摘 要：為探究垃圾填埋場內腐殖土的土工特性隨填埋深度的變化規(guī)律，以陳舊型垃圾填埋場內不同填埋深度的腐殖土為研究對象，采用室內試驗和理論分析相結合的方法研究腐殖土的理化性質和力學性質。研究結果表明：隨著填埋深度的增加，陳腐垃圾中腐殖土的占比以及顆粒級配、有機質含量、比重和浸出液pH 值等理化性質均發(fā)生變化，進而影響腐殖土的抗壓強度、抗剪強度、飽和滲透性和壓縮性等力學性質。研究結果為腐殖土的資源化利用提供了理論參考。

關鍵詞：腐殖土；生活垃圾填埋場；理化性質；力學性質；填埋深度

中圖分類號：X 705 文獻標志碼：A 文章編號：1008-0562（2024）01-0001-09

0 引言

陳舊型垃圾填埋場的修復與資源化利用已成為中國生態(tài)文明建設的重要戰(zhàn)略需求。經過若干年的生化降解，填埋場內的垃圾土逐漸演化成腐殖土，在此過程中產生的填埋氣體和滲濾液對周邊土壤、水和大氣造成極大的污染風險，開展填埋場開采和腐殖土再生可行性研究具有重要的現實意義[1-3]。填埋場開采是指對已封場或在役填埋場中的陳腐垃圾進行開挖、篩選處理和分質利用[4-5]。陳腐垃圾經開采處理后可分為輕質可燃材料、建筑材料、可回收材料和腐殖土[1，6]。眾多研究表明， 腐殖土含量占填埋場內陳腐垃圾總量的45%～80%（質量分數）[7-10]，是填埋場開采的主要組成部分，因此開展腐殖土的土工特性試驗，研究其回收和再利用的可行性是提高填埋場開采經濟效益與社會效益的關鍵。

目前，國內外關于腐殖土的研究主要集中在其理化性質方面。郭亞麗等[11-12]最早提出填埋場開采并測定了腐殖土有機質含量、pH 值、總氮、磷含量等化學性質。袁京等[13]、鄭康琪等[14]分別分析了不同粒徑和填埋齡期對腐殖土含水率、pH值、總氮、磷、鉀和重金屬含量等理化性質的影響。ZHOU 等[15-16]、MASI 等[17]分析了填埋場開采的經濟可行性，并在此基礎上分別對粒徑小于等于2 mm 和小于等于4 mm 的腐殖土進行理化性質研究和種植試驗，研究發(fā)現，與天然土壤相比腐殖土養(yǎng)分更高，可作為觀賞性植物的栽培肥料。近年來，部分學者對腐殖土開展了一些力學性質的研究，從重金屬、有機質含量等角度分析了腐殖土作為回填材料的可行性[18-19]。DATTA 等[19]對腐殖土和天然土壤進行擊實和直接剪切試驗，通過對比提出腐殖土可以作為填埋場的日覆蓋材料，腐殖土中有機質含量偏高，因此作為回填材料使用前先作進一步處理。SONG 等[20]通過對韓國某填埋場內有機質含量不同的兩組腐殖土進行擊實、壓縮和直接剪切等力學試驗，分析了有機質含量對腐殖土力學性質的影響。

由于高有機質含量以及重金屬和可溶鹽浸出等污染風險限制了腐殖土作為工程回填材料的資源化利用，關于其力學特性的研究較少，且研究性質較為分散。深入分析填埋深度對腐殖土理化性質和力學性質的影響，對促進腐殖土的資源化利用意義重大。以國內陳舊型垃圾填埋場內的腐殖土為研究對象，采用土工試驗方法，對不同填埋深度的腐殖土進行試驗研究，分析其理化性質和基本力學性質與填埋深度之間的變化規(guī)律，以期為腐殖土的回收和再利用提供基礎力學參數。

1 試驗材料與方法

1.1 取樣和預處理

試驗所用腐殖土取自深圳市某陳舊型垃圾填埋場，填埋齡期為15～25 a。將不同填埋深度的陳腐垃圾分3 組挖掘，充分混合均勻后進行晾曬、人工挑揀、粗篩、振篩機細篩，以及用烘箱（60 ℃）烘干至恒重，得到粒徑小于等于2 mm的腐殖土樣本，見圖1，腐殖土樣本信息見表1。按四分法取20 kg 混合均勻的陳腐垃圾，測定其物理組成和腐殖土含水率（質量分數）。

1.2 試驗方法

對不同填埋深度腐殖土的理化性質和力學性質進行測定，測試方法與參考標準見表2，其中力學性質是在試樣處于最大干密度和最優(yōu)含水率條件1 下進行測定的。

2 試驗與結果分析

2.1 陳腐垃圾的物理組成

確定填埋場內陳腐垃圾的物理組成，可為填埋場開采和資源化利用的成本效益分析提供參考。圖2 為不同填埋深度的陳腐垃圾中各組成分占比，縱坐標表示地下埋深為負值。由圖2 可知，陳腐垃圾的物理組成以腐殖土為主，其占比隨填埋深度的增加由58.42%增至69.07%，其次是塑料、織物和草木等輕質可燃材料，總占比為20.78%～26.56%，礫石等建筑材料占比為7.7%～11.59%，金屬和玻璃等可回收材料的總占比為2.13%～ 3.24%， 其他無法辨別的物質占比為0.08%～0.19%，這與FENG 等[22]對老港垃圾填埋場內的陳腐垃圾進行物理組分試驗的結果一致。

2.2 理化性質分析

（1）顆粒分析

3 組不同填埋深度腐殖土試樣的粒徑分布曲線見圖3。

由圖3 可以看出，隨著填埋深度的增加，腐殖土的細粒含量增多，土顆粒粒徑呈減小趨勢。試驗腐殖土樣本的粒組含量變化較為明顯，隨著填埋深度的增加，腐殖土中黏粒（粒徑為小于0.005 mm）含量由1.62%增至7.57%，粉粒（粒徑為0.005～0.075 mm）含量由16.01%增至20.33%，砂粒（粒徑為0.075～2 mm）含量由82.37%減至72.10%，其有效粒徑由0.027 mm 減至0.009 mm，減小幅度為66.67%。產生上述現象有以下原因：一是由于填埋深度與填埋齡期成正比，隨著填埋齡期的增加可降解物質的生化降解作用和巖土顆粒的風化作用更充分，使得腐殖土的粒徑減小[6]；二是粒徑和比重較小的土顆粒會隨滲濾液向填埋場底部遷移，導致底部細粒含量增加[4]。根據《土的工程分類標準》（GB/T 50145—2007），本文腐殖土屬于黏土質砂（SC）。

顆粒級配是影響巖土材料力學性質的主要因素之一。鄭康琪等[14]、MONKARE 等[8]以及本文對不同填埋場內腐殖土的顆粒級配試驗結果見表3。由表3 可知，本文3 組不同填埋深度腐殖土的不均勻系數Cu為27.19～45.44，曲率系數Cc為2.25～2.65，屬于顆粒級配良好土，用作工程回填材料時，比較容易獲得較大的密實度。隨著填埋深度的增加，3 個填埋場腐殖土的不均勻系數均呈增大趨勢，曲率系數均呈減小趨勢。由于本文（深圳某填埋場）、浙江某填埋場[14]腐殖土的不均勻系數均明顯大于芬蘭某填埋場[8]，因此采用國內的垃圾填埋場腐殖土作為工程回填材料更具優(yōu)勢。

（2）宏觀、微觀形貌和化學成分

腐殖土的宏觀、微觀形貌見圖4。由圖4（a）可知，過篩后的腐殖土是一種呈褐灰色的結構疏松的砂土。由圖4（b）、圖4（c）可知，腐殖土外表面粗糙多孔，由許多松散的細土顆粒組成，且含有少量細粒針狀的塑料和植物纖維等難降解成分。由于部分細粒針狀纖維嵌入土顆粒中，導致細粒纖維架空部分土顆粒，從而增大了土顆粒間的孔隙，這是影響腐殖土力學性質的主要因素之一[23]。

采用X 射線熒光光譜儀對腐殖土的化學成分進行測量分析，結果見表4。

由表4 可以看出，腐殖土中化學成分主要為SiO2 ， 占比為55.76% ， 其次為Al2O3 ， 占比為29.64%。同時含有少量的Fe2O3、K2O、CaO 和微量的MgO、Na2O等氧化物。

（3）有機質含量（質量分數）和比重

圖 5（a）總結了國內外4 個填埋場內腐殖土有機質含量的試驗結果，可以看出隨著填埋深度的增加，4 個填埋場內腐殖土有機質含量均呈減少趨勢。當填埋深度從1 m 增至9 m 時，本文腐殖土有機質含量從11.73%降至3.53%，且隨著填埋深度的增加其降幅逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，但在數值上略低于浙江某垃圾填埋場[14]、Nanji-Do 垃圾填埋場[20]、意大利某垃圾填埋場[24]。產生這種現象有以下兩方面原因：一是由于城市化的快速發(fā)展，深圳市填埋場內的固體廢棄物中磚瓦石塊和灰土等重質惰性物質的含量相對較高；二是由于深圳市位于中國南方，高降雨量導致填埋場內陳腐垃圾的含水率較高，其降解速率相對高于其他干旱或半干旱地區(qū)填埋場內的陳腐垃圾[20]。

《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》（GB50202—2018）規(guī)定作為工程回填材料的有機質含量標準為小于等于5%。根據上述試驗結果，深層腐殖土（TL3）有機質含量滿足該標準，淺層腐殖土（TL1）相對超出該標準，若直接填埋可能導致地基發(fā)生長期蠕變沉降，因此可先采取一定的處理措施（例如熱處理、混合和改性等）使其滿足作為工程回填材料的有機質規(guī)范要求，或將其作為城市固體廢棄物進行二次填埋。

圖 5（b）總結了國內外4 個填埋場內腐殖土比重的試驗結果，可以看出隨著填埋深度的增加，4 個填埋場內腐殖土比重均呈增大趨勢，與有機質含量隨填埋深度的增加而逐漸減小的趨勢相吻合。當填埋深度從1 m 增至9 m 時，本文腐殖土比重從2.52 增至2.61，整體上略高于浙江某垃圾填埋場[14] 、Nanji-Do 垃圾填埋場[20]和羊耳峪垃圾填埋場[25]腐殖土的比重。這可能是由于深圳市填埋場內有較多的建筑垃圾，惰性物質含量較高，導致本文腐殖土的比重高于其他填埋場。

（4）含水率和pH 值

不同填埋深度腐殖土的含水率和浸出液 pH 值的試驗結果見表5。由表5 可知，不同填埋深度腐殖土的含水率變化范圍為37.52%～45.71%，平均值為42.37%，含水率隨填埋深度的增加呈遞增趨勢。這是由于填埋深度較小的腐殖土位于地下水位線以上，且處于填埋場垃圾堆體的中上部，受蒸發(fā)和地下水位等因素影響導致其含水率較低；而填埋深度較大的腐殖土處于地下水位線以下，導致其含水率較高。

不同填埋深度腐殖土pH 值的變化范圍為7.60～7.73，平均值為7.65，呈弱堿性，適合微生物生存。試驗結果與袁京等[13]在廣東某垃圾填埋場測得的腐殖土pH 值（7.22～7.96）相差較小，略低于ZHOU 等[15]在荊門迎春垃圾填埋場測得的腐殖土pH 值（8.04～8.26）。

2.3 力學性質試驗研究

（1）擊實特性試驗研究

圖 6（a）為3 組不同填埋深度腐殖土的擊實曲線，可以看出隨著填埋深度的增加，擊實曲線顯著向左上方偏移，表明隨著填埋深度的增加，腐殖土的最佳含水率減小，最大干密度增大。產生這種現象的原因是腐殖土的有機質主要以腐殖質為主，較多的腐殖質會導致試樣孔隙增多，土顆粒不易聚結[26]，這與SONG 等[20]、ABDI 等[27]對不同有機質土進行擊實試驗所得結論一致。

圖6（b）為3 組不同填埋深度腐殖土擊實曲線的峰值擬合曲線。可以看出隨著填埋深度增加，擊實曲線的峰值呈線性遞增趨勢，表明腐殖土最大干密度、最優(yōu)含水率均與填埋深度呈線性關系。試樣TL1、TL2 和TL3 的最大干密度分別為1.72 g/cm3、1.80 g/cm3 和1.82 g/cm3 ， 最優(yōu)含水率分別為18.93%、16.75%和16.34%。擊實曲線峰值均位于飽和度Sr 為80%～100%的飽和線范圍內，與文獻[28]中細粒土擊實曲線的峰值變化范圍一致。

（2）無側限抗壓強度試驗研究

3 組不同填埋深度腐殖土的應力-應變曲線見圖7?？梢钥闯鎏盥裆疃葘Ω惩翢o側限抗壓強度的影響非常顯著。加載過程中應力-應變曲線主要分為4 個階段，即初始壓實階段、線彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段。

初始壓實階段曲線呈下凹狀，持續(xù)時間較短；線彈性階段曲線呈直線狀，試樣發(fā)生彈性變形，根據劉寒冰等[29]采用的在應力-應變曲線上選擇呈線性相關的部分數據進行擬合，并利用得到的斜率來計算彈性模量的方法，得到試樣TL1、TL2 和TL3 的彈性模量分別為1.75 MPa、3.42 MPa和4.45 MPa，彈性模量隨填埋深度的增加而增大；塑性屈服階段持續(xù)時間較長，曲線呈上凸狀，應力逐漸增大并達到峰值強度，試樣發(fā)生屈服，當填埋深度從1 m 增加至9 m 時，峰值強度由66.27 kPa 增大到133.73 kPa，增幅為102%，填埋深度對腐殖土峰值強度的影響較大；破壞階段應力逐漸減小，試樣呈塑性破壞。

（3）飽和滲透性試驗研究

將 3 組不同填埋深度腐殖土試樣進行飽和滲透性試驗，試驗結果見表6?？梢钥闯鎏盥裆疃葟? m 增加至9 m 時，腐殖土的飽和滲透系數從1.09×10-6 cm/s 減小至2.83×10-7 cm/s，初始孔隙比從0.47 減小至0.43，兩者變化趨勢基本吻合?！渡罾l(wèi)生填埋處理技術規(guī)范》（GB 50869 —2013）規(guī)定終場覆蓋材料飽和滲透系數標準為小于等于1×10-7 cm/s，本文3 組不同填埋深度腐殖土的飽和滲透系數均略高于此標準，但可用于垃圾填埋場臨時覆蓋或日覆蓋。

（4）抗剪強度試驗研究

在垂直壓力P 分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa 條件下，3 組不同填埋深度腐殖土的直接剪切試驗結果見圖8（a）～圖8（c）?？梢钥闯鲭S著位移的增大，剪切應力快速增大，當達到一定位移后剪切應力增速變緩，最終趨于穩(wěn)定。黏聚力和內摩擦角是衡量土體抗剪強度的常用指標，根據摩爾-庫侖強度準則，將3 組不同填埋深度腐殖土的抗剪強度與垂直壓力進行線性擬合，擬合結果見圖8（d）?？梢钥闯霎斕盥裆疃葟? m增加至9 m 時，腐殖土的黏聚力從27.28 kPa 增加至66.54 kPa，增幅為144%，摩擦角從35.80o 降低至25.81o，表明腐殖土的黏聚力隨填埋深度的增加而增大，而填埋深度對內摩擦角的影響較小，這可能是由于不同填埋深度腐殖土的有機質含量和土顆粒級配存在差異，影響了擊實試驗結果，導致孔隙比、含水率和土體結構性不同，表現為腐殖土的抗剪強度、無側限抗壓強度和飽和滲透系數發(fā)生變化[30]，這與DATTA 等[19]、SONG 等[20]對印度和韓國某填埋場內腐殖土的剪切試驗結果相類似，即隨著填埋深度的增加，有機質含量減少，土體黏聚力逐漸增大，內摩擦角略微減小。

（5）壓縮性試驗研究

為了更好地評估腐殖土作為回填材料的可行性，對3 組不同填埋深度的腐殖土進行一維固結壓縮試驗，試驗結果見圖9。由圖9（a）可知，隨著垂直壓力的增大，孔隙比逐漸減小，且減小幅度越來越小，表明腐殖土的可壓縮性逐漸降低。通常采用壓力為100～200 kPa 范圍內的壓縮系數av1-2 和壓縮模量Es1-2來評定土的壓縮性高低，其中壓縮系數可用e-P 曲線的切線斜率來表征，由此得到試樣TL1、TL2 和TL3 的壓縮系數分別為0.149 MPa-1、0.146 MPa-1和0.143 MPa-1，對應的壓縮模量分別為9.51 MPa、9.52 MPa 和9.72 MPa，根據土的壓縮性評定標準可確定本文3 組不同填埋深度的腐殖土均為中壓縮性土。

由圖 9（b）可知，腐殖土固結壓縮過程分為2 個階段。第1 階段e-lgP 曲線較為平緩，且持續(xù)時間較長；第2 階段e-lgP 曲線相對較陡，表明在屈服前后腐殖土的壓縮性差異較大。根據屈服后直線斜率可知試樣TL1、TL2 和TL3 的壓縮指數分別為0.125、0.121 和0.116，表明隨著填埋深度的增加壓縮指數逐漸減小，腐殖土的可壓縮性逐漸降低，試驗結果與SONG 等[20]對韓國首爾某填埋場內腐殖土進行固結壓縮試驗所得結果基本一致。

3 結論

本文對不同填埋深度的腐殖土進行土工特性試驗，系統地研究了填埋深度對腐殖土理化性質和力學性質的影響，主要結論如下。

（1）填埋深度是影響腐殖土資源化利用的重要因素，隨著填埋深度的增加，陳腐垃圾中腐殖土的占比增大，且腐殖土的顆粒級配、有機質含量、比重、含水率和pH 值等理化性質均發(fā)生明顯變化。

（2）填埋深度對腐殖土的無側限抗壓強度、飽和滲透系數影響顯著。

（3）隨著填埋深度的增加，腐殖土的黏聚力顯著增大，內摩擦角略微減小。

（4）腐殖土固結壓縮過程分為2 個階段，且屈服前后壓縮性差異較大。

（5）腐殖土是良好的垃圾填埋場日覆蓋材料；高填埋齡期的腐殖土可直接用于工程回填，低填埋齡期的腐殖土在用作工程回填材料前需作進一步處理。

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基金項目：國家自然科學基金項目（52074143；51874166）；湖北省自然科學基金杰出青年基金項目（2021CFA096）；遼寧工程技術大學學科創(chuàng)新團隊資助項目（LNTU20TD-11）