（%）
城市
天津
广州
西安
贵阳
深圳
护和浩特
有机质
38.78
40.72
52.08
17.45
28.40
26.75
23.64
13.67
61.00
6.30
无机质
56.93
36.46
77.61
65.00
69.63
72.00
82.42
22.00
80.44
废品率
7.29
7.20
11.46
4.94
6.60
3.62
4.36
3.91
17.00
13.26
1.4.比重
垃圾土的比重与有机质含量直接相关，有机质含量多，则比重小；
无机质含量多，则比重大。
从总体上讲垃圾土的比重一般小于天然砂土和粘性土（2.6~2.8），略小于有机质土（2.4~2.5），并且随着埋深的增加略有增大。
1.5.持水率和凋蔫湿度
持水率是指经过长期重力排水后，垃圾土中所保持的水分含量（体积比），反映出垃圾土保持水分的能力；
凋蔫湿度则是通过植物蒸发后，垃圾土体积中水分的最低含量（体积比）。
持水率和凋蔫湿度之差就是垃圾土中可利用的水分含量或持水能力，一般与土的结构质地有关。
垃圾填埋场持水率反映出垃圾土保持水分的能力,其大小与垃圾土的性质、上覆压力和压实方式等有关，随着外加压力的大小以及垃圾土的分解程度而变化，其值约为22.4%~55%（体积比）。
如果垃圾土含有较多的有机质如纸张、纺织品等，则持水率较高；
未经压实的生活垃圾其持水率约为50%~60%，而一般压实粘土衬垫的为33.6%左右。
Schroder等在垃圾土运行水文计算模型中建议的典型持水率垃圾土为29.2%、压实电厂粉煤灰为18.7%、电厂炉灰为26.6%。
需要注意,垃圾土的持水率与饱和含水率是不同的，若垃圾土较疏松，其持水率要比饱和含水率低；
若较紧密，则两者比较接近。
垃圾土的凋蔫湿度一般约为7.7%~17.0%，比压实的粘土（约29%）要小很多。
Schroder等建议凋蔫湿度对于垃圾土取8.4%、压实电厂粉煤灰取4.7%、炉灰取6.5%。
与发达国家相比，我国垃圾土的渗透性较大，持水率较大，凋蔫湿度较小。
1.6.渗透系数
垃圾土的水力参数对与设计淋滤液收集系统以及制定淋滤液回灌计划十分重要。
从几种典型的垃圾填埋场的试验结果表明垃圾土的平均渗透系数基本上在2×
10-4~4×
10-3cm/s之间，随着埋深和时间的增大，垃圾土逐渐变的密实，渗透系数逐渐减小。
1.7.天然孔隙比
垃圾土由于形成时间较短，生物降解反应不彻底，组成颗粒的尺寸不一，没有形成一定的致密结构，孔隙比较大。
一般来说，其孔隙比随深度的增加而减小。
发达国家垃圾土的孔隙比约为0.67~1.08，我国没有详细的统计资料，在杭州天子岭垃圾填埋场的实测试验中其天然孔隙比最大值为4.36，最小值为1.81，平均值为2.86，标准值为2.49，均方差为0.392。
1.8.压缩性
1.8.1.压缩机理
垃圾土的组成成分复杂，结构不稳定，且复杂多变，在填埋场服务期内和封顶后都会产生较大的沉降变形，其压缩机理相当复杂，主要机理可概括为：
1.物理压缩：
指垃圾土在受到荷载作用时由于其颗粒发生畸变、弯曲、破碎和重定向等产生的压缩变形，这种机理同有机质土的压缩机理基本类似。
物理压缩，由垃圾土自重及其所受到的荷载引起，在填埋初期、主固结期和次压缩期都有可能发生。
2.错动：
指垃圾土中的颗粒向大孔隙或洞穴中运动。
3.固结和流变：
主要是指垃圾土内的孔隙水和气体的消散以及垃圾土颗粒骨架和单个颗粒的调整。
4.物理化学变化：
指圾土的无机成分因腐蚀、氧化和燃烧作用引起的质变及体积减小。
5.生化分解：
指垃圾土中的有机质因发酵、腐烂及需养和厌氧分解等作用引起的质量和体积的减小。
1.8.2.参数
主要常用的是主压缩指数，为了便于应用，常用修正主压缩指数Cc′描述垃圾土的压缩性计算次压缩沉降时，则采用次压缩指数Ca和修正次压缩Ca′。
6.实际工程中最关心的工程性质
主要包括沉降特性、抗剪强度参数和渗透特性。
①垃圾土的沉降特性
垃圾填埋场的沉降，是环境岩土工程中最关心的课题之一。
填埋过程中和封场后十年乃至几十年，沉降都一直发生。
沉降会引起库容增大，使利用效率提高，但同时也会带来不利影响，如填埋场的衬垫设施、排水系统、气体收集系统等在沉降作用下是否会被破坏。
因此，研究垃圾土的沉降特性具有重要意义。
垃圾填埋场的沉降由2部分组成，第一是土体在自重及上部荷载作用下发生的沉降，属于物理变化；
第二是土体中有机质的降解作用引起的沉降，属于化学变化。
因二者都是时间的函数，在沉降分析中往往是同时考虑的，所以放在一起进行阐述。
基于经典土力学理论建立的垃圾土沉降模型主要分为3类，一类称为主沉降及长期沉降模型，如Sowers模型（1973）；
一类称为长期沉降模型，如YenetScanlon模型（1975）；
还有一类称为生物沉降模型,如Edgers模型（1992）。
Sowers模型将沉降分为3个阶段：
①瞬时沉降阶段：
主要发生在填埋期，当施工期完成后，瞬时沉降也就完成，其沉降机理与一般土相同。
②主固结沉降阶段：
始于施工期开始，荷载稳定后还将持续一段时间，随着孔隙水压力的消散而增长。
主固结的过程取决于孔隙水和气向外排出的速率，具有完善的排渗、导气系统的卫生填埋场，因孔隙水和气体排放较快,固结过程也就完成的较快，有的学者将主固结沉降与瞬时沉降归为一类，称主沉降。
③次固结沉降（长期沉降）阶段：
包括物理蠕变和生物降解.物理蠕变的值通常比主固结沉降值小得多。
长期沉降主要是由填埋废弃物中的有机质发生生物和化学降解而产生的。
有机质含量较高的废弃物中的有机质发生生化降解是导致垃圾土体积减小、沉降增加的主要原因。
有的学者将生化降解过程称为生物固结，其过程可以持续数十年，通常认为长期沉降与荷载无关。
长期沉降模型主要是研究填埋封场期后的垃圾土沉降，沉降值主要是根据垃圾土填埋柱的高度、填埋时间及与有机质降解有关的参数来确定。
生物沉降模型只考虑因有机质降解而发生的沉降，基本假定为：
①垃圾土中的无机质颗粒及水不可压缩，填埋场垃圾土的降解沉降是由于气体的压缩和有机质降解产生的渗滤液及气体的逸出而发生的压缩：
②有机质降解后产生的气体、渗滤液能够顺利排出，因此，有机质的降解量即为降解沉降量；
③垃圾土的干密度在有机质降解过程中保持不变；
④有机质的降解仅产生竖向沉降，不产生侧向挤出。
垃圾土中有机质的降解与垃圾的组成特性、填埋方式、填埋场的水文气象条件、微生物的种类及填埋场的最终利用方式等因素有关。
研究表明，向垃圾中加入营养元素N、P和K盐，均可不同程度地加快垃圾土的降解，垃圾土填埋高度和较大的密实度将减慢垃圾的降解，填埋后不加覆盖土的垃圾填埋场比加覆盖土的垃圾填埋场降解快，垃圾破碎后降解速度也将加快。
②垃圾土的抗剪强度
分析垃圾填埋体的稳定性，垃圾土的抗剪强度是最重要的计算参数。
经典土力学中描述土体抗剪强度的指标有2个：
粘聚力c和内摩擦角U。
无粘性土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比，其本质是由于土粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用所产生的摩阻力，其大小决定于土粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等。
粘性土的抗剪强度一部分是摩擦力（与法向应力成正比），另一部分是土粒之间的粘聚力，它是由于粘性土颗粒之间的胶结作用和静电引力效应等因素引起的。
垃圾土的抗剪强度也采用c和U两个参数来描述。
垃圾土的强度不仅与埋藏深度有关，即使是同一深度的垃圾土试样强度也具有很大的离散性。
影响垃圾土的抗剪强度的主要因素包括：
有机质和纤维素含量；
填埋时间和降解速度；
密实度；
垃圾土的组成成分、颗粒大小和含水量。
由于垃圾土的抗剪强度的因素复杂多样，垃圾土的抗剪强度指标的分布范围很大，内摩擦角介于10~53度之间，粘聚力c在0~100kPa范围内变化。
③垃圾土的渗透性
土的渗透性一般是指水流通过土忠孔隙难易程度的性质，用透水系数k来表示k=v/i
式中，v—水在土中的渗透速度；
i—水力梯度。
填埋场渗滤液收集系统的设计和渗滤液回灌措施的制定时，应正确给定垃圾土的水力学参数。
表1给出了国内外一些学者的计算值。
表1垃圾土的渗透系数
密度
渗透性能
g/cm3
渗透系数k（cm/s2）
测定方法
Fungaredietal（1979）
1.1~1.4
1×
10-3~2×
10-2
渗透仪
Oweisetetal（1986）
0.64（估计）
10-3
现场试验资料估算
Landvaetal（1990）
1.0~1.44
10-3~4×
试坑
Oweisetal（1986）
0.94~1.41
1.5×
10-4
变水头现场试验
钱学得（1994）
9.2×
10-4~1.1×
杭州天子岭（1999）
0.8~1.68
2×
室内试验
张澄博（1998）
0.7（干密度）
9.21×
三、垃圾土的工程问题
1.填埋场堆体沉降问题
垃圾降解过程贯穿填埋场运行管理与封场维护全过程，是研究沉降问题的核心，填埋场运行维护工作亦对堆体沉降产生过程影响。
理想状态下，填埋场应控制垃圾进场速率，大面积、低厚度摊铺垃圾，以最大程度利用库容，抑制沉降不利影响。
实际工作中，填埋场垃圾处理量取决于其服务范围，而受恶臭控制、雨污分流及摊铺距离限制，作业区面积亦被严格控制，沉降问题须采取科学制定填埋计划、强化排水设施建设维护、限制垃圾层厚度、科学回灌等措施加以合理解决。
1.1堆体沉降相关影响因素
长期来看，堆体沉降是由垃圾组分及有机质含量所决定的，定上覆压力下垃圾层最终的稳定厚度与填埋作业过程无关。
但填埋场的设计使用寿命有限，尤其后进场垃圾的填埋时间较短，降解过程不充分，这导致堆体的实际沉降过程受到填埋运行维护等诸多因素的影响。
堆体沉降和以下因素有关：
堆体加高时间间隔；
堆体排水、导气状况；
填埋作业与维护（进场垃圾压实操作、雨污分流与渗滤液回灌、单独分区填埋）；
横向扩容与填埋工艺；
气候类型因素。
1.2沉降对填埋场运行影响及对策
填埋运行管理中，堆体沉降及其相关影响不可避免，须给予足够重视和科学认识，利用其积极作用，限制其负面影响。
控制堆高过程下卧堆体沉降、保障加层前下卧降解时间并加速降解进程是沉降管理的重点。
1.2.1对填埋场库容利用的影响
如忽略沉降，将垃圾堆填完成时所占空间视作已消耗库容，则填埋场单位库容的收纳量将较实际情况显著降低。
因垃圾沉降随时间发展，填埋场库容具有了空间和时间两方面属性。
理论上，填埋场垃圾进场速率应无限小，填埋场使用寿命应无限长，以完成先后进场垃圾的降解过程，更多体现已填垃圾“土”的特性，实现库容利用最大化；
理想情况下，填埋场设计日处理量应保证完成某层垃圾摊铺压实至在其上方加层填埋期间，该层垃圾可实现大部分的沉降量。
而实际工作中，垃圾进场量往往超过设计处理能力，填埋作业面转换频繁，同一投影位置重叠堆高加层间隔较短，降解沉降逐层积累，不但缩短填埋场的设计寿命，降低其实际垃圾收纳量，沉降的不利影响亦将加剧。
1.2.2对堆体安全的影响
正常情况下，沉降对于堆体安全有其积极作用。
堆体边坡是关系填埋场稳定的重点部位，于边坡进行放坡处理是保障填埋场安全的重要措施。
通常填埋场边坡坡度控制在1∶3以内，且垃圾层间留有马道，边坡稳定性安全系数一般可保障在安全范围。
加层作业时，下卧垃圾层边坡附近的附加应力系数较小，甚至可以忽略，故尽管荷载面积较大，堆体边坡处的附加应力影响显著低于堆体内侧，压缩沉降量亦低于堆体内侧。
因此，堆体将垂直其等高线产生向其内侧逐渐加大的不均匀沉降，边坡坡度将进一步减小，并有利于强化垃圾土的加筋作用。
此外，边坡长期处于相对高的孔隙比状态，堆体固结沉降时，有利于填埋气、孔隙水的水平非侧限排泄，从而加快固结沉降，但应关注相关渗流冲刷影响并在边坡临时覆盖材料下布设表面导排设施对外渗污水进行截流。
沉降对堆体安全的负面影响体现为堆体内流体对其平衡状态的破坏。
填埋场排水、导气功能不良时，孔隙气压力与超静孔隙水压力消散缓慢，新填堆体的重力势能无法释放，而其一旦局部、短时释放易大量涌水以致诱发事故。
需要注意的是，填埋场单独填埋炉渣、污泥等细颗粒、高重度物料时，如存在边坡薄弱部位，出现无侧限的非垂直渗流途径，则渗流力无须克服全部的重力甚至可与之形成合力，可能出现流土、管涌、滑坡等危急情况。
另外，如堆体排水不畅，沉降将致浸润线相对堆顶高度的增加，不利于控制堆体失稳的风险。
所以，条件允许时应缓慢堆高加层、设中间导排系统并密切监测边坡位移。
1.2.3对填埋场构筑物的影响
填埋场的构筑物包括垃圾坝、集水井、导气井、表面排水沟、监测井等刚性构筑物以及临时道路、卸料平台、填埋气管道、盲沟、回灌布水设施、覆盖层及封场结构等非刚性设施。
上述设施均直接受到堆体沉降的影响，不均匀沉降产生的形变与土压力可使其功能丧失以致填埋场相关结构的损坏。
为避免出现道路塌陷、井身倾斜、水流阻滞、覆盖开裂乃至防渗膜拉裂、坝体垮塌等不良后果，相关设计与运行管理应规避沉降负面影响，有关工作应尽量选择在堆体稳定后实施或进行预压处理，并充分利用填埋场大宗物料堆存、大型机械停放等客观条件。
为克服边坡处不均匀沉降，必要时还可采取卸荷、反压、重整修坡等措施。
1.2.4对填埋作业活动的影响
填埋场作业活动应提前计划，精确实施，提前对沉降问题进行预估并采取应对措施。
填埋作业高度、摊铺路线、加层厚度应准确测量，严格控制，避免被动应对因沉降引起的堆体表面高程变化。
垃圾车驾驶员、填埋场工作人员须掌握有关安全操作规定与知识，在指定路线、区域内从事相关活动，卸料指挥、摊铺压实作业人员应密切关注堆体形变，防止车辆、机械倾覆等危险发生。
雨污分流、气体收集设施应根据沉降情况随时维护、调整坡度、保持功能，并对可能因沉降产生的隐患进行排查，重点包括填埋气管道的状况、堆体可能滑落的危险物体等。
2.渗滤液及边坡稳定
通过现场监测确定垃圾填埋场内的孔压，基于对监测结果的分析得到填埋场内渗滤液水位分布；
取不同深度的垃圾土样进行三轴试验测定其抗剪强度参数，利用极限平衡方法定量分析孔隙水压力和孔隙气压力对填埋边坡稳定性的影响。
研究结果表明：
该填埋场内的渗滤液水位较高，由于中间覆盖层的存在，使填埋场内存在上层滞水；
不同埋深垃圾土的抗剪强度不同，随着埋深增加，垃圾土的有效黏聚力减小，有效内摩擦角增加；
渗滤液水位高低对填埋边坡安全系数影响很大，上层滞水对边坡稳定性影响较大，气压力对其稳定性影响不大。
3.垃圾土中有机物的处理方法
目前垃圾土中有机物的处理方法主要有生物处理和化学处理两种方法。
生物处理方法条件要求比较高，需在一定的温度，适度条件下才能快速降解，所以实现起来困难。
化学降解相对来说对对温度、湿度要求较低，但花费较高，难以在工程中应用，且会对环境造成一定的污染。
针对上述情况，可进行以下工作研究：
（1）测定垃圾土中可降解有机物的含量及其随深度的变化规律；
（2）室内试验：
进行不同有机物含量的垃圾土静三轴试验，确定垃圾土的应力应变关系曲线；
进行不同有机物含量的垃圾土动三轴实验，确定其随上覆压力、荷载频率的动强度曲线；
进行不同有机物降解过程中的压缩变形试验，确定在有机物完全降解后仍能满足工程需要的最大有机物含量。
（3）在一定条件下加少量外剂，垃圾土中有机物的降解与时间、温度及上覆压力的关系，缺定出垃圾土降解的最佳含水量，确定有机物的含量满足工程需要所需的降解时间。
（4）室内试验：
不同有机物含量的垃圾土掺加一定量水泥（或石灰）后，能满足工程需要有机物的最大含量。
（5）模型试验：
取现场工程现场的垃圾土将其降解到一定有机物含量后进行模型试验，确定垃圾土中塑料及其它织物对垃圾土变形和强度的影响。
四、结论
通过主要对垃圾土主要关心的工程性质和与实际工程相关的沉降特性、抗剪强度参数和渗透特性等工程性质的总结，及对与垃圾填埋场工程问题相关的堆体沉降，渗滤液与边坡稳定和垃圾土处理问题的分析，可以看到目前研究多从经典土力学出发，依据其中的相关原理，对垃圾土的性质进行计算分析，可以看作是在对经典土力学相关公式的修正基础上的应用，但应当看到，垃圾土的工程性质比较复杂，与自身物理、化学成分有密切关系,也受当地的经济发展水平、风俗习惯、气候条件和地质条件等因素的影响，不同于一般的土，但从材料结构上看，它们都属于颗粒状散粒体结构。
研究垃圾土的工程性质，应从其组成的特殊性入手，找出与一般土的共性，最终确定其本构关系，但目前的研究尚处于探索阶段，更因为国内垃圾土与国外垃圾土组分的不同，建议从以下几个方面开展研究。
1.垃圾土动力特性研究不足，研究成果尚不多见，垃圾土在地震荷载及交通荷载作用下的变形、力学特性尚待研究。
2.已见有封场后的填埋场改造为公园、高尔夫球场、绿化带、简易厂房等。
但由于国内现有的垃圾填埋场多位于城郊，随着城市化进程的加快，其场地可能被纳入扩张后的城市用地中，如何更有效地利用填埋场场地，甚至在场地上修建住宅楼，需要进行地基承载力的研究。
3.大量收集垃圾填埋场沉降、渗滤液成分随时间变化等的数据，为计算模型提供核对依据。
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