考虑变化温度影响的垃圾土变形强度特性与本构模型研究

The deformation and strength behavior of municipal solid waste (MSW) is readily affected by the elevated temperature during the operation of the landfill. The shear strength of MSW has a significant reduction with the increase of temperature in landfill. At present, the main considering factor for studying deformation and strength of MSW include component, density, water content, loading rate, stress history and so on. However, there is no test data reported to study the effect of temperature on deformation-strength properties of MSW, which has become increasingly emergent. To address this issue, the temperature controlled stress path traxial shear tests would be performed for the reconstituted MSW samples from field, studying the effect of temperature coupled stress path on deformation-strength of MSW, and developing the shear strength theory of MSW considering the effect of temperature. A new elastoplastic constitutive model for MSW is then proposed using the thermodynamic principle, critical state theory and associated flow rule. This project could provide a theoretical support for evaluating the settlement deformation and slope stability of the landfill.

填埋场运营过程中垃圾土的变形强度特性容易受温度影响，温度升高会显著降低垃圾土的剪切强度。目前研究垃圾土变形强度特性主要考虑的因素有成分组成、密度、含水量、加载速率及应力历史等，但针对变化温度这一因素的试验研究尚未见报道，而且对于温度升高时垃圾土变形强度变化规律的研究比较迫切。申请项目将利用改造的可调控温度的应力路径三轴仪，对现场垃圾土重塑样进行不同温度、不同应力路径的三轴剪切试验，深入研究温度作用的垃圾土变形强度特性变化规律，发展反映温度影响的垃圾土时变剪切强度理论。在此基础上采用热力学原理和临界状态土力学理论，利用相关联流动法则，建立考虑变温效应的垃圾土弹塑性本构模型，揭示填埋场温度升高对垃圾土变形强度的影响机理。将项目预期成果用于实际填埋工程，可为预测填埋场变形和分析填埋场边坡的安全稳定提供理论支持。

填埋场在运营过程中垃圾土的变形强度特性容易受温度的影响，温度升高会显著降低垃圾土的剪切强度。垃圾堆体作为填埋场的主体组成部分，其强度变形特性还会受到成分组成、密度、含水量以及应力历史等因素的影响。本项目在对垃圾土体物理性能调研分析的基础上，制备了不同直径和不同成分组成的重塑垃圾土样，开展了不同温度、不同应力路径以及不同应力历史条件下的三轴试验，针对垃圾土特殊的力学性能建立了适用于垃圾土的热-弹塑性本构模型，并提出了考虑渗滤液和温度变化影响的填埋场稳定性分析方法。重要的研究成果包括：1）相比小尺寸试样，较大尺寸试样的剪切强度较小；厨余等有机物含量较高的垃圾土剪切强度较小；垃圾土的抗剪强度随着温度升高逐渐降低，提出了反映温度影响的垃圾土变形强度理论。2）垃圾土的应力路径试验结果表明，只有Δσ3≥0的压缩路径试验得到的应力-应变关系才表现出增长性上翘的曲线特征，具有显著的应变硬化特征，此类路径下垃圾土中纤维材料起到的加筋作用最为显著；对于Δσ3<0的压缩路径，垃圾土的偏应力随轴向应变增加而增大，且增加幅度逐渐减小并趋近于定值，此类路径下纤维材料的加筋作用较弱；对于Δq<0伸长路径下垃圾土的应力-应变曲线表现出类似双曲线的形状，与普通土的性质相似，此类路径下纤维材料几乎不存在加筋作用。3）将垃圾土看作是由类土成分的基本相和纤维状材料加筋相组成的复合体，根据温度和纤维含量对垃圾土力学特性的影响，提出了考虑温度效应的塑性体应变硬化规律，以及反映纤维材料加筋作用的演化方程，构建了一个新的同时考虑温度效应和纤维加筋作用的塑性势函数，并依据相关流动性法则推导出了适用于垃圾土的本构模型。4）通过简化填埋场内部的温度分布，提出了考虑渗滤液水位和温度变化影响的填埋场稳定分析方法，结果表明填埋场内部渗滤液水位和温度的升高均会导致填埋的稳定性显著降低，且温度和背坡渗滤液水位升高还会造成填埋场发生大规模失稳的风险增大。项目研究成果可为生活垃圾填埋场的变形预测和安全稳定分析提供理论支撑。