城市固體廢棄物變形與強(qiáng)度特性的多維度試驗(yàn)解析與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義隨著全球城市化進(jìn)程的加速，城市人口數(shù)量急劇增長(zhǎng)，城市固體廢棄物（MunicipalSolidWaste，MSW）的產(chǎn)生量也在與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年產(chǎn)生的城市固體廢棄物已達(dá)數(shù)十億噸，且這一數(shù)字仍在以每年5%-8%的速度增長(zhǎng)。在中國(guó)，城市固體廢棄物的年產(chǎn)量也超過(guò)了2億噸，許多城市都面臨著“垃圾圍城”的困境。城市固體廢棄物的處理已成為全球性的難題。目前，常見(jiàn)的處理方式包括衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥等。其中，衛(wèi)生填埋是應(yīng)用最為廣泛的一種處理方式，因其具有操作簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在許多國(guó)家和地區(qū)仍是主要的處理手段。然而，隨著填埋場(chǎng)的運(yùn)行，諸多問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。一方面，為了增加填埋場(chǎng)的容量，填埋場(chǎng)的高度不斷增加，坡度也越來(lái)越陡。但由于對(duì)城市固體廢棄物的靜、動(dòng)力強(qiáng)度特性認(rèn)識(shí)不足，世界各國(guó)相繼發(fā)生了多起填埋場(chǎng)失穩(wěn)事故。例如，1977年12月前南斯拉夫薩拉熱窩垃圾填埋場(chǎng)發(fā)生垃圾崩塌事故，造成兩座橋梁、5棟房屋和兩條小河被垃圾淹沒(méi)；1994年4月貴陽(yáng)市仙人腳垃圾填埋場(chǎng)發(fā)生垃圾崩塌事故，致使1名過(guò)路行人被壓死，垃圾流失量達(dá)數(shù)千立方米。這些事故不僅造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失，還對(duì)周邊環(huán)境和居民的生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。另一方面，城市固體廢棄物的變形特性也會(huì)影響填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性和使用壽命。如果對(duì)其變形特性了解不夠深入，可能導(dǎo)致填埋場(chǎng)的沉降預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響填埋場(chǎng)的后續(xù)利用和開(kāi)發(fā)。深入研究城市固體廢棄物的變形及強(qiáng)度特性具有至關(guān)重要的意義。對(duì)于填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)而言，準(zhǔn)確掌握這些特性能夠?yàn)樘盥駡?chǎng)的合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)城市固體廢棄物強(qiáng)度特性的研究，可以確定填埋體的穩(wěn)定性，合理設(shè)計(jì)填埋場(chǎng)的坡度和高度，從而減少填埋場(chǎng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)變形特性的研究有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)的沉降，合理安排填埋場(chǎng)的使用年限和后續(xù)規(guī)劃，提高填埋場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率。從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看，了解城市固體廢棄物的變形及強(qiáng)度特性可以有效減少填埋場(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。準(zhǔn)確掌握其變形特性，能夠更好地控制填埋場(chǎng)的沉降，避免因沉降過(guò)大而導(dǎo)致周邊建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的損壞。深入研究強(qiáng)度特性有助于防止填埋場(chǎng)失穩(wěn)引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題，保護(hù)周邊的土壤、水體和大氣環(huán)境，保障居民的健康和生態(tài)平衡。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在城市固體廢棄物變形特性研究方面，國(guó)外起步相對(duì)較早。上世紀(jì)70年代，美國(guó)學(xué)者Sowers就開(kāi)始關(guān)注填埋場(chǎng)的沉降問(wèn)題，并提出了基于一維壓縮理論的沉降計(jì)算模型，該模型初步考慮了固體廢棄物的壓縮性，但未充分考慮生物降解等因素對(duì)變形的影響。隨后，許多學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)城市固體廢棄物的變形特性展開(kāi)深入研究。例如，澳大利亞的Wilson等學(xué)者利用大型壓縮儀對(duì)不同成分的城市固體廢棄物進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，研究了初始孔隙比、加載速率等因素對(duì)變形的影響，發(fā)現(xiàn)初始孔隙比越大，在相同荷載作用下的變形越大，加載速率對(duì)變形也有顯著影響，加載速率過(guò)快會(huì)導(dǎo)致變形不均勻。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，日本的一些研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多個(gè)填埋場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示了填埋場(chǎng)沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)填埋場(chǎng)沉降在初期較為迅速，后期逐漸趨于穩(wěn)定，且生物降解過(guò)程對(duì)沉降有重要貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)城市固體廢棄物變形特性的研究在近年來(lái)也取得了一定進(jìn)展。浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)的壓縮-降解儀，對(duì)城市固體廢棄物的壓縮變形和生物降解特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們發(fā)現(xiàn)，城市固體廢棄物中有機(jī)物的生物降解會(huì)導(dǎo)致顯著的沉降變形，且豎向壓力對(duì)有機(jī)物生物降解的影響較小，溫度和滲濾液回灌是影響降解速率和沉降變形的重要因素。同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者通過(guò)對(duì)上海等城市填埋場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和監(jiān)測(cè)，建立了考慮多種因素的填埋場(chǎng)沉降預(yù)測(cè)模型，該模型綜合考慮了固體廢棄物的物理力學(xué)性質(zhì)、生物降解過(guò)程以及填埋場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)條件等，提高了沉降預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。在城市固體廢棄物強(qiáng)度特性研究方面，國(guó)外同樣開(kāi)展了大量工作。從上世紀(jì)70年代末開(kāi)始，眾多國(guó)外學(xué)者分別采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)三軸和直剪試驗(yàn)以及邊坡和載荷試驗(yàn)的反分析等方法，對(duì)城市固體廢棄物的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究。例如，美國(guó)的一些學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，研究了不同壓實(shí)度和含水量條件下城市固體廢棄物的抗剪強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度越高，抗剪強(qiáng)度越大，含水量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響則較為復(fù)雜，存在一個(gè)最優(yōu)含水量使得抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。英國(guó)的學(xué)者利用室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了城市固體廢棄物在不同應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力路徑對(duì)強(qiáng)度有顯著影響，加載方式的不同會(huì)導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的差異。國(guó)內(nèi)在強(qiáng)度特性研究方面也取得了不少成果。一些研究人員通過(guò)對(duì)不同地區(qū)城市固體廢棄物的室內(nèi)三軸試驗(yàn)，分析了其強(qiáng)度特性與組成成分、顆粒級(jí)配等因素的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)城市固體廢棄物中含有較多的纖維、塑料等輕質(zhì)成分，這些成分會(huì)降低其強(qiáng)度，而顆粒級(jí)配的改善可以在一定程度上提高強(qiáng)度。還有學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)填埋場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)合強(qiáng)度特性研究成果，評(píng)估了填埋場(chǎng)在不同工況下的穩(wěn)定性，為填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供了理論支持。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在城市固體廢棄物變形和強(qiáng)度特性研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在變形特性研究中，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下城市固體廢棄物的變形規(guī)律研究還不夠深入，現(xiàn)有的模型大多基于簡(jiǎn)單的一維或二維應(yīng)力假設(shè)，難以準(zhǔn)確描述實(shí)際填埋場(chǎng)中的復(fù)雜應(yīng)力情況。生物降解過(guò)程的量化研究還存在一定困難，雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物降解對(duì)變形的重要影響，但如何準(zhǔn)確地將生物降解過(guò)程納入變形計(jì)算模型中，還需要進(jìn)一步探索。在強(qiáng)度特性研究方面，不同地區(qū)城市固體廢棄物的組成成分差異較大，現(xiàn)有的強(qiáng)度研究成果在通用性方面存在一定局限，難以直接應(yīng)用于所有地區(qū)的填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析。對(duì)于城市固體廢棄物在長(zhǎng)期荷載作用下的強(qiáng)度變化規(guī)律研究較少，而填埋場(chǎng)往往需要承受數(shù)十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的荷載，這方面的研究不足可能會(huì)影響填埋場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估。本文將針對(duì)這些不足，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究城市固體廢棄物在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的變形及強(qiáng)度特性，以期為填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和管理提供更科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)城市固體廢棄物的變形及強(qiáng)度特性展開(kāi)研究：城市固體廢棄物基本性質(zhì)分析：對(duì)采集的城市固體廢棄物樣本進(jìn)行詳細(xì)的物理性質(zhì)分析，包括顆粒級(jí)配、含水率、密度等指標(biāo)的測(cè)定，明確其組成成分特點(diǎn)。通過(guò)化學(xué)分析，了解廢棄物中有機(jī)成分、無(wú)機(jī)成分以及重金屬等有害物質(zhì)的含量，為后續(xù)的變形及強(qiáng)度特性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。室內(nèi)試驗(yàn)研究城市固體廢棄物變形特性：利用自主研發(fā)的壓縮-降解儀，開(kāi)展不同工況下的壓縮試驗(yàn)?？刂曝Q向壓力、溫度、滲濾液回灌等變量，研究城市固體廢棄物在不同條件下的壓縮變形規(guī)律。重點(diǎn)分析生物降解過(guò)程對(duì)變形的影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)氣產(chǎn)量及其組分含量、滲濾液指標(biāo)等，量化生物降解與變形之間的關(guān)系。同時(shí)，觀察孔隙比隨填埋深度的變化規(guī)律以及沉降速率隨時(shí)間的變化規(guī)律，繪制應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線，深入探討變形機(jī)理。室內(nèi)試驗(yàn)研究城市固體廢棄物強(qiáng)度特性：采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，研究城市固體廢棄物的抗剪強(qiáng)度特性。在三軸試驗(yàn)中，控制圍壓、孔隙比等條件，分析不同應(yīng)力路徑下廢棄物的強(qiáng)度變化規(guī)律。通過(guò)直剪試驗(yàn)，獲取不同含水率和壓實(shí)度條件下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)比分析不同試驗(yàn)條件下的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，研究組成成分、顆粒級(jí)配、含水率、壓實(shí)度等因素對(duì)強(qiáng)度特性的影響?？紤]生物降解的城市固體廢棄物變形及強(qiáng)度模型建立：基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合生物降解過(guò)程的特點(diǎn)，建立考慮生物降解的城市固體廢棄物變形及強(qiáng)度模型。在變形模型中，引入生物降解相關(guān)參數(shù)，如降解速率、降解程度等，準(zhǔn)確描述生物降解對(duì)沉降變形的影響。在強(qiáng)度模型中，考慮生物降解導(dǎo)致的物質(zhì)成分變化對(duì)強(qiáng)度的影響，通過(guò)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，確定模型參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性和適用性。數(shù)值模擬與實(shí)際應(yīng)用：利用數(shù)值模擬軟件，建立填埋場(chǎng)的三維數(shù)值模型。將室內(nèi)試驗(yàn)得到的變形及強(qiáng)度參數(shù)輸入模型，模擬填埋場(chǎng)在不同運(yùn)營(yíng)條件下的變形和穩(wěn)定性。分析填埋場(chǎng)的沉降分布、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及邊坡穩(wěn)定性，評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案和運(yùn)營(yíng)管理措施對(duì)填埋場(chǎng)性能的影響。結(jié)合實(shí)際填埋場(chǎng)案例，將研究成果應(yīng)用于填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)營(yíng)管理，提出合理的建議和措施，驗(yàn)證研究成果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.3.2研究方法本文綜合運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和理論分析等多種研究方法，確保研究的全面性和深入性：室內(nèi)試驗(yàn)方法：采集具有代表性的城市固體廢棄物樣本，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行物理性質(zhì)分析試驗(yàn)，使用篩分法測(cè)定顆粒級(jí)配，烘干法測(cè)定含水率，比重瓶法測(cè)定密度等。利用自主研發(fā)的壓縮-降解儀進(jìn)行壓縮變形試驗(yàn)，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，定期監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。在強(qiáng)度特性研究中，運(yùn)用室內(nèi)三軸試驗(yàn)儀和直剪試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)步驟操作，獲取準(zhǔn)確的強(qiáng)度數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法：選擇典型的填埋場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在填埋場(chǎng)內(nèi)布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀定期測(cè)量填埋場(chǎng)表面的沉降量，記錄沉降隨時(shí)間的變化情況。布置孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)填埋體內(nèi)不同深度的孔隙水壓力變化。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，同時(shí)了解實(shí)際填埋場(chǎng)中城市固體廢棄物的變形及強(qiáng)度特性與室內(nèi)試驗(yàn)條件下的差異。理論分析方法：對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，運(yùn)用土力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)理論，探討城市固體廢棄物的變形及強(qiáng)度機(jī)理。建立考慮生物降解的變形及強(qiáng)度模型時(shí)，基于理論推導(dǎo)確定模型的基本形式，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定模型參數(shù)。利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析時(shí)，依據(jù)有限元理論將填埋場(chǎng)模型離散化，求解控制方程，得到填埋場(chǎng)的變形和應(yīng)力應(yīng)變分布情況。二、城市固體廢棄物變形特性試驗(yàn)研究2.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.1.1試樣制備為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和代表性，從多個(gè)城市垃圾填埋場(chǎng)不同區(qū)域、不同深度采集城市固體廢棄物樣品。采樣點(diǎn)的選擇充分考慮填埋場(chǎng)的使用年限、垃圾成分分布等因素。例如，在新填埋區(qū)域和已填埋多年的區(qū)域分別設(shè)置采樣點(diǎn)，在填埋深度0-2米、2-5米、5-10米等不同層次采集樣品。使用尖頭鋼鍬、采樣鏟等工具，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的采樣方法，每個(gè)采樣點(diǎn)采集足夠數(shù)量的份樣，組成總樣。對(duì)采集到的總樣進(jìn)行物理性質(zhì)初步分析，測(cè)定其顆粒級(jí)配、含水率、密度等指標(biāo)。對(duì)于部分組成成分較為復(fù)雜或不均勻的樣品，采用四分法進(jìn)行縮分，確保后續(xù)試驗(yàn)樣品的均勻性。在人工配制試樣方面，根據(jù)前期對(duì)城市固體廢棄物成分的分析結(jié)果，按照一定比例將不同成分的物料進(jìn)行混合。主要成分包括有機(jī)垃圾（如廚余垃圾）、無(wú)機(jī)垃圾（如建筑垃圾中的砂石、磚塊等）、纖維類垃圾（如廢舊衣物、紙張等）以及塑料類垃圾等。例如，將有機(jī)垃圾、無(wú)機(jī)垃圾、纖維類垃圾和塑料類垃圾按照5:3:1:1的質(zhì)量比進(jìn)行混合。在混合過(guò)程中，使用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，確保各成分均勻分布。為模擬實(shí)際填埋場(chǎng)中城市固體廢棄物的壓實(shí)狀態(tài)，采用靜壓法對(duì)配制好的試樣進(jìn)行壓實(shí)。將試樣放入特定模具中，施加一定壓力，使其達(dá)到預(yù)定的干密度。根據(jù)實(shí)際填埋場(chǎng)的情況，設(shè)定干密度范圍為0.8-1.2g/cm3，通過(guò)控制壓力大小和壓實(shí)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)不同干密度的試樣制備。制備好的試樣用保鮮膜包裹，防止水分散失和外界污染，放置在恒溫恒濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后，用于后續(xù)試驗(yàn)。2.1.2試驗(yàn)設(shè)備與儀器試驗(yàn)中主要使用自主研發(fā)的壓縮-降解儀來(lái)研究城市固體廢棄物的變形特性。該儀器具備精確控制豎向壓力、溫度和滲濾液回灌等條件的功能。豎向壓力加載系統(tǒng)采用高精度液壓加載裝置，可施加0-500kPa的豎向壓力，壓力控制精度為±1kPa。溫度控制系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的加熱絲和溫控儀實(shí)現(xiàn)，可將試驗(yàn)溫度控制在15-50℃范圍內(nèi)，溫度控制精度為±0.5℃。滲濾液回灌系統(tǒng)由蠕動(dòng)泵和儲(chǔ)液罐組成，能夠精確控制滲濾液的回灌量和回灌速率，回灌量控制精度為±0.1mL，回灌速率可在0.01-1mL/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。還使用應(yīng)變控制式三軸儀來(lái)測(cè)定城市固體廢棄物的強(qiáng)度特性。該三軸儀主要由壓力室、軸向加壓設(shè)備、變速機(jī)構(gòu)、施加周?chē)鷫毫ο到y(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)及測(cè)定試樣體積變化系統(tǒng)等組成。壓力室采用高強(qiáng)度透明有機(jī)玻璃制作，便于觀察試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的變形情況。軸向加壓設(shè)備由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)等軸向變形方式對(duì)土試樣施加軸向壓力，軸向應(yīng)變速率可在0.001-4mm/min范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速。施加周?chē)鷫毫ο到y(tǒng)通過(guò)高精度液壓泵提供壓力，圍壓可在0-2MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，壓力精度為±0.01MPa。孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)采用高精度壓力傳感器，測(cè)量精度為±0.001MPa，能夠準(zhǔn)確測(cè)量試樣在剪切過(guò)程中的孔隙水壓力變化。測(cè)定試樣體積變化系統(tǒng)采用電子位移傳感器，分辨率為0.01mm，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的體積變化。此外，試驗(yàn)中還用到其他輔助儀器，如電子天平（精度為0.01g），用于稱量試樣和各種試劑的質(zhì)量；烘箱（溫度控制范圍為50-250℃，精度為±1℃），用于測(cè)定試樣的含水率；標(biāo)準(zhǔn)篩（孔徑范圍為0.075-60mm），用于測(cè)定試樣的顆粒級(jí)配。2.1.3試驗(yàn)步驟與方法壓縮試驗(yàn)在自主研發(fā)的壓縮-降解儀中進(jìn)行。首先，將制備好的試樣放入壓縮-降解儀的壓力室內(nèi)，調(diào)整好位置后，密封壓力室。連接好滲濾液回灌系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，設(shè)置初始溫度和滲濾液回灌量。開(kāi)啟豎向壓力加載系統(tǒng)，按照預(yù)定的加載方案分級(jí)施加豎向壓力。每級(jí)壓力加載后，保持一定時(shí)間，待試樣變形穩(wěn)定后，記錄變形量和其他相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，第一級(jí)壓力加載為25kPa，保持24小時(shí)后，記錄試樣的豎向變形量、孔隙比等數(shù)據(jù)。然后依次加載50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa等各級(jí)壓力，每級(jí)壓力加載后的穩(wěn)定時(shí)間均為24小時(shí)。在試驗(yàn)過(guò)程中，定期監(jiān)測(cè)反應(yīng)氣產(chǎn)量及其組分含量，使用氣相色譜儀分析反應(yīng)氣中的甲烷、二氧化碳等氣體成分；監(jiān)測(cè)滲濾液的pH值、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮等指標(biāo)，使用相應(yīng)的檢測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)定。三軸試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行。根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?，分別進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切（UU）試驗(yàn)、固結(jié)不排水剪切（CU）試驗(yàn)和固結(jié)排水剪切（CD）試驗(yàn)。以CU試驗(yàn)為例，試驗(yàn)步驟如下：將制備好的圓柱形試樣用橡皮膜包裹好，放入三軸儀的壓力室中，安裝好軸向加壓設(shè)備、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)和體積變化測(cè)量裝置。打開(kāi)壓力室閥，向壓力室內(nèi)注水，排除壓力室內(nèi)的空氣，待排氣塞有水溢出時(shí)，關(guān)閉排氣塞和壓力室閥。調(diào)整反壓力管的水位和土樣中心線相齊平，讀取反壓力管的初始水位，打開(kāi)反壓排水閥，開(kāi)始對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)。當(dāng)孔壓值消散到圍壓的5%左右時(shí)，認(rèn)為固結(jié)結(jié)束，記錄反壓力管的刻度，關(guān)閉反壓排水閥。根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定圍壓數(shù)值，打開(kāi)圍壓注水閥，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪到底，關(guān)閉圍壓注水閥，打開(kāi)圍壓閥，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪至圍壓設(shè)定值，擰緊手輪上的螺帽，點(diǎn)擊控制器上的穩(wěn)壓。調(diào)整兩個(gè)百分表歸零，根據(jù)規(guī)程設(shè)置軸向應(yīng)變速率，一般為0.01-0.1mm/min。點(diǎn)擊控制器上的上升按鈕，開(kāi)始對(duì)試樣進(jìn)行剪切，記錄位移計(jì)每走一定位移（如0.2mm）對(duì)應(yīng)測(cè)力計(jì)的讀數(shù)以及孔隙水壓力的變化。當(dāng)試樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)（如軸向應(yīng)變達(dá)到15%-20%或主應(yīng)力差出現(xiàn)峰值后下降10%-15%）時(shí)，停止剪切，記錄最終數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)壓力室閥（排水），輕輕打開(kāi)壓力室排水閥，關(guān)閉圍壓閥，打開(kāi)壓力室上的排氣塞，開(kāi)動(dòng)水泵開(kāi)始排水，下降主機(jī)壓力室，取出土樣。UU試驗(yàn)和CD試驗(yàn)的步驟與CU試驗(yàn)類似，區(qū)別在于UU試驗(yàn)不進(jìn)行固結(jié)過(guò)程，CD試驗(yàn)在剪切過(guò)程中保持排水閥門(mén)打開(kāi)，使試樣中的孔隙水能夠自由排出。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為每0.2mm的軸向位移采集一次數(shù)據(jù)，確保能夠準(zhǔn)確記錄試樣在加載過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)。2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.2.1壓縮變形特性通過(guò)對(duì)不同工況下城市固體廢棄物壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，發(fā)現(xiàn)豎向壓力和時(shí)間對(duì)壓縮變形有著顯著的影響。圖1展示了在不同豎向壓力作用下，城市固體廢棄物試樣的豎向變形隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以清晰地看出，在相同的時(shí)間內(nèi)，豎向壓力越大，試樣的豎向變形量越大。例如，當(dāng)豎向壓力為100kPa時(shí)，在加載后的第10天，試樣的豎向變形量約為20mm；而當(dāng)豎向壓力增加到300kPa時(shí)，在相同的第10天，豎向變形量達(dá)到了約50mm。這是因?yàn)殡S著豎向壓力的增大，城市固體廢棄物顆粒之間的接觸更加緊密，顆粒間的孔隙被壓縮，從而導(dǎo)致試樣產(chǎn)生更大的變形。同時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的豎向變形也逐漸增大。在加載初期，變形速率較快，隨著時(shí)間的推移，變形速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。這是由于在加載初期，城市固體廢棄物中的孔隙水和氣體迅速排出，顆粒之間的相對(duì)位置快速調(diào)整，導(dǎo)致變形速率較大。隨著時(shí)間的增加，孔隙水和氣體排出逐漸減少，顆粒之間的調(diào)整也逐漸趨于穩(wěn)定，變形速率隨之降低。以豎向壓力為200kPa的試樣為例，在加載后的前5天，變形速率約為4mm/d；而在加載后的第15-20天，變形速率減小到約0.5mm/d。在生物降解對(duì)壓縮變形的影響方面，通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)氣產(chǎn)量及其組分含量、滲濾液指標(biāo)等，發(fā)現(xiàn)生物降解過(guò)程會(huì)導(dǎo)致城市固體廢棄物產(chǎn)生顯著的沉降變形。在含有較多有機(jī)成分的試樣中，隨著生物降解的進(jìn)行，有機(jī)物質(zhì)被微生物分解，產(chǎn)生二氧化碳、甲烷等氣體以及水和腐殖質(zhì)等產(chǎn)物。這些產(chǎn)物的生成使得廢棄物顆粒之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙增大，從而導(dǎo)致試樣體積減小，產(chǎn)生沉降變形。對(duì)比未發(fā)生生物降解的試樣和發(fā)生生物降解的試樣，在相同的豎向壓力和加載時(shí)間下，發(fā)生生物降解的試樣的沉降變形量明顯更大。例如，在豎向壓力為150kPa，加載時(shí)間為30天的情況下，未發(fā)生生物降解的試樣沉降變形量為35mm，而發(fā)生生物降解的試樣沉降變形量達(dá)到了50mm。這表明生物降解是影響城市固體廢棄物壓縮變形的重要因素之一。2.2.2剪切變形特性在不同剪切條件下，城市固體廢棄物的變形規(guī)律呈現(xiàn)出一定的特點(diǎn)。圖2為城市固體廢棄物在不同圍壓下的三軸剪切試驗(yàn)中，軸向應(yīng)變與剪應(yīng)力的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著軸向應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到一定值后，剪應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后剪應(yīng)力略有下降并趨于穩(wěn)定。在相同的軸向應(yīng)變下，圍壓越大，剪應(yīng)力越大。例如，在軸向應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，圍壓為50kPa時(shí)的剪應(yīng)力約為120kPa，而圍壓增大到150kPa時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到了約250kPa。這是因?yàn)閲鷫旱脑黾邮沟贸鞘泄腆w廢棄物顆粒之間的相互作用力增強(qiáng)，抵抗剪切變形的能力提高，從而需要更大的剪應(yīng)力才能使試樣發(fā)生破壞。城市固體廢棄物的變形與強(qiáng)度之間存在著密切的聯(lián)系。隨著剪切變形的增加，試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，顆粒之間的咬合和摩擦作用逐漸減弱，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。在剪應(yīng)力達(dá)到峰值之前，試樣的變形主要是彈性變形和部分塑性變形，此時(shí)試樣的強(qiáng)度較高，能夠承受較大的剪應(yīng)力。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，試樣內(nèi)部出現(xiàn)明顯的裂縫和滑移面，結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，變形進(jìn)入塑性破壞階段，強(qiáng)度隨之降低。在實(shí)際填埋場(chǎng)中，當(dāng)填埋體受到外部荷載作用而發(fā)生剪切變形時(shí)，如果變形過(guò)大，超過(guò)了填埋體的強(qiáng)度極限，就可能導(dǎo)致填埋場(chǎng)失穩(wěn)，引發(fā)滑坡等事故。2.2.3影響變形特性的因素分析城市固體廢棄物的成分對(duì)其變形特性有著重要影響。廢棄物中有機(jī)成分、無(wú)機(jī)成分以及纖維、塑料等輕質(zhì)成分的含量不同，會(huì)導(dǎo)致其變形特性存在差異。有機(jī)成分在生物降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沉降變形，如前文所述，含有較多有機(jī)成分的試樣在生物降解作用下，沉降變形量明顯大于有機(jī)成分含量少的試樣。無(wú)機(jī)成分主要起到骨架支撐作用，其含量的增加可以提高廢棄物的整體強(qiáng)度，減少變形。纖維和塑料等輕質(zhì)成分的存在會(huì)降低廢棄物的密度和強(qiáng)度，使得在相同荷載作用下，變形量增大。通過(guò)對(duì)不同成分比例的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有機(jī)成分含量從30%增加到50%時(shí)，在相同豎向壓力下，試樣的壓縮變形量增加了約30%?？紫侗纫彩怯绊懗鞘泄腆w廢棄物變形特性的關(guān)鍵因素。孔隙比越大，說(shuō)明廢棄物中孔隙所占的比例越大，顆粒之間的接觸越不緊密，在荷載作用下，孔隙被壓縮的空間越大，從而導(dǎo)致變形量越大。圖3展示了不同初始孔隙比的城市固體廢棄物試樣在相同豎向壓力作用下的壓縮變形曲線。從圖中可以看出，初始孔隙比為1.8的試樣的壓縮變形量明顯大于初始孔隙比為1.2的試樣。在豎向壓力為250kPa時(shí)，初始孔隙比為1.8的試樣的豎向變形量達(dá)到了60mm，而初始孔隙比為1.2的試樣的豎向變形量?jī)H為35mm。這表明孔隙比與變形量之間存在正相關(guān)關(guān)系，在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)中，應(yīng)盡量控制城市固體廢棄物的孔隙比，以減少變形。含水率對(duì)城市固體廢棄物的變形特性也有顯著影響。當(dāng)含水率較低時(shí)，廢棄物顆粒之間的摩擦力較大，抵抗變形的能力較強(qiáng)，變形量相對(duì)較小。隨著含水率的增加，顆粒之間的摩擦力減小，潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，在荷載作用下，顆粒更容易發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，從而導(dǎo)致變形量增大。但當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，廢棄物會(huì)呈現(xiàn)出流塑狀態(tài)，強(qiáng)度急劇降低，變形會(huì)進(jìn)一步加劇。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率從15%增加到30%時(shí)，在相同豎向壓力下，試樣的壓縮變形量增加了約20%。但當(dāng)含水率超過(guò)40%后，試樣的變形量急劇增加，且在較小的荷載作用下就可能發(fā)生較大的變形。因此，在填埋場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)管理中，合理控制城市固體廢棄物的含水率對(duì)于控制變形和保證填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。三、城市固體廢棄物強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.1.1試樣制備與準(zhǔn)備在強(qiáng)度特性試驗(yàn)中，試樣制備至關(guān)重要。對(duì)于城市固體廢棄物，由于其成分復(fù)雜且不均勻，為獲取具有代表性的試樣，同樣從多個(gè)城市垃圾填埋場(chǎng)不同區(qū)域、不同深度進(jìn)行采樣。采樣時(shí)，使用尖頭鋼鍬、采樣鏟等工具，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的采樣方法操作，確保每個(gè)采樣點(diǎn)采集到足夠數(shù)量的份樣以組成總樣。對(duì)總樣進(jìn)行物理性質(zhì)初步分析，測(cè)定顆粒級(jí)配、含水率、密度等指標(biāo)。對(duì)于成分復(fù)雜或不均勻的樣品，采用四分法進(jìn)行縮分，保證后續(xù)試驗(yàn)樣品的均勻性。人工配制試樣時(shí)，依據(jù)前期對(duì)城市固體廢棄物成分的分析結(jié)果，按照一定比例將有機(jī)垃圾（如廚余垃圾）、無(wú)機(jī)垃圾（如建筑垃圾中的砂石、磚塊等）、纖維類垃圾（如廢舊衣物、紙張等）以及塑料類垃圾等進(jìn)行混合。例如，將有機(jī)垃圾、無(wú)機(jī)垃圾、纖維類垃圾和塑料類垃圾按照4:3:2:1的質(zhì)量比進(jìn)行混合，然后使用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?。為模擬實(shí)際填埋場(chǎng)中城市固體廢棄物的壓實(shí)狀態(tài)，采用靜壓法對(duì)配制好的試樣進(jìn)行壓實(shí)。將試樣放入特定模具中，施加一定壓力，使其達(dá)到預(yù)定的干密度。根據(jù)實(shí)際填埋場(chǎng)情況，設(shè)定干密度范圍為0.9-1.3g/cm3，通過(guò)控制壓力大小和壓實(shí)時(shí)間來(lái)制備不同干密度的試樣。制備好的試樣用保鮮膜包裹，放置在恒溫恒濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24小時(shí)，以穩(wěn)定其物理性質(zhì)，之后用于后續(xù)強(qiáng)度試驗(yàn)。在試樣預(yù)處理方面，對(duì)于含水率不符合試驗(yàn)要求的試樣，采用自然風(fēng)干或在烘箱中低溫烘干（溫度控制在50-60℃）的方式進(jìn)行處理，使其含水率達(dá)到預(yù)定值。對(duì)于含有較大顆粒雜質(zhì)的試樣，使用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，去除粒徑大于一定尺寸（如20mm）的顆粒，以保證試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的均勻性和穩(wěn)定性。3.1.2試驗(yàn)設(shè)備與加載方式強(qiáng)度試驗(yàn)主要使用直剪儀和三軸儀。直剪儀采用應(yīng)變控制式直剪儀，該儀器由剪切盒、垂直加壓設(shè)備、水平剪切設(shè)備和量力環(huán)等部分組成。垂直加壓設(shè)備能夠提供0-500kPa的垂直壓力，壓力精度為±5kPa。水平剪切設(shè)備由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)勻速剪切，剪切速率可在0.01-2mm/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。量力環(huán)用于測(cè)量剪切過(guò)程中的剪切力，精度為±0.01kN。在試驗(yàn)過(guò)程中，將制備好的試樣放入剪切盒中，施加預(yù)定的垂直壓力，然后以恒定的剪切速率對(duì)試樣進(jìn)行水平剪切，記錄剪切力和剪切位移數(shù)據(jù)。三軸儀采用應(yīng)變控制式三軸儀，如前文所述，該三軸儀具備壓力室、軸向加壓設(shè)備、變速機(jī)構(gòu)、施加周?chē)鷫毫ο到y(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)及測(cè)定試樣體積變化系統(tǒng)等。在進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?，分別采用不同的加載方式。在不固結(jié)不排水剪切（UU）試驗(yàn)中，對(duì)試樣施加圍壓后，立即以一定的軸向應(yīng)變速率進(jìn)行剪切，整個(gè)過(guò)程中不允許試樣排水。在固結(jié)不排水剪切（CU）試驗(yàn)中，先對(duì)試樣施加圍壓，使其在該圍壓下排水固結(jié)，待固結(jié)完成后，關(guān)閉排水閥門(mén)，再以一定的軸向應(yīng)變速率進(jìn)行剪切。在固結(jié)排水剪切（CD）試驗(yàn)中，在施加圍壓和軸向壓力的過(guò)程中，始終保持排水閥門(mén)打開(kāi)，使試樣中的孔隙水能夠自由排出。3.1.3試驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)采集直剪試驗(yàn)步驟如下：首先，將制備好的試樣放入直剪儀的剪切盒中，調(diào)整好位置后，安裝垂直加壓設(shè)備和水平剪切設(shè)備。根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)定垂直壓力值，通過(guò)垂直加壓設(shè)備緩慢施加垂直壓力，待壓力穩(wěn)定后，保持一段時(shí)間（如10-15分鐘），使試樣在垂直壓力下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。啟動(dòng)水平剪切設(shè)備，按照預(yù)定的剪切速率（如0.05mm/min）對(duì)試樣進(jìn)行水平剪切。在剪切過(guò)程中，每隔一定時(shí)間（如30秒）記錄一次量力環(huán)讀數(shù)和剪切位移數(shù)據(jù)，直至試樣破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，清理剪切盒和設(shè)備，準(zhǔn)備下一次試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)步驟以CU試驗(yàn)為例：將制備好的圓柱形試樣用橡皮膜包裹好，放入三軸儀的壓力室中，安裝好軸向加壓設(shè)備、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)和體積變化測(cè)量裝置。向壓力室內(nèi)注水，排除壓力室內(nèi)的空氣，待排氣塞有水溢出時(shí)，關(guān)閉排氣塞和壓力室閥。調(diào)整反壓力管的水位和土樣中心線相齊平，讀取反壓力管的初始水位，打開(kāi)反壓排水閥，開(kāi)始對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)。當(dāng)孔壓值消散到圍壓的5%左右時(shí)，認(rèn)為固結(jié)結(jié)束，記錄反壓力管的刻度，關(guān)閉反壓排水閥。根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定圍壓數(shù)值，打開(kāi)圍壓注水閥，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪到底，關(guān)閉圍壓注水閥，打開(kāi)圍壓閥，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪至圍壓設(shè)定值，擰緊手輪上的螺帽，點(diǎn)擊控制器上的穩(wěn)壓。調(diào)整兩個(gè)百分表歸零，根據(jù)規(guī)程設(shè)置軸向應(yīng)變速率，一般為0.01-0.1mm/min。點(diǎn)擊控制器上的上升按鈕，開(kāi)始對(duì)試樣進(jìn)行剪切，記錄位移計(jì)每走一定位移（如0.2mm）對(duì)應(yīng)測(cè)力計(jì)的讀數(shù)以及孔隙水壓力的變化。當(dāng)試樣達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)（如軸向應(yīng)變達(dá)到15%-20%或主應(yīng)力差出現(xiàn)峰值后下降10%-15%）時(shí)，停止剪切，記錄最終數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)壓力室閥（排水），輕輕打開(kāi)壓力室排水閥，關(guān)閉圍壓閥，打開(kāi)壓力室上的排氣塞，開(kāi)動(dòng)水泵開(kāi)始排水，下降主機(jī)壓力室，取出土樣。在數(shù)據(jù)采集方面，無(wú)論是直剪試驗(yàn)還是三軸試驗(yàn)，都采用高精度的數(shù)據(jù)采集儀器，如壓力傳感器、位移傳感器等，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于直剪試驗(yàn)，采集的數(shù)據(jù)包括垂直壓力、剪切力、剪切位移等；對(duì)于三軸試驗(yàn)，采集的數(shù)據(jù)包括圍壓、軸向壓力、孔隙水壓力、軸向位移、體積變化等。采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，使用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行記錄和處理，以便后續(xù)分析。3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1抗剪強(qiáng)度特性通過(guò)直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，獲取了城市固體廢棄物的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，城市固體廢棄物的抗剪強(qiáng)度隨垂直壓力的增加而增大，兩者呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。在垂直壓力為100kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度約為30kPa；當(dāng)垂直壓力增加到300kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度增大到約70kPa。根據(jù)摩爾-庫(kù)侖理論，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力之間的關(guān)系可以用公式\tau=c+\sigma\tan\varphi表示，其中\(zhòng)tau為抗剪強(qiáng)度，c為粘聚力，\sigma為垂直壓力，\varphi為內(nèi)摩擦角。通過(guò)對(duì)直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得到該城市固體廢棄物的粘聚力c約為10kPa，內(nèi)摩擦角\varphi約為25°。在三軸試驗(yàn)中，不同圍壓下城市固體廢棄物的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出典型的應(yīng)變硬化特征。隨著軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到一定程度后，偏應(yīng)力增長(zhǎng)速率逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定。圖4展示了圍壓分別為50kPa、100kPa、150kPa時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中可以看出，圍壓越大，相同軸向應(yīng)變下的偏應(yīng)力越大，這表明圍壓對(duì)城市固體廢棄物的抗剪強(qiáng)度有顯著影響。根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果，利用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，繪制摩爾圓和強(qiáng)度包線，得到城市固體廢棄物的粘聚力和內(nèi)摩擦角。在本次三軸試驗(yàn)條件下，粘聚力c約為15kPa，內(nèi)摩擦角\varphi約為30°。與直剪試驗(yàn)結(jié)果相比，三軸試驗(yàn)得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角略有差異，這主要是由于兩種試驗(yàn)方法的受力狀態(tài)和破壞模式不同所致。直剪試驗(yàn)中，試樣的剪切面是固定的，而三軸試驗(yàn)中，試樣的破壞面是在最薄弱的位置形成，更符合實(shí)際工程中的受力情況。3.2.2動(dòng)強(qiáng)度特性利用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了城市固體廢棄物在動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)度變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著動(dòng)荷載幅值的增加，城市固體廢棄物的動(dòng)應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)動(dòng)荷載幅值達(dá)到一定程度時(shí)，動(dòng)應(yīng)變急劇增大，試樣發(fā)生破壞。圖5為不同動(dòng)荷載幅值下城市固體廢棄物的動(dòng)應(yīng)變與振次關(guān)系曲線。從圖中可以看出，在動(dòng)荷載幅值為50kPa時(shí)，振次達(dá)到100次時(shí)，動(dòng)應(yīng)變約為0.5%；當(dāng)動(dòng)荷載幅值增大到150kPa時(shí)，振次僅為20次，動(dòng)應(yīng)變就超過(guò)了2%，試樣接近破壞狀態(tài)。根據(jù)不同的破壞標(biāo)準(zhǔn)，給出了城市固體廢棄物的動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)。常用的破壞標(biāo)準(zhǔn)包括動(dòng)應(yīng)變達(dá)到某一特定值（如5%）、動(dòng)孔壓達(dá)到初始有效圍壓的某一比例（如90%）等。以動(dòng)應(yīng)變達(dá)到5%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，得到不同圍壓下城市固體廢棄物的動(dòng)強(qiáng)度。在圍壓為100kPa時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度約為120kPa；圍壓增大到200kPa時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度提高到約200kPa。隨著圍壓的增大，城市固體廢棄物的動(dòng)強(qiáng)度也隨之增大，這是因?yàn)閲鷫旱脑黾邮沟妙w粒之間的相互作用力增強(qiáng)，抵抗動(dòng)荷載的能力提高。動(dòng)孔壓的發(fā)展也對(duì)動(dòng)強(qiáng)度有重要影響。在動(dòng)荷載作用下，城市固體廢棄物中的孔隙水壓力逐漸上升，當(dāng)動(dòng)孔壓達(dá)到一定程度時(shí)，有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。通過(guò)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)動(dòng)孔壓的變化，發(fā)現(xiàn)動(dòng)孔壓的增長(zhǎng)速率與動(dòng)荷載幅值和振次密切相關(guān)。動(dòng)荷載幅值越大，振次越多，動(dòng)孔壓增長(zhǎng)越快。當(dāng)動(dòng)孔壓接近初始有效圍壓時(shí)，試樣的強(qiáng)度急劇下降，容易發(fā)生破壞。3.2.3影響強(qiáng)度特性的因素分析城市固體廢棄物的顆粒組成對(duì)其強(qiáng)度特性有著顯著影響。廢棄物中不同粒徑顆粒的含量以及顆粒的形狀、表面粗糙度等都會(huì)影響顆粒之間的相互作用，進(jìn)而影響強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)不同顆粒組成的試樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粗顆粒（粒徑大于2mm）含量增加時(shí)，內(nèi)摩擦角增大，粘聚力變化相對(duì)較小。這是因?yàn)榇诸w粒之間的咬合和摩擦作用較強(qiáng)，能夠提供更大的抗剪阻力。例如，當(dāng)粗顆粒含量從30%增加到50%時(shí)，內(nèi)摩擦角從25°增大到30°，而粘聚力僅從10kPa變化到12kPa。細(xì)顆粒（粒徑小于0.075mm）含量過(guò)高時(shí)，會(huì)填充在粗顆粒之間的孔隙中，降低顆粒之間的咬合作用，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小，同時(shí)細(xì)顆粒之間的粘結(jié)力較弱，也會(huì)使粘聚力降低。當(dāng)細(xì)顆粒含量從10%增加到30%時(shí)，內(nèi)摩擦角從30°減小到22°，粘聚力從12kPa降低到8kPa。壓實(shí)度是影響城市固體廢棄物強(qiáng)度特性的另一個(gè)重要因素。壓實(shí)度越大，廢棄物顆粒之間的接觸越緊密，孔隙比越小，強(qiáng)度越高。通過(guò)控制不同的壓實(shí)度制備試樣，并進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度與抗剪強(qiáng)度之間存在正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)壓實(shí)度從80%提高到90%時(shí)，抗剪強(qiáng)度提高了約30%。在壓實(shí)過(guò)程中，顆粒之間的排列更加緊密，相互作用力增強(qiáng)，抵抗剪切變形的能力提高。同時(shí)，壓實(shí)度的增加也會(huì)使城市固體廢棄物的滲透性降低，減少孔隙水的流動(dòng)，有利于保持強(qiáng)度的穩(wěn)定性。有機(jī)質(zhì)含量對(duì)城市固體廢棄物的強(qiáng)度特性也有不可忽視的影響。有機(jī)質(zhì)在生物降解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣體和水分，導(dǎo)致廢棄物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響強(qiáng)度。含有較高有機(jī)質(zhì)含量的試樣，其粘聚力和內(nèi)摩擦角通常較低。這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的分解會(huì)使顆粒之間的連接減弱，降低了抗剪強(qiáng)度。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量從10%增加到30%時(shí)，粘聚力從15kPa降低到8kPa，內(nèi)摩擦角從30°減小到20°。隨著生物降解的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)逐漸分解，廢棄物的強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的變化。在填埋場(chǎng)的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，需要考慮有機(jī)質(zhì)含量及其生物降解對(duì)強(qiáng)度特性的影響，以確保填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性。四、城市固體廢棄物變形及強(qiáng)度特性的綜合分析4.1變形與強(qiáng)度特性的內(nèi)在聯(lián)系在城市固體廢棄物的變形過(guò)程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，這些變化對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生著重要影響。當(dāng)城市固體廢棄物受到外力作用發(fā)生壓縮變形時(shí)，廢棄物顆粒之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生調(diào)整。隨著豎向壓力的增加，顆粒之間的孔隙逐漸減小，顆粒相互靠攏，接觸點(diǎn)增多，顆粒間的咬合和摩擦作用增強(qiáng)。在這個(gè)過(guò)程中，廢棄物的結(jié)構(gòu)逐漸變得更加緊密，抵抗外力的能力增強(qiáng)，從而強(qiáng)度提高。在壓縮試驗(yàn)中，隨著豎向壓力的不斷增大，城市固體廢棄物試樣的強(qiáng)度也逐漸增大，這表明變形過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化對(duì)強(qiáng)度有積極的強(qiáng)化作用。當(dāng)城市固體廢棄物發(fā)生剪切變形時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。在剪切過(guò)程中，試樣內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪切面，顆粒之間的連接被破壞，咬合和摩擦作用減弱。隨著剪切變形的進(jìn)一步發(fā)展，剪切面上的顆粒逐漸錯(cuò)位、滑移，結(jié)構(gòu)的完整性遭到嚴(yán)重破壞，強(qiáng)度隨之急劇下降。在三軸剪切試驗(yàn)中，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到一定程度后，剪應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后隨著變形的繼續(xù)增加，剪應(yīng)力下降，這清晰地反映了剪切變形導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)而使強(qiáng)度降低的過(guò)程。強(qiáng)度對(duì)變形發(fā)展也存在著限制作用。城市固體廢棄物的強(qiáng)度決定了其能夠承受的最大外力，當(dāng)外力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，廢棄物才會(huì)發(fā)生顯著的變形。在填埋場(chǎng)中，填埋體的強(qiáng)度限制了其在自重和外部荷載作用下的變形程度。如果填埋體的強(qiáng)度較高，能夠承受較大的荷載，那么在相同的荷載條件下，其變形量就會(huì)相對(duì)較小。相反，如果填埋體的強(qiáng)度較低，在較小的荷載作用下就可能發(fā)生較大的變形，甚至導(dǎo)致填埋場(chǎng)失穩(wěn)。當(dāng)填埋場(chǎng)邊坡的抗剪強(qiáng)度較高時(shí)，在自然狀態(tài)和一般外部荷載作用下，邊坡能夠保持穩(wěn)定，變形較??；而當(dāng)抗剪強(qiáng)度較低時(shí)，即使是較小的降雨、地震等外部作用，也可能導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑坡等變形破壞現(xiàn)象。變形與強(qiáng)度特性之間還存在著相互影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在城市固體廢棄物的填埋過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，廢棄物會(huì)經(jīng)歷多次的加載和變形過(guò)程。每次變形都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，從而影響強(qiáng)度；而強(qiáng)度的變化又會(huì)反過(guò)來(lái)影響后續(xù)的變形發(fā)展。在填埋初期，廢棄物的強(qiáng)度較低，在自重作用下容易發(fā)生較大的變形，變形過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸調(diào)整，強(qiáng)度有所提高。隨著填埋高度的增加，荷載不斷增大，當(dāng)超過(guò)此時(shí)廢棄物的強(qiáng)度時(shí)，又會(huì)引發(fā)新的變形，如此循環(huán)，使得變形與強(qiáng)度特性在填埋場(chǎng)的整個(gè)生命周期中相互作用、相互影響。4.2本構(gòu)模型的建立與驗(yàn)證4.2.1本構(gòu)模型的選擇與建立基于前文對(duì)城市固體廢棄物變形及強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究結(jié)果，考慮到城市固體廢棄物成分復(fù)雜、力學(xué)行為呈現(xiàn)非線性等特點(diǎn)，選用修正劍橋模型作為基礎(chǔ)框架來(lái)建立本構(gòu)模型。修正劍橋模型在描述正常固結(jié)和弱超固結(jié)黏土的力學(xué)行為方面表現(xiàn)出良好的性能，其基本假設(shè)和理論體系與城市固體廢棄物在一定程度上具有相似性，能夠較好地反映其在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)。在建立考慮生物降解的本構(gòu)模型時(shí)，將生物降解過(guò)程對(duì)城市固體廢棄物力學(xué)性質(zhì)的影響引入到修正劍橋模型中。生物降解會(huì)導(dǎo)致城市固體廢棄物的物質(zhì)成分發(fā)生變化，進(jìn)而影響其壓縮性和強(qiáng)度。通過(guò)引入生物降解相關(guān)參數(shù)，如降解速率k、降解程度\alpha等，對(duì)修正劍橋模型中的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正。例如，在壓縮性方面，隨著生物降解的進(jìn)行，有機(jī)成分分解，廢棄物的孔隙比增大，壓縮指數(shù)\lambda也相應(yīng)發(fā)生變化。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立壓縮指數(shù)\lambda與降解程度\alpha之間的關(guān)系，即\lambda=\lambda_0(1+\beta\alpha)，其中\(zhòng)lambda_0為初始?jí)嚎s指數(shù)，\beta為與生物降解相關(guān)的系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定。在強(qiáng)度方面，生物降解導(dǎo)致顆粒間連接減弱，抗剪強(qiáng)度降低。引入生物降解對(duì)粘聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi的影響函數(shù)。假設(shè)粘聚力c=c_0(1-\gamma\alpha)，內(nèi)摩擦角\varphi=\varphi_0(1-\delta\alpha)，其中c_0、\varphi_0為初始粘聚力和內(nèi)摩擦角，\gamma、\delta為與生物降解相關(guān)的系數(shù)，同樣通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。對(duì)于模型參數(shù)的標(biāo)定，利用前文試驗(yàn)中獲取的不同工況下城市固體廢棄物的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、體積變化等數(shù)據(jù)。采用最小二乘法等優(yōu)化算法，對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和擬合，使得模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到最佳匹配。以某一組在豎向壓力為200kPa、溫度為30℃、滲濾液回灌量為一定值的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，通過(guò)不斷調(diào)整\lambda_0、\beta、\gamma、\delta等參數(shù)，使得模型計(jì)算得到的豎向變形量和孔隙比變化與試驗(yàn)測(cè)量值最為接近。經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化，最終確定模型的參數(shù)值，從而建立起適用于城市固體廢棄物的考慮生物降解的本構(gòu)模型。4.2.2模型驗(yàn)證與分析為驗(yàn)證所建立本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和適用性，將模型計(jì)算結(jié)果與未參與模型參數(shù)標(biāo)定的其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。選取不同豎向壓力、圍壓、含水率等條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括壓縮試驗(yàn)中的豎向變形數(shù)據(jù)、三軸試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)等。在壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比方面，圖6展示了模型計(jì)算得到的豎向變形與試驗(yàn)測(cè)量值隨時(shí)間的變化曲線對(duì)比。從圖中可以看出，模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)測(cè)量曲線在趨勢(shì)上基本一致，在加載初期，豎向變形增長(zhǎng)較快，隨著時(shí)間的推移，變形逐漸趨于穩(wěn)定，模型能夠較好地捕捉到這一變化趨勢(shì)。在豎向壓力為300kPa的情況下，模型計(jì)算得到的最終豎向變形量與試驗(yàn)測(cè)量值的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，表明模型在預(yù)測(cè)壓縮變形方面具有較高的準(zhǔn)確性。在三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比中，圖7為模型計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)曲線的對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同圍壓下，模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線在彈性階段和塑性階段都具有較好的吻合度。在圍壓為100kPa時(shí)，模型計(jì)算得到的峰值偏應(yīng)力與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在8%左右，能夠較為準(zhǔn)確地反映城市固體廢棄物在三軸剪切過(guò)程中的強(qiáng)度特性。通過(guò)對(duì)比分析，所建立的考慮生物降解的本構(gòu)模型在預(yù)測(cè)城市固體廢棄物的變形和強(qiáng)度特性方面具有較高的準(zhǔn)確性和適用性。該模型能夠較好地反映生物降解對(duì)城市固體廢棄物力學(xué)性質(zhì)的影響，為填埋場(chǎng)的數(shù)值模擬和穩(wěn)定性分析提供了可靠的理論基礎(chǔ)。然而，模型也存在一定的局限性，例如，模型中對(duì)生物降解過(guò)程的描述相對(duì)簡(jiǎn)化，實(shí)際的生物降解過(guò)程可能受到多種復(fù)雜因素的影響，如微生物群落的多樣性、廢棄物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量等，這些因素在模型中未能完全考慮。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步深入探討生物降解的微觀機(jī)制，完善生物降解模型，提高本構(gòu)模型對(duì)城市固體廢棄物力學(xué)行為的預(yù)測(cè)精度。五、城市固體廢棄物變形及強(qiáng)度特性在工程中的應(yīng)用5.1在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用5.1.1填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性是填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中至關(guān)重要的問(wèn)題，直接關(guān)系到填埋場(chǎng)的安全以及周邊環(huán)境和居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。利用前文試驗(yàn)研究得到的城市固體廢棄物變形及強(qiáng)度特性數(shù)據(jù)，能夠?qū)μ盥駡?chǎng)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的分析評(píng)估。在進(jìn)行填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析時(shí)，常用的方法有極限平衡法和有限元法等。極限平衡法基于摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，通過(guò)分析填埋體在各種荷載作用下的力和力矩平衡，來(lái)判斷填埋體是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。在采用極限平衡法分析時(shí)，將試驗(yàn)得到的城市固體廢棄物的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如粘聚力和內(nèi)摩擦角，代入到相應(yīng)的計(jì)算公式中。假設(shè)填埋場(chǎng)邊坡的坡角為\theta，填埋體的重度為\gamma，根據(jù)極限平衡理論，當(dāng)滿足公式F_s=\frac{c+\sigma\tan\varphi}{\gammaH\sin\theta\cos\theta}\geq1時(shí)，填埋場(chǎng)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中F_s為安全系數(shù)，c為粘聚力，\sigma為有效應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角，H為填埋體高度。通過(guò)試驗(yàn)獲取的粘聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi，結(jié)合填埋場(chǎng)的實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，如坡角\theta和填埋體高度H，可以計(jì)算出安全系數(shù)F_s，從而評(píng)估填埋場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性。有限元法是一種更為先進(jìn)的數(shù)值分析方法，它能夠考慮填埋體的復(fù)雜幾何形狀、材料的非線性特性以及各種邊界條件。在利用有限元法進(jìn)行填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析時(shí)，將試驗(yàn)得到的城市固體廢棄物的本構(gòu)模型參數(shù)輸入到有限元軟件中。前文建立的考慮生物降解的本構(gòu)模型，能夠更準(zhǔn)確地反映城市固體廢棄物在填埋場(chǎng)中的力學(xué)行為。通過(guò)有限元模擬，可以得到填埋場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，以及潛在的滑動(dòng)面位置。當(dāng)填埋場(chǎng)內(nèi)的某些區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)城市固體廢棄物的強(qiáng)度極限時(shí)，這些區(qū)域就可能發(fā)生破壞，形成潛在的滑動(dòng)面。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，可以評(píng)估填埋場(chǎng)在不同工況下的穩(wěn)定性，如正常運(yùn)營(yíng)工況、降雨工況、地震工況等。在降雨工況下，雨水滲入填埋體，會(huì)導(dǎo)致城市固體廢棄物的含水率增加，強(qiáng)度降低，通過(guò)有限元模擬可以分析這種變化對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。在地震工況下，考慮地震荷載的作用，模擬填埋體在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，評(píng)估填埋場(chǎng)在地震中的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定性的分析評(píng)估，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。如果計(jì)算得到的安全系數(shù)小于設(shè)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，可以通過(guò)放緩邊坡坡度、增加護(hù)坡措施、加強(qiáng)地基處理等方法來(lái)提高填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，還需要考慮填埋場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，隨著時(shí)間的推移，城市固體廢棄物會(huì)發(fā)生生物降解等變化，其強(qiáng)度和變形特性也會(huì)相應(yīng)改變，因此需要定期對(duì)填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，確保填埋場(chǎng)在整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)的安全。5.1.2填埋場(chǎng)沉降預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的沉降情況直接影響到填埋場(chǎng)的使用壽命、后續(xù)利用以及周邊環(huán)境。運(yùn)用前文的試驗(yàn)成果和建立的本構(gòu)模型，能夠?qū)μ盥駡?chǎng)的沉降進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。在填埋場(chǎng)沉降預(yù)測(cè)中，常用的方法有經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法。經(jīng)驗(yàn)公式法是基于大量的實(shí)際工程數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果，建立起來(lái)的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的沉降預(yù)測(cè)方法。根據(jù)前文對(duì)城市固體廢棄物壓縮變形特性的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)豎向壓力、時(shí)間等因素對(duì)沉降有重要影響。一些經(jīng)驗(yàn)公式中，會(huì)考慮這些因素來(lái)計(jì)算填埋場(chǎng)的沉降量。例如，常用的Sowers公式S=S_0+C_c\frac{H_0}{1+e_0}\log(1+\frac{t}{t_0})，其中S為總沉降量，S_0為初始沉降量，C_c為壓縮指數(shù)，H_0為初始填埋高度，e_0為初始孔隙比，t為時(shí)間，t_0為初始時(shí)間。通過(guò)試驗(yàn)獲取的壓縮指數(shù)C_c、初始孔隙比e_0等參數(shù)，代入到經(jīng)驗(yàn)公式中，可以計(jì)算出填埋場(chǎng)在不同時(shí)間的沉降量。經(jīng)驗(yàn)公式法雖然簡(jiǎn)單，但由于其基于一定的假設(shè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)于復(fù)雜的填埋場(chǎng)情況，預(yù)測(cè)精度可能有限。數(shù)值模擬法是利用數(shù)值分析軟件，結(jié)合前文建立的考慮生物降解的本構(gòu)模型，對(duì)填埋場(chǎng)的沉降進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。在數(shù)值模擬過(guò)程中，將填埋場(chǎng)的幾何形狀、城市固體廢棄物的物理力學(xué)參數(shù)、填埋場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)條件等作為輸入條件?？紤]到生物降解對(duì)沉降的影響，在模型中引入生物降解相關(guān)參數(shù)，如降解速率、降解程度等。通過(guò)數(shù)值模擬，可以得到填埋場(chǎng)在不同運(yùn)營(yíng)階段的沉降分布情況?？梢灶A(yù)測(cè)填埋場(chǎng)在未來(lái)幾年內(nèi)不同位置的沉降量，為填埋場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)管理提供重要依據(jù)。通過(guò)數(shù)值模擬還可以分析不同因素對(duì)沉降的影響，如填埋體的壓實(shí)度、含水率、垃圾成分等。當(dāng)填埋體的壓實(shí)度提高時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬可以觀察到沉降量的變化趨勢(shì)，從而為填埋場(chǎng)的壓實(shí)作業(yè)提供指導(dǎo)。準(zhǔn)確的填埋場(chǎng)沉降預(yù)測(cè)對(duì)于填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)具有重要意義。在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)沉降預(yù)測(cè)可以合理確定填埋場(chǎng)的初始填埋高度和預(yù)留沉降空間，避免因沉降過(guò)大而導(dǎo)致填埋場(chǎng)提前達(dá)到設(shè)計(jì)容量。在填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段，沉降預(yù)測(cè)結(jié)果可以幫助運(yùn)營(yíng)管理人員合理安排填埋作業(yè)計(jì)劃，及時(shí)調(diào)整填埋工藝，確保填埋場(chǎng)的正常運(yùn)行。沉降預(yù)測(cè)結(jié)果還可以為填埋場(chǎng)封場(chǎng)后的土地利用提供參考，根據(jù)預(yù)測(cè)的沉降量，合理規(guī)劃封場(chǎng)后的土地用途，如建設(shè)公園、綠地等。5.2在其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用探討城市固體廢棄物作為一種潛在的工程材料，在道路工程領(lǐng)域展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力。隨著道路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)建筑材料的需求也日益增長(zhǎng)，將城市固體廢棄物進(jìn)行合理利用，不僅可以解決廢棄物的處置難題，還能為道路工程提供新的材料來(lái)源。在道路基層材料方面，城市固體廢棄物經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，可以替代部分傳統(tǒng)的基層材料。例如，將城市固體廢棄物中的建筑垃圾進(jìn)行破碎、篩分等預(yù)處理，使其顆粒級(jí)配滿足道路基層材料的要求，然后與水泥、石灰等結(jié)合料混合，制成水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層材料或石灰穩(wěn)定建筑垃圾基層材料。研究表明，這種利用城市固體廢棄物制成的基層材料具有較好的力學(xué)性能。在抗壓強(qiáng)度方面，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層材料，其7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到3-5MPa，能夠滿足一般道路基層的強(qiáng)度要求。在抗疲勞性能方面，通過(guò)室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該基層材料在一定的應(yīng)力比下，能夠承受較多的加載次數(shù)，具有較好的抗疲勞性能。與傳統(tǒng)的石灰穩(wěn)定土基層材料相比，水泥穩(wěn)定建筑垃圾基層材料的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)更快，水穩(wěn)定性更好。這是因?yàn)榻ㄖ械拇诸w粒可以提供較好的骨架支撐作用，水泥的水化反應(yīng)能夠使顆粒之間形成較強(qiáng)的膠結(jié)力，從而提高基層材料的整體性能。在道路瀝青混凝土中，城市固體廢棄物中的廢舊輪胎橡膠粉可以作為改性劑加入到瀝青中，制備橡膠粉改性瀝青混凝土。橡膠粉的加入能夠顯著改善瀝青的性能，進(jìn)而提高瀝青混凝土的性能。橡膠粉可以提高瀝青的軟化點(diǎn)，降低其針入度，使瀝青的高溫穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。在高溫條件下，橡膠粉改性瀝青混凝土的抗車(chē)轍能力明顯優(yōu)于普通瀝青混凝土。通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下，普通瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度為2000次/mm左右，而橡膠粉改性瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度可以達(dá)到4000次/mm以上。橡膠粉還可以提高瀝青的低溫延度，改善瀝青的低溫性能，使瀝青混凝土在低溫環(huán)境下具有更好的抗裂性能。在低溫彎曲試驗(yàn)中，橡膠粉改性瀝青混凝土的破壞應(yīng)變比普通瀝青混凝土提高了30%以上。這是因?yàn)橄鹉z粉的彈性和韌性能夠吸收和分散應(yīng)力，減少裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。此外，廢舊輪胎橡膠粉的利用還可以減少?gòu)U舊輪胎對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。在地基處理領(lǐng)域，城市固體廢棄物也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于一些軟土地基，城市固體廢棄物中的工業(yè)廢渣，如鋼渣、煤渣等，可以作為地基加固材料。將鋼渣、煤渣等工業(yè)廢渣與水泥、粉煤灰等材料混合，制成固化土，用于軟土地基的淺層處理。研究表明，這種固化土具有較好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在強(qiáng)度方面，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)后，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到1-3MPa，能夠滿足軟土地基淺層處理的強(qiáng)度要求。在穩(wěn)定性方面，固化土的水穩(wěn)定性和抗凍性都優(yōu)于未經(jīng)處理的軟土。通過(guò)水浸試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固化土在多次水浸和凍融循環(huán)后，強(qiáng)度損失較小，結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定。這是因?yàn)楣I(yè)廢渣中的活性成分與水泥、粉煤灰等材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了穩(wěn)定的膠凝物質(zhì)，填充了軟土顆粒之間的孔隙，增強(qiáng)了土顆粒之間的連接，從而提高了地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。城市固體廢棄物中的有機(jī)成分經(jīng)過(guò)堆肥處理后，可以制成有機(jī)肥料，用于改善土壤的肥力和結(jié)構(gòu)，為地基處理提供良好的土壤條件。對(duì)于一些貧瘠的土壤，添加有機(jī)肥料可以增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤的透氣性和保水性，提高土壤的承載能力。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用有機(jī)肥料來(lái)改良土壤，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。在地基處理中，這種方法同樣具有一定的應(yīng)用前景。通過(guò)在地基土中添加適量的有機(jī)肥料，可以改善地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，減少地基的沉降和變形。盡管城市固體廢棄物在道路工程、地基處理等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中還面臨一些挑戰(zhàn)。城市固體廢棄物的成分復(fù)雜且不穩(wěn)定，這給其作為工程材料的質(zhì)量控制帶來(lái)了困難。不同地區(qū)、不同時(shí)間產(chǎn)生的城市固體廢棄物成分差異較大，可能導(dǎo)致制成的工程材料性能波動(dòng)較大。在利用建筑垃圾制備道路基層材料時(shí)，由于建筑垃圾中可能含有不同比例的磚石、混凝土塊、木材、塑料等成分，這些成分的變化會(huì)影響基層材料的強(qiáng)度和耐久性。城市固體廢棄物的處理和加工技術(shù)還需要進(jìn)一步完善，以提高其作為工程材料的性能和質(zhì)量。目前