江蘇某垃圾填埋場污泥庫特殊性土的分析與評價*

陳 赟，王 亮，鄭智杰，吳家葳，謝海建

（1.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028；2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058；3.杭州市路橋集團股份有限公司，浙江 杭州 310022）

1 引言

在20 世紀60 年代，發達國家就開始對大量產生的城市污泥進行有關安全處理和處置方面的研究，并通過不斷的工程實踐，逐步建立了相應的污泥處理和處置方法，主要包括土地利用、焚燒、投海和衛生填埋［1］。目前，我國對污泥的處置主要采用衛生填埋的方法。污泥庫在很多垃圾填埋場中均有存在，主要是由于填埋市政污泥所形成。我國的污泥處置在經過污水廠內滅菌、脫水后，通常是直接傾倒于填埋場中的低地或谷底，形成深度不等的污泥庫，如成都長安、深圳下坪、蘇州七子山填埋場等［2］。目前對污泥處置的研究則是集中于脫水及后續的固化上。脫水方面主要采用物理和化學方法改變污泥的脫水性能，并最終采用機械和離心等手段降低污泥的含水率。而固化則是采用水泥、石灰等添加劑與污泥發生物理、化學反應，最終達到提高強度及固化污染物的目的［3-4］。也有相關學者對污泥庫進行了相關研究，如馮源等［5］研究了處置庫污泥的工程特性，王英達［6］研究了生活垃圾填埋場污泥塘的處置方式，羅鵬等［7］對污泥坑提出了巖土工程評價，但是沒有計算污泥坑的體量及污泥的層序分布。

污泥庫如果不進行處理會帶來很大的環境問題［8］。填埋場如果進行封場，首先面臨的是頂蓋系統的穩定性問題：污泥的物理力學性質極差，能否具有足夠的承載力支撐上部荷載；污泥受力后變形非常大，在上部荷載作用下，產生的不均勻沉降是否引起頂蓋產生過大的沉降造成頂蓋破壞；污泥和頂蓋系統的接觸面是否具有足夠的抗滑穩定性而保證頂蓋不產生滑動破壞。除此之外，由于污泥的含水率高且流動性強，大體積污泥庫的存在會對填埋場的運營安全產生較大的影響，嚴重的將會引起污泥庫的失穩及污泥涌出，對周邊環境造成嚴重的破壞和影響。如我國南方某填埋場由于在未經處理的污泥坑上堆載垃圾造成污泥外涌和垃圾堆體局部滑移事故［9-10］。因此，對污泥庫進行加固處理以滿足上方堆填垃圾的要求成為我國許多垃圾填埋場亟需解決的難題。

本研究通過對蘇州某垃圾填埋場污泥庫的勘察，利用相關的室內試驗方法，得到了污泥含水率、有機質含量等工程特性及污泥庫的體量和污泥層序分布，并對其進行分析與評價，為后續污泥庫的穩定性分析及治理方案的選擇提供了相關的數據支持。除此之外，污泥庫這類特殊的巖土工程勘察，對于完善巖土工程勘察體系，豐富污泥這類特殊性土的性質評價體系，也有重要的現實意義。

2 工程概況

2.1 基本情況

江蘇某垃圾填埋場屬于典型的山谷型填埋場，采用垂直防滲帷幕來控制填埋場垃圾滲濾液對周圍環境的污染，庫區西南側山谷里存在一處污泥庫，占地面積超過2 hm2，多年以來填埋高含水率（80%～90%以上） 市政污泥約2.0×105t，并在垃圾焚燒廠投入使用后，也短期接納過該廠無法處理的滲濾液。根據現有資料，污泥呈流態狀、強度極低，上部水位高。需要立即進行處理，否則將影響填埋場的擴建，包括下游水平拓展區和豎向堆高區。

為了查明污泥塘邊界，污泥埋深、污泥層序分布及總量，掌握坑內各層污泥的工程特性，需要對污泥庫進行巖土工程勘察，通過分層取樣測試，為污泥庫治理提供不同位置、不同深度污泥的含水率、有機質含量及物理力學性質等特性參數。

2.2 勘察平面布置

本次污泥塘勘察鉆孔平面布置見圖1，共布置鉆孔25 個，其中勘察孔ZK01～ZK05 為控制性孔，孔深至基巖，勘察孔LK01～LK17 為一般性孔，孔深至塘底垃圾層，勘察孔BK01～BK03 主要用于查明塘內污泥狀態的分界。共計完成勘察鉆孔進尺254 m，取樣122 個，其中勘察孔LK08、LK11、LK14 及LK17 未取樣。

圖1 鉆孔平面布置

2.3 鉆孔與取樣

由于污泥為流塑狀，強度極低，整個污泥塘類似于沼澤地，勘察設備無法直接在塘面架設，工作人員也無法在塘面行走，取樣難度非常大且具有施工安全風險。本次勘察工作專門定制了2個鋼質箱體用于搭設浮動勘察作業平臺，現場組裝后，將鉆機固定在平臺上，如圖2（a） 所示?？辈爝^程中，通過施工機械協助提供牽引動力，進行設備移動和鉆孔取樣，現場取樣如圖2（b）所示。

圖2 勘察與取樣現場照片

根據工程特點，本次勘察采用XY-100 型鉆機?？辈觳捎萌赘芨摄@方式，套管口徑不小于130 mm，巖芯管口徑不小于91 mm，確保掌握真實、準確的污泥層層序，并取到相應位置的污泥樣。優先采用靜壓方式，以減少鉆進過程中產生的動荷載，提高作業安全度。鉆進過程中的各項深度數據均用尺量測，誤差不大于50 mm。

采用專利技術活門式取樣器［11］取樣，不銹鋼采樣頭設有活門裝置，活門開啟時與管壁齊平，關閉時將取樣器底端封閉，并封存其上的試樣。污泥樣采用靜壓法獲取，垃圾樣采用回旋法獲取。取樣器可一次性提取2 m 以上的柱狀試樣，在提取過程中柱狀試樣封存在PVC 管，保持原狀。取樣的豎向間距為2 m。

3 材料與方法

3.1 室內試驗

1） 污泥含水率試驗。

含水率測定采用烘干法，首先取代表性試樣60～70 g 放入稱量盒內，稱盒加試樣質量，精確至0.01 g；然后打開盒蓋，將盒置于烘箱內，在70 ℃恒溫下烘至恒重，烘干時間約為48 h；試樣的含水率θ 采用式（1） 計算，式中mw為試樣中水的質量，m 為試樣總質量。試樣的含水量w 采用式（2） 計算。

2） 污泥有機質含量試驗。

有機質含量測試方法參照城市污水處理廠污泥檢驗方法［12］，首先將污泥試樣在70 ℃的溫度下烘干，烘干后將試樣磨碎，再過2 mm 篩，篩后的粉末狀試樣備用并稱重；然后在550 ℃馬弗爐灼燒至恒重，再次稱重；2 次稱重之差即為試樣中有機碳的質量。試樣的有機質含量Om采用式（3）計算，式中m1為灼燒前試樣的質量；m2為灼燒后試樣的質量；1.724 為碳換算成有機質的經驗系數。

3） 室內直剪與無側限抗壓強度試驗。

固化程度較低的試樣采用直剪試驗進行強度檢測。對于室內直剪試驗，采用直剪中的不固結不排水試驗。試驗制樣及強度取值原則：①純固化污泥（垃圾含量很少） 進行不固結不排水直剪試驗，測試結果作為其強度的取值；②對于垃圾含量較多的試樣，先剔除垃圾，并選擇其中的污泥進行重塑再進行不固結不排水直剪試驗，并根據垃圾與污泥的強度指標按照含量進行加權平均，以加權平均值作為其強度的取值。針對固化程度較高類似于水泥體的固化污泥樣，采用無側限抗壓強度試驗進行強度檢測。

3.2 現場試驗

1） 現場動力觸探試驗。

試驗前將觸探架安裝平穩，使觸探保持垂直地進行；貫入時，應使穿心錘自由下落，落錘落距為（0.76±0.02） m；錘擊速率為每分鐘15～30 擊。及時記錄每貫入0.10 m 所需的錘擊數，其方法可在觸探桿上每隔0.10 m 劃出標記，然后直接（或用儀器） 記錄錘擊數；也可以記錄每一陣擊的貫入度，然后再換算為每貫入0.10 m所需的錘擊數。每貫入0.10 m 所需錘擊數連續3 次超過50 擊時，即停止試驗。

2） 現場靜力觸探試驗。

平整試驗場地，設置反力裝置；貫入前應試壓探頭，檢查頂柱、錐頭、摩擦筒等部件工作是否正常；將探頭按（1.2±0.3） m/min 均速貫入土中0.5～1.0 m（冬季應超過凍結線），然后稍許提升，使探頭傳感器處于不受力狀態。待探頭溫度與地溫平衡后（儀器零位基本穩定），將儀器調零或記錄讀數，即可進行正常貫入。在深度6 m 內，一般每貫入1～2 m，應提升探頭檢查溫漂并調零；6 m 以下每貫入5～10 m 應提升探頭檢查回零情況，當出現異常時，應檢查原因及時處理。當貫入到預定深度或出現下列情況之一時，應停止貫入：觸探主機達到額定貫入力；探頭阻力達到最大容許壓力；反力裝置失效；發現探桿彎曲已達到不能容許的程度。試驗結束后應及時起拔探桿，并記錄儀器的回零情況。

3） 現場十字板試驗。

在試驗點兩旁將地錨旋入土中，安裝和固定壓入主機，用分度值為1 mm 的水平尺校平，并安裝施加扭力的裝置；將十字板頭接在扭力傳感器上并擰緊；將十字板頭壓入土中預定的試驗深度后，調整機架使鉆桿位于機架面板導孔中心；擰緊扭力裝置上的鉆桿夾具，并將量測儀表調零或讀取初讀數；順時針方向轉動扭力裝置上的手搖柄，當量測儀表讀數開始增大時，即開動秒表，以0.1°/s 的速率旋轉鉆桿。每轉1°測記1 次讀數。應在2 min 內測得峰值。當讀數出現峰值或穩定值后，再繼續旋轉測記1 min。峰值或穩定值作為原狀土剪切破壞時的讀數。

4 結果和討論

4.1 室內試驗

1） 污泥含水率實驗。

污泥含水率試驗共完成114 組，圖3 為不同含水率的污泥試樣。根據試驗結果，含水率在83%～97%之間，平均值為86%，部分試樣含水率達到95%以上，接近水的狀態。

圖3 不同含水率的污泥試樣

馮源等［5］測得污泥液限對應的含水量為353%，塑限對應的含水量為106%。根據本次實驗結果，污泥含水率83%對應的含水量為500%，含水率75%對應的含水量為300%，因此本研究以含水率80%作為污泥流塑狀態與軟塑狀態的分界標準。其次，根據羅小勇［1］得出的污泥含水率與不排水抗剪強度的關系，當污泥含水量趨向800%時，其不排水抗剪強度接近于0 kPa。由本次實驗結果，污泥含水率89%對應的含水量為800%，因此本研究以含水率90%作為污泥泥水混合狀態與流塑狀態的分界標準。

表1 所示為各取樣孔污泥含水率平均值，由實驗結果可見污泥塘出現了較明顯的泥水分界的情況，即塘中污泥狀態存在分層性，且從上而下依次為泥水混合層、流塑污泥層及軟塑污泥層。其中LK05 孔各深度試樣含水率大多處于90%左右，僅最下部污泥狀態偏流塑、軟塑態，因此也歸為泥水混合狀態。如圖1 所示，以虛線為界，污泥塘劃分為南北區塊，圖4、圖5 為污泥塘南北區塊污泥含水率隨深度的變化情況。由圖4 可見，南區塊深度12 m 以上污泥含水率隨深度變化幅度較小，含水率為80%～90%，以流塑狀態為主。其中勘察孔ZK03、ZK05 深度12 m 以下污泥含水率大幅度減小，由流塑狀態進入軟塑狀態。由圖5可見，北區塊污泥含水率隨深度變化幅度較大，含水率大部分大于90%。隨著深度增加，部分試樣含水率在80%～90%，呈流塑狀。綜上，污泥塘南區塊主要以流塑污泥層（深度為0～12 m） 及軟塑污泥層（深度為12～20 m） 為主，北區塊存在較厚的泥水混合層（深度為0～4 m），然后是流塑污泥層（深度為4～8 m） 及軟塑污泥層（深度為8～14 m）。

表1 各取樣孔污泥含水率及有機質含量平均值

圖4 南區塊污泥含水率隨深度變化情況

圖5 北區塊污泥含水率隨深度變化情況

2） 污泥有機質含量試驗。

污泥的有機質含量試驗進行了114 組，各鉆孔平均值結果如表1 所示，有機碳含量一般在17.2%～27.1%，平均值為23.52%；有機質含量分布范圍一般在30.56%～46.66%，總體平均值為40.56%。Imhoff 等［13］測得某污水處理廠中等降解程度污泥的有機質含量為70%，而深度降解程度污泥的有機質含量為45%～55%；O’Kelly［14］測得的中等降解程度污泥的有機質含量也為70%，經過室外2.5 a 的自然降解后污泥的有機質含量減少為58%。可見，本研究污泥塘中污泥經過多年的自然降解，基本達到深度降解程度。

3） 室內直剪與無側限抗壓強度試驗。

直接剪切試驗共完成81 組，從試驗結果可以發現直接剪切強度的黏聚力c 大多分布在10～60 kPa，黏聚力大于10 kPa 的約占82%；摩擦角φ 大多分布在6°～400°，摩擦角大于10°的約占65%。圖6 和表2 分別是典型狀態下固化污泥樣的抗剪強度試樣圖（依次為固化污泥樣、含固化劑較多的泥沙混合樣、偏粉土狀樣、污泥垃圾混雜樣、摻入少量固化劑污泥樣及固化較差底部純污泥樣） 和試驗結果。

圖6 典型固化污泥直剪試驗試樣

表2 典型固化污泥直剪試驗結果

抗壓樣共20 個，強度大部分在120～1 500 kPa，深度范圍在2～8 m，樁樣深度在12～15 m。李亞林等［15］以含水率為97.5%的原污泥為研究對象，重點對固化體的無側限抗壓強度進行了測定，添加無機調理劑可起到骨架構建體的作用，在不外摻其他固化劑的條件下，脫水泥餅固化體養護1 a 后無側限抗壓強度大于450 kPa。此與本次檢測的特殊土的高值相比仍相距甚遠。圖7 和表3 分別為典型抗壓試驗樣圖和試驗結果。

圖7 典型無側限抗壓強度試驗試樣

表3 典型無側限抗壓強度試驗結果

直剪試驗及無側限抗壓強度試驗結果顯示，強度相對較弱的幾個樣品有如下特點：①范圍上較為集中分布在8、10、16 孔，其中10、16 孔為污泥塘中心位置，污泥固化養護周期較短；②深度上集中在底部16～24 m，原因可能是含垃圾較多，固化攪拌在此處不均勻，但對整孔區域穩定性不構成影響；③邊緣處8 號孔位位置，深度較深且臨近岸坡，可能由于機械在該處施工不便，固化劑摻雜不均勻，導致部分樣固化效果一般。

4.2 現場試驗

1） 現場動力觸探。

表4 為部分孔樣的動力觸探結果，并依據規范，參考相似土類計算出承載力值。本次動力觸探采用鉆孔入探的方法，相比前期的連續貫入方式，實驗結果將整體偏小，剔除個別異常點，動探擊數多分布在3～7 下，一部分水泥塊或巖狀層位擊數在15～35 下，一部分底部固化較差的污泥在1 或者2 下。同時，可以發現南部孔的動探擊數最大，而偏污泥塘中心的孔，固化處理時間較短，動探試驗擊數結果也相對較小，這一結果與室內強度試驗結果較為吻合。

表4 部分動力觸探試驗結果

2） 現場靜力觸探。

表5 為靜力觸探試驗結果，可以發現靜力觸探錐尖阻力主要分布在300～2 100 kPa，檢測深度主要在2～10 m，底部垃圾層與上部固化較好的層位阻力值較大。

羅鵬等［7］對深圳市下坪固體廢棄物填埋場某污泥層進行了靜力觸探實驗，錐尖阻力平均值為130 kPa。不難發現，本次特殊土的靜力觸探錐尖阻力大體均高于上值。

3） 現場十字板試驗

表6 為十字板試驗結果，檢測值主要分布在20～70 kPa，底部15 m 以下CU 值相對較小。

表6 十字板剪切試驗結果

林署炯等［16］對深圳福永污泥填埋場固化污泥進行了十字板試驗，土體十字板抗剪強度值為13.8～23.7 kPa，強度隨固結應力的增加而大幅增加，但強度值整體低于本次特殊土的檢測值。

5 結論及建議

5.1 結論

1） 本工程污泥塘污泥的含水率在83.35%～96.80%，平均86%左右；有機質含量在30.56%～46.66%，平均40.56%左右。

2） 塘中污泥狀態存在分層性，從上至下依次為泥水混合層、流塑污泥層及軟塑污泥層。北區塊存在較厚的泥水混合層，然后是流塑污泥層及軟塑污泥層，南區塊以流塑污泥層及軟塑污泥層為主。

3） 依據室內直剪試驗與無側限抗壓強度試驗，可以整體判斷得到對于淺層0～3 m 層位的污泥狀樣（降雨因素導致），直剪指標c 為15～35 kPa、摩擦角φ 為12°～30°，無側限抗壓強度值在50 kPa 左右，而水泥狀樣則達到130～300 kPa；對于深層16～25 m 層位污泥垃圾混合層的直剪指標c 為3～15 kPa（部分在30 kPa 以上）、摩擦角φ 為3°～18°。

4） 現場試驗結果顯示，靜力觸探錐尖阻力主要分布在300～2 100 kPa，檢測深度主要在2～10 m，底部垃圾層與上部固化較好的層位阻力值較大，較其他填埋場的靜力觸探錐尖阻力檢測值較大；十字板試驗主要分布在20～70 kPa，底部15 m 以下CU值相對較??；動探擊數多分布在3～7 下，一部分水泥塊或巖狀層位擊數在15～35 下，一部分底部固化較差的污泥在1 或者2 下?，F場測試結果與室內強度試驗測試結果較為吻合。

5） 針對污泥庫治理，淺部95%以上高含水率的污泥，建議采用泵送的方式抽??；對于含水率為90%～95%的污泥建議采用固化與泵送相結合的方式處理；而對于含水率90%以下的污泥則建議采取原位固化的方式處理。

5.2 建議

1） 污泥庫勘察外業工作應采用全孔跟管干鉆方式，鉆進過程中，優先采用靜壓方式，減少對污泥的擾動，提高作業安全度。取樣應采用活門式取樣器，確保所取污泥試樣不流失。

2） 污泥庫勘察的主要分析評價工作內容：通過室內試驗和現場試驗，獲取污泥的含水率、有機質含量、靜力觸探試驗及十字板剪切試驗等工程性質指標。同時，應查明污泥庫的體量及不同狀態污泥層的層序分布，并進行評價，為后續污泥庫的針對性治理提供可靠的勘察依據。

3） 污泥庫勘察結果評價應根據勘察成果中污泥庫的體量、污泥狀態和層序分布、含水率及有機質含量，針對處置方法、時間、成本等提出綜合性建議。

4） 污泥是一種特殊性土，含水率極高且流動性強，應通過工程實踐積累經驗，補充完善現有巖土工程勘察規范中關于此類土的評價體系。