城市生活垃圾土密度影响因素的室内试验研究
摘要：通过对填埋场垃圾土的成份进行分析，选择有代表性的垃圾土组成配置试样，并进行室内试验，研究垃圾土组成、击实功、含水量和上覆压力对垃圾土密度和干密度的影响。试验结果表明，对垃圾土进行击实能有效提高垃圾土密度，垃圾土密度和干密度随击实功的增加而增加；垃圾土的干密度与击实功的关系可以用对数函数表达，垃圾土组成对函数表达式的影响主要体现在函数式的截距项上；垃圾土的最大干密度和最优含水量随击实功的变化规律与一般土相同；垃圾土的密度有随上覆压力增大的趋势，但上覆压力达到一定界线，密度的增长趋势明显减缓，该界线值与垃圾土的击实功有关；对于同一组成的垃圾土，干密度的初始值因击实功和含水量而异，且随上覆压力的增大而增大并趋于定值。
关键词：垃圾土 击实功 密度 干密度 最优含水量
垃圾土的密度是填埋场设计需要的最基本的参数之一，包括衬垫设计、地基稳定、和填埋场沉降等设计的很多环节都需要用到密度。垃圾土密度的范围值一般为0.31～1.32 g/cm3[1]，变化范围之所以这么大，是由于垃圾土成分、年份、日覆土量、含水量和压实程度等因素造成的。另一方面，获取垃圾土原状试样的困难和试验方法的不一致，也增加了测试值的不确定性。
发达国家垃圾填埋场的建设早于我国，也积累了较多资料。我国公开发表的垃圾土重度随深度分布的资料很少。我国关于填埋场垃圾土重度随填埋深度变化的问题有不同的看法。朱向荣等[2]根据杭州天子岭填埋场的实测值，得出垃圾土重度的总体趋势随深度增加的结论。张振营等[3]对同一填埋场测试的结论是垃圾土重度不随埋深的增大而有规律的增大。张季如等[4]对某填埋场垃圾土的取样深度达15 m，垃圾土重度范围值为8～12 kN/m3，沿深度分布较复杂，但认为干重度有随深度增大的趋势。
刚进填埋场的垃圾土，孔隙大、密度小、强度低，经过碾压后，压实比通常为2∶1～3∶1，提高强度利于稳定，且增加单位面积的填埋量，经过碾压的垃圾土还减少了氧气携带量，缩短垃圾土好氧降解过程。因此，固体废弃物的压实对填埋场的建设和运营关系重大。对于填埋场垃圾土的碾压，采用多大的压实功能最为经济合理，以及在合适的压实功能下，垃圾土的干密度和含水量之间的关系，这些都是填埋场在运营期间关注的重要问题。通过对填埋场垃圾土的成份进行分析，选择具有代表性的垃圾土组成配置试样并进行室内试验，研究垃圾土组成、击实功、含水量和上覆压力对垃圾土密度和干密度的影响。
1 垃圾土试样的配制及密度研究的试验方法
城市固体废弃物的组成复杂，通过对多个填埋场的垃圾土组成进行分析和研究，垃圾土的组成大致包含：厨余，纸类，塑料及橡胶，纺织品，竹木制品，金属制品，玻璃和陶瓷，灰尘、碎砖、乱石、污泥等。我国地域广袤，各地垃圾土组成及各组成的含量不同，表1列出若干个填埋场的垃圾土组成以及河海大学室内试验的垃圾土组成，可以看出，差别很大。本试验为了使得试样具有代表性和可比性，根据当地情况，兼顾其他地区，采用的垃圾土配合比及具体材料见表2。根据表2，称取各具体材料，按设定的含水量计算需加的水量，一起放入桶中搅拌均匀，密封静置8 h以上，将试样分层放入击实筒进行击实试验[8]，击实筒直径为15.2㎝，测得击实后试样的高度和质量，可以计算得到击实后试样的密度。击实后试样的顶部和底部铺上滤纸垫上多孔板后，将试样没入水中浸泡12 h使之饱和。饱和的目的是为了模拟填埋场运营期间可能遇到的因为未及时覆土碾压遭遇强降
表1 垃圾土组成1） ％
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注：1）均为质量分数。
表2 垃圾土配合比及具体材料1）
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注：1）均为质量分数。
表3 组成2各试样的击实功、含水量和相应的密度
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雨以及由于垃圾土中有机质降解产生淋沥液未及时排出的情况。将饱和后的试样取出静置，待重力水排光后，称垃圾土的重量及量测试样高度,计算垃圾土密度。对试样分别施加100、200、400、600 kPa的上覆压力,得到各级压力下的密度。各试样的击实功、含水量和击实后的密度见表3。
2 垃圾土密度、干密度与击实功的关系
根据表2组成1配制的未击实垃圾土密度为0.44 g/cm3，约为表3中垃圾土密度最小值（0.89 g/cm3）的49％，可以认为，即使在较小的击实功作用下，垃圾土的密度也比未经击实的增加很多。因此，填埋场运营过程中，分层碾压是十分必要的。将组成1按表3所示的3个含水量击实，试样的密度和干密度与击实功的关系见图1。为了研究不同垃圾土组成对密度的影响，将组成2配置30%含水量的试样的试验结果一并列出。根据图1，（1）尽管垃圾土组成不同，含水量不同，但密度和干密度都有随击实功增加；（2）对于相同组成的垃圾土试样，在同一击实功能不同含水量的情况下，密度较大，而干密度相差不大。因此，表示与击实功关系的密度指标应采用干密度；（3）干密度随击实功增加的趋势基本一致，经拟合，得到方程式（1）和式（2）。2条曲线均符合对数关系，主要差别在于截距，即初始干密度不同，而该项的不同源于垃圾土的组成。
组合1： ρd=0.1085ln(W)+0.021 （1）
组合2： ρd=0.1185ln(W)+0.112 （2）
式中：ρd为干密度，g/cm3；W为击实功，kJ/m3。
 图1 密度、干密度与击实功的关系 |
3 垃圾土的击实试验曲线
根据表3进行了3个不同击实功能下不同含水量试样的击实试验，击实曲线见图2，为了得到最大和最小的击实功的最大干密度和最优含水量，又补作了2个点。根据图2，得到不同击实功下的最大干密度和最优含水量（见表4）；固体废弃物和其他一般土一样，通过击实试验，能得到最大干密度和最佳含水量；随着击实功的增大，最大干密度增大，最优含水量降低。由表4可见，本试验垃圾土的最大干密度为0.64～0.90 g/cm3，最优含水量为42%～47%。
 图2 垃圾土击实试验曲线 |
表4 不同击实功的最大干密度和最优含水量
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4 密度、干密度与上覆压力的关系
为了研究填埋场垃圾土的密度与填埋深度的关系，根据试验结果，绘制密度与上覆压力的关系，结果见图3。从图3可看出，密度随上覆压力的增大而增大；当压力大于200 kPa，密度增大速率趋缓。2003年全国固体废弃物处理及综合利用技术与设备交流研讨会上杨先海等做的现场压实试验的压力与密度的关系曲线见图4，由于垃圾土组成及压实度低的缘故，初始密度仅为0.28 g/cm3，但其密度与压力的关系与本实结果相似，不同的是密度增长趋势的分界点大约在压力为300 kPa。假设垃圾土的重度为10 kN/m3，则图3和图4中密度与压力变化的拐点相当于发生在20、30 m深度。轻度压实的垃圾土，密度随深度增长趋势的转折点大约在30 m处，随着压实度的提高，转折点的深度减小。因此，填埋场中的垃圾土在大于一定的深度后,密度随深度变化不大，这个深度，因垃圾土的压实度而异。
图4中压力由100 kPa增至600 kPa，密度的平均值由1.26 g/cm3增至1.33 g/cm3，相当于填埋深度由10 m到60 m，重度由12.6 kN/m3增加到13.3 kN/m3，本试验垃圾土的密度与上覆压力的关系反映了填埋场垃圾土密度随深度变化趋势；本试验配制的垃圾土的试验结果合理，可见组成合理；试验采用的击实功能相当于填埋场中偏高度压实。
 图3 本试验密度与压力的关系 |
 图4 密度与压力的关系 |
垃圾土的干密度反应了单位体积内填埋的固体垃圾质量。试样2、试样4、试样6、试样7和试样9干密度随上覆压力变化的关系曲线见图5。从图5可以看出，在0～600 kPa内，干密度随上覆压力的增加而增加；压力为0 kPa时，干密度的范围值为（0.66±0.06）g/cm3，压力为600 kPa时，干密度值非常接近，为(0.90±0.01)g/cm3。由此可认为，由于压实度和含水量不同，填埋场表层垃圾土的干密度有一定差别，但在填埋场深处，大约40 m深度以下，垃圾土的干密度基本相同。
 图5 干密度与上覆压力的关系 |
5 结 论
（1） 垃圾土密度和干密度随着击实功的增加而增加，但增长趋势逐渐趋缓。
（2） 不同垃圾土组成的干密度与击实功能的关系曲线基本平行，都可以用对数函数表达，垃圾土组成的影响主要体现在对数函数的截距项上。
（3） 根据垃圾土的击实曲线可以得到最大干密度和最优含水量，两者随击实功能的变化规律与一般土相同。本试样3个击实功能下垃圾土的最优含水量为42％～47％，最大干密度为0.64～0.90 g/cm3。
（4） 垃圾土的密度有随上覆压力增大的趋势，但上覆压力达到一定界线，密度增长趋势明显减缓。此上覆压力界线值约为200～300 kPa，对于击实功能和密度大的垃圾土，上覆压力界线值为小值。
（5） 同一组成的垃圾土，干密度的初始值因压实度和含水量而异，随着上覆压力的增大，垃圾土的干密度增大并趋于基本一致。
参考文献
[1] 钱学德，郭志平，施建勇，等.现代卫生填埋场的设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版，2001.
[2] 朱向荣，王朝晖，方鹏飞，等.杭州天子岭垃圾填埋场扩容可行性研究[J].岩土工程学报，2002，24(3)：281-285.
[3] 张振营,吴世明,陈云敏.城市生活垃圾土性参数的室内试验研究[J].岩土工程学报,2000,22(1)：35-39.
[4] 张季如，陈超敏.城市生活垃圾抗剪强度参数的测试与分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(1)：110-114.
[5] 陈云敏，王力忠,胡亚云，等.城市固体垃圾填埋场边坡稳定分析[J].土木工程学报，2000（6）：92-97.
[6] 骆行文，杨明亮，姚海林，等.陈垃圾土的工程力学特性试验研究[J].岩土工程学报，2000，22(5)：622-625.
[7] 廖智强.卫生填埋场降解试验研究及沉降机理分析[D].南京：河海大学，2006.
[8] 南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京：人民交通出版社，2003.
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