陳垃圾土地基中樁側阻力及地基蠕變特性的試驗研究*

胡興昊 陳章宇 陳明杰 蘇世定

(中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230)

生活垃圾衛生填埋處理作為處理我國生活垃圾的主要方式，已有幾十年的歷史［1］。據有關部門統計［2］：我國有三分之二的城市被垃圾群包圍。隨著城市范圍的持續擴大，不可避免會在已廢棄的垃圾填埋場上進行各種工程建設。樁基礎具有將上部荷載傳遞到填埋場深處、可控制沉降等優點，已成為填埋場地基處理的主要方式［3-4］。但因實踐先于理論，對陳垃圾土地基中樁基工作性狀等方面的了解和研究并不多。

樁基的承載力和沉降特性是樁基工程的最基本內容。因此，要了解陳垃圾土地基中樁基工作特性，就必須掌握其側阻力、端阻力的發揮機理以及沉降的發展規律。其中，進行樁-土界面剪切試驗，考察樁土接觸面的力學特性和變形機理，已成為研究樁基側阻力發揮特性的主要手段［5-6］，目前應用較多，但缺少以陳垃圾土地基為背景的試驗資料;而樁端阻力的發揮與填埋場地基承載力及持力層土體的應力、應變性質關系密切，目前在該問題上已有較為充分的研究［7-9］，且成果較多。在樁基沉降方面，由于垃圾填埋場具有顯著的長期沉降特性，因此可以預見填埋場中樁基礎的沉降必須經歷一定時間后才能達到穩定，這將對填埋場上的建筑安全造成較大影響。因此樁基的長期沉降是填埋場上樁基礎沉降問題的關鍵。

結合當前研究現狀，綜合考慮目前填埋場樁基研究和實踐中的重點難點，本研究通過開展陳垃圾土與混凝土界面的剪切試驗和陳垃圾土的壓縮蠕變試驗，以期了解填埋場樁基礎側阻力發揮機理及影響側阻力大小的因素，揭示廢棄填埋場中陳垃圾土的蠕變特性。

1 試驗陳垃圾土樣的制備

在進行界面剪切和壓縮蠕變試驗之前，均按GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》［10］中的方法和步驟配制試驗陳垃圾土樣。試驗陳垃圾土的配制以深圳某垃圾填埋場中陳垃圾土的組分為依據，該填埋場已運行十余年，陳垃圾土的主要組成及各土工參數較為穩定［11］。試驗陳垃圾土組分和物理參數見表1、表2。其中塑料纖維由硬質的地板革與軟質的塑料袋組成，尺寸為6 mm×6 mm;降解產物是在陳垃圾土中剔除塑料纖維類物質以及石頭、金屬、骨頭等大粒徑顆粒后的細顆粒物質，為黑色、均勻、散發腥臭味、且具有輕微黏性的類土壤類顆粒類物質。

表1 陳垃圾土組成成分(干重百分比)Table 1 Compositions of stale waste in situ %

表2 陳垃圾土物理參數Table 2 Physical indexes of stale waste in situ

2 陳垃圾土-混凝土界面剪切試驗

2.1 界面剪切試驗儀器

試驗采用靜力界面剪切系統，嚴格按 GB/T 50123—1999進行。試驗前將裝有陳垃圾土樣的疊環放在混凝土板上，所用混凝土板長 ×寬 ×高為150 mm×100 mm×30 mm，表面設置成平整狀態。剪切試驗前分別在混凝土板、疊環的1、3、6、10層安放位移傳感器，以此在試驗過程中測量剪切過程中的接觸面和土樣變形。

2.2 界面剪切試驗方法

考慮到含有大量的塑料纖維類物質是陳垃圾土力學性質較普通土體不同的主要原因［12］，但陳垃圾土中的塑料纖維對其界面剪切特性的影響仍不清楚，因此試驗先將按上文方法制備的陳垃圾土中的塑料纖維剔除，其他成分按比例增加，制備成無塑料纖維陳垃圾土，后與有塑料纖維的現場組分陳垃圾土進行界面剪切對比試驗。

各試驗土樣每組四個，試驗前均控制初始孔隙比為 1.25，分別施加 50，100，200，400 kPa 的法向應力，待變形穩定后開始剪切。剪切速率設置為0.8 mm/min，當土樣與混凝土板的相對位移達7 mm時停止試驗。由于所有接觸面試驗的剪切破壞均發生在土與混凝土板的界面處，剪應力-剪切位移(τ-Δl)曲線也無峰值出現，故統一取錯動位移達4 mm時的剪應力為接觸面剪切強度。試驗操作嚴格按 GB/T 50123—1999［10］規定進行。

2.3 界面剪切試驗結果及分析

2.3.1 界面剪切試驗結果

由現場陳垃圾組分配制的有塑料纖維的陳垃圾土-混凝土界面的 τ-Δl曲線(圖1)可見：陳垃圾土接觸面剪應力在剛開始階段隨著位移的增大快速增大;在達到一定剪切位移后，剪應力的增大速率不斷減小，直至趨于穩定。

圖1 含塑料纖維陳垃圾土界面剪切τ-Δl關系曲線Fig.1 τ-Δl curves of interface shear of stale waste with plastic fiber

由圖2所示的陳垃圾土接觸面剪切曲線形態特征 Δl/τ-Δl關系可知：Δl/τ-Δl可用直線進行線性擬合，即：

式中：a、b為擬合參數。

圖2 含塑料纖維陳垃圾土界面剪切Δl/τ-Δl關系曲線Fig.2 Δl/τ-Δl curves of interface shear of stale waste with plastic fiber

可見在各法向應力下的τ-Δl曲線可視為雙曲線型，因此在與填埋場相關的設計和數值計算中推薦采用雙曲線模型模擬陳垃圾土與混凝土的荷載-位移關系。

2.3.2 塑料纖維對界面剪切試驗影響

由各級法向應力下無塑料陳垃圾土與含塑料陳垃圾土的 τ-Δl曲線(圖3)對比可見：兩種土樣與混凝土塊剪切的τ-Δl曲線形態類似，但無塑料陳垃圾土的接觸面抗剪強度明顯大于現場配比陳垃圾土的，表明塑料纖維的存在會導致接觸面抗剪切強度降低。

圖3 不同塑料含量陳垃圾土接觸面強度對比Fig.3 Comparisons of interface strength of stale waste with different plastic contents

由不同土樣接觸面抗剪強度(圖4)可見：陳垃圾土與混凝土的接觸面抗剪強度由摩擦力和黏聚力組成，隨著塑料纖維的出現，接觸面的內摩擦角和黏聚力都出現了減少。

圖4 不同塑料含量陳垃圾土接觸面強度包線Fig.4 Interface strength envelopes of stale waste with different plastic contents

2.4 界面剪切特性機理分析

1)試驗所用陳垃圾土從本質上說是降解產物細粉砂土顆粒物與石子、木屑等中粗砂顆粒物等組成的“混合土”(圖5)，并摻入塑料纖維而成(圖6)。在界面剪切過程中，細顆粒部分因粒徑較小，且具有輕微黏性，可與混凝土表面不平整處結合，增加了接觸面黏聚力;粗顆粒部分則通過相互間的滑動、滾動和錯動提供摩擦力，同時細顆粒充填入粗顆粒空隙中，使粗顆粒更充分咬合，從而產生較大的摩擦力［13］。

圖5 無塑料垃圾土接觸面微觀示意Fig.5 Microscopic diagram of stale waste interface without plastic

圖6 有塑料垃圾土接觸面微觀示意Fig.6 Microscopic diagram of stale waste interface with plastic

2)將塑料纖維摻入“混合土”中后，塑料纖維將作為接觸面的一部分，表面較為光滑柔軟，阻礙了垃圾土中細顆粒與混凝土塊的充分接觸，影響了黏聚力的產生;另外，由于塑料纖維與混凝土之間的摩擦系數較小，導致接觸面內摩擦角的減小，也影響了接觸面抗剪強度。

從以上試驗結果可知：雖有塑料纖維等特殊性質的影響，陳垃圾土地基中樁土接觸面強度卻不會明顯偏小，這與填埋場中樁基礎側阻力系數往往偏小的認知相矛盾。經分析有以下原因：1)陳垃圾土地基中靜止土壓力系數 K0較小，張艷的試驗［14］表明陳垃圾土 K0值在 0.12～0.29，同時陳垃圾土的密度也小，減小了樁身所受法向應力和抗剪強度;2)新垃圾在填埋時壓縮不充分，同時垃圾降解引起的物質量減少，導致填埋場中孔隙較多;3)填埋場中各垃圾成分分布不均勻。

由此可見：影響填埋場上樁基側阻力發揮的因素很多，除了受塑料纖維影響的樁土接觸面的抗剪強度外，還需考慮填埋場中靜止土壓力系數 K0、場地壓實情況以及物質均勻性等因素。

3 陳垃圾土壓縮蠕變試驗

3.1 蠕變試驗方案

試驗土樣采用按現場陳垃圾組分配制的含有塑料纖維的陳垃圾土，組分參數與制備方法均與界面剪切試驗試樣一致。試驗采用分別加載的加載方式，為全面考察不同法向應力下陳垃圾土的蠕變特性，試驗共設置了五個法向應力：100，200，300，400，600 kPa。

3.2 蠕變試驗結果及分析

長期壓縮試驗為期35 d，每天定時記錄陳垃圾土的法向變形，前5 d每天測讀兩次，后30 d每天測讀一次。試驗所得的陳垃圾土蠕變曲線見圖7。

圖7 陳垃圾土壓縮蠕變曲線Fig.7 Stale waste compression creep curves

由蠕變曲線可知陳垃圾土蠕變有以下特點：

1)陳垃圾土在受到各級荷載后的最初一段時間內(0～3 d)沉降很快，其沉降量為整個試驗階段沉降總量的93.4% ～95.7%，且陳垃圾土的初期沉降隨所受法向壓力的增大而增加。

2)各法向壓力下的應變-時間曲線具有明顯的衰減特征，即在初始階段沉降量很大，但隨時間增長，陳垃圾土蠕變的增量將逐漸減少，最終趨近于0，總蠕變量將趨于一定值。

3.3 試驗結果對比

3.3.1 與新鮮垃圾土壓縮蠕變試驗對比

謝強對新鮮垃圾土進行了不同應力水平下的壓縮蠕變試驗［15］，張振營則在單一應力下對不同初始孔隙比e的新鮮垃圾土進行壓縮蠕變試驗［16］。將他們試驗的結果與本試驗進行對比，可知新鮮垃圾蠕變與陳垃圾土的主要差別在于：

1)陳垃圾土任意時刻的應變(相對變形)和沉降量(絕對變形)都要比新鮮垃圾土的小得多。這是因為新鮮垃圾在試驗過程中會發生降解反應，導致物質量不斷減少;而陳垃圾土中的可降解成分已基本降解完成，在試驗過程中并無物質減少，且陳垃圾土本身孔隙比較小。

2)在受載壓縮狀態下，陳垃圾土和新鮮垃圾土在加載瞬間及加載初期(以5 d計)的應變量都較大，其中陳垃圾土的初期變形量占到總變形量的95.4% ～97.1%，新 鮮 垃 圾 土 的 則 為 80% ～92%［15］。

3)陳垃圾土的變形在三四天內就能逐漸趨于穩定，往后其應變-時間曲線近似于水平;而新鮮垃圾土壓縮穩定所需的時間較長，從曲線上看：在30 d后新鮮生活垃圾土的應變-時間曲線仍有一定斜率;這主要是因為新鮮垃圾土孔隙比較大，其中可降解成分較多，在壓縮過程中不斷發生生物降解反應，使變形量增大。而陳垃圾土因性質已穩定，在試驗過程中垃圾土物質并未因降解而減少。

圖8 謝強試驗中垃圾土蠕變曲線［15］Fig.8 The creep curves of MSW in Xie Qiang’test

圖9 張振營試驗中垃圾土蠕變曲線［16］Fig.9 The creep curves of MSW in Zhang Zhenying’test

3.3.2 與黏土壓縮蠕變試驗對比

侍倩和徐珊分別獲得了上海典型軟黏土的單向壓縮蠕變曲線(圖 10［17］和圖 11［18］)，從中可知其與陳垃圾土的主要異同點如下：

圖10 侍倩試驗中黏土蠕變曲線Fig.10 The creep curves of soil in Shi Qian's test

1)在相等大小的豎向壓力作用下，陳垃圾土應變(相對沉降量)比黏土的大;原因在于陳垃圾土中不同尺寸的組分較多，導致土體中孔隙較大，受壓后的壓縮量自然比黏土大。

2)在受壓狀態下，陳垃圾土的瞬間沉降及初期沉降均大于黏性土;且陳垃圾土和黏土在加載瞬間及加載初期(以3 d計)的應變量都較大，其中初期沉降均占總沉降量的90%以上。

3)黏土的變形在很短的時間內就逐漸趨于穩定(以分鐘計)，而陳垃圾土所需的時間則要長些(3 d左右)。原因在于：陳垃圾土中不同種類組分較多，尺寸不一，導致土體中孔隙較大。在受壓初期，細顆粒不斷被擠壓填充粗顆粒間的孔隙，導致壓縮量較大;一段時間后，陳垃圾土中大部分孔隙被小顆粒填滿，導致變形量大大減小。

圖11 徐珊試驗中黏土蠕變曲線Fig.11 The creep curves of soil in Xu Shan's test

4 結束語

1)陳垃圾土與混凝土塊界面剪切的τ-Δl曲線呈雙曲線型。在與填埋場相關的設計與數值計算中推薦采用雙曲線模型模擬陳垃圾土與混凝土的荷載-位移關系。

2)陳垃圾土-混凝土的接觸面強度中既有黏聚力，又有摩擦力，其中的塑料纖維對接觸面的黏聚力和內摩擦角均會產生消極影響。

3)影響填埋場中樁基側阻力發揮的因素很多，不僅有樁土接觸面的抗剪強度，還需考慮填埋場中靜止土壓力、擠密情況以及物質均勻性等。

4)長期單向壓縮條件下，陳垃圾土在試驗初期的變形量較大，但呈現出衰減蠕變的特點，蠕變增量隨時間逐漸減小，最后將趨于穩定。

5)陳垃圾土的蠕變性質與新鮮垃圾土、黏土均有相似之處。在試驗初期，陳垃圾土因土體中孔隙較大、顆粒分布不均，如新鮮垃圾土一般沉降量較大;在一段時間后因孔隙得到充分填充，同時陳垃圾土本身物質可降解成分較少，變形主要由垃圾土顆粒自身受壓變形產生，沉降將趨于穩定。