关于填埋场堆体压缩量计算参数的分析

填埋法是处理生活垃圾的一种传统方式，随着生活垃圾产出量不断增加，计算堆体压缩量对于设计填埋场有效库容意义重大。因此，采用现场试验分析的方法计算填埋场堆体压缩量的相关参数，并依照试验结果构建模型，最后基于某垃圾填埋场的实际情况展开详细分析。相关数据结果显示，研究能够计算出案例垃圾填埋场不同时间段的压缩量变化情况，对类似项目有一定的参考价值。

来源丨《CE碳科技》微信公众号

作者丨中城环境 封科

生活垃圾具有压缩量大的特征，而做好压缩量参数运算处理对于垃圾填埋场的综合治理有重要意义。目前，相关学者提出运用压缩量计算模型等方法判断压缩量与时间之间的关系，虽然取得一定成绩，但是未提出相对权威的垃圾压缩稳定的试验标准，且压缩仪器尚未统一，进一步加大填埋场综合治理的难度。为有效解决这些问题，需要结合垃圾填埋场的实际情况展开研究。

一、填埋场堆体压缩量计算试验研究

1. 生活垃圾的长期压缩特征

由于生活垃圾的压缩特性与土壤相比存在明显差别，生活垃圾的主要压缩机制包含了物理压缩、物理与化学变化以及生物分解等内容。其中，物理压缩与有机土类似，物理压缩与垃圾体的自重、荷载等因素存在相关性，在生活垃圾填埋初期最常见。物理化学变化是指在腐蚀以及氧化等作用下出现的体积减小的情况。生物分解是指在腐烂、发酵等因素作用下出现的体积下降情况。基于此，将生活垃圾压缩特性归结为 3 个压缩阶段第一，生活垃圾自重及其相关附加应力等造成的瞬时沉降；第二，在有机物酶解作用下发生的次压缩沉降；第三，由不可降解有机物产生的最终残余沉降。

2. 试验设备准备

为确保在本次试验中能真实还原 3 个压缩阶段，本次试验准备的设备包括压缩容器、加载装置、压缩变形测量装置。第一，压缩容器。本次试验中准备了 7 kg 的垃圾，选用规格为 10 kg 的容器，该容器的净高为 35 cm，内径为 20 cm，壁厚为 2.0 cm。在试验过程中，为真实还原垃圾压缩过程，在垃圾底部与顶端各放置一块透水石，并在透水石表面加盖一层滤纸，确保垃圾压缩时产生的液体能顺利排出。第二，加载装置。本次试验所用的加载装置参照三联固结仪的设计原理，通过砝码重量将荷载施加到垃圾表面，达到持续施加荷载的目的，完成压缩。但考虑到生活垃圾具有压缩性大的特征，在加载装置设定上最终选择蜗轮蜗杆系统。该系统行程为 350 mm，所能施加的最大压强约为 1650 kPa。第三，压缩变形测量装置。在试验初期使用精度为 0.1 mm 的游标卡尺，当试验时长超过 30 min 后，生活垃圾的压缩量变化逐渐趋于稳定，此时可利用大量程百分表测量压缩变化。

3. 填埋场堆体压缩量计算试验

（1）试验样品制备

本次试验中以某地区的垃圾填埋场为研究对象，该填埋场设计库容约为 710 万 m3，目前堆体高度约为 53 m。

基于案例实际情况，本次试验所选的垃圾成分如表 1 所示。

表1 垃圾成分

基于表 1 所示的垃圾成分，还需要采取以下措施一是将垃圾样本分成质量相等的若干份；二是取少量具有代表性的垃圾样本，烘干后称取重量，计算含水率等关键指标，并利用真空抽气法等做密度试验；三是计算生活垃圾的天然密度、总质量以及不同成分的干质量。

采用式（1）计算生活垃圾天然密度。

式中p 为生活垃圾的天然密度，kg/m3；m 装入压缩筒的容积，m3。

生活垃圾会在各种外加荷载等因素作用下出现明显的压缩变形，且整个变形过程是多因素、长期作用的结果，在此类数据运算中为能提升数据处理能力，引入式（2）计算垃圾体的初始压缩模量。

式中Eu 为垃圾体的初始压缩模量；Δq 为垃圾体所承受的外加荷载，MPa；Ho 为垃圾体的初始高度，m；St 为压缩体的初始压缩量。

采用式（3）计算生活垃圾的主压缩量。

式中Sp 为垃圾体的主压缩量；Cce 为修正后的数据压缩指数；po 为施加加载力前的压强，MPa；Δp为压缩试验中的附加压强，MPa。

（2）压缩试验过程

为进一步判断生活垃圾压缩量变化情况，本次试验主要分为两组。第一组采用多级长期压缩试验，整个试验过程为 40 d，设定的荷载等级分别为 50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa、300 kPa、350 kPa、400 kPa，每个荷载的施加时间均为 5 d。第二组采取单极压缩试验，施加荷载为 400 kPa，整个试验过程为 40 d。

4. 试验结果分析

（1）多级长期压缩试验结果分析

多级长期压缩试验结果如表 2 所示。

表2 多级长期压缩试验结果

从表 2 可以看出，前期随着荷载量的增加，生活垃圾的极限压缩变形量明显增加，提示荷载量的增加与垃圾变形存在相关性，当施加荷载从 300 kPa 提升至 400 kPa 时，极限压缩变形不明显。由此表明，生活垃圾具有高度压缩性，其中前期压缩变形情况较为明显，但在后期的压缩量变形不明显。

相关数据显示，在长期荷载作用下，生活垃圾第一天所产生的压缩量约占总量的 90%，因此若根据压缩量划分，可将前 24 h 压缩量作为主压缩和次压缩的界限。

（2）单极压缩试验结果分析

根据本次试验记录的单极压缩试验结果可以发现，在维持 400 kPa 荷载量并施加 40 d 后，生活垃圾的压缩会随着时间推移逐渐变化，其中初始压缩量较大，后期压缩量较小，这与多级长期压缩试验结果基本相同。相关数据显示，24 h 的压缩应变与极限压缩应变较为接近。

二、模型分析

1. 模型设计方案

为验证填埋场堆体压缩量计算结果的有效性，设计专门的堆体压缩预测模型模拟分析堆体压缩过程，预测得到压缩量等参数。

为证明案例所选垃圾填埋场的堆体压缩量会随着时间变化而发生改变，并更好地预测堆体压缩量数据变化情况，引入 Marques 模型计算方法，建立土壤动力学分析模型，将垃圾填埋场堆体压缩看作持续沉降，初始压缩将在短时间内完成，在考虑主压缩和次压缩的基础上模拟填埋场堆体的平均压缩特性，该模型的计算方法如式（4）所示。

式中ε 为生活垃圾填埋场的总应变值；C' 为压缩系数；Δσ 为荷载增量；σ0 为初始施加的荷载量；b为正常状态下填埋场堆体的蠕变系数；e 为施加荷载条件下的蠕变系数；εd 为生物降解作用所造成的填埋场总应变。

2. 模型处理的基本假定

为保证模型的数据精度，提出以下假定第一，生活垃圾中存在部分无机固体与水不可压缩，其他材质均可压缩，并且垃圾的压缩变化主要由颗粒压缩、孔隙水及气体排出等引起；第二，在模型处理过程中无法完全排出固相颗粒中封存的液体与气体，因此为真实还原垃圾填埋场情况，还需要考虑内部聚集的气体压缩量等因素的影响。

3. 模型数据处理结果

在数据处理过程中，利用式（4）综合分析任意因素造成的压缩变形情况，虽然计算量较大，但是能提高计算精准度，解决单一因素造成的数据缺陷问题。本次研究中以某地区的垃圾填埋场为研究对象，计算封场后的堆体压缩量，结果如表 3 所示。

表3 垃圾填埋场的堆体压缩量

由表 3 可知，随着封场时间延长，压缩量逐渐变化，且计算结果与现场实测值的数据差异不显著，进一步论证了该技术的有效性。

三、研究展望

与常规的土层力学压缩理论相比，生活垃圾的压缩性变化相对复杂，提出的相关试验方法能真实还原现场基本情况，但试验容器规格小，导致试验结果可能受到固相内封存气体的影响。同时，需要注意的是，垃圾的固相处理与传统土力学相比存在明显差异，其原因是垃圾可以在生化作用影响下出现降解现象，因此为保证试验结果精准度，建议在未来研究中可以从垃圾固相分级的角度拓展研究内容。

四、结论

垃圾填埋作为一种常见的生活垃圾处理手段，识别填埋处理后堆体的压缩量变化对于识别填埋后的应力变化有重要意义。而本次研究的相关结果显示，关于填埋场堆体压缩量参数的计算具有可行性，该技术可以精准预测不同时间段的堆体压缩量变化情况，且数据敏感度较高，对类似项目有一定的借鉴与指导价值。

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原文标题:关于填埋场堆体压缩量计算参数的分析