垃圾土大尺寸平板載荷試驗與變形特性

崔夢麟，李煥兵，胡勝剛，張啟培

(1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，武漢 430070；2.武漢市市政建設集團有限公司 隧道工程公司，武漢 430050；3.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市的快速擴張，原有垃圾填埋場已位于城市當中，勢必要對其進行改造。在城市垃圾填埋場上覆蓋土層，將其改造處理為城市公園是目前的趨勢。經(jīng)過改造，垃圾填埋場將蛻變?yōu)楦邩藴食鞘猩鷳B(tài)公園。改造以原位治理工藝進行生態(tài)修復，修復后在垃圾場上覆土堆山造景，建設高標準的城市公園；通過生態(tài)修復與新科技環(huán)保手段創(chuàng)造新景觀，實現(xiàn)“垃圾變黃金”的理想，短時間內消除垃圾場的環(huán)境污染隱患，滿足后續(xù)城市公園建設的要求，實現(xiàn)土地再利用。而覆蓋一定厚度土層，形成假山景觀，獲得其準確的承載力與變形規(guī)律對后續(xù)的大面積填筑土方進行堆山造景及安全運營具有十分重要的意義。

許多學者對垃圾土的工程性質做了大量的研究。衡濤等[1]對蘭州地區(qū)某工程垃圾地基土進行了表層開挖、灰土緊密和換填夯實的綜合技術處理，利用原位現(xiàn)場靜載荷試驗，得到了垃圾土處理前后的變形性能、承載力和變形機理。雷華陽等[2]對建筑垃圾堆填工程進行了現(xiàn)場載荷試驗和堆填過程中土壓力、沉降、孔隙水壓力等監(jiān)測，提出了利用建筑垃圾進行地基處理的方法。趙瑜等[3]結合重慶的填埋場，對陳垃圾土的工程力學性質進行試驗研究，得出陳垃圾土是具有一定的結構，但結構性很弱的土體；同時探討了陳垃圾土有機物纖維、土體顆粒對陳垃圾土的黏聚力和內摩擦角的影響。蔣善超等[4]對衛(wèi)生填埋場封場的陳垃圾土進行現(xiàn)場載荷試驗和數(shù)值模擬，結果表明，荷載較小時陳垃圾土壓縮性較高，但隨荷載增加纖維組分起到加筋作用，承載性能反而有所提高。顧成權[5]通過邊長為1 m的方形板平板載荷試驗對滬昆客運專線線路沿線粉土地層進行試驗，并與室內試驗及靜力觸探測試數(shù)據(jù)進行對比，為該地區(qū)粉土地層上的路基沉降計算提供了力學參數(shù)。Sun等[6]基于經(jīng)典土力學中城市生活垃圾填埋場的沉降機理和應力-應變關系，提出了荷載、蠕變與生物降解的聯(lián)合作用，獲得了荷載、蠕變與生物降解下屈服面應力增量的表達式。Yang等[7]通過平板載荷試驗研究了巖壩基軟弱層在長期荷載下的變形機理，準確地獲得了載荷試驗的變形-時間曲線。Zhang等[8]在凍土區(qū)進行平板載荷試驗研究荷載作用下的地基長期變形，結果表明，載荷為0.25 MPa時，變形呈階梯狀，變形過程中觀測到的沉降量受地表溫度和冰量的影響較大。楊明亮等[9]對武漢市金口垃圾填埋場內擬建大型垃圾中轉站處垃圾土進行了室內土工試驗、現(xiàn)場平板載荷試驗，其平板載荷試驗采用0.707 m×0.707 m的剛性載荷板，3處試驗點的垃圾土承載力特征值離散性很大，最小值與最大值相差達4倍。根據(jù)規(guī)范要求，不能取平均值作為該土層地基承載力特征值。由于垃圾土構成的不均勻，其工程性質變化范圍大，通過室內試驗難以對現(xiàn)場的垃圾土進行準確評價。常規(guī)小尺寸承壓板可以只反映周邊小范圍且淺深度土層的承載力和變形特性的特點。因后續(xù)的堆填改造工程面積大且填方高，對垃圾土層的影響范圍廣且深度大。大尺寸承壓板載荷試驗更能反映垃圾土層的承載力和變形特性。因此，采用大尺寸承壓板載荷試驗對垃圾土層的整體變形性能進行試驗研究，對于垃圾填埋場工程具有更加重要的參考價值。

2 大尺寸平板載荷試驗

2.1 場地概況

試驗場地位于洪山區(qū)和平鄉(xiāng)白馬洲村及北洋橋村轄區(qū)內，整個場地面積約0.373 km2，場地沿線地貌單元為長江Ⅱ級階地和Ⅲ級階地過渡地段，屬亞熱帶季風氣候。垃圾填埋場于1989年啟用，原設計規(guī)模為400 t/d，其高峰時的垃圾進場量曾一度高達1 500 t/d。由于垃圾場運行時間較長，堆積厚度高達23.3 m，雜色，呈松散狀，主要由廚渣、紙張、塑料、橡膠皮革、紡織纖維、木質雜草等有機物垃圾和建筑垃圾等無機物垃圾組成。

2.2 試驗點確定

本次試驗共設置2個試驗點，均處于主要堆填范圍內。根據(jù)地質勘察結果可知，載荷試驗點地層分布從上到下分別為上覆蓋黏土、垃圾土及黏土。試驗點中心位置勘察孔地質剖面圖見圖1。

圖1 試驗點中心位置地質剖面圖Fig.1 Geological profile of test points

試驗時清除表層覆蓋黏土，考慮到垃圾土層厚度方面的代表性，結合現(xiàn)場實際工況，針對地層分布情況選擇2處有典型代表性的試驗點垃圾土深度均為20 m左右，可代表堆填范圍內垃圾土的厚度分布。

2.3 試驗方案

試驗設備、載荷板采用正方形鋼板(邊長D為4 m)，鋼板厚0.1 m。利用壓重平臺反力裝置加載，平臺壓重采用長條狀混凝試塊。大尺寸承壓板加載對堆載體重心和鋼梁的要求較高。因此在載荷板上搭設鋼梁平臺，控制好堆載體的重心，堆載平臺見圖2。由于采用分級堆載，堆載操作具有一定的安全隱患，在堆載過程中應對載體進行變形監(jiān)控，確保堆載的穩(wěn)定性。每一級加載完后根據(jù)沉降穩(wěn)定觀測情況進行下一步加載。

圖2 7 200 kN堆載平臺Fig.2 Stacking platform with a load of 7 200 kN

2.4 加載系統(tǒng)與加載方法

垃圾土層厚度高達23.3 m，在大荷載的作用下將產(chǎn)生較大壓縮變形，常規(guī)千斤頂量程已不能滿足試驗需求，為確保試驗順利進行，此次試驗的加載系統(tǒng)由2臺630 t的千斤頂組成，千斤頂頂在主梁上，主梁上鋪設次梁，次梁擱置在支墩上，并上部鋪設鋼板，形成堆載平臺。加荷按照1 200、1 800、2 400、3 000、3 600、4 200、4 800、5 400、6 000、6 600、7 200 kN進行分級，共11級；對應承壓板的壓應力分別為75.0、112.5、150.0、187.5、225.0、262.5、300.0、337.5、375.0、412.5、450.0 kPa。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[10]進行現(xiàn)場大型平板載荷試驗。

2.5 監(jiān)測點布置和觀測方法

本次進行的4 m×4 m大型載荷試驗，在每個載荷測試點布置分層沉降孔5個，深層位移測孔4個，表面沉降標16個，監(jiān)測點布置如圖3所示。載荷試驗變形點布置和觀測方法如下：

圖3 監(jiān)測點布置示意圖Fig.3 Layout of monitoring points

(1)載荷板沉降：在載荷板的4個角點上布置豎向位移測點。對4個測點的豎向位移進行觀測，取4個角點的平均值為載荷板的沉降，得到加載過程中載荷板的沉降。

(2)表面變形：在載荷板四周附近埋設表面變形標，四周每邊各布置4個，間距為2 m，共布置16個測點，位于載荷板外側的中心斷面上。觀測施加荷載的過程中，載荷板周邊垃圾土體表面的變形情況。

(3)分層沉降：在載荷板下布置1孔分層沉降孔，并在載荷板東西兩側各布置2孔，距載荷板分別為1 m和3 m；1#試驗點和2#試驗點的分層沉降測試深度均為25 m。分層沉降測點沿孔深方向每2 m布置分層沉降磁環(huán)1個。查明載荷板及周邊垃圾土層在不同深度處受荷載后的變形情況。

(4)深層水平位移：在承壓板東西兩側各布置深層水平位移觀測(測斜)孔2個，距載荷板邊的距離分別為1 m和3 m；試驗點的深層位移孔埋設深度為25 m。監(jiān)測荷載施加過程中，垃圾土體的水平位移變化情況。

3 試驗結果分析

3.1 P-S曲線

兩個試驗點的P-S曲線如圖4所示。從圖4可知，垃圾土的P-S曲線的形態(tài)可以分為3個階段。在荷載75.0 kPa以內時，載荷與沉降呈線性增加，為線性變形階段；隨著載荷的增大，荷載與沉降曲線的斜率逐漸增大，現(xiàn)場觀測到板邊緣處土體開始發(fā)生了剪切破壞，垃圾土體內部產(chǎn)生塑性變形；當荷載的進一步增加到375.0 kPa時，垃圾土體發(fā)生較大變形時，變形急劇增加且無法穩(wěn)定，垃圾土體發(fā)生破壞，表現(xiàn)為沖剪破壞。根據(jù)P-S曲線的形態(tài)可知，垃圾土層地基的極限承載力約為375.0 kPa。從圖4的P-S曲線圖中的拐點(土的破壞點)可明顯得出土體破壞時的沉降量(縱坐標)>100 mm。

圖4 試驗點的P-S曲線Fig.4 P-S curves of two test points

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[10]和《建筑地基基礎檢測技術規(guī)范》(JGJ 340—2015)[11]，結合現(xiàn)場試驗和文中公式(1)可得兩個載荷試驗點的變形模量分別為8.80 MPa和10.78 MPa，故得出試驗場地內垃圾土變形模量為8.80～10.78 MPa。

(1)

式中：E0為變形模量；I0為承壓板的形狀系數(shù)，方形承壓板為0.886；μ為泊松比,取0.4；d為承壓板直徑或邊長(m)；P和S為曲線線性段內的壓力(kPa)和對應的沉降(mm)。

3.2 表面沉降與分層沉降

1#試驗點東西方向表面變形標沉降曲線如圖5所示。

圖5 1#試驗點東西方向表面標沉降曲線Fig.5 Surface settlement curves along east-west direction in test point 1

垃圾土在矩形載荷作用下沉降呈盆形，表面沉降影響范圍可達到和超過6 m(1.5D)的范圍。隨著施加荷載的增大，表面沉降急劇增加。當荷載達到破壞荷載375 kPa時，載荷板下的表面沉降達到100 mm以上，試驗點垃圾土體破壞時最大沉降量均達100 mm以上。1#試驗點南北方向載荷板下的表面沉降為127.9 mm，2#試驗點南北方向和東西方向載荷板下的表面沉降分別為102.2 mm和104.5 mm。超過破壞荷載后，沉降進一步急劇放大，地基處于失穩(wěn)狀態(tài)。1#試驗點南北方向及2#試驗點表面沉降規(guī)律相似。表面沉降規(guī)律與欒光日等[12]研究結果相似，距離中心越遠，沉降越小，并呈現(xiàn)盆狀。

圖6為1#試驗點載荷板下、距載荷板1 m和距載荷板3 m處土體的分層沉降曲線。

圖6 1#試驗點分層沉降曲線Fig.6 Layer-wise settlement curves of test point 1

從圖6(a)可以看出，隨著荷載逐步增加，深層土體的沉降也逐漸增加，當土體破壞時，變形影響的深度可達2D以上，約為10 m，變形影響深度可達10 m(2.5D)；在相同荷載下，沉降隨著深度的增大而變小。分層沉降規(guī)律與欒光日等[12]研究結果相似，相同載荷時距離表面越遠，沉降越小。對比圖6(b)和圖6(c)可知，載荷板周邊垃圾土體也有一定沉降。隨著離載荷板的距離增加，分層沉降變小，且沉降影響深度減小，與土壓力擴散理論相符。

3.3 深層水平位移

1#試驗點距載荷板1 m和3 m處土體的深層水平位移曲線如圖7所示。

圖7 1#試驗點深層水平位移曲線Fig.7 Deep horizontal displacement curves of test point 1

圖7反映了垃圾土層在豎向荷載作用下的側向擠出變形。垃圾土可以看成由固體顆粒和纖維組成。其中，固體顆粒是垃圾土中的顆粒狀成分，同普通土體一樣具有摩擦材料的性質，纖維是垃圾土中的塑料和紡織品等纖維狀成分，在受到荷載時，纖維可以增強土體的強度和變形能力[3]。由于垃圾土中的纖維作用，板下的表層土體深層水平位移受到纖維的拉力作用，向板的方向移動。隨著深度的增加，側向擠出變形開始發(fā)揮，水平位移開始增加，最大值出現(xiàn)在深度5 m(1.25D)附近。在破壞荷載375.0 kPa作用下，距載荷板1 m和3 m處土體水平位移峰值分別為7.34 mm和2.97 mm；隨著深度的增加，垃圾土體產(chǎn)生的沉降逐漸變小，垃圾土體產(chǎn)生的水平位移也逐漸變小。

4 結 論

本文通過在垃圾填埋現(xiàn)場進行大型平板載荷試驗，獲得了垃圾土層的承載力和整體變形特性，根據(jù)現(xiàn)場試驗，得出主要結論如下：

(1)現(xiàn)場試驗以大型平板載荷試驗與表面標變形沉降、深層水平位移、分層沉降監(jiān)測相結合，獲得垃圾土整個試驗過程的承載力和變形特性，可供類似的工程項目借鑒參考。

(2)對于本次載荷試驗垃圾填埋場中的垃圾土層，在施加的荷載作用下，荷載-沉降(P-S)曲線分為線性變形、塑性變形、破壞3個階段。載荷板周邊的垃圾土體無顯著的隆起變形，土體的破壞模式表現(xiàn)為沖剪破壞，但區(qū)別于一般的沖剪破壞，載荷板周邊1.5D范圍內的垃圾土體都產(chǎn)生了不同程度的表面沉降，載荷板周邊的垃圾土體內有較小的橫向水平位移。

(3)根據(jù)現(xiàn)場試驗測得場內垃圾土層變形模量為8.80～10.78 MPa，極限承載力約為375 kPa，兩個試驗點垃圾土體破壞時最大沉降均達100 mm以上，在受荷下具有大變形的特征，變形影響深度可達10 m(2.5D)。