塑料含量对MSW强度特性影响及边坡稳定性分析

陈嘉瑞，李玉萍，2，施建勇，姜兆起

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 岩土工程研究所，江苏 南京 210098； 2.芜湖市勘察测绘设计研究院有限责任公司，安徽 芜湖 241000)

填埋体的变形和强度特性对垃圾填埋场的设计、运行以及填埋场封场之后的再利用都有着巨大的影响。由于垃圾土组成成分的多样性，垃圾土的力学性质非常复杂，通常被当作是一种复合材料来进行研究，其中主要成分为泥状物和纤维成分[1]，纤维成分(主要是指塑料、纸、织物)在垃圾土内部主要起到加筋成分的作用，被认为是垃圾土在较大应变时仍然能保持较大抗剪强度的关键因素。与常规加筋土不同的是，垃圾土中的纤维成分含量很高(3%～32%)[2]，垃圾土中的纤维成分过高时，是否还能继续保持加筋作用，或者加筋作用是否会受到影响，尚没有统一的定论。

目前，国内外学者通过开展直接剪切试验和三轴试验，研究纤维成分对垃圾土变形强度特性的影响。在直剪试验中，由于垃圾土中纤维成分摆放的角度与剪切面大多呈现平行状态，垃圾土的位移—应变曲线基本不会展示出硬化特性，甚至过高的纤维含量会使得纤维成分之间出现光滑的滑动面，使得垃圾土强度降低[3-7]。Zekkos等[8]通过对旧金山湾区的填埋场现场取样、手工分拣之后，开展不同纤维含量(38%、75%，质量占比)、不同摆放角度(0°、60°)的大直剪试验，结果表明，垃圾土的抗剪强度与纤维成分的摆放角度有关，与纤维含量关系不大，且纤维含量相同时，纤维摆放角度为60°的试样在剪切过程中展现出了更高的强度，强度参数也越大。这与Athanaspoulos等[3]开展不同纤维摆放角度的大直剪试验时所得到的结论一致。Fucale等[9]对不同纤维含量(0、10%、20%，质量占比)的MBT垃圾土进行直接剪切试验发现，当纤维含量为10%时，垃圾土的抗剪强度越大，并认为垃圾土中存在一个最佳纤维含量，低于或高于此值都会导致垃圾土强度的降低。Fernando等[10]通过对不同纤维含量的MBT垃圾土进行直剪试验也验证了这一观点。而现有三轴试验结果则显示垃圾土中纤维越高，强度越大[6，11-12]。Karimpour-Fard等[4]对不同纤维含量(0、6.25%、12.5%、25%，质量占比)的垃圾土试样进行CD、CU试验发现，随着塑料含量的增加，垃圾土的强度不断地增加，强度参数也不断增加。Karimpour-Fard等[4]认为三轴试验中剪切面的角度为与水平方向呈(45°+φ/2)，在剪切过程中正好穿过纤维成分，使得纤维成分的加筋作用得以充分的发挥，使得垃圾土抗剪强度不断增加。Ramaiah等[13]对印度垃圾填埋场收集的不同纤维含量(0～10.2%，质量占比)的垃圾土开展三轴固结排水剪切试验，试验结果显示，垃圾土的抗剪强度随着纤维含量的增加而增加，认为纤维成分增多之后纤维在试样中所起到的加筋作用增大。通过上述的研究可以发现，纤维成分在垃圾土中所起到的作用不仅与其含量有关，还与其摆放角度、剪切方式有关。

目前，国内外关于垃圾填埋场边坡稳定性的研究主要集中在渗滤液水位、温度、孔隙气压力等方面[14-17]，鲜有关于塑料含量对垃圾填埋场边坡稳定性的研究。本文针对国内典型垃圾填埋场的垃圾土中的塑料含量(8%～16%)[2，18]，人工配制不同塑料含量(8%、12%、16%，质量占比)的垃圾土试样进行三轴固结排水剪切试验，研究高塑料含量对垃圾土变形强度特性的影响机理，分析其强度参数随塑料含量和剪切应变的变化规律。同时，通过Geo-slope软件采用基于圆滑滑动的极限平衡分析法，开展不同塑料含量、渗滤液水位、强度取值标准的垃圾填埋场边坡稳定性分析。

1 试样制备及试验方案

1.1 试样制备

依据国内几个大型生活垃圾填埋场垃圾手工分拣的结果，人工配置垃圾土试样进行试验，具体配比见表1[19]。根据土工试验规范中的制样方法制得高80 mm、直径39.1 mm的垃圾土试样，试样孔隙比为2.0，干密度为0.66 g/cm3。制样过程中，为了抑制垃圾土在试验过程中发生降解产气，将1% 浓度的SOPP溶液与试样充分混合，使试样达到规定初始含水率50%[19]。试样中塑料纤维的长度控制在试样直径的1/10。为了研究不同塑料含量对垃圾土的强度变形特性的影响，设置塑料成分含量分别为8%、12%、16%，垃圾土配比中其他组分应按照原始比例相应增加或减小。

表1 人工配制垃圾土试样的组成及干质量占比Tab.1 The constituents and dry basis proportion of MSW

1.2 试验仪器

试验所使用的设备为GDS高级应力路径三轴测试系统，如图1所示。

图1 GDS高级应力路径三轴测试系统Fig.1 GDS advanced stress path triaxial testing system

该三轴仪由控制系统、数据量测系统和三轴压力室3部分组成。其中，控制系统由对试样提供轴压、围压和反压的3套独立的控制器组成，这3套控制器的最大工作荷载为2 000 kPa，压力控制的分辨率为1 kPa；数据量测系统包括各类传感器(荷载、位移、孔压)、8通道数据采集器、RS232MUX多路数据转换器和计算机组成，其中，荷载传感器的最大量程为4 kN，位移传感器的最大量程为25 mm，孔压传感器的最大工作荷载为2 000 kPa。压力室包括直径为38 mm和50 mm的底座和顶盖，其最大工作强度为1 700 kPa。

1.3 试验方案

设计并配制了3种塑料含量(8%、12%、16%)的垃圾土试样，进行固结排水剪切试验(固结压力分别为100、200、300、400 kPa)，研究塑料含量对垃圾土试样强度特性以及对垃圾填埋场边坡稳定性的影响。三轴试验一般包括以下4个程序：制样、饱和、固结、剪切。

(1)制样。按照表1展示的配比称取适量的材料，并按照试验规定的初始含水量率，加入适量的水进行搅拌，搅拌之后的试样如图2(a)所示。将搅拌完成的垃圾土样分5层装入三开膜中，并进行击实，每层垃圾土样击实之后的高度为16 mm。

(2)饱和。采取抽气饱和与反压饱和相结合的方法对试样进行饱和。抽气饱和时，先将配制好的试样放入饱和缸中进行抽气，抽气时间为1 h，抽气完成后利用饱和缸中产生的负压将蒸馏水吸入缸中，并没过试样顶部，最后静置12 h以上。试样静置完成后，将试样从饱和缸中取出，装入三轴压力室中，装好后的试样如图2(b)所示。反压饱和时，对试样分级施加反压和围压，每级增量10 kPa，同时保证围压比反压大5 kPa，之后进行B值检测，当B值大于0.97便认为饱和完成，此时反压为100 kPa，围压为105 kPa，反压饱和所需时间约为40 min。

(3)固结。饱和完成后，维持反压不变，通过调整围压来给试样施加固结压力。当试样内部的超孔压完全消散，试样的轴向位移小于0.01 mm/h，此时便认为试样固结完成，该过程一般持续7 h。

(4)剪切。固结完成后，对试样进行排水剪切，根据Bishop[20]建议的饱和试样三轴固结排水试验剪切速度计算公式，计算得到垃圾土的剪切速率为 0.02 mm/min[21]，切剪最大轴向应变为25%，剪切之后的试样如图2(c)所示。

图2 不同阶段的垃圾土试样Fig.2 MSW specimen in different experimental stage

2 试验结果与分析

2.1 塑料含量对垃圾土应力—应变特性的影响

不同固结压力下，不同塑料含量垃圾土试样的应力—应变曲线如图3所示。可以看出，所有垃圾土试样在剪切过程中都展示出了应变—硬化特性，偏应力随着轴向应变的增加而不断增加，没有峰值强度出现，这主要归因于垃圾土中纤维成分(塑料、纺织物)提供的加筋作用[13]。垃圾土的抗剪强度随着固结压力的增大而增大，这是因为在固结压力比较小时，垃圾土内部颗粒之间距离较大，孔隙多，颗粒之间接触不紧密，垃圾土各组分在发生相对错动时，其内部的应力状态发生逐步调整，剪应力水平增长相对平缓。固结压力增大后，垃圾土各组分变得更紧密，颗粒间发生错动的阻力更大，抗剪强度也随之提高。上述特征与许多学者的研究结果相似(如图4所示，以100、400 kPa固结压力下，12%塑料含量垃圾土为例)[18，21-23]。

对3种不同塑料含量下垃圾土的应力—应变曲线进行分析发现，在各级压力下，随着塑料含量的增加，垃圾土的应力—应变关系曲线有向下移动的趋势，即相同应变水平下，塑料含量越高，垃圾土的强度越低。根据Fucale等[9-10]对不同纤维含量的垃圾土的研究发现，垃圾土存在一个最佳纤维含量，超过或低于该纤维含量都有可能造成垃圾土强度的降低，并不能笼统地认为垃圾土的强度随着纤维含量的增加而增加。其次，塑料由于其低密度的特性使得在整个试样中所占的体积较大，塑料含量增加之后，其在试样中所占体积也更大。在制样的击实过程中便发现，塑料含量增加之后，试样越难以击实至目标高度，因此，塑料含量增加可能会导致土体更加松软，使得试样难以形成嵌锁结构，这可能也是塑料含量增加导致试样强度降低的原因之一。

图3 不同固结压力及不同塑料含量下的垃圾土的应力—应变曲线Fig.3 Stress- strain curves of MSW under different consolidation pressure and plastic contents

图4 不同垃圾土试样应力—应变曲线对比Fig.4 Comparison of stress-strain curves with different MSW specimens

2.2 塑料含量对垃圾土抗剪强度参数的影响

前文所述的垃圾土的应力—应变曲线展示出，在轴向应变达到25%左右时垃圾土没有峰值强度出现。考虑到填埋场内部存在着大量的管线以及多层衬垫，在对填埋场进行稳定性分析时也必须要考虑这些因素，过大的应变可能会导致管道变形、衬垫撕裂而影响填埋场的正常运行。结合上述原因以及其他学者选取强度参数的经验，通过变形准则来确定垃圾土的强度参数，建立其与变形间的关系，取轴向应变值分别为5%、10%、15%、20%来定义垃圾土的抗剪强度参数，如图5所示。从图5中可以发现，在塑料含量相等的情况下，黏聚力和内摩擦角随着轴向应变的增加而持续增加，其他学者也得到了类似的结论(图5)[18，22-25]。

垃圾土表现出的大变形强度特性与其包含的大量塑料、纺纤等纤维材料有着紧密的关系，正是这样导致其形态也跟普通土完全不同，更接近有机质较多的泥炭土[18]。其实，在剪切过程中，垃圾土主要依靠剪切面上材料之间的摩擦阻力和纤维材料之间互相拉扯来抵抗剪切变形。Kockel等[26]认为，垃圾土与纤维加筋土有着较大相似之处，应该用加筋土的强度模型来解释垃圾土的强度特性。根据这种复合材料模型，把垃圾土分离为塑料、尼龙绳、纸张等组成的“加筋相”和灰土、泥沙、碎石等组成的“基本相”。

结合图5可以发现，轴向应变在5%以内时，试样表现出来的黏聚力较小，均在20 kPa以内，说明此时试样内部MSW纤维状的加筋成分没有绷紧，剪切面上的纤维状加筋相的拉力还没有发挥。该阶段对应的内摩擦角多数在10°～15°，试样的抗剪强度主要由摩擦力来提供，摩擦力包括了土颗粒之间的相互错动，以及平行于剪切面的纤维成分与土颗粒之间的相互交错，以及纤维成分之间的相互摩擦。当轴向应变继续增加至5%～15%时，黏聚力、内摩擦角也持续增大，说明穿过剪切面的纤维加筋材料已经拉紧并开始产生一定的拉力。当变形持续增加至20%以上，随着试样越来越密实，穿过剪切面纤维状加筋相的抗拉能力得到增强，同时纤维状成分与土颗粒之间和纤维状成分之间的摩阻力也更加充分发挥了作用，使得垃圾土试样内部形成了嵌锁结构，使得内摩擦角以及黏聚力不断增加。

图5 黏聚力、内摩擦角与轴向应变的关系Fig.5 The relation between cohesion and internal friction angle with axial strain

塑料含量对垃圾土强度参数的影响如图6所示，并与文献[4，6，27-28]的结果进行了比较。从图6中其他学者的研究结果可以发现，塑料含量增高有可能导致垃圾土强度参数出现增加或者减小，并无定论。试验结果表明，相同应变水平下，内摩擦角随着塑料含量的增加略有减小，黏聚力随着塑料含量的增加而显著减小。冯世进等[18]认为，垃圾土的摩擦力主要由土颗粒之间的摩擦力、土颗粒与纤维材料之间的摩擦力及纤维材料之间的摩擦力3部分提供。Kockel等[26]通过对不同塑料含量垃圾土进行无侧限抗压强度试验发现，塑料含量增加后垃圾土强度降低，内摩擦角减小，认为塑料含量增加后，在剪切过程中塑料与塑料之间的摩擦增加，导致土颗粒与土颗粒之间的摩擦减小，而塑料间的摩擦比土颗粒间的摩擦小得多，因此塑料含量增加会使得垃圾土在剪切过程中展现出较小的摩擦力。

图6 内摩擦角和黏聚力随塑料含量的变化Fig.6 The relation between Internal friction angle and cohesion vary with plastic content

垃圾土的黏聚力主要由两部分组成，各组分之间的胶结作用及静电引力和加筋成分的加筋力[18]。根据纤维加筋土研究情况，在加筋土中存在最佳加筋含量，在纤维含量小于最佳加筋含量的情况下，土体中的纤维彼此连接、交错，形成空间网状结构，将土颗粒包裹其中，增强了土体的整体性；一旦纤维含量超过最佳加筋含量，过多的纤维会将土颗粒隔离开来，减弱了土颗粒间的相互作用力[29-30]。随着塑料含量的增加，可能已经超出了垃圾土的最佳加筋材料含量，使土颗粒之间更加分散，土颗粒之间的胶结作用减弱。其次，在垃圾土试样中，并非所有的纤维加筋材料都可以为试样提供加筋作用，只有当纤维材料穿过剪切面，并与土颗粒等其他颗粒状成分相互咬合、形成嵌锁结构，才可以为试样在剪切过程中提供加筋力，如图7(a)所示。当塑料含量过高之后，垃圾土试样中土颗粒等成分含量便降低，如图7(b)所示，即使穿过剪切面的塑料含量有所增加，但是由于缺少土颗粒等成分对塑料所起到的锚固力，塑料在剪切过程中难以被充分拉伸，无法形成有效的嵌锁结构，因此不能为试样提供有效的加筋力，使得试样的黏聚力下降。

图7 纤维成分与颗粒状成分在垃圾中分布示意Fig.7 Distribution diagram of fiber and particle in MSW

试验结果表明，在轴向应变相同的情况下，内摩擦角和黏聚力随塑料含量的增加而减小，且呈线性关系。因此不同轴向应变下，垃圾土黏聚力、内摩擦角随塑料含量(ωpc)的变化可用式(1)、式(2)表示。

(1)

(2)

3 填埋场边坡稳定性分析

针对我国典型填埋场边坡(高50 m，坡度高度之比为1/3)，利用Geo-slope软件进行建模，采用Morgenstern-Price法开展边坡稳定性分析，研究了塑料含量、渗滤液水位，强度取值标准对填埋场边坡稳定性的影响。计算中用到的土体强度参数见表2。填埋体容重根据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176—2012)[31]建议的容重与深度的公式计算，如式(3)所示。

(3)

式中，H为垃圾填埋场高度；γ0为填埋场初始容重，根据规范取值8 kN/m3。

表2 不同应变、塑料含量下的垃圾土强度参数Tab.2 Strength parameters of MSW under different strains and plastic contents

3.1 塑料含量对垃圾土边坡稳定性影响

取15%应变下不同塑料含量(8%、12%、16%)垃圾土的强度参数进行边坡稳定性分析，通过计算得到的该垃圾填埋最危险的滑动面如图8(a)所示。从图8(a)可以看出，当垃圾土的塑料含量从8%升至12%时，填埋体坡顶的滑动面位置略有向右移动的趋势，而坡脚的滑动面位置无明显变化。当塑料含量增至16%时，坡顶位置的滑动面开始向右移动，坡脚位置的滑动面开始向坡脚移动，滑坡深度减小。由图8(b)可知，塑料含量增加从8%增加到16%时，安全系数Fs从2.155降低至1.41，降幅为34.57%。根据《生活垃圾卫生填埋处理规范》(GB 50869—2013)[32]中给出的安全系数参考值可知，当边坡安全系数Fs大于1.5时，表示该填埋场稳定性很好；Fs为1.3～1.5时，表示该填埋场较为稳定；Fs小于1.3时，表示该填埋场稳定性能较差。这表明填埋体塑料含量上升至16%时，填埋场的稳定性减弱。

图8 塑料含量对填埋场边坡稳定性分析计算结果Fig.8 Calculation results of landfill plastic contents on slope stability

3.2 渗滤液水位对垃圾土边坡稳定性影响

我国城市固体废弃物中厨余含量，含水率普遍较高，使得我国垃圾填埋场中的渗滤液水位一直居高不下[17]，过高的渗滤液水位会对周围环境以及垃圾填埋场堆体稳定造成影响。因此，了解渗滤液水位对垃圾填埋体的边坡稳定的影响非常重要。利用上节模拟的垃圾填埋场边坡，结合表2中12%塑料含量的垃圾土在15%轴向应变时所对应的强度参数，参考文献[33]中统计的国内典型垃圾填埋场渗滤液水位高度(通常为垃圾土堆体表面以下2～30 m)，设置了以下渗滤液水位(分别为堆体表面以下5、10、15、20、25、30 m)开展边坡稳定性计算，研究渗滤液水位对垃圾填埋场边坡稳定性的影响。图9(a)示出了计算得到的不同渗滤液水位(LL)下垃圾堆体最危险的滑动破坏面。由图9(a)可以看出，渗滤液水位越低，位于填埋体坡顶位置的滑动面开始向左移动，位于坡角处的滑动面开始略微向上移动。图9(b)示出了安全系数与渗滤液水位的关系，图9(b)表明，当渗滤液水位从距离坡顶5 m处降至30 m处时，边坡的安全系数Fs从1.303增至2.333，说明降低渗滤液水位对提高垃圾堆体的稳定性有着显著的作用。

图9 渗滤液水位对填埋场边坡稳定性分析计算结果Fig.9 Calculation results of landfill leachate level on slope stability

3.3 强度取值标准对垃圾土边坡稳定性影响

设置渗滤液水位为距堆体表面15 m处，结合表2中12%塑料含量的垃圾土在不同轴向应变下(5%、10%、15%、20%)的强度参数开展边坡稳定性分析，研究基于轴向应变的不同强度取值标准对垃圾填埋场边坡稳定性的影响。取不同轴向应变对应的强度参数进行计算，得到的垃圾堆体最危险的圆弧破坏面如图10(a)所示。从图10(a)中可以看出，选取轴向应变分别为5%和10%时计算得到的最危险的滑动面几乎重合，当轴向应变继续增加至15%时，坡顶位置的滑动面开始向左移动，坡脚位置的滑动面开始向上移动，轴向应变增至20%时，最危险滑动面与15%轴向应变下计算得到的滑动面几乎重合。不同轴向应变下计算得到的安全系数如图10(b)所示。可以发现，随着轴向应变的增加，垃圾填埋体的安全系数也持续上升。当轴向应变为5%时，此时垃圾土黏聚力为8.4 kPa，内摩擦角为13.17°，该填埋场安全系数为0.694；当轴向应变为10%时，此时垃圾土黏聚力为11.75 kPa，内摩擦角为20.69°，该填埋场安全系数为1.084。这表明使用上述2个轴向应变下的强度参数进行计算时，该填埋场处于失稳状态，随着轴向应变继续增加，垃圾土的强度参数也随之增大，填埋场安全系数也逐渐增大，填埋场稳定性趋好。

图10 轴向应变对填埋场边坡稳定性分析计算结果Fig.10 Calculation results of axial strain on slope stability

4 结论

通过对不同塑料含量的垃圾土试样进行三轴固结排水剪切试验，研究了高塑料含量(8%、12%、16%)对垃圾土变形强度特性的影响，在此基础上开展了填埋场边坡稳定性分析，得到主要结论如下。

(1)不同塑料含量的垃圾土都展现出了应变—硬化特性。随着塑料含量的增加，垃圾土的抗剪强度降低。这是由于过高的塑料含量超过了垃圾土试样的最佳纤维成分含量，导致垃圾土中其他成分相互分离，难以形成嵌锁结构，使得试样更加松软。

(2)随着塑料含量的增加，垃圾土的内摩擦角略有减小，黏聚力下降明显。塑料含量增加对垃圾土强度特性的影响体现在2个方面：①塑料含量过高增加了剪切面上塑料—塑料以及塑料—土颗粒之间的摩擦，降低了土颗粒之间的摩擦，导致摩擦角降低；②塑料成分的存在隔离了土颗粒之间的接触，使得其胶结作用减小，同时剪切面上排列的塑料在被剪切的时候两端固定减弱，表现出来的首先是移动其次才是拉升，导致其加筋作用难以发挥或者不能完全发挥，因而黏聚力降低。

(3)当塑料含量从8%上升至16%时，垃圾填埋场安全系数从2.155降至1.41，降幅34.57%，该垃圾填埋场稳定性减弱。通过对不同渗滤液水位下的垃圾填埋场进行边坡稳定性分析发现，降低填埋体的渗滤液水位是行之有效的增加填埋场边坡稳定性的方法；合理选取垃圾土的强度参数开展边坡稳定性分析，对研究垃圾填埋场的边坡稳定性具有显著的影响。