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《同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年第四期

城市固體廢棄物（municipalsolidwaste，MSW以下稱為城市固廢）由于組分復(fù)雜，加之生化降解等多種因素影響，其物理力學(xué)特性常較復(fù)雜．考慮到固廢力學(xué)特性對填埋場穩(wěn)定性及變形分析的重要性，因而有必要針對其強(qiáng)度和本構(gòu)特性進(jìn)行深入研究．固廢強(qiáng)度常通過線性Mohr－Coulomb準(zhǔn)則描述，在當(dāng)變形較大固廢仍未破壞時，可采用應(yīng)變10％～15％對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度確定．以往試驗(yàn)結(jié)果表明，固廢粘聚力一般在0～67kPa范圍，摩擦角則位于0°～43°范圍．隨著齡期增長，固廢充分降解后，粘聚力迅速降低甚至到0．然而，線性Mohr－Coulomb準(zhǔn)則只能描述與常規(guī)土體力學(xué)性質(zhì)相近的固廢強(qiáng)度，對于大多數(shù)固廢，其強(qiáng)度表現(xiàn)為非線性．Bray等通過試驗(yàn)結(jié)果的分析，指出固廢摩擦角隨平均應(yīng)力增大而降低，這進(jìn)一步得到了Bareither等試驗(yàn)結(jié)果和Bhandari和Powrie的證實(shí)．Stark等通過總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果和填埋體穩(wěn)定性強(qiáng)度參數(shù)反分析，進(jìn)一步證實(shí)了固廢強(qiáng)度的非線性特性．有關(guān)土體非線性強(qiáng)度目前已開展過一些探討，并已建立了相應(yīng)準(zhǔn)則（如Bake），但針對城市固廢非線性強(qiáng)度特性還缺乏深入探討，且與線性Mohr－Coulomb準(zhǔn)則間的轉(zhuǎn)換還值得進(jìn)一步研究．

當(dāng)前固廢本構(gòu)特性的研究多參照土體開展，如Jones和Dixon利用Mohr－Coulomb理想彈塑性模型描述固廢本構(gòu)特性，用于填埋場穩(wěn)定性分析．呂璽琳等采用Mohr－Coulomb硬化模型研究固廢本構(gòu)特性，并分析了其失穩(wěn)特性．Machado等將固廢看作纖維加筋相和泥狀物復(fù)合體，提出了復(fù)合本構(gòu)模型，馮世進(jìn)等則基于該模型建立了基于鄧肯－張模型的復(fù)合本構(gòu)模型．這些本構(gòu)模型能合理描述固廢應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，但缺少對體變特性的探討．受其復(fù)雜組分的影響，固廢體變特性與常規(guī)土體可能差異較大．高麗亞等通過大三軸試驗(yàn)指出，固廢體變隨圍壓增大反而減小，與土體體變規(guī)律相反，該特性也得到其他試驗(yàn)結(jié)果（如Machado等，Zhan等，馮世進(jìn)等）的證實(shí)．針對當(dāng)前有關(guān)固廢強(qiáng)度和本構(gòu)描述存在的不足，本文基于冪函數(shù)形式的非線性破壞（屈服）準(zhǔn)則，并采用合理的塑性勢函數(shù)，建立了一個合理適用的固體廢棄物本構(gòu)模型，并通過對一系列三軸試驗(yàn)結(jié)果模擬進(jìn)行了對比驗(yàn)證．

1城市固廢非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則

1．1強(qiáng)度準(zhǔn)則為合理描述固廢的非線性強(qiáng)度特性，采用冪函數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則。

1．2內(nèi)摩擦角對降解較充分的高齡期城市固廢而言，其粘聚強(qiáng)度一般較小，為簡單起見，忽略式（1）中的黏性項(xiàng)進(jìn)行分析。

2城市固廢本構(gòu)模型

通過非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則建立屈服函數(shù)，并根據(jù)剪脹特性獲得塑性勢函數(shù)F和Q，分別為為合理描述固廢的體變特性，剪脹參數(shù)比視為一個與初始圍壓有關(guān)的量。

3三軸試驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證

3．1力學(xué)生物預(yù)處理（MBT）固廢試驗(yàn)首先模擬Bhandari和Powrie［5］針對力學(xué)生物預(yù)處理（mechanical－biological－treatment，MBT）固廢三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)結(jié)果．試樣為直徑10cm、高20cm的圓柱體，初始孔隙比為1．0．通過固廢彈性特性選取參數(shù)G0、ν，根據(jù)試樣孔隙特性選取e＊，Mf和ξ通過強(qiáng)度特性選取，Mc0和λ通過體變特性選取，hs為擬合參數(shù)．根據(jù)表1參數(shù)，對圍壓為50、100、200、400kPa條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬．采用冪函數(shù)非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則預(yù)測的固廢抗剪強(qiáng)度結(jié)果如圖6所示，預(yù)測值與試驗(yàn)值符合較好．考慮剪脹參數(shù)隨壓力水平的變化，采用如圖7所示的剪脹參數(shù)，模擬得到應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示，通過與試驗(yàn)對比表明，本模型能合理反映初始圍壓對應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的影響特性．

3．2成都某填埋場固廢試驗(yàn)進(jìn)一步對李俊超等［15］的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬．固廢采自成都某填埋場5～15m深度處，直徑為10cm、高度為20cm。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，試樣初始孔隙比取2．2．采用如表1所示的模型參數(shù)，對初始圍壓為50、100、150、250kPa條件下的4組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬．通過本文非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則預(yù)測的強(qiáng)度值如圖9所示，從圖中可看出，該準(zhǔn)則能合理反映平均應(yīng)力對固廢強(qiáng)度的影響．應(yīng)力－應(yīng)變特性模擬結(jié)果與試驗(yàn)對比如圖10a所示，模擬結(jié)果與試驗(yàn)基本一致．從試驗(yàn)結(jié)果可知，體縮型固廢的體變與常規(guī)土體不同，即初始圍壓越大，體變反而越小．為合理描述這一特性，假定剪脹性參數(shù)與應(yīng)力有關(guān)的量，這里取A＝e－p／p0．從圖10b的模擬結(jié)果可看出，采用該剪脹參數(shù)能合理反映試樣隨初始圍壓增大壓縮性降低的現(xiàn)象，且模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好．

4結(jié)論

為反映城市固廢剪切強(qiáng)度隨平均壓力的變化，建立了一個冪函數(shù)非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則，并分析了剪切強(qiáng)度隨參數(shù)的變化特性．進(jìn)一步分析了向線性Mohr－Coulomb準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換所得內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，結(jié)果表明，該準(zhǔn)則能合理反映摩擦角隨圍壓而降低的規(guī)律，并與試驗(yàn)結(jié)果一致．基于增量雙曲線硬化準(zhǔn)則，并采用合理的塑性勢函數(shù)，建立了一個適用于固廢的非關(guān)聯(lián)流動彈塑性本構(gòu)模型．通過對一系列三軸固結(jié)排水試驗(yàn)結(jié)果的模擬表明，所建立的模型不僅能合理反映初始圍壓對應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的影響，并能正確模擬體變隨圍壓的變化．由于固廢體變特性復(fù)雜，與常規(guī)土體可能差異較大，因而尚需開展進(jìn)一步的試驗(yàn)和理論研究．

作者：呂璽琳 黃茂松 王蓉 單位：同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院 上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司