衛生填埋場垃圾堆體應力歷史研究

隋繼超，黃少偉，方志成，林京威，朱國強，王鳳俠

（深圳市寶安區垃圾處理總站，廣東 深圳 518133）

垃圾衛生填埋工藝及生活垃圾特性決定了垃圾堆體沉降問題的必然性。由于沉降問題及其發展關系填埋場庫容利用、功能保持與安全穩定，相關研究的開展與應對措施的實施在填埋場運行管理中居于重要位置，為此，國內外學者針對堆體沉降機理、沉降量計算開展了深入研究［1－4］。筆者著眼于生活垃圾巖土特性的變化，引入“降解塌縮－欠固結效應”概念對垃圾堆填、固結過程進行區分具體現場條件的研究，歸納了垃圾堆體應力歷史的演化，并就其現實指導意義進行了討論。

1 垃圾土特性與沉降計算

1.1 堆體巖土特性動態分析

填埋場中垃圾土具備大孔隙、大顆粒、非飽和、組分復雜、可降解等特點，這決定了垃圾堆體高滲透、高壓縮、進氣值低的巖土特性，具體表現為瞬時沉降與主固結沉降迅速、降解與次固結沉降長期發展、土－水特征曲線存在陡降段等現象［5］。隨著有機質的降解，垃圾土質量減輕，體積縮小，難降解組分比例升高，總體上粒徑減小［6］，壓縮性減弱［7］。填埋場沉降過程可達25 a，累計沉降量可達初始填埋高度的25%～50%［8］。

不同于一般土層所受的緩慢剝蝕、沉積作用，填埋堆體短時期可經歷多次、快速的堆高加層過程，由此產生的壓縮作用使堆體孔隙比顯著降低；降解過程中垃圾土粒徑減小，骨架受到侵蝕產生新的孔隙，垃圾比表面積增大，因此認為排除壓縮作用影響后，堆體孔隙比因降解而有所提高［9］。

堆體孔隙比在壓縮與降解2種作用的疊加下變化，總體來說，隨著填埋時間增長，垃圾層所受上覆壓力增大，降解作用減弱，其孔隙比沿縱向變小。國內相關檢測表明，堆體孔隙比由表層4降至深層1.5，初始密度由 0.79 g/cm3增至 1.25 g/cm3［10］。

垃圾堆體孔隙比隨堆高作業變化情況如圖1。為區分顯示各種沉降類型所在階段，假定填埋場排水良好，加荷均勻、連續且加荷后迅速固結。t0為某層垃圾填埋的初始時刻，t1……tn為該層作為下臥堆體在其上方開始第1次……第n次加層的各時刻，反映了該層垃圾由堆體表層向深層演變的過程。圖中t0至t1段曲線反映該層垃圾自重沉降與次固結過程，tn至tn+1段（n≥1）曲線反映第n次加層后該層垃圾受上覆垃圾壓力作用再壓縮、壓縮的過程及次固結過程。隨著填埋時間延長，附加應力與自重應力比近似等于1/n，逐層減小，垃圾壓縮性也減弱，故歷次加層引起的再壓縮、壓縮沉降呈減小趨勢，降解作用的衰減也使其對孔隙比影響減弱。因此，等比于初始壓縮系數、再壓縮系數的輔助直線 l0至 ln、l′1至 l′n的斜率依次減小，降解引起的孔隙比抬升幅度也逐漸減小。另外，觀察忽略降解影響的虛曲線，認為填埋初期虛、實曲線差異明顯，而后期兩者變化已愈發趨同。

綜上，巖土特性指標隨時間的非線性變化是垃圾土區別于其他土的顯著特征，它取決于有機成分的降解進度，也決定了堆體沉降過程研究與結果計算的復雜性。

1.2 堆體沉降一般表達式

區別于一般巖土，同樣假設前提下，依孔隙比變化的垃圾土沉降表達式需引入骨架體積縮減率概念。建立的等式關系為：1-骨架體積縮減率=降解后骨架體積/初始骨架體積，即：

式中：V0、e0分別為垃圾土初始體積與初始孔隙比；V1、e1和α分別為垃圾土填埋后t時刻的體積、孔隙比和骨架體積縮減率；△V、△H和△e分別為垃圾土t時刻的體積變化量、高度變化量和孔隙比變化量。

另設H0為垃圾土初始高度，△H為t時刻垃圾土高度變化量，A為土體橫截面面積，可知，則根據公式 （1）可得出堆體沉降量表達式：

觀察公式（2），發現垃圾土的沉降可根據等式右側部分加號的兩邊明顯劃分為降解骨架體積縮減量和未降解殘余部分（包括有機質和無機物質）壓縮沉降量。其中α趨近0時，壓縮沉降量的表達式與常規土相同，即初期壓縮量只體現垃圾作為土的特性，隨著垃圾降解率的提高，α持續增加，降解對沉降的貢獻增加，垃圾的壓縮逐漸顯示生化特性。α的連續變化可以通過建立降解反應模型來推算［2］：

式中：t為垃圾填埋時間；B0為初始有機物含量；d0、dm分別為有機質和無機物質的密度，并假設其不隨降解變化。

國內外學者也通過主固結、次固結以及降解沉降量的疊加求得堆體實際的沉降量。事實上，生化降解與壓縮沉降并非界線分明，兩者緊密聯系并相互作用。一方面，降解過程直接導致孔隙比、自重應力、先期固結壓力及壓縮性的變化，可成為固結沉降及骨架重整的驅動力；另一方面，壓縮沉降過程使堆體的水、氣、微生物環境發生改變，影響生化反應的速率與程度。如加以區別的研究生化降解與壓縮沉降，則所得階段性的結果無法描述其間可能的發展過程，難以掌握堆體具體的狀態片段，并往往忽略其巖土特性的變化，進而無法認識其應力歷史。

2 垃圾堆體的應力歷史

填埋場上覆垃圾與其下臥垃圾存在進場時間差，處于不同的降解階段，這造成堆體應力歷史演化及空間分布的差異。對堆體應力歷史開展定性研究，有利于理論上對垃圾土的生化降解與壓縮沉降進行統一，有利于掌握其在不同條件下的壓縮性進而動態指導填埋作業。

2.1 應力歷史分析的必要性

以常規土的應力歷史觀點來分析垃圾土的壓縮性能，可能損失相關問題研究的動態性。下面就以超固結土的壓縮問題為切入點，對垃圾土的壓縮問題進行類比檢驗。

設垃圾堆體初始質量為m0，因降解造成的遠期質量損失率為q，即認為q不再隨時間增長而顯著提高，遠期質量殘余率為1-q，如第n次等面積、均勻加層的上覆垃圾質量控制為m0qn（n≥1），并假設降解造成的固結狀態變化可以忽略，則理論上可使歷次加層引起的有效應力增量限制在再壓縮階段，從而降低歷次壓縮沉降量，維持較穩定的堆頂高度。根據等比數列求和公式，如n較大，累計最大填埋量近似為m0/（1-q），累計殘余量仍近似為m0。

對于生活垃圾，能否僅考慮降解造成的質量與骨架體積損失進而認為其可以保持因降解減荷出現的超固結狀態，是上述結論可否成立的關鍵。因此，有必要對堆體的應力歷史進行動態分析。

2.2 應力歷史分析相關假設

首先，基于垃圾堆體長期排水、排氣并終將沉降穩定這一事實，認為若無加層影響，垃圾堆體在研究周期內總體上是欠固結的；同時，鑒于堆體在其長期降解過程中質量漸輕，認為堆體自身降解塌縮致自重沉降的欠固結效應總體上強于降解減荷的超固結效應。即：主壓縮沉降完成后，降解過程中的任意短時間內，盡管堆體自重應力隨降解過程減小，但先期固結壓力減小得更多，堆體因此反復處于欠固結-固結-欠固結的微循環之中，總體上呈現欠固結。因此，就沉降發生的物理基礎而言，認為降解與壓縮是一致的。

此外，填埋庫容充足時，上覆垃圾的壓縮作用與其隨后的降解減荷過程可充分發展，則認為下臥垃圾層一定時間內處于超固結狀態，即：上覆垃圾以及本層垃圾的降解減荷超固結效應一定時間內強于本層垃圾完成壓縮沉降后因降解產生的自重沉降欠固結效應，此強勢隨下臥垃圾填埋時間增長而愈發顯著，這與垃圾隨降解漸顯土的特性相符，但同時認為其相對填埋場使用壽命是暫時的，將隨上覆垃圾降解速率的降低和下臥垃圾降解的發展而得到扭轉。堆體深層因其土的特性強化，由超固結向欠固結狀態的演進相對緩慢。

根據以上假設，填埋作業與降解過程中垃圾土的固結狀態動態變化，簡單以常規土加、減荷為依據進行分析所得出的結論將導致壓縮量計算與沉降機理闡釋方面的較大偏差。以上假設同時將降解與自重沉降統一起來，為填埋場堆體應力歷史的分析提供了前提。

2.3 填埋場堆體應力歷史分析

在理想運行狀態下，填埋場相關設施排水、導氣功能良好，進場垃圾組分均勻，分層填埋，初始壓縮瞬間完成。根據前述假設，區別填埋場堆高加層作業的具體條件與時機，以典型填埋場邊坡內側堆體為研究對象，以固結狀態轉變為節點，結合垃圾的降解過程及其巖土特性，繪制填埋場應力歷史演化示意，如圖2所示。

圖2中CD段、EA段顯示填埋過程中堆體短時間固結即向超固結或欠固結狀態轉變，降解減荷超固結效應與降解塌縮欠固結效應的平衡是短暫的；DBC段、BC段顯示加層作業對其下臥堆體的附加應力影響，但DBC段須經歷再壓縮階段，而BC段則無需再壓縮而直接進入壓縮階段（3個月左右［3］），而BC段之前的AB段，堆體會因降解塌縮產生自重沉降，其間沉降量取決于再次加層時機；DE段反映超固結效應逐步被欠固結效應扭轉的過程，并關注下臥堆體由超固結向欠固結狀態演進速度的差異，與AB段同為演化過程中主要的用時環節；頂層與邊坡垃圾因其降解作用而總體呈現欠固結狀態；EB段對加層時機要求苛刻，AF段填埋場須長期停進垃圾，故不詳加闡釋。

為描述應力歷史與沉降及應力的關系，以圖2中演化路徑及其次輪循環為對象，繪制堆體內側某垃圾層e-lgP曲線，見圖3。

觀察圖3，垃圾經過DB′′段、CB′段長期降解過程后壓縮性均減弱，設壓縮指數差異不大，即斜率 kB′′C′′≈kB′C′，則此時影響壓縮沉降量的主要因素為該層垃圾及其以上堆體自重應力的高低，如每次加層于某層下臥垃圾產生的附加應力相同，因對數關系，處于低自重應力范圍的橫坐標增量ΔP′′（加層）顯著大于高自重應力范圍的橫坐標增量ΔP′（加層），前者相應的縱坐標減少量Δe（壓縮）因此大于后者。換言之，加層作業使靠近堆體頂部垃圾的沉降更大。而參照地基沉降計算，認為底層垃圾經10次以上均勻加層后方可忽略其壓縮沉降，即填埋場堆體總厚度在60 m以下時，采取規范中允許的最大垃圾層厚度6 m［11］，則封頂作業仍可影響至庫底，且加層厚度越大，其影響深度越大。

此外，DB′′段、CB′段因降解過程致α升高，根據公式（2），沉降量將更多受到α項而非1-α項的影響，即骨架體積的縮減是漸強的沉降影響因素而非骨架孔隙比的變化，所以盡管孔隙比增加了Δe（降解），自重應力減少ΔP（降解），且前期為超固結，仍忽略可能的回彈，認為堆體表現為沉降。

2.4 堆體應力歷史與堆體沉降

因為垃圾的降解特性，以孔隙比為縱坐標無法直接描述沉降與時間、應力的關系，甚至在沉降發展過程中，會出現孔隙比與沉降量增減趨勢相悖的情況。對堆體應力歷史的分析，可為垃圾層厚度變化——即沉降的動態分析提供理論依據。

以時間和某垃圾層厚度為橫、縱坐標，參照圖3的固結狀態轉換節點與加層時機繪制圖4，時間起點為該層開始堆填的初始時刻。為簡明表現層厚隨時間的變化，清晰顯示該層垃圾的固結狀態，假設歷次加層作業間存在固定、較長間隔，作業區面積大且豎向重疊，垃圾勻速加載且目標厚度一定，堆體孔隙較大，固結迅速。

自 D點狀態，圖 4 描繪了 DB′′C′′和 DBCB′C′2種可選的后續填埋路線，并以后者為對象進行了應力歷史與壓縮類型的劃分。如選擇DB′′C′′段，將在B′′C′′段壓縮沉降前發生顯著的降解沉降，如選擇DBCB′C′段，加層主固結完成后仍會在CB′段出現顯著的降解沉降。此2種選擇對最終沉降影響不大，而對填埋場維護工作效果的長期保持而言——如本層垃圾上方盲溝，顯然降解穩定后再建設更有利。極端情況下，如填埋場處理量遠超設計能力，須頻繁加層，連續進行DBC循環，則DB′′、CB′段之類的降解沉降將因其周期長于加層周期而在各垃圾層積累，會對堆體穩定產生長期、顯著的不利影響。此外，填埋早期欠固結狀態下的沉降量遠大于超固結狀態的沉降量，前者主要發生壓縮沉降和自重沉降，后者則為質量流失、骨架塌縮引起的降解沉降；具體垃圾層壓縮沉降量也隨填埋時間的增長和堆體高度的增加而下降，如：ΔH5<ΔH2+ΔH3。

3 相關討論

1）排除荷載壓縮作用，垃圾孔隙比變化機理與常規土不同，并非固體骨架因蠕變重新排列而是因為降解作用使垃圾骨架受到侵蝕產生新的孔隙，顯然，相關孔隙比變化所引起的應力變化不具備回彈屬性，孔隙比因此不降反升并出現自重塌縮沉降。因此，非壓縮作用情況下，垃圾土孔隙比增加與堆體沉降并不矛盾，而是一致的。所以在圖3與圖4中，兩者的縱坐標堆體孔隙比與垃圾層厚度的單調性在自重沉降欠固結階段相悖，在壓縮沉降欠固結階段則是一致的。相悖與一致還反映了降解對骨架體積縮減的沉降貢獻及堆高加層的壓縮貢獻均強于同時發生的降解減荷回彈貢獻。

2）附加應力、自重應力、降解塌縮欠固結效應與降解減荷超固結效應的強弱變化引起了堆體應力歷史的演化，對于正常土，一般不存在如此復雜的過程。事實上，在定上覆壓力下垃圾層的最終厚度并不受填埋過程影響，而只與垃圾組分和有機質含量有關，也就是說如果來料均勻，填埋場封場高度以下的垃圾收納量為確定值，即庫容、堆體礦化密度之積與最終降解質量殘余率之比。這里各種沉降只是大小、快慢、強弱的關系，詳細而言，壓縮沉降量大于降解沉降量，具體的壓縮沉降過程顯著快于降解沉降過程，而其衰減也更迅速，長期來看，降解作用決定了堆體的應力歷史演化進程。需要注意的是，上述結論基于填埋場使用壽命無限長的前提下。實際條件下，圖4中DE段理論上存在一點x，此點對應時刻實施加層作業可使下臥垃圾層獲得最小的壓縮量，這將有利于作業期間現場設施的穩定，降低臨時道路與卸料平臺的維護難度。但垃圾土的應力歷史是演化的，xy段之中及其后，降解沉降均在發展，減少的部分壓縮量將在后續運行中表現出來，因此，待降解沉降相對穩定后再實施堆高，即DB′′段歷時不宜低于1 a，以實現堆體微生物向內源代謝的轉變［12］，使下臥垃圾在加層后相對較短時間內穩定下來，有利于相關維護工作的切入與進度控制。

3）堆高加高是填埋場沉降的外在動力，垃圾的壓縮是堆體沉降的主要組成部分。堆體壓縮只在壓縮性能方面受時間影響，歷次加層造成的壓縮過程可不連續，垃圾層的壓縮量隨埋深增加而減小，各層垃圾總的壓縮量則隨堆體整體厚度增加而增加。有機質降解是填埋場沉降的內在動力，堆體的降解沉降隨時間連續變化，總體逐漸衰減，垃圾在加層周期長或已封場情況下，其降解沉降是堆體沉降的主要組成部分?？傊到膺^程因其周期較長而成為影響填埋場穩定的決定因素，應使其充分發展，采取規范壓實、強化排水、滲瀝液回灌、準好氧工藝等適宜的加速穩定化措施［13-15］，在條件合適時，易腐敗、降解快速的垃圾宜以堆肥、厭氧消化等方式處理。

4 結論

1）降解過程貫穿填埋場運行管理與封場維護全過程，決定了堆體應力歷史的演化，并使堆體總體上欠固結，是研究堆體沉降問題的核心。

2）堆體的應力歷史動態演化，取決于降解速率、降解程度及堆高加層時機，陳垃圾的應力歷史演進速度減慢，加層則促使應力歷史演變。

3）堆體沉降是壓縮作用與降解作用疊加的結果，本質是多孔介質的固體骨架因自重或附加應力導致的孔隙壓縮以及因降解導致的骨架體積損失，堆體因降解導致的孔隙比增加與其自重沉降現象一致。

4）超固結階段堆高加層下臥堆體可獲得短時期較小的沉降量，但并不減少其后的降解沉降，沉降量長期來看是一定的，須權衡短期較小沉降量與充分降解后長期穩定之間的利弊。

5）理想情況，為克服降解沉降的積累，宜低進場量、低厚度且大面積攤鋪、壓實垃圾，而受到惡臭控制、雨污分流的限制，在填埋場具體運行中須做好適宜的快速穩定化措施。

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