劉國強(qiáng)， 舒 實

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，南京 210098）

根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒［1］，我國垃圾產(chǎn)量巨大并保持著接近5%的增加速度，因而城市生活垃圾的處理成為城市發(fā)展亟需解決的重大問題.目前，衛(wèi)生填埋依然是處理生活垃圾的主要方式之一，而對于填埋場而言，其安全穩(wěn)定是巖土工作者們關(guān)心的重點(diǎn).一旦填埋場發(fā)生失穩(wěn)破壞，輕者會污染周邊環(huán)境，重者則會危及人們的生命財產(chǎn)安全.比如2005年2月21日，印尼萬隆市附近的Leuwigajah填埋場約270萬m3的垃圾填埋體發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成140多人死亡［2-3］.因此，衛(wèi)生填埋場的邊坡安全穩(wěn)定分析十分重要.

影響填埋場穩(wěn)定的因素之一是垃圾土自身的強(qiáng)度，已有專家學(xué)者針對不同工況下的垃圾土強(qiáng)度開展研究.例如Houston［4］、Mazzucato［5］、Zekkos［6-7］、Reddy［8-9］、Nayebi［10］、李修磊［11-12］等分別對人工配置的垃圾土進(jìn)行了各種工況下的直剪、靜三軸試驗，探究各因素對垃圾土強(qiáng)度變形特性的影響.在實際工程中，由于垃圾生化降解產(chǎn)氣，造成巨大的氣壓力，對填埋場安全穩(wěn)定構(gòu)成威脅，因此填埋場內(nèi)的孔壓分布對其穩(wěn)定性也有較大影響.目前，已有學(xué)者針對填埋場氣壓對填埋場的邊坡的影響進(jìn)行了理論分析［13-14］.居朦萌和施建勇［14］研究了滲濾液水位以下垃圾體產(chǎn)氣對孔隙壓力的影響.何海杰等［15-16］利用Geo-Studio軟件計算分析了填埋氣、滲濾液的分布對填埋場穩(wěn)定性的影響，并在現(xiàn)場對填埋場氣壓值進(jìn)行了測量.以上學(xué)者都通過計算表明填埋場內(nèi)氣壓降低了填埋場的安全系數(shù)，是誘發(fā)填埋場邊坡失穩(wěn)的重要影響因素之一.也有不少學(xué)者針對垃圾土進(jìn)行了相關(guān)的動力試驗研究，例如馮世進(jìn)［17］、張濤［18］、李麗華等［19］分別研究了垃圾土在地震荷載以及交通荷載下的動力特性.然而在填埋場運(yùn)行過程中，填埋體受到的動力擾動更多的是由產(chǎn)氣期間氣體運(yùn)移產(chǎn)生的，而針對產(chǎn)氣過程中對試樣產(chǎn)生的擾動的相關(guān)研究還比較罕見，因此十分有必要對填埋體在此種擾動下產(chǎn)生的變化進(jìn)行研究.

本試驗通過動三軸試驗裝置，在K0固結(jié)完成后采用加載動圍壓的方式模擬填埋場氣體運(yùn)移經(jīng)過填埋體時對土樣的擾動，進(jìn)而觀察試樣軸向應(yīng)變及內(nèi)部孔隙水壓的發(fā)展情況.通過對垃圾土施加不同的有效圍壓、循環(huán)應(yīng)力比以及加載頻率，分析該三個因素對垃圾土的影響，為完善填埋場邊坡穩(wěn)定奠定理論基礎(chǔ).

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

本試驗采用英國GDS公司生產(chǎn)的型號為MAXDYN的伺服電機(jī)控制的動三軸試驗系統(tǒng)（見圖1），該系統(tǒng)由主機(jī)、數(shù)采系統(tǒng)、壓力控制器以及壓力室組成，最大加載頻率10 Hz，軸向最大動出力為10 kN，側(cè)限壓力為0～2 MPa，反壓為0～2 MPa，最大允許軸向位移為100 mm.該儀器可以適時監(jiān)視實驗過程，并記錄、儲存實驗過程中的軸向力、應(yīng)變和孔隙水壓力.另外該儀器通過油壓施加動圍壓，不但能夠單獨(dú)控制動偏應(yīng)力與動圍壓的幅值，而且能夠通過自定義波形改變動偏應(yīng)力與動圍壓的相位差，從而實現(xiàn)各種幅值及相位差條件下循環(huán)偏應(yīng)力與循環(huán)圍壓的耦合，可以充分滿足試驗所需的加載條件.

圖1 GDS變圍壓動三軸系統(tǒng)Fig.1 GDS variable confining pressure dynamic triaxial system

1.2 試樣制備

為了保證垃圾土試樣的均勻性，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）［20］采用人工配樣的方式制樣，其配比方案見表1所示.為了避免原狀土樣結(jié)構(gòu)的差異性對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，且為了使試樣在試驗開始前具有相同的初始狀態(tài)，廢棄物分別按照設(shè)計比例配置并攪拌，待試樣充分?jǐn)嚢杈鶆蛑?，將試樣分?等份在飽和器內(nèi)進(jìn)行分層擊實至指定高度，為了避免試樣脫模之后出現(xiàn)分層現(xiàn)象，在每層擊實完畢之后需對試樣進(jìn)行刮毛.試樣的直徑為50 mm、高度為100 mm，初始含水率為50%，孔隙比為2.0，干密度為0.66 g/cm3.

表1 人工配置垃圾土樣的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 The dry weight mass percentage of artificial waste soil samples

試樣制備完成后將其放入真空缸內(nèi)進(jìn)行抽氣飽和，抽氣時間不少于1.5 h，然后將清水注入真空缸內(nèi)并浸泡24 h備用.試驗時，首先將橡皮膜套在承膜筒上，進(jìn)行底座排氣.然后將試樣從飽和器內(nèi)取出裝入承膜筒內(nèi)，在試樣的上下兩端放入透水石，然后將試樣放在壓力室的底座上并安裝試樣帽，在底座和試樣帽上將橡皮膜用橡皮筋扎緊，防止漏水.安裝壓力室，采用反壓飽和的方式進(jìn)一步進(jìn)行飽和處理，檢測到試樣的b值達(dá)0.95及以上時，認(rèn)為試樣達(dá)到飽和.標(biāo)準(zhǔn)砂試樣則完全按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）中提到濕法制樣的方式制備.

1.3 試驗過程

圖2 動三軸加載波形Fig.2 Dynamic triaxial loading waveform

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 垃圾土試樣孔壓發(fā)展變化規(guī)律

不同加載條件下所對應(yīng)的試樣的累積超孔壓與加載次數(shù)N的關(guān)系曲線見圖3，對其進(jìn)行分析可以將試樣的超孔壓發(fā)展規(guī)律分為三個階段：①快速增長階段，試樣在振動開始前的孔隙相對較大，當(dāng)振動開始時試樣內(nèi)部的孔隙迅速減小，此時垃圾土試樣內(nèi)部的超孔隙水壓力快速增長.②增長變緩階段，初始加載階段過后，試樣間的孔隙被進(jìn)一步的壓縮填充，此時繼續(xù)施加動載，試樣內(nèi)部的孔隙繼續(xù)緩慢變小，試樣的超孔隙水壓力發(fā)展也逐漸變緩.③孔壓穩(wěn)定階段，隨著動荷載的進(jìn)一步施加，試樣內(nèi)部的孔隙基本被填滿，此時繼續(xù)施加動荷載對試樣內(nèi)部的孔隙基本不再產(chǎn)生影響，所以試樣的超孔隙水壓力不再隨振動次數(shù)的增加而增長并且基本保持不變.

從圖3（a）、（b）、（c）可以看出，不同的影響因素對試樣產(chǎn)生不同的影響.由圖3（a）可知，加載頻率對試樣孔壓的影響總體體現(xiàn)為頻率越低，試樣的累積超孔隙水壓力越大.在加載前期，頻率對孔壓發(fā)展規(guī)律的影響并不明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同試樣的累積孔壓值的差別越來越大，各組試樣頻率對累積孔壓的影響逐漸顯現(xiàn)，最后試樣內(nèi)部的孔壓趨于穩(wěn)定值.由圖3（b）可知，試樣內(nèi)部的累積超孔壓值隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大而增大，且各組試樣之間的區(qū)別在加載初始階段就十分明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最終各組試樣的超孔隙水壓力趨于穩(wěn)定.由圖3（c）可見，試樣內(nèi)部最終的穩(wěn)定超孔壓值隨著固結(jié)壓力的增大而增大.

表2 變圍壓動三軸試驗加載方案Tab.2 Loading scheme of dynamic triaxial test with variable confining pressure

圖3 各加載因素對試樣對孔壓的影響Fig.3 Influence of loading factors on pore pressure of sample

2.2 垃圾土試樣軸向應(yīng)變發(fā)展變化規(guī)律

不同加載條件下的垃圾土樣的軸向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律見圖4.由圖4可見，試樣的軸向應(yīng)變的發(fā)展可以劃分為兩階段.在初始加載階段，試樣的軸向應(yīng)變表現(xiàn)為軸向拉伸，這是由于在加載時為了消除施加的動圍壓對軸向的影響，在試樣的軸向施加了一個負(fù)的半正弦波，相當(dāng)于在軸向給試樣進(jìn)行了卸載，試樣的軸向拉伸在很短的時間內(nèi)達(dá)到最低點(diǎn)；在繼續(xù)加載階段，試樣呈現(xiàn)出被壓縮的趨勢，開始時軸向應(yīng)變的發(fā)展速率相對較大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，發(fā)展速率逐漸減小，最后試樣的軸向應(yīng)變趨于穩(wěn)定.

加載頻率對試樣軸向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響如圖4（a）所示，隨著加載頻率的降低，試樣的滯后效應(yīng)逐漸減弱，由于軸向卸載引起的試樣的軸向應(yīng)變在每個周期內(nèi)能得到充分回彈，因此試樣在初始加載階段產(chǎn)生的軸向拉伸應(yīng)變隨著頻率的降低而增大，軸向拉伸達(dá)到最大值之后，繼續(xù)加載，試樣出現(xiàn)被壓縮的趨勢，同樣由于頻率對滯后性的減弱，試樣最終的壓縮量隨著頻率的降低而增大，且頻率對軸向應(yīng)變的影響在第二階段更大.因此試樣最終穩(wěn)定時的軸向應(yīng)變隨著頻率的降低為增大.

循環(huán)應(yīng)力比對試樣軸向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響見圖4（b），循環(huán)應(yīng)力比越大，為了保持試樣的軸向力不變，試樣在軸向受到的卸載力就越大，因此試樣產(chǎn)生的軸向回彈量也就越大.隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，試樣逐漸被壓縮，最終試樣穩(wěn)定時的軸向應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比的增大而減小.

固結(jié)圍壓對試樣軸向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響見圖4（c），在不同的固結(jié)圍壓下，試樣前期產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變基本相同，即固結(jié)圍壓對試樣前期的拉伸應(yīng)變基本不產(chǎn)生影響.隨著加載次數(shù)的增加，固結(jié)圍壓對軸向應(yīng)變的影響逐漸顯現(xiàn).由于固結(jié)圍壓對試樣剛度的影響，固結(jié)圍壓越大，試樣的剛度也就越大，僅需要很小的應(yīng)變變化，試樣的應(yīng)力水平便能達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)，因此最終試樣穩(wěn)定時的軸向應(yīng)變隨著固結(jié)圍壓的增大而減小.

圖4 不同加載條件對試樣軸向應(yīng)變的影響Fig.4 Influence of different loading conditions on axial strain of specimen

2.3 兩種試樣的孔壓及軸向應(yīng)變發(fā)展變化規(guī)律對比

在相同的加載條件下，砂樣和垃圾土樣的超孔壓和軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律見圖5.和砂樣相比，由于垃圾土試樣含有較多的加筋相，有效地阻止了試樣內(nèi)部的顆粒在加載過程中的錯動和滾動，即便在相同的加載條件下，垃圾土試樣內(nèi)部的超孔壓發(fā)展要比砂樣的小得多.由于砂樣的回彈特性要比砂樣的小得多，因此在軸向產(chǎn)生的應(yīng)力卸載并不會引起試樣軸向應(yīng)變的明顯變化，由圖5（b）可見，砂樣的軸向應(yīng)變基本呈現(xiàn)直線發(fā)展，與垃圾土樣的軸向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律有明顯的區(qū)別，而且在循環(huán)次數(shù)足夠多的情況下，砂樣的軸向應(yīng)變可以達(dá)到5%的破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)［21］.

圖5 不同試樣的孔壓及軸向應(yīng)變發(fā)展對比Fig.5 Comparison of pore pressure and axial strain development of different samples

3 結(jié)論

本文針對加載頻率、循環(huán)應(yīng)力比、固結(jié)圍壓等三種不同的加載因素對垃圾土展開動三軸試驗，研究不同的加載因素對試樣超孔壓以及軸向應(yīng)變的影響，并將相同加載條件下垃圾土試樣和砂樣的孔壓及軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律做對比.對試驗結(jié)果進(jìn)行分析后得出如下結(jié)論：

1）垃圾土試樣的孔壓發(fā)展規(guī)律基本可以劃分為快速增長、增長變緩和趨于穩(wěn)定三個階段，同時其孔壓發(fā)展受加載頻率、循環(huán)應(yīng)力比、固結(jié)圍壓的影響較大，試樣穩(wěn)定時的超孔壓值隨著頻率的降低而增大，隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大而增大，隨著固結(jié)圍壓的增大而增大.

2）不同的加載因素對試樣軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律產(chǎn)生的影響也不盡相同.頻率越低，由試樣滯后性產(chǎn)生的影響就越小，試樣產(chǎn)生的軸向應(yīng)變就越大.同時又由于試樣本身較大的回彈特性，循環(huán)應(yīng)力比越大，試樣產(chǎn)生的回彈就越大，最終穩(wěn)定時的軸向應(yīng)變壓縮量反而更小.因為試樣的剛度受固結(jié)圍壓的影響，固結(jié)圍壓越大，剛度越大，試樣在動載情況下產(chǎn)生的應(yīng)變就小.

3）由于垃圾土樣含有較多的加筋相，砂樣和垃圾土樣的發(fā)展規(guī)律有明顯的區(qū)別，不能簡單采用砂樣在動荷載條件下的超孔壓和軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律衡量垃圾土試樣，宜采用符合垃圾土自身的衡量標(biāo)準(zhǔn)，降低工程計算中的誤差.