大学生课外科技作品竞赛城市生活垃圾的应力压缩特性研究.doc

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1、2009年“运河杯”大学生课外科技作品竞赛二零零九 年 十一 月城市生活垃圾的应力压缩特性研究内容摘要城市生活垃圾是人们在日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物。近几年来，城市生活垃圾的处理一直是环境岩土工程的热门课题。我国自90年代中期开始用岩土工程的方法研究生活垃圾的填埋问题。本文首先采用国内传统的土工仪器，研究了城市生活垃圾填埋场中生活垃圾的基本土工参数如天然密度、比重、含水量、孔隙比、有机物含量其分布规律。试验证明孔隙比与深度的关系为一条直线，根据天然密度与深度的相关关系，得到了现场生活垃圾的孔隙比与自重应力的关系曲线，从而得到了现场生活垃圾的压缩系数及压缩模量的变化

2、范围。结果表明，生活垃圾的应力一应变曲线可以近似为双曲线。本试验采用了大型高压固体废弃物压缩仪，研究了垃圾的压缩性及其压缩规律性。试验研究还表明：压缩时间和压缩应变的比值与压缩时间的关系为一条直线，因此，生活垃圾的压缩应变与压缩时间的关系符合双曲线函数。当压缩时间趋于无穷大时，压缩应变趋于极限压缩应变。根据垃圾填埋场有机物含量的现场实测结果，研究了有机物的降解规律，有机物的含量随时间呈e指数衰减;基于垃圾的干密度在有机物的降解过程中保持不变的前提，采用土力学的基本原理，推导出了有机物的降解沉降新模型，该模型仅与有机物的含量有关，提出了垃圾填埋场考虑有机物降解的库容计算式。关键词:城市生活垃圾、

3、垃圾填埋场、压缩稳定标准、应力压缩、有机物降解压缩、双曲线模型、降解沉降模型、降解速率、有机物初始体积含量、垃圾填埋场沉降、填埋容量 固体废弃物压缩特性及填埋场沉降研究目 录一、项目研究背景（一） 城市生活垃圾处理现状 41城市生活垃圾的基本概念 42城市生活垃圾的产量及成分 4（1）城市生活垃圾的产量 4（2）生活垃圾的组成 53 生活垃圾的处理方法 54杭州天子岭废弃物填埋场简介 6（二） 城市生活垃圾填埋场的沉降研究 71城市生活垃圾填埋场的沉降组成 72城市生活垃圾填埋场的沉降研究存在的问题 7（三） 主要的研究思路 8二、生活垃圾的基本土性参数 9（一）概述 9（二） 现场取样及室内

4、试验仪器设备 91现场取样 92试验仪器和设备 9（三）生活垃圾的室内试验方法 101成分含量试验 10（四）生活垃圾成分含量试验结果及分析 10（五）本章小结 111试样破坏标准的确定 11三、生活垃圾应力压缩试验 12（一）概述 12（二） 大型高压固体废弃物压缩仪 121压缩容器 12 2加载装置 123压缩量测装置 13（三）生活垃圾试验的制备 13（四）生活垃圾压缩试验方案设计 151样本一试验结果 152样本二试验结果 163样本三试验结果 16（五）本章小结 16四、城市生活垃圾的试验结果分析 18（一）概述 18（二）压缩试验结果及分析 18（三） 生活垃圾的应力压缩原理及稳定

5、标准 211 生活垃圾的应力压缩原理 212 生活垃圾的应力压缩稳定标准的确定 22（四）生活垃圾的压缩曲线及压缩系数 23（五） 本章小结 24五、城市生活垃圾应力压缩试验工程实例 26（一） 压缩试验工程算例 261 基本假定 262计算最底层（第1层）的压缩量 26（二）本章小结 28六、结论与展望 29（一）主要结论 29（二）对进一步研究工作的展望 29第一章 绪论1.1 城市生活垃圾处理现状1.1.1城市生活垃圾的基本概念城市生活垃圾是人们在日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物。100多年以前，世界人口数量较少，城市化水平较低及人们的生活水平尚未达到较高的标准，

6、因此，城市生活垃圾的数量是很少的，且多为无机物及容易腐烂的菜叶、果皮核等。当时，城市生活垃圾对我们生活的周围环境几乎没有不良的影响，所以，对于它的处理也没有提到正式日程上来。20世纪中叶，随着工业化进程的加快，经济的高速发展，城市人口密度的增大及城市人均生活水平的提高，人口越来越多的向城市涌入，引起了城市垃圾的急剧增加。由于人们的环保意识比较淡薄及没有意识到生活垃圾的危害性，城市居民无序倾倒垃圾并任其堆置而不采取防污染的措施，导致城市生活垃圾的环境问题越来越突出，大量的垃圾污染了环境，对城市居民的健康和生存构成了严重的威胁，已成为社会的一大公害。如塞拉里昂首都弗里敦露天堆放的垃圾，使病菌横行，

7、连续二次发生霍乱，大量的人口死亡。再如，1978年美国的Love Canal河事件（举振明，1988）1，致使里根政府下令关闭学校、工厂并迁出当地居民，以免遭受城市生活垃圾污染而造成的环境危害。由于城市生活垃圾对环境危害极大，并严重阻碍当地的经济发展，因此，如何高效、安全地处理城市生活垃圾已成为各国政府城市发展中急需解决的主要问题之一。1.1.2城市生活垃圾的产量及成分1、城市生活垃圾的产量城市生活垃圾是人民日常生活的产物，它的产量与城市的经济发展水平、消费水平、城市人口、地理环境及收集与处理方式等有关。其中，城市人口及经济水平是影响城市生活垃圾产量的主要因素。自1978年改革开放的20多年来

8、，我国的经济得到了快速的发展，国民生产总值(GDP)从1985年的8960亿元RMB增加到2006年的2.6万亿美元。同时，经济的持续发展，使城市的数量及规模也得到了扩大，从1986年的353个增加到2006年的668个，城市的人口也从1980年的94.5百万人增加到2006年的257.3百万人。城市的数量、规模的增加及经济的发展，使城市生活垃圾的产量得到了迅速增加，从1980年的31.3百万t增加到2006年的150百万t. 1985年到1995年，城市垃圾平均每年的增长速度为8-10%, 1995年后的增长速度为3-5%，平均每人的产量为1.0kg/day，几乎达到发达国家的水平。2、生活

9、垃圾的组成生活垃圾的成分复杂且多变，但是不外乎以下内容：可降解有机物如食物（蔬菜、肉骨等）、废纸、塑料、纤维织物、草木树叶等；无机物如砖瓦土石、玻璃、金属、陶瓷等。其成分及成分间的关系与当地国民生产总值及居民的消费水平有关，表现出很强的地域性及时间性。一般地，经济不发达地区的生活垃圾以无机物居多，而经济发达地区以有机物居多，其中塑料、废纸的高含量尤为突出，表现出塑料、废纸的含量与当地的经济水平具有较好的相关性。生活垃圾的成分还与当地的能源结构有关，由过去的煤炭作为主要燃料转化为天然气作为主要燃料。煤燃烧后会产生大量的废渣，而气体燃烧几乎不产生废渣。1.1.3 生活垃圾的处理方法 生活垃圾的处理

10、一般有三种方法（果迎先等，1996）2：堆肥法、焚烧法及卫生填埋法。1、堆肥法 生活垃圾堆肥是综合处理的一种方法，堆肥的最关键设备为发酵仓，发酵仓的好坏直接关系到发酵的时间、质量与环境污染等，发酵堆肥是在控制生活垃圾的湿度、含水量、通风量、碳氧化等工艺条件下，利用微生物对生活垃圾中的有机物进行生物降解，使之成为具有良好的稳定性的腐殖土状的有机肥料。现代堆肥工艺大多采用好氧工艺，发酵温度为60-70，可以消灭大部分病菌微生物，对有机物的分解比较彻底，堆肥时间短。试验证明，堆肥温度保持三天以上，就能杀死生活垃圾中的寄生卵、病原微生物和杂草种子，达到堆肥无害化的目的，为保持已形成的腐殖质和微量的氮、

11、磷钾肥等，应使腐烂的肥料保持平稳，有机成分处于好氧和厌氧的条件下，有机的堆肥场当作低级的肥料或土壤团粒调节使用，可减少化肥的使用量，对绝大多数的土壤具有明显的改良作用。2、焚烧法对发热值大于3349KJ/kg的生活垃圾，置于特制的垃圾焚烧炉内，在750-1000的温度下焚烧，利用焚烧产生的热量产生蒸汽，用于发电或发热。对焚烧技术研究开发最早的是德国，随后许多发达国家如美国、英国、法国、日本等也进行了这方面的研究工作。据不完全统计，目前世界上约有4000座现代化的垃圾焚烧炉在运行，我国深圳、北京、天津等地也相继投产了垃圾焚烧设备。由于我国的垃圾成分不同于一些发达国家的垃圾成分，没有分拣，垃圾中的

12、有机物含量较低，我国中等以上城市的低位发热量一般在2512-4605KJ/kg，所以应根据我国的特点研究开发自己的燃烧装置。3、填埋法目前，我国生活垃圾的处理方法以填埋为主，堆肥和焚烧为辅，80年代以前，垃圾一般都是露天堆放，场内拣垃圾的人很多，有的垃圾场常住人口就有50多人，垃圾管理混乱，填埋作业面太大，不能当天覆土，因此，蚊蝇孽生，环境效果很差，造成环境污染，达不到卫生填埋的要求。随着人们对环境保护的日益重视，各级政府部门的大力投入，各地已建成了许多大型生活垃圾填埋场，卫生填埋是生活垃圾的最终处理方法。卫生填埋场设有防渗漏的衬垫系统、气体控制系统，渗滤液收集与排出系统、最终覆盖系统等。衬垫

13、系统一般有渗透系数很小的材料组成，衬垫可分为单层黏土衬垫、单层土工膜衬垫、双层土工膜衬垫、单层复合衬垫、双层复合衬垫等。目前最理想、最有效的衬垫为双层复合衬垫；气体控制系统：生活垃圾中的有机物降解会产生大量的气体，气体的主要成分为甲烷（沼气）和二氧化碳，这些气体可用排气并或排气槽排出，排出的气体可用于供热或作为其他能源加以利用；渗滤液收集与排出系统：由于大气降水、地下水的入侵、对垃圾的压榨及有机物的降解等，会产生大量的渗滤液，渗滤液可通过第一道渗滤液收集系统集中收集，然后利用潜水泵进行排除，少量的渗滤液还会渗至第二道渗滤液收集系统，这一般可用小直径的管子即可排除。综上所述，鉴于目前我国经济条件

14、及技术条件的限制，绝大部分的生活垃圾仍可采用填埋法进行处理，焚烧与堆肥仅处理少部分垃圾，焚烧仅在有限的几个大城市中运行，况且堆肥及焚烧后的残渣也要填埋处理，因此，填埋特别是卫生填埋，将是我国垃圾处理的主要方向，即使一些经济发达的国家，填埋也占较大的比例（果迎先等，1996）。1.1.4 杭州天子岭废弃物填埋场简介 天子岭填埋场是我国按卫生填埋要求设计建成的第一座大型城市生活固废物填埋场，于1989年9月开工，1991年4月投入使用，总库容600万立方米，设计使用年限13年，该填埋场建于山谷中，基岩为石英砂岩和粉砂质页岩，其上为厚度不均（111m）的粘土覆盖层，填埋时采用斜坡作业法，分层填筑。杭

15、州第二垃圾填埋场工程位于青龙坞山谷的中下游，是天子岭填埋场的扩建工程，1997年完成项目的招投标工作，第二垃圾填埋场建成厚，库容2200万立方米，日处理生活垃圾2000t，设计使用年限24.5年，总投资约3亿元。1.2 城市生活垃圾填埋场的沉降研究1.2.1 城市生活垃圾填埋场的沉降组成 填埋场的沉降由以下三部分组成，第一部分为应力压缩沉降，应力压缩沉降又分为主压缩沉降和次压缩沉降；第二部分为有机物的降解沉降，有机物的降解沉降是由于垃圾中的有机物在一定的环境下，其成分发生分解从而市区了骨架作用而产生的沉降，该部分沉降过程比较漫长；第三部分为填埋场填埋场底部地基的沉降，此部分沉降是由于填埋场底部

16、的衬垫层在上部荷载的作用下而发生的沉降。1.2.2 城市生活垃圾填埋场的沉降研究存在的问题沉降是对填埋场而言，压缩则是指生活垃圾单元体的。生活垃圾单元体的压缩与其成分、初始孔隙比、有机物的含量、外荷载等密切相关，应首先对生活垃圾的压缩规律及压缩机理进行系统的研究，找出生活垃圾的压缩规律性，建立系统的试验方法和试验标准。生活垃圾填埋场的沉降研究拟解决的工程问题主要是预测填埋场的库容及使用寿命、预测封场后的沉降对填埋设施及工程行为的影响，但综观前人所作的研究工作，主要有以下几方面的问题：1、生活垃圾的成分组成及比例关系大多没用明确。2、初始孔隙比没有给出，没有明确其确定方法。3、压缩试验的仪器没有

17、标准化。4、没用建立起一套压缩试验的稳定标准，如何区分主压缩与次压缩也没有定量化。5、垃圾在荷载作用下的压缩特性及压缩机理没有明确。6、填埋场的沉降计算还没有一套完善的方法。1.3 主要的研究思路随着我国经济的快速发展以及国民环境保护意识的增强，许多城市包括地市级及县级城市也需建设垃圾填埋场，因此，垃圾填埋场的建设数量是相当可观的。由于目前对城市生活垃圾压缩特性研究的不充分，垃圾填埋场的库容量设计无依据，所以影响了政府及有关部门对垃圾填埋场使用寿命的正确预测，导致许多地区的垃圾无场地堆放，影响了周边的环境。本项目的研究不但可以解决垃圾填埋场的库容量设计及科学预测垃圾填埋场的使用寿命问题、而且可

18、为填埋场稳定性等研究奠定基础。随着大、中、小城市建设垃圾填埋场步伐的加快，每个垃圾填埋场的建设都迫切需要解决库容量设计问题，以评估垃圾填埋场的使用寿命，本研究成果可直接应用于垃圾填埋场的工程实践中，为城市生活垃圾应力压缩变形的设计方法提供科学依据，为试验师提供试验方法及试验标准，为城市的环境保护决策者提供必要的科学决策依据。同时，本研究还将有效促进岩土工程与环境工程学科的交叉，进一步加深人们对高度非均质及复杂材料压缩特性及压缩机理的认识。因此，本研究将具有重要的理论和实践意义。第二章 生活垃圾的基本土性参数2.1 概述生活垃圾的基本土性参数是指在垃圾的研究及工程计算分析中经常用到的参数，几种常

19、用的参数为比重、天然密度、含水量、孔隙比、内聚力、内摩擦角、压缩系数、压缩模量、压缩指数等。Sowers(1968)3、Rovers et al(1973)4、Fungaroli et al(1979)5、Wigh(1979)6、Walsh et al(1979、1981)7、Schorder et al(1984)8、Oweis et al(1990)9、Fassett et al(1994)10、 Mohammed et al(1995)11、钱学德（1998）12、及Kavazangiansetal(2000)13等人对生活垃圾进行了分析和研究。国内在这方面系统地研究垃圾基本土工指标的报

20、道较少，本次试验现场采集了城市生活垃圾原状试样，通过室内土工试验，得到了垃圾的土工试验结果。通过对试验结果的整理与分析，研究了城市生活垃圾的基本土性参数，为下一章系统地试验研究新鲜城市生活垃圾的工程特性提供了重要的依据和基础。2.2 现场取样及室内试验仪器设备2.2.1 现场取样 垃圾取样工作是试验成功的关键，垃圾试样不同于一般意义上的工程土样，所取的垃圾试样一定要有代表性。本次试验根据杭州各区城市人口分布情况，依据取样数与该区人口数成正比的原则，共在杭州确定了八个垃圾站进行取样,分别为杭州华家池垃圾站、观音塘垃圾站、紫阳垃圾站、下沙垃圾站、太庙巷垃圾站、广福路垃圾站、丰家兜垃圾站以及清泰垃圾

21、站。取样时需小心操作，每桶垃圾由三层塑料纸包裹，用蜡密封好，置于阴凉处放置，然后运回实验室。共取样16桶。2.2.2 试验仪器和设备试验前的准备工作是保证试验顺利进行的关键，准备工作做得充分，可以缩短试验时间，保证数据的准确可靠性。垃圾的土工试验不同于一般工程图样的试验，它具有臭味、有毒、污染环境，有时还可能有放射性物质。因此，本次试验不能和一般的土工试验混在一起，应该配备专门的试验室。该试验室应具有基本的通风设备和消毒防护装置。试验前夕，通过调研，总结得到了天然孔隙比，并进行了垃圾成分含量的实验。需要准备的劳动保健用品有：工作服、乳胶手套、口罩、施康消毒药水等。2.3生活垃圾的室内试验方法垃

22、圾的室内试验方法不同于一般土的室内试验方法（土工试验方法标准GBJ123-88），有其独有的特殊性（垃圾的成分多样、大孔隙比、容易扰动及制样困难等）， 下面对各个指标的试验方法及计算方法叙述如下。2.3.1 成分含量试验取在60-70的温度条件下烘干的垃圾试样40N左右，碾碎后手工分拣出金属、煤炭等无机物、塑料、玻璃、纸木、蔬菜及有机物等物品，分别称其质量，与总质量的比值即为该成分的含量，成分的含量A采用以下公式计算：Ai = mim式中:mi 垃圾中某成分的质量；m垃圾总质量。本次实验的成分分析表如表2.3-1所示。 2.4生活垃圾成分含量试验结果及分析生活垃圾的成分与人们的消费方式及生活水

23、平有关，从总体上来看，发达国家的生活垃圾以有机物质居多，其中废纸、塑料及厨房类垃圾占有相当大的比重，而不发达国家和发展中国家，其垃圾的成分以无机物特别是砖瓦石、炉灰、煤渣等居多，而废纸、塑料等所占的比例较小。2.5 本章小结本章具体介绍了室内试验的仪器和设备，并阐述了如何进行样本获取。垃圾取样工作是整个试验的关键之处，垃圾取样时必须保证垃圾的密封性。通过试验并得出了此次试验的垃圾成分分析表，为下一章试验的进行奠定了基础。第三章 生活垃圾应力压缩试验3.1 概述本章采用新鲜生活垃圾，人工制备垃圾试样，模拟现场垃圾的情况，采用当代较为先进的大型高压固体废弃物压缩仪，进行室内研究。本章具体介绍了大型

24、高压固体废弃物压缩仪，以及研究了试样制备的方法，设计了压缩试验的方案，通过压缩试验，得到了生活垃圾的压缩试验结果，为第四章研究生活垃圾的压缩性以及压缩规律性奠定了良好的基础。3.2 大型高压固体废弃物压缩仪介绍本次试验所采用的大型高压固体废弃物压缩仪有3部分组成：第一部分为压缩容器；第二部分为加载装置；第三部分为压缩量测装置。3.2.1 压缩容器压缩容器的大小对垃圾材料的试验结果起着重要的影响。一方面考虑压缩容器太小就难以满足垃圾材料的压缩要求，但太大的压缩容器又使加载重量增大，这样很不经济，且重复试验性较差。根据生活垃圾材料的特点，一般无机物材料的尺寸较小，有机物材料如塑料、纤维(破布)、蔬

25、菜叶等尺寸较大但其柔性较好，一般可容纳于合适的容器中。又考虑到各种不同成分的垃圾可以较充分地混合，所以经过多次试验分析，大概需要6 kg左右的垃圾，为此本实验中所采用的为l0 kg左右的容器。本实验采用容器的内径为20 cm，净高50 cm，壁厚为2 cm（可以保证压缩的绝对侧限）。容器底部设有排水孔，顶部设有透水孔，排水孔上套有塑料管以排出由于压缩及降解而产生的渗滤液，通过手动泵将渗滤液重新压入试样中，以保证含水率不变。3.2.2 加载装置本次实验采用的加载装置与常规的三联固结仪的原理相似，相同点都是利用砝码的重量通过杠杆原理将荷载加到垃圾材料的顶面，实现压缩；不同点是生活垃圾材料的压缩性很

26、大，可以达到初始高度的6080，而一般土的压缩性较小。根据此特点，要设计特别的蜗轮蜗杆系统。本设计蜗轮蜗杆系统的最大行程为350 mm，最大压力为1600 KPa，可以满足生活垃圾材料压缩性的要求。加荷后，杠杆一开始会倾斜，此时，只需调整蜗轮蜗杆系统，将杠杆调平衡即可。该仪器的型号定为BHMSW-2035，即大型高压固体废弃物压缩仪，数字20为压缩桶的直径，35为压缩桶的高度，砝码的重量根据压力的大小进行换算。3.2.3 压缩量测装置本次实验中的生活垃圾材料的压缩性很大，所以位移感应器的量程也应很大，以满足其变形的要求。其最大量程为300mm，读数精度为0.1mm，可以满足本实验的精度要求。每

27、隔一定时间观测位移显示器的读数，便可知道生活垃圾的压缩量。3.3 生活垃圾试验的制备制备试验试样的过程见图3.3-1。图3.3-1 各种成分搅拌示意图本次试验的试样制备过程为：1) 本次试验共采集杭州观音塘、华家池、紫阳、下沙等八处垃圾站新鲜城市生活垃圾若干，以备试验分析之用。图3.3-2 成分分离采集2) 取一定量代表性材料，烘干、称质量，确定成分比例及采用比重瓶法获取各成分比重。再用加权平均数得出垃圾样本比重。3) 按一定的初始孔隙比制备三份质量为10kg试样。根据实际垃圾孔隙比基本介与2.0与4.0之间，给定三个孔隙比（2.0，3.0，4.0），并按孔隙比为2.0的样本的饱和含水率作为三

28、个样本的含水率（其确定方法见下文），根据表3.3-1中成分的比例关系，算出各成分的质量。4) 将各成分充分混合、搅拌均匀、控制到预定的含水量，静置一昼夜。5) 加入适当量的K2CO3和Na2CO3，其目的为防止或减缓生活垃圾的降解。6) 将搅拌好的生活垃圾装入压缩仪中，准备压缩试验（装试样时要控制压缩仪中垃圾的高度，保证垃圾的初始孔隙比与原定孔隙比相差不大）。得出的新鲜垃圾成分比例列表如表3.3-1所示。3.3.1 e=2.0时的饱和含水率的确定 对一般性的土样，饱和含水率由式=eds 3.3-1城市生活垃圾由多种材料组成，其中个成分的比重也不一样，比重ds采用各成分干质量的加权平均比重，式（

29、3.3-1）中的比重按式（3.3-2） ds=midsi mi 3.3-2式中：dsi 垃圾中各成分的比重； mi 垃圾中各成分的干质量 e=(1+)dswo-1 3.3-3 o=mv 3.3-4 v=sh 3.3-5 由上（3.3-3）、（3.3-4）、（3.3-5）确定三个试验样本的h。3.4 生活垃圾压缩试验方案设计本次试验的目的是掌握生活垃圾的压缩性及其压缩规律性，解释生活垃圾的压缩机理，为计算垃圾的压缩变形量及制定压缩稳定的试验标准奠定基础。为了达到该试验目的，本次试验共设计了三组不同孔隙比（2.0、3.0、4.0）条件下的分级压缩试验：多级短期压缩实验，压缩时间为7天，荷载等级分别

30、为25kpa、50 kpa、100 kpa、200 kpa、400 kpa、800 kpa、1600 kpa。3.5 压缩试验结果3.5.1 样本一试验结果样本一的初始孔隙比e1=4.0，其试验结果如图3.4.1-1所示。图3.4.1-1 样本一沉降与时间、压力的关系3.5.2 样本二试验结果样本二的初始孔隙比e2=3.0，其试验结果如图3.4.2-1所示。图3.4.2-1 样本二沉降与时间、压力的关系3.5.3 样本三试验结果样本三的初始孔隙比e3=2.0，其试验结果如图3.4.3-1所示。图3.4.3-1 样本三沉降与时间、压力的关系3.6 本章小结 本章介绍了大型高压固体废弃物压缩仪，并

31、研究了垃圾试样的制备方法。为掌握垃圾的压缩性，进行了垃圾压缩的试验方案设计，系统地进行了垃圾的压缩试验，得到了垃圾的压缩试验结果，具体研究结论如下:1、通过试验得出，大型高压固体废弃物压缩仪能够满足高度复杂、高度非均匀、大孔隙比垃圾的压缩试验要求，验证了选用该压缩仪的合理性。2、研究了垃圾试样的制备方法:(1)采集新鲜生活垃圾若干。(2)取一定量代表性材料，烘干、称质量、采用比重瓶法作比重试验。(3) 按一定的初始孔隙比制备三份质量为10kg试样。(4)将各成分混合、搅拌均匀、控制一定的含水量，静置一昼夜。(5)加入一定量的K2C03及Na2C03，目的是防止或减缓生活垃圾的降解。(6)将搅拌

32、好的生活垃圾装入压缩仪中。(7)计算垃圾实际的初始孔隙比(装样时要控制压缩仪中垃圾的高度，保证垃圾的初始孔隙比与原定初始孔隙比相差不大)。(8)准备进行压缩试验。第四章 城市生活垃圾的试验结果分析4.1概述 上一章主要介绍了压缩试验仪器的研制、试样的制备及试验的方案设计思路，并通过垃圾专用压缩试验仪器，得到了垃圾的压缩试验结果。本章对试验的结果进行比较系统的分析研究，研究垃圾的压缩性及其压缩规律性，并与现场垃圾的压缩规律进行对比研究。解释垃圾的压缩机理，建立垃圾的压缩试验稳定标准，提出垃圾力学压缩的建议试验方法。4.2压缩试验结果及分析不同孔隙比条件下的分级压缩试验结果：本次试验垃圾初始孔隙比

33、分别为4.0、3.0、2.0，荷载等级分为7个等级，分别为25kpa，50kpa，100kpa，200kpa，400kpa，800kpa，1600kpa，荷载间隔分别为24h。试验结果见第三章。经计算，每级荷载作用下不同孔隙比的试样1h的压缩量占24h总压缩量的80%以上，这说明，用不同孔隙比的生活垃圾的短期压缩量可以近似计算出长期的压缩量。图4-2.1是每级荷载作用下的时间和压缩应变的比值T/与时间T的关系，不难看出，每级荷载作用下的直线关系非常明显，直线上的数据是该直线加荷1h后的平均斜率，斜率的倒数即为极限压缩应变，垃圾24h的压缩应变与极限压缩应变的比较见表4.2-2。由该表可知，24

34、h的压缩应变与极限压缩应变比较接近，可以近似用24h的压缩应变代替极限压缩应变。图4.2-2是极限压缩应变与压力自然对数的关系，不难看出，当压力超过50KPa时，可以归结为一条直线，且三条直线基本平行，这说明，直线斜率仅与材料的性质有关，而与材料的初始孔隙比无关（张振营等，2005）14生活垃圾1H的压缩量占24H总压缩量的百分数A（%）压力（KPA）25501002004008001600百分数（%）初始孔隙比e=4.086.0 78.2 83.7 78.3 79.1 72.8 80.7 初始孔隙比e=3.084.0 65.3 61.1 59.5 56.0 86.5 68.8 初始孔隙比e=

35、2.080.0 80.3 79.7 80.4 80.5 81.4 82.2 表4.2-1 生活垃圾1h的压缩量占24h总压缩量的百分数A（%）24H压缩应变与极限应变的比较初始孔隙比压力（KPA）24H压缩应变极限压缩应变e=4.0254.14.465502.5392.6571002.2332.2562001.9882.0174001.7891.8098001.6451.66216001.5171.529e=3.0254.3884.819503.2233.3911002.5952.6982002.2382.3074002.0132.0768001.841.8516001.6791.701e=2

36、.0254.9025.653503.7483.8441003.0923.1472002.5862.6344002.2552.2868002.0272.05416001.8081.829表4.2-2 24h压缩应变与极限压缩应变的比较初始孔隙比压力（KPA）压缩系数（a）压缩模量（s）e=4.02568.80.10250100.1261005.40.6312002.71.0224001.451.7178000.64.88916000.337.516e=3.02536.40.115013.20.23410060.462002.50.98440012.218000.454.46616000.266.

37、971e=2.02524.40.123507.60.3141003.40.6472001.91.0684000.852.1648000.384.45316000.236.756表4.43初始孔隙比与压缩系数，压缩摸量之间的关系 图4.2-1 时间和压缩应变的比值T/与时间T的关系 图4.2-2 极限压缩应变与荷载对数的关系4.3 生活垃圾的应力压缩原理及稳定标准（张振营等，2005）144.3.1生活垃圾的应力压缩原理从该大型固废压缩仪的压缩结果来看，垃圾的压缩量随时间的延长而逐渐增大，特别是每一级压缩的起始1h。孔隙比与初起压缩量成正比。最初的6h内，压缩速率最大。最初的垃圾，各成分之间的啮

38、合不够紧密，孔隙部分没有被细小颗粒或小尺度的垃圾填实，不能承受较大的外来压力，荷载作用下，垃圾各成分间的接触被逐渐破坏，成分间的孔隙逐渐被填实，点接触逐渐演变为面接触，孔隙逐渐减小，由于垃圾这种自身固有的特点，孔隙基本被填实，重新建立起的新接触面可以承受较大的外来压力，因此，随后垃圾的压缩量是越来越小。垃圾主压缩的大小主要取决于垃圾的成分、各成分的比例关系、孔隙比、含水量、排水条件、承受压力的大小等。垃圾是由固体、液体、气体共同组成的三相体：1）包括有机物，有机物的力学性能与无机物的力学性能不同；2）、垃圾的液体部分是水经过有机物的作用变成的渗滤液，渗滤液不同于一般的水，它可以污染环境、污染地

39、下水，影响我们的身体健康，最主要的是渗滤液中的生物活动引起垃圾有机物的降解；3）、垃圾的气体是由于垃圾中有机物的降解产生的甲烷气体，可以燃烧，引起爆炸，影响安全。垃圾中固-液-气三相混合，相互作用，垃圾的压缩是固-液-气三相混合作用的结果，可以用非饱和土的土力学理论进行研究。在不排水、不排气条件下，垃圾在外力或自重压力下，导致孔隙体积的减小，饱和度随之增大，逐渐作用的结果使饱和度达到100%，变为饱和土，此时，可以用饱和土的土力学理论进行研究。垃圾的主压缩是力学(包括外力和自重应力)的压缩，力作用于垃圾固-液-气三相，垃圾发生体积(孔隙比)的减小。垃圾次压缩的大小主要取决于垃圾的成分及外加剂的

40、种类，垃圾的次压缩是指在应力保持不变的情况下，垃圾中各成分(无机物及有机物)之间接触面(点)的蠕动、移位、啮合变紧等，导致孔隙体积的减小；另一方面，如果加入防止垃圾中有机物降解的物质，比如K2CO3, Na2C03等，可以减缓垃圾的次压缩沉降，反之，如果不加入防止垃圾中有机物降解的物质或加入加速垃圾降解的物质，则由于垃圾的降解，会导致垃圾的加速沉降，所以次压缩还应包括有机物降解的压缩量，本次试验研究的是垃圾的应力压缩，因此尽量不考虑有机物的降解作用，在试验中，己加入了防止垃圾中有机物降解的物质K2CO3, Na2C03。由试验结果可知，垃圾的次压缩不大，大约只占总压缩量的10%左右。4.3.2 生活垃圾的应力压缩稳定标准的确定1) 24h压缩稳定标准法由于生活垃圾的压缩性很大，其孔隙比经常超过4.0，生活垃圾的孔隙比越大，其初始的压缩沉降量就越大，而后期的压缩沉降量越小，初始的压缩沉降量占长期压缩沉降量的比例就越大，因此，可用24h的压缩沉降量近似代表长期的压缩沉降量。从表4.2-1、表4.2-2可以看出，24h的压缩应变与极限压缩应变比较接近，可用24h的压缩应变近似代替极限压缩应变，本次试验把24h作为垃圾压缩稳定的试验标准。2) 建议采用的试验方法从压缩试验的时间线上，lh, 6h及24h是一个特殊的点，因此荷载的间隔时间定为24h较为合适，为掌握1h内的压缩沉降变