城市固体垃圾的长期生物降解特性及其变形、强度耦合作用机理研究

考虑垃圾的长期生物降解特性，采用室内试验、现场测试、理论分析及数值模拟相结合的方法，对城市固体垃圾的变形、强度特性及其耦合作用机理进行深入而系统地研究。室内实验：采用垃圾专用的超大型压缩仪、超大型直剪仪及大型三轴仪等试验手段，进行多参量的试验，研究不同成份、不同配比、不同应力水平、不同温度等垃圾的天然及生物降解变形与强度耦合的特性及规律。现场测试：通过埋设压力盒、温度计、孔压计、沉降标、测斜仪等测试器件、采用现场大型直剪仪、旁压仪、载荷试验等现场原位测试仪器，通过实时测试，研究现场实验区垃圾的变形及强度特性。对室内试验与现场测试结果进行比较与分析，提出垃圾的变形、强度耦合作用理论模型，编制数值计算程序进行模拟，建立可降解固体垃圾的变形、强度等关键基础核心理论体系，进一步解释城市固体垃圾的变形及强度耦合作用的机理，预测垃圾填埋场的容量及失稳破坏的趋势，评估垃圾填埋场的安全性。

随着我国经济的快速发展，城市固体垃圾的产量逐年增多，垃圾填埋体的高度逐年增高，垃圾填埋场的稳定性问题比较突出，如果填埋不当，填埋体将失稳滑移，造成灾难性的后果。本项目在此工程背景下，开展城市固体垃圾材料的压缩变形与强度相关特性研究，提供可靠的动态强度参数，为垃圾填埋场的稳定性分析提供依据。本项目主要研制了城市固体垃圾的大型直接剪切试验设备、垃圾降解试验箱、大型垃圾压缩与直接剪切联合测定试验仪器，采用室内试验，现场测试、数值模拟及理论分析的方法，考虑垃圾的3个配比、3个初始孔隙比、3个初始密度、4个降解龄期、4级压力、7个压缩时间、10个剪应变等因素，模拟垃圾填埋场的渐进滑移破坏过程，研究了垃圾的分类方法、压缩变形特性、变形与强度相关特性、强度参数模型及模型拟合系数的变化范围。研究结果表明：垃圾的强度特性符合库伦定律；得到了不同压缩时间、不同剪应变限值MSW的抗剪强度包线；建立了垃圾的抗剪强度与压缩应变、降解时间、剪应变限值的相关表达式，建立了垃圾强度参数的数学模型，研究了模型参数的变化规律，得到了模型参数的变化范围，建立了模型参数的数学表达式。研究了垃圾的变形与强度相关特性，解释了垃圾变形与强度耦合作用机理。给出了垃圾强度参数的变化范围，配比1垃圾的内聚力在6.14～34.17 kPa之间，内摩擦角在5°～30.62°之间；配比2垃圾的内聚力在8.15～31.22 kPa之间，内摩擦角在6.4°～26.4°之间；配比3垃圾的内聚力在6.66～30.5 kPa之间，内摩擦角在4.1°～25.6°之间。研究结果可为垃圾填埋场的稳定性提供科学依据，同时，该项目的研究对于促进岩土工程与环境工程的学科交叉，增进人们的环境保护意识，提高政府相关职能部门的决策水平都具有重要的理论和实际工程意义。