（岩土工程专业论文）垃圾填埋场地基处理试验及模拟研究.pdf

摘要 摘要 随着经济快速发展，城市生活垃圾的产量急剧增加，建设大型生活垃圾卫生填埋场是 解决城市生活垃圾的最主要途径。同时，如何对已封场填埋场进行开发利用等问题己日益 引起人们关注。 本文结合己封场的深圳玉龙坑垃圾填埋场，通过室内土工试验、现场测试和数值模拟 三种途径，系统地研究了封场垃圾土多项工程性质，同时将玉龙坑垃圾土性质与其它地区 的垃圾土性质做了对比分析。在对垃圾土工程性质进行室内试验、现场试验研究的基础上， 利用a b a q u s 有限元对垃圾填埋场天然状态地基、复合地基、沉管桩地基的平板载荷试 验进行三维有限元数值模拟，并对填埋场天然状态载荷试验中载荷板宽度影响进行详细分 析。具体工作如下： ( 1 ) 对玉龙坑填埋场垃圾土进行土工试验，对垃圾土的基本物理、力学性质指标进 行了研究，包括密度、含水率、孔隙比、土粒比重、饱和度、抗剪强度和压缩性等性质指 标，并与其它垃圾填埋场的试验数据进行对比分析。 ( 2 ) 在填埋场上进行地基处理，包括沉管桩、灰土桩、碎石桩处理等，在处理的地 基上进行了平板载荷试验和静力触探试验研究，并对垃圾填埋场地基处理效果进行评价， 证明填埋场经过地基处理能有效提高承载力，有效降低沉降。 ( 3 ) 在a b a o u s 基础上，利用f o r t n 语言对邓肯张e 一，本构模型进行二次开 发，并对开发的模型进行理论和数值验证。证明开发模型可以用于实际工程。 ( 4 ) 利用a b a q u s 对填埋场天然状态、沉管桩、复合地基平板载荷试验进行数值模 拟，得到较好模拟效果，并对试验与数值模拟差异进行了分析，在此基础上对不同工况进 行分析，为后续研究打下基础。 ( 5 ) 利用塑性开展区、规范法分析了填埋场承载力特征值；利用太沙基极限承载力、 魏锡克极限承载力、切线模量法等确定填埋场极限承载力，得到的结果很接近；利用数值 模拟方法分析了载荷板宽度对平板载荷试验确定的承载力特征值及最终沉降的影响，得到 了拟合关系式，并给出填埋场承载力建议值。 关键词：固体废弃物；垃圾填埋场；地基处理；平板载荷试验；a b a q u s ；有限元；承载 力特征值 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，t h ea m o u n to fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e i n c r e a s e st r e m e n d o u s l y o n eo ft h em o s ts u i t a b l ew a y st oo v e r c o m et h et r o u b l e s o m e p r o b l e m so fw a s t ei st oc o n s t l l l c tl a r g e rs c a l el a n d f i l lf i e l d s a tt h es 锄et i m e ，h o w t o m a k ef u l lu s eo ft h ef u n c t i o no ft h el a n d f i l lc l o s u r ea r ei m p o r t a j l tf o rp e o p l e m s w s 锄p l e st a k e nf r o my u l o n g k e n gl a n d 舢c l o s u r ei ns h e n z h e nw e r em i n c o n v e n t i o n a ls o i l t e s t s 、p l a t el o a d i n g7 r e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l l ee n g i n e e r i n g p r o p e n i e ss e t t l e m e n to fm u n i c i p a ls o l i dw a s t ea r er e s e a r c hb yt h et e s t s b a s eo nt h e l a b o r a t o r yt e s ta n di n - s i t ut e s t s ，b yu s i n gt h ea b a q u ss o r w a 心，t h en a t u r a l l a n 强l l ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n 肌dt h es i n g l ep i l e s p l a tl o a d i n gt e s th a v eb e e n s i m u l a t e db yt h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm e t h o d ， a i l da n a l y s i so f t l l en a t u r a l l a n d 6 l lp l a tl o a d i n gt e s ti n n u e n c ea b o u tl o a dp l a tw i d t h ( 1 ) t h ee n g i n e e r i n gp r o p e n i e so fm s w a b o u ty u l o n g k e n gl a n d 矗l la r er e s e a r c hb y c o n v e n t i o n a ls o i lt e s t ss u c ha sd e n s i t y ，w a t e rc o n t e n t ，v o i dr a t i o ，s p e c i f i cg r a v i t yo f s o i l ，s a t u r a t i o n ，s h e a rs t r e n 昏ha n dc o m p r e s s i b i l i 够 ( 2 ) 1 h a t m e n to f1 a n d f i l lf o u n d a t i o na b o u td r i v e nc a s t - i n p l a c ep i l e ，a n dg r a v e l p i l e ，u s i n gp l a t1 0 a d i n gt e s ta n ds t a t i c c o n ep e n e t r a t i o nt e s tt ot e s t i n gl a n d f i h f o u n d a t i o n ，e v a l u a t i o no ff o u n d a t i o nt r e a t m e n te f r e c t s ( 3 ) t h i sd i s s e n a t i o nc o m p i l e st h ed u n c a n - c h a n ge vc o n s t i t u t i v em o d e lb y u s i n go ft h ep r o 铲a mo ff o r t r a nt or e d e v e l o p et h ef i n i t ee l e m e n tp r o g 眦lo f a b a q u s ，a n d t e s t st h em o d e lw i t ht h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 4 ) b yu s i n gt h ea b a q u ss o r w a r e ，t h en a t u r a ll a n d f i l l ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n a 1 1 dt h es i n 羽ep i l e sp l a tl o a d i n gt e s th a v eb e e ns i i i 】【u l a t e db yt h et h e e - d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tn u m e “c a lm e t h o d ，a n a l y s i sb e t w e e nt e s ta i l dm l m e r i c a ls i m u l a t i o n ， a n da n a l y s i sv 撕o u so fw o r k i n gc o n d i t i o n ( 5 ) a n a l y s i s i n go ft h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i cz o n e sa n ds p e c i f i c a t i o nm e t l l o dt o d e t e n n i n i n go fb e 撕n gc a p a c i t y c h a r a c t e r i s t i cv a l u e w i t hf o 珊u l ao ft e r z a 出 u l t i m a t eb e a d n gc a p a c i t y ，f o 皿u l ao fv 色s i cu l t i m a t eb e 撕n gc a p a c i t ya n dt 1 1 e u n d i s t u r b e ds o i l t a n g e n tm o d u l u sm e t h o dt od e t e m l i n i n go fu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t y ，a n da i l a l y s i so ft h eb e 撕n gc a p a c 畸c h 2 u r a c t e r i s t i cv a l u ea i l df i n a ls e 仳1 e m e n t i n n u e n c ea b o u tl o a dp l a tw i d t l l k e yw o r d ：m s w ；r e 如s el a n d f i l ls i t e ； f o u n d a t i o nt r e a t m e n t ；p l a t el o a d i n gt e s t ； a b a q u s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ；b e a r i n gc 印a c i t yc h a r a c t e r i s t i cv a l u e i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：芝三渣雌 占 月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：星渣力叼年6 月厂日 河海大学硕上论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着城市化进程加快，城市人口急剧膨胀，城市固体废弃物( m u n i c i p a ls 0 1 i dw a s t e ， 简称m s w ，俗称垃圾) 飞速增长已经成为各国人民日益的关注环境问题。垃圾处理不当， 则会对周边环境造成污染，破坏城市景观，又会对人类健康造成极大威胁，阻碍经济可持 续发展。如何对垃圾进行有效处理以及在处理过程中如何避免对周围环境造成污染是现代 社会面临的一个迫切问题 目前城市固体垃圾处理主要遵循无害化( r e c o v e r ) 、减量化( r e d u c e ) 及资源化( r e c y c l e ) 的“3 r ”原则【1 1 ，处理方法主要有“卫生填埋法”、“堆肥法”、“焚烧法”三种。目i j 处理的垃 圾很大一部分是进行填埋。我国已有许多城市陆续兴建了一些大、中型卫生填埋场。卫生 填埋在未来也将是我国最主要的垃圾处理方式，也将新建更多和更大型的卫生填埋场。 垃圾填埋场在快速发展的同时也就意味着大量土地被侵占。据初步调查，1 9 9 8 年我国 6 6 8 座大中城市中已有2 3 被垃圾环带包围。全国垃圾堆存占地累计5 万平方公里，而这一数 字还在继续增大1 2 1 。在垃圾填埋场封场之后，填埋场占用的土地还能否被继续利用，还能 否作为建筑用地，这些问题在中国这样一个土地资源日渐稀缺、可用耕地和可利用建筑用 地日趋减少的国家，是一个很有研究意义的课题。 在已有文献中，很少有垃圾填埋场作为建筑物地基的相关研究，作为一个全新的研究 课题，垃圾填埋场作为建筑物地基比其他地基的作用机理更为复杂，对其作用机理还缺乏 深入研究，因此对填埋场地基的研究不仅具有理论意义也具有很强的实践意义。深圳玉龙 坑填埋场已经封场近1 0 年，沉降基本稳定，现在考虑在填埋场上新建建筑物，但是类似的 工程实例极少，而且垃圾土的性质差异性很大，对封场填埋场的垃圾土研究还有待加强。 本文将对深圳玉龙坑填埋场地基处理前及经沉管桩、碎石桩、灰土桩等处理后垃圾土的物 理、力学性质等进行研究，结合平板载荷试验、静力触探试验等现场试验进行研究，以期 为封场垃圾填埋场后续综合利用提供参考。同时结合a b a q u s 软件对平板载荷试验进行模 拟，对比模拟与试验结果对填埋场的承载力及载荷板宽度对试验的影响进行相关研究。 1 2 垃圾填埋场及其研究现状 1 2 1 固体废弃物和垃圾填埋场概述 城市固体废弃物( m s w ) 是指居民生活、商业活动、市政建设与维护、机关办公等过 程中产生的固体废弃物，一般分为以下几类【) j ： 1 ) 生活垃圾：主要包括炊厨废物、废纸、织物、玻璃陶瓷碎片、废电器制品、煤灰 渣、废旧交通工具、粪便等。 1 河海大学硕士论文第一章绪论 2 ) 城建渣土：废砖瓦、碎石、渣土、混凝土碎块等。 3 ) 商业固体废弃物：废纸、各种废旧包装材料、丢弃的主副食品等。 每个地区填埋场中的填埋物各异，杭州天子岭垃圾填埋场【4 】和武汉金口垃圾填埋场【5 j 各成分的比例见表1 1 和表1 2 ，从成分来看，垃圾上可分为有机质和无机质，垃圾土中无 机质的含量，尤具是渣土含量，所占比例明显较高，是因为随着经济发展，城市基础建设 步伐相当快，旧建筑物拆迁废弃物大量填埋于填埋场中，所以我国目前垃圾填埋场中砖块、 瓦片、炉灰所占的比例很大。 表1 1 杭州天子岭填埋场垃圾各成份含量( ) 【4 】 菜叶肉骨废纸塑料橡胶纤维 砖瓦炉灰 玻璃金属陶瓷果核草木 1 7 1 4 26 7o 67 65 6 90 51 2o 30 44 5 表1 2 金口垃圾填理场垃圾的成分含量( ) 【5 】 塑料橡胶 纺纤纸张 毛骨 木屑其它有机物灰渣玻璃 金属 陶瓷砖石 1 6 1 0o 4 8o 9 20 7 31 0 41 8 81 0 4 16 1 2 01 6 5o 6 44 9 5 随着经济发展和城市规模的扩大，城市固体废弃物产量将急剧增长。据资料统计，1 9 6 0 年美国m s w 年产量约为0 9 亿吨，日人均产量1 2 0 k g ， 2 0 0 0 年时年产量达2 3 2 亿吨，日人 均产量接2 0 7 埏【6 】；在我国，1 9 9 0 年城市固体废弃物的产量为6 7 6 9 万吨，至2 0 0 2 年城市固 体废弃物净产量增加到1 4 亿吨左右，年平均增长率近1 0 ，人均日产量大体上也以同一速 度水平增加，2 0 0 2 年已超过了1 k g 【7 1 。表1 3 为我国某市1 9 9 9 2 0 0 0 年时的垃圾收集量情况。 表1 3 我国某市1 9 9 0 2 0 0 0 年m s w 收集量【8 】 年份 1 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 0 产量( 吨) 7 5 7 77 6 5 08 8 0 39 8 4 51 0 6 7 11 1 0 8 31 2 8 1 51 3 2 3 4 从上表可以看出，垃圾增长速度非常快，在8 年内，几乎增加了7 5 。截止1 9 9 5 年，我 国各城市历年垃圾堆存量累计己高达6 6 4 1 亿吨，侵占5 5 0 8 5 公顷土地，且每年还在以8 1 0 的速度增长【9 】。面对日益增长的垃圾数量，为了减少对环境造成严重危害，垃圾填埋 场的建设速度和规模将会大大提升。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，美国等发达国家在这一个时期已经先后开展了固体废弃物及其污 染情况的调查和治理工作。国内，2 0 世纪8 0 年代以前，对固体废弃物的管理基本处于一 种无序的状态，对环境造成了严重污染，直到2 0 世纪8 0 年代才开始重视垃圾的处置工作， 一些大城市先后建立了一批卫生填埋场。 卫生填埋法是在传统的堆放、坑埋基础上，出于环境保护目的而发展起来的一种行之 有效的处理方法。通常所说的卫生填埋场是环卫部门集中收集城市垃圾运往卫生填埋地， 2 河海大学硕士论文第一章绪论 将垃圾以每层3 m 左右的厚度在日填埋区内铺平，利用机械进行压密，然后在垃圾土上部 覆盖3 0 c m 左右的粘土层，并再次压实，形成一个完整同填埋垃圾土层单元，一个完整的 卫生填埋场就是由几个到几十个这种日填埋层组成。卫生填埋的建设包括科学选址、周密 的填埋计划、渗沥液收集和处理、填埋气收集和处理、严格的监测网络、最终封场等多项 内容。 目前由于卫生填埋法具有投资少、处理方法简单、二次污染少，对生活垃圾成分无特 殊要求等优点而成为垃圾处理的主要方法之一。由于卫生填埋法具有上述优点，因此即使 在发达国家卫生填埋法也是m s w 处理的首选方法。在美国，尽管过去2 0 年中卫生填埋法处 置的m s w 比率从8 1 下降到了6 l ，但是它在很长一段时间内仍将是美国m s w 的主要处理 方式【l o 】。我国自6 0 年代以来，特别是自1 9 9 1 年建设部正式把卫生填埋法确定为近期推广的 m s w 处置首选技术后，卫生填埋方法的比例逐年加大，至上世纪9 0 年代末卫生填埋总量已 占m s w 处理量的7 9 2 ，堆肥处理为1 8 8 ，焚烧法只占2 l l l 】。随着卫生填埋法理论的日 渐成熟及施工水平的日益提高，在未来它仍将是我国最主要的垃圾处理方式。图1 1 为典型 的有双重复合衬垫系统及覆盖系统的垃圾填埋场简图【1 2 j 。 图1 1 现代卫生填埋场简图 一个严格意义上的现代卫生填埋场应包括：( 1 ) 垃圾填埋系统：( 2 ) 衬垫系统；( 3 ) 淋滤 液收集和处理系统；( 4 ) 气体收集系统；( 5 ) 垃圾填埋场顶面最终覆盖系统；( 6 ) 地下水监测 系统等。 填埋场底部衬垫系统采用了压实粘土与h d p e 土工膜相结合的防渗方式控制淋滤液对 周围环境的污染；淋滤液收集、处理系统是填埋场的必备系统，将淋滤液收集起来并进行 一定处理，使其净化为无污染的液体；气体收集系统可对填埋场内产生的气体进行收集进 行相应处理，也可用气体进行发电等；顶部覆盖系统可避免雨水进入填埋场造成滑坡等安 全问题，还可防止垃圾四处飘散而造成二次白色污染，同时可以避免产生的有毒气体直接 河海大学硕上论文第一章绪论 排放到大气中对环境造成巨大危害，还可以为垃圾填埋场的后续综合利用( 如在垃圾填埋 场上建公园、建筑物等) 提供条件；地下水监测系统主要是定期检查地下水否被垃圾污染。 1 2 2 固体废弃物研究现状 早在1 9 6 8 年，s o w e r s g f 【1 3 j 就对填埋场基础的有关问题做了详细讨论。垃圾土的工程 性质和沉降也逐渐成为近年来的研究热点之一。 张振营、吴世明、陈云敏【4 j 通过对杭州天子岭填埋场原状土样的室内试验研究，对填 埋场的稳定性、变形及其作为建筑物地基的可行性进行了探讨。 钱学德、郭志平【1 2 】【1 4 】针对美国、加拿大城市垃圾的工程性质作了详细地研究，包括容 重、含水率、密度、孔隙率、透水性、持水率以及抗剪强度和压缩性等内容。 陆晓平、朱俊高等【l5 】通过对深圳下坪垃圾填埋场进行室内渗透试验，研究了应力状态、 应力历史对其渗透性的影响。 施建勇、卢廷浩等【l6 】对深圳下坪垃圾填埋场土样进行一系列的室内试验，测定了其基 本物理性质指标。同时，进行了各项等压固结试验和长期变形固结试验，确定了垃圾土的 压缩性。 陈云敏、王立忠等【l 7 】结合某城市某填埋场在填埋过程中曾发生滑坡的工程实例进行了 现场触探和室内试验。 朱向荣、王朝晖、方鹏飞i l8 】根据大量的土工试验，在垃圾堆体进行稳定分析基础上， 对垃圾填埋场区的扩容可行性及其措施进行了探讨。 朱向荣谢新宇等【1 9 】通过对杭州天子岭废弃物填埋场的室内土工试验和原位测试等手 段对m s w 的性质进行了研究。 张季如、陈超敏【2 0 】对某填埋场取得的原状垃圾土样进行室内大尺寸直剪试验，分析影 响垃圾土抗剪强度参数的诸多因素，并给出利用旁压曲线推求强度指标的方法。 胡敏云、陈云敏、温振统1 2 l 】对垃圾土的压缩变形特性进行了研究，提出了控制填埋场 垃圾土的压缩性的方法。 冯世进、周子范、陈云敏等【2 2 】利用大型三轴剪力仪进行固结排水试验，得出m s w 的 黏聚力和摩擦角随着轴向应变的增加逐渐增大，摩擦角增长较为平缓，应变较大时达到峰值 的结论，并提出了两种典型城市固体废弃物成分的强度参数。 张振营、张明义、吴世吲2 3 】基于某垃圾填埋场的室内试验研究结果，利用图像程序对 模型参数进行了计算、修正，得出d u n c a l l c h a n g 模型与m s w 拟合得最好。 杨明亮、骆行文等f 5 】1 2 4 】通过垃圾土的室内土工试验、现场平板载荷试验以及边坡反分 析，对垃圾土的压缩特性、承载特性以及抗剪强度进行了研究，得出垃圾土具有高压缩性、 抗剪强度较高和承载能力较高等工程力学特性，并对在垃圾填埋场场地新建建筑物的基础 选型进行了研究。 4 河海大学硕十论文 第一苹绪论 国外学者l a v a z 啦i i a nsj r 、m a t a s o v in 【2 5 】根据己发表的现场废弃物初始密度和f a s s 吨 等给出废弃物压缩量，绘制了废弃物重力密度和埋深的关系曲线。 n e i ld i x o n ，d r u s s e uv j o n e s 【2 6 】对m s w 的工程性质进行了详细的描述，提供了m s w 的各项性质的参数、计算公式和图表。 n i n d r a s e n a j lt 1 1 u s y a i l t h a n ，s p g o p a lm a d a b h u s h i 等【2 7 】通过离心模拟实验，对m s w 的 容重、压缩性、剪切强度、粒度分布等性质进行了研究。 上述研究者对垃圾土的工程性质做了较多、较深入研究，但是由于垃圾土的特殊性， 各地垃圾土的差异性很大，因此研究每个填埋场都得独立进行试验研究。上述研究者所做 试验基本是室内试验，室内试验存在取样扰动、尺寸效应等多个问题，因此结合大型现场 试验将有助于更准确、更深入研究垃圾土的性质。相关文献中很少有关于封场填埋场中垃 圾土各项物理、力学性质的研究，由于封场垃圾土降解已进行了一段时问，其性质有其特 殊性。本文将采用现场试验、室内试验并结合数值模拟方法来研究封场垃圾土的各项工程 性质。 1 3 复合地基及研究现状 由于垃圾土性质复杂，垃圾填埋场地基有较大特殊性，在填埋场上部新建建筑物很少 有实质性研究，因此需要在填埋场上进行多种地基处理尝试，通过室内试验、现场试验来 研究每种地基处理方式对承载力提高的影响。复合地基在土木工程中得到很好运用，能够 提高地基承载力也能有效降低沉降，而且费用较低，本文将采用碎石桩、灰土桩等地基处 理方式，以观测地基处理效果。 1 3 1 复合地基概述 复合地基( c o m p o s i t ef o u l l d a t i o n ) 是软弱地基处理时常用一种技术，其适用性很广，几 乎可适用于所有软弱地基。复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强， 或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由天然地基土体和增强体两部分组成 的人工地基口引。 复合地基由于能够带来良好的社会效益和经济效益，所以在工民建、高等级公路、铁 路、机场、堤坝等土木、水利工程建设中得到广泛应用，取得良好的经济效益和社会效益。 复合地基充分利用天然地基和增强体共同承担荷载的潜能，且具有工艺简单、施工方便、 适用范围广等优点。随着技术发展也发展到多种形式的复合地基：碎石桩、水泥土桩、低 强度桩、土桩、灰土桩、加筋土地基等。目前复合地基已与浅基础和桩基础一起成为工程 中常用的三种地基基础形式。 复合地基包括水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基两类。竖向增强体复合地 基，也称桩体复合地基。龚晓南，根据竖向增强体的性质将复合地基分为三类1 2 9 j ： 5 河海人学硕士论文第一章绪论 1 ) 散体材料桩复合地基，如砂桩、碎石桩、矿渣桩等复合地基； 2 ) 柔性桩复合地基，如石灰桩、水泥上桩、低强度混凝上桩复合地基等； 3 ) 刚性桩复合地基，混凝上疏桩、小桩复合地基、c f g 桩等。 散体材料桩复合地基的桩体是由散体材料组成的，桩身材料没有粘结强度，必须依靠 周围土体的约束作用才能形成桩体。其承载力主要取决于散体材料的内摩擦角和周围地基 土体提供的桩侧阻力。 柔性桩复合地基的桩体刚度较小，但桩体具有一定的粘结强度，其承载力由桩体和桩 间土共同承担。 刚性桩复合地基主要是通过桩体的置换作用来提高地基的承载能力，由于桩体本身强 度较高，所以承载能力比散体桩、柔性桩复合地基提高很多。 目前，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基的判别还未取得统一认识。通常情况下，按 桩土相对刚度【3 0 】【3 1 1 的概念来区分柔性桩和刚性桩复合地基。 我国地域辽阔，工程地质条件千差万别，各地的施工机械条件、技术水平、施工人员 素质等也相差较大。在选用地基处理方法时应因地制宜、充分利用地方资源。复合地基 的适用范围见表1 4 。 表1 4 复合地基的适用范围 分类适用范围 散体 碎石桩松散地基、粉土、粘性土、杂填土、素填土等 振冲碎石桩砂性土、粉土、粉质粘土、杂填土、素填土等 材料 土桩、灰土桩湿陷性黄土、人工填土、非饱和粘土等 水泥土搅拌桩正常固结淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素 实体桩 粉体喷搅桩填土、粘性土以及无流动性地下水的饱和松砂 石灰桩饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、杂填土、素填土 夯实水泥土桩地下水位以上的粉土、杂填土、粘性土、素填土 其它 水泥粉煤灰碎石 粘性土、粉土和素填土等 桩、素混凝土桩 1 3 2 复合地基的研究现状 由于复合地基中增强体材料种类较多且作用机理各不相同，寻求统一的设计计算理论 是不可能的。工程建设需要使得各种新的地基处理方法应运而生，然而复合地基的理论远 落后于实践，相信随着研究的深入，各类复合地基的作用机理及设计计算理论会日趋成熟。 本文主要研究碎石桩、灰土桩复合地基对提高填埋场承载力的作用效果。 6 河海大学顾士论文 第一章绪论 1 3 2 1 碎石桩复合地基的研究现状 碎石桩复合地基与实体材料桩复合地基的传力机理不同。碎石桩没有粘结强度，它的 承载能力主要靠桩周土约束其侧向变形来提供的。由于土抵抗变形能力较小，对桩的约束 作用也很小，因此，随着荷载的增加，桩侧向变形也逐渐增大，使地基产生了较大的沉降。 因此采用碎石桩加固软土，受力区集中在距离桩顶4 倍桩径范围内，其地基承载力提高 为2 0 6 0 。碎石桩复合地基承载能力提高主要取决于以下三个方面：挤密效应、置换 效应、加速排水效应。在砂土地基中，挤密效应较为显著，在软粘土中桩主要起置换作用； 复合地基的置换作用随着置换率大小而变化，并且与桩体模量有关；在软粘土中，排水效 应使桩周土中水分通过桩体排出，加速了桩周土的固结，从而提高了复合地基的承载能力。 b r a 眦s 【3 2 】于19 7 8 年基于鼓胀破坏模式，根据极限平衡原理提出了碎石桩承载力计算方 法。m a d h i r a 【3 3 】根据对单桩破坏型式的不同假定，单桩承载力计算理论还有圆孔扩张理论， 考虑涂抹、尺寸效应等影响的计算式。 盛崇文【3 4 】【3 5 】【3 6 】【3 7 1 推荐用桩或土的荷载试验资料、置换率及按经验估计桩土应力比来 推算复合地基的变形模量，计算复合地基承载力、沉降量。 林孔锚【3 8 j 采用圆弧滑动法计算复合地基的极限承载力。 韩杰、叶书麟等【3 9 】在碎石桩加固软土现场试验中测得了刚性载荷板的地基反力分布， 并提出了由载荷试验确定碎石桩复合地基的桩土应力比方法。建议根据相同压板所产生的 相同沉降，分别从复合地基和天然地基荷载试验的p s 曲线求得桩土应力比。 张定4 0 】【4 l 】【4 2 1 根据桩土应力应变连续协调的原理提出了桩土变形模式，并建立了散体材 料应力比表达式及复合地基的沉降公式。张定论述了散体材料桩复合地基中桩体变形模量 与综合应力及竖向应变的关系，对群桩复合地基、单桩复合地基中载荷试验分别建立了桩 体变形模量计算公式。张定通过对碎石桩复合地基竖向及径向应力应变关系分析，提出了 桩土应力比公式及沉降计算方法，通过实例验证，达到了较好的计算效果。 刘杰、张可能【4 3 】以土力学的弹塑性理论为基础，分析了散体材料桩的塑性应力分布， 得出了单桩极限承载力和单桩复合地基的极限承载力计算公式。刘杰、张可能m j 在考虑桩 土相互作用的基础上，依据土体侧向变形协调及竖向变形相等等条件，应用弹性理论导出 了线弹性状态下桩体和桩周土的应力应变关系，得出桩体材料屈服时桩土应力比的计算 式，并利用摩尔一库仑屈服准则导出了桩周土处于极限平衡状态时，桩体与桩周土竖向变 形的表达式以及碎石桩极限承载力计算式。 刘杰、赵明华1 4 5 】基于双剪统一强度理论，通过弹塑性理论对碎石桩在竖向荷载作用下 的应力、应变状态下的弹塑性分析，探讨了权系数b 的取值方法。 邓修甫、刘新华等【4 6 】根据碎石桩复合地基在深度范围各自的工作性状和桩土变形的连 续协调特点，提出了复合地基沉降分3 段计算的方法，并建立相应的计算关系式。实际工 程沉降观测值与计算结果较为吻合。 何广讷【4 7 】在b r a u n s 方法的基础上，提出了近似考虑桩体和土体自重的计算方法。 7 河海大学顸十论文 第一章绪论 碎石桩复合地基的理论方法趋于成熟和完善，现行的碎石桩设计理论与计算方法主要 是针对土质较弱的地基和承载力较低的地基的。关于碎石桩在垃圾填埋场地基中应用的文 献很少，要深入研究就需要做大量现场试验，但是现场试验需要耗费较长时间和大量财力、 物力、人力，同时不可避免地产生误差，不能正确指导设计与施工。另外，现场试验往往 是对不同地质条件以及不同尺寸桩进行试验，所得的结果也只是适用于特定地区，很难推 广到其他地区。本文将在垃圾土的室内试验及碎石桩地基处理现场试验研究的基础上，结 合数值模拟方法去模拟现场试验。 1 3 2 2 灰土桩复合地基的研究现状 灰土桩属于柔性桩复合地基，其桩体效应不明显。灰土桩适用于处理湿陷性黄土、素 填土、杂填土及其它非饱和的粘性土等地基。 陆震亚【4 引、杨鸿贵h 9 1 对灰土的力学性能及灰土桩地基的机理及承载特性进行了较系统 的研究。 刘三仓【5 0 】对灰土桩的应力分布、桩间土承载力进行了试验研究，并提出了灰土桩复合 地基的承载力计算方法。 韩龙武、张俊德等1 5 l j 根据灰土桩的工作原理及土的基本物理性质提出了一种估算灰土 桩复合地基承载力的方法。 刘丽萍、黄义等1 5 2 j 采用半解析元法研究了柔性桩复合地基的加固效果，研究了场地采 用半解析方法分析复合地基的静载沉降问题。 周建【5 3 】根据桩与桩之间的相互作用因子叠加，提出了计算复合地基加固区沉降的一种 简单、实用的新方法其计算结果与边界元法等方法的计算结果吻合得很好，对柔性桩等均 适用。 韩晓雷、黄义【5 4 j 基于平面应变问题的假定前提，应用弹塑性理论，分析了灰土挤密桩 成孔过程中孔周土体的应力变化，建立了孔周土体有效挤密半径的计算公式。 灰土桩的承载机理、承载力、桩土应力比、变形计算理论已日趋完善，对灰土桩复合 地基荷载传递机理有了更深刻的认识。但灰土桩复合地基理论还存在一些问题有待解决， 如桩周负摩擦力的计算与分布规律，复合地基群桩的荷载传递规律，灰土桩复合地基在水 平荷载作用下工作性状，灰土桩的临界桩长以及含灰量对灰土桩工程性能的影响，考虑垃 圾土的特性和灰土桩的相互作用及承载力的发挥程度和作用效果等。本文将在垃圾土的室 内试验及灰土桩地基处理现场试验的研究的基础上，结合数值模拟方法去模拟现场试验。 1 4 本文的研究思路和主要工作内容 最近2 0 年来对垃圾填埋场的研究由浅入深。垃圾填埋场的成分很复杂，性质也随着时 间的推移而变化，而且每个垃圾填埋场垃圾土的性质都不尽相同，因此很有必要深入研究 8 河海大学硕上论文第一章绪论 垃圾填埋场的工程性质。对垃圾填埋场室内试验研究有很多学者做过，但是对封场垃圾填 埋场垃圾土性质及在封场填埋场上进行地基处理等方面的研究很少，结合前人的研究成 果，本文主要做以下几个方面工作： 1 ) 对玉龙坑垃圾填埋场垃圾土室内试验研究成果进行分析，包括测定经灰土桩、碎 石桩、沉管灌注桩地基处理前后垃圾土的密度、含水率、孔隙比、土粒比重、饱和度、摩 擦角、粘聚力等，比较经地基处理前后各组参数的变化，分析地基处理效果，并与其它垃 圾填埋场试验数据进行比较，为后续研究提供参考。 2 ) 对玉龙坑垃圾填埋场垃圾土现场试验研究成果进行分析，主要包括地基处理前平 板载荷试验、静力触探试验，经沉管灌注桩、灰土桩、碎石桩地基处理后的平板载荷试验、 静力触探试验等，分析各种地基处理对填埋场承载力及沉降的影响。 3 ) 结合非线性有限元软件a b a q u s ，对岩土工程常用的d u n c a n c h a f l g 县y 模型进行 二次开发，并对开发模型进行理论、三轴试验模拟效果、加载卸载、模拟精度等多方面验 证。 4 ) 对垃圾填埋场天然地基、沉管灌注桩、灰土桩、碎石桩等利用a b a q u s 进行模拟 研究，将模拟计算结果与现场测试结果做对比分析，同时对桩径、摩擦系数、置换率、载 荷板宽度、桩体弹模等影响因素进行模拟分析，为下一步填埋场载荷试验承载力特征值、 不同宽度载荷板对承载力特征值的影响及载荷试验最终沉降的影响等研究，提供合理的有 限元模型。 5 ) 利用塑性开展区、规范法来分析填埋场的承载力特征值。利用太沙基极限承载力、 魏锡克极限承载力、切线模量法等来确定填埋场极限承载力，并对各种方法得到的值进行 比较。 6 ) 现场载荷试验得到的垃圾填埋场承载力特征值与理论计算与a b a q u s 模拟得到的 承载力特征值进行比较。结合玉龙坑垃圾填埋场现场载荷试验与a b a q u s 模拟的载荷试 验，研究不同宽度载荷板对承载力特征值的影响及对载荷试验最终沉降的影响，给出玉龙 坑垃圾填埋场承载力建议值。 9 河海大学硕士论文 第二章垃圾填埋场室内试验、现场试验研究 第二章垃圾填埋场室内试验、现场试验研究 2 1 引言 卫生填埋法是处理城市固体废弃物最主要方法，由于对垃圾土的强度特性了解不多， 所以选择f 确的垃圾土物理、力学性质是垃圾填埋场设计、施工及封场后综合利用的基础。 垃圾土具有成分复杂多变、随时间变化较大等特性。垃圾土与一般意义上的土相比： 含有纤维状加筋成分、垃圾土含有大量可降解的有机物和其他可通过物理、化学或生物反 应进行分解的组分、垃圾填埋体发生的相对变形通常较大。这些特性均会对垃圾体的工程 力学性质产生很大影响。 本章将对己封场填埋场进行地基处理，结合垃圾土特性及不同地基处理方式进行室内 试验和现场试验研究。室内试验主要包括测定地基处理前后垃圾土的密度、含水率、孔隙 比、土粒比重、饱和度、摩擦角、粘聚力等；现场试验主要包括地基处理前平板载荷试验、 静力触探试验及地基处理后平板载荷试验、静力触探试验。经过地基处理前后试验数据对 比，比较各种地基处理效果的差异。 本章结合现场试验及室内试验进行填埋场地基处理效果研究。现场试验由于避免了如 室内试验取样的扰动及应力释放，所得的试验效果比室内试验好，更符合垃圾填埋场的特 性。本文将通过室内试验、现场试验，为封场垃圾填埋场提供全面、可靠的原始数据，以 期为填埋场的后续综合利用提供一定参考。 2 2 玉龙坑填埋场工程概况 玉龙坑垃圾填埋场位于深圳市罗湖、福田两区的北缘山地泥岗村北玉龙坑内。填埋场 所在地属于低丘问谷地，谷地由西向东缓慢倾斜，原坡度为2 5 0 ，宽约2 0 3 0 m ，标高 3 9 5 2 m ，除东南部开口外，四周均为低丘环绕，山坡平均坡度为3 0 3 2 0 ，相对高差为 3 5 5 6 0 m 。 填埋区土体类型主要为粉质土或粘性土，局部为砂质粘性土：呈褐黄、褐红夹灰、灰 白色，土质较均匀，稍湿，呈可塑一硬塑状态。目前填埋区内绝大部分是人工堆填土，包 括杂填土和素填土两类，其中杂填土为暗灰、灰黑色，主要由废布条、废塑料、腐木、砖 块等生活和建筑垃圾组成，结构杂乱，疏松，未固结，厚度3 4 1 5 8 m ；素填土则呈灰黄、 褐黄、夹灰白色，土质主要由含砂质粘性土央含少许风化岩块石或岩屑组成，干燥稍湿、 较密实，欠固结状态，厚4 1 6 5 m 。 作为深圳最早的垃圾填埋场之一，玉龙坑填埋场自1 9 8 3 年启用，相继进行了六次扩 建。在1 9 9 8 年2 月停止垃圾进场，采取了一系列工程措施和管理措施，主要包括覆盖、 l o 河海大学硕士论文第二蕈垃圾填埋场室内试验、现场试验研究 防渗、排洪、雨污分流并灌溉导排、填埋气收集利用和生态恢复等进行了封场工程。场区 占地面积约1o 万m 2 。玉龙坑填埋场15 年共填埋垃圾总量约约3 0 0 多万吨，垃圾总容量约 3 7 0 万m 3 ，加上填埋覆土总容量达4 7 0 万m 3 左右。玉龙坑垃圾填埋场历年填埋量见表2 1 ， 历年扩容情况见表2 2 ，玉龙坑垃圾填埋场主要接纳来自于罗湖和福田两区的垃圾，以生 活垃圾占主要成份。其中1 9 9 3 填埋垃圾的主要成份见表2 3 。 表2 1玉龙坑垃圾填埋场历年填埋垃圾量( 单位：万吨) 年份 1 9 8 31 9 8 41 9 8 51 9 8 61 9 8 71 9 8 81 9 8 919 9 0 填埋量( 万t ) 3 8 85 5 19 4 01 0 3 68 2 85 6 211 2 71 4 0 6 年份 1 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 7 填埋量( 万d 2 5 4 8 2 9 8 3 4 0 6 44 2 0 64 0 7 94 4 6 84 7 8 8 表2 2 玉龙坑垃圾填埋场六次扩容量 年份容量( 万m 3 ) 扩容前 1 9 8 38 o 一期 1 9 8 42 6 4 5 二期 1 9 8 82 8 3 = 期1 9 9 04 5 o 四期 1 9 9 27 0 0 五期 1 9 9 4 1 0 0 0 六期1 9 9 69 0 0 合计3 6 7 7 5 表2 3 玉龙坑垃圾填埋场19 9 3 年度垃圾成份含量 组分纸类织物塑料橡胶竹木厨余陶十金属玻璃含水率 l 比例( ) 8 53 5 71 0 7 35 1 94 7 1 62 1 o1 3 22 5 34 6 6 2 3 室内试验 室内试验是垃圾填埋场设计及封场后综合利用的基础，因此正确选择垃圾土的工程性 质对填埋场极其重要。由于垃圾填埋场填埋物成分、性质各异，工程性质很复杂，很难直 接获得参数，因此本章文将通过垃圾土的室内试验，测定玉龙坑垃圾土的密度、含水率、 孔隙比、土粒比重、饱和度、抗剪强度和压缩性等指标的变化范围，为封场卫生填埋场综 合工程评价提供参考。 2 3 1 垃圾土基本性质指标的室内试验研究 土的基本性质指标是评价土体工程性质的基础，是进行岩土工程、土木工程设计、施 工等不可缺少的依据。本文垃圾土基本性质指标包括垃圾土的密度、含水率、孔隙比、土 l l 河海大学顾十论文第二章垃圾填埋场室内试验、现场试验研究 粒比重、饱和度等 室内试样来自深圳玉龙坑填埋场，试样主要依据不同地基处理方法分别取样，取样深 度2 2 0 m ，每个样品不少于2 0 k ，用塑料袋密封，带回实验室测试各项指标并进行相应处 理，现场钻探1 5 孔。其中z k l z k 7 为地基处理之前钻探取样；z k 8 、z k l 2 是采用灌注 桩处理的试样，z k 9 、z k l 3 是采用灰土桩处理的试样，z k l o 、z k l 4 是采用碎石桩处理的 试样。 2 3 1 1 垃圾土的密度 密度是垃圾土工程性质中一项重要指标。垃圾土密度是进行工程设计的主要依据之 一。垃圾土密度