基于原址擴建是解決城市垃圾填埋場容量不足的最經(jīng)濟和有效手段之一,目前我國許多城市垃圾填埋場正在進行擴建。由于老填埋場采用了垂直防滲系統(tǒng)或其它原因,擴建時在新老填埋場之間需設(shè)置一層包含多種土工合成材料的中間襯墊系統(tǒng)作為擴建堆體的防滲屏障。然而由于垃圾的高壓縮性、高度不均勻性及襯墊材料之間較低的界面強度,中間襯墊系統(tǒng)的以下變形和穩(wěn)定問題成為其主要工程問題:老填埋場的整體沉降和側(cè)向變形對中間襯墊系統(tǒng)產(chǎn)生附加應(yīng)變、中間襯墊系統(tǒng)下臥垃圾體的局部沉陷破壞中間襯墊系統(tǒng)防滲材料、剛性構(gòu)筑物周邊的不均勻沉降拉裂土工膜、擴建垃圾堆體沿中間襯墊系統(tǒng)薄弱界面失穩(wěn)破壞。 能有效反映垃圾應(yīng)變硬化特性的應(yīng)力應(yīng)變模型及中間襯墊系統(tǒng)的材料和界面特性是研究上述問題的基礎(chǔ)。本文通過模型試驗、解析方法和數(shù)值模擬等手段,圍繞上述工程問題開展研究,所做工作和主要結(jié)論如下: (1)基于國內(nèi)外垃圾三軸壓縮試驗結(jié)果,提出了垃圾的復(fù)合指數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變模型,能較好地反映垃圾在小應(yīng)變情況下的非線性變形特性及其在應(yīng)變較大情況下(20%以內(nèi))的明顯應(yīng)變硬化特征,并建立了國內(nèi)外垃圾的復(fù)合指數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫和建議值;同時系統(tǒng)總結(jié)了中間襯墊系統(tǒng)的材料特性和界面特性,并建議中間襯墊系統(tǒng)中土工合成材料的容許應(yīng)變值取為8%。 (2)基于所提出的垃圾復(fù)合指數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變模型,針對山谷型擴建填埋場整體沉降和側(cè)向變形對中間襯墊系統(tǒng)應(yīng)變的影響開展數(shù)值模擬,考慮了中間襯墊系統(tǒng)剛度及界面特性、填埋場寬度、填埋場前坡坡度、填埋場背坡坡度、填埋場擴建高度及垃圾體模量參數(shù)對中間襯墊系統(tǒng)應(yīng)變分布的影響。分析結(jié)果表明:老填埋場整體變形情況下的中間襯墊系統(tǒng)應(yīng)變主要由老填埋場的側(cè)向變形控制,最大拉應(yīng)變發(fā)生在老填埋場背坡錨固溝處;老填埋場的整體沉降和側(cè)向變形通常不會導(dǎo)致中間襯墊系統(tǒng)產(chǎn)生拉伸破壞,但當(dāng)其背坡坡度較陡或擴建堆高較大時需值得關(guān)注。 (3)分別針對砂土材料、壓實粘土緩沖層和應(yīng)變硬化材料開展了局部沉陷1g模型試驗,考慮了堆體高度、加筋體剛度及緩沖層對土拱效應(yīng)及加筋體變形的影響。試驗結(jié)果表明:沉陷區(qū)加筋體的上覆土壓力與加筋體撓曲變形大小密切相關(guān),當(dāng)擴建堆高較大時加筋體撓度不足以使土拱效應(yīng)充分發(fā)揮,已有土拱理論可能低估沉陷區(qū)加筋體的實際上覆土壓力;中間襯墊系統(tǒng)不宜僅采用壓實粘土層緩沖層作為抗局部沉陷措施,但一定厚度的緩沖層結(jié)合土工格柵加筋可有效控制中間襯墊系統(tǒng)中防滲材料的變形;下臥土體局部沉陷條件下應(yīng)變硬化材料的土拱規(guī)律及變形特性與砂土材料有明顯差異,應(yīng)變硬化材料自身具有良好的抵抗局部沉陷能力,附加加筋措施可進一步減小其變形量。 (4)分別基于所提出的復(fù)合指數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變模型及常規(guī)摩爾-庫侖模型,首先針對所開展的局部沉陷1g模型試驗開展了數(shù)值模擬,驗證了數(shù)值模擬不同材料土拱效應(yīng)及土工加筋抗局部沉陷問題的可靠性。進一步把研究對象拓展到擴建垃圾填埋場,提出了中間襯墊系統(tǒng)的抗局部沉陷加筋設(shè)計新方法并給出了相關(guān)設(shè)計曲線。該設(shè)計方法基于應(yīng)變硬化垃圾材料的土拱規(guī)律,綜合考慮了擴建堆體高度、垃圾體模量、加筋體剛度、中間襯墊系統(tǒng)坡度、緩沖層厚度等因素的影響,設(shè)計過程簡單,具有良好的工程適用性。 (5)首先基于傳統(tǒng)薄膜理論建立了下臥土體沉降作用下圓形構(gòu)筑物周邊土工膜受力變形的分析模型,從理論上揭示了下臥土體沉降作用下圓形構(gòu)筑物周邊土工膜的褶皺產(chǎn)生機理。進一步通過引入“可變泊松比”概念并基于褶皺薄膜理論建立了褶皺區(qū)與張拉區(qū)土工膜受力變形的分析模型。與無限長構(gòu)筑物相比,圓形構(gòu)筑物周邊土工膜在下臥土體沉降作用下將產(chǎn)生更大的變形和張力。減小下臥土體沉降、采用柔性土工膜及增大界面強度和圓形構(gòu)筑物半徑等措施可一定程度上降低褶皺的程度,而減小下臥土體沉降則是降低土工膜的內(nèi)力和變形最直接有效工程措施。 (6)針對含垃圾壩的山谷型新建或擴建填埋場沿襯墊界面的穩(wěn)定性,提出了三楔體極限平衡分析方法,并給出了安全系數(shù)及屈服加速度系數(shù)的近似解。采用Newmark法對不同場地、不同高度垃圾填埋場沿襯墊界面的地震永久位移進行了分析。系統(tǒng)獲得了填埋場襯墊界面強度、填埋場各坡坡度、填埋高度和寬度、垃圾壩高度和地震系數(shù)等參數(shù)對擴建堆體穩(wěn)定性的影響規(guī)律。建議我國填埋場襯墊系統(tǒng)地震容許永久位移控制在15 cm內(nèi)。 (7)結(jié)合蘇州七子山大型垃圾填埋場擴建工程,對中間襯墊系統(tǒng)的受力變形及擴建堆體沿其界面的靜動力穩(wěn)定性進行了綜合評價。發(fā)現(xiàn)老填埋場整體不均勻沉降和側(cè)向變形引起的中間襯墊系統(tǒng)的最大拉應(yīng)變?yōu)?.8%～4.15%,建議采用LLDPE土工膜和GCL作為防滲材料。針對局部沉陷問題,建議水平區(qū)中間襯墊系統(tǒng)選用一層抗拉強度為90 kN/m(ε=8%)的雙向HDPE土工格柵進行加筋并設(shè)置壓實粘土墊層(厚0.6 m),斜坡區(qū)中間襯墊系統(tǒng)則選用一層抗拉強度為130kN/m(ε=8%)的雙向HDPE土工格柵進行加筋并設(shè)置壓實篩選垃圾緩沖層(厚1m)。土工膜與豎向?qū)饩B接部位需采取措施進行處理,以控制土工膜的褶皺變形和最大應(yīng)變。同時建議在老場垃圾壩上部設(shè)置反壓平臺,以有效控制擴建垃圾堆體沿中間襯墊界面的穩(wěn)定性。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：TU993.3;TU761.11
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 垃圾填埋場擴建的緊迫性
    1.2 擴建垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)型式
    1.3 擴建垃圾填埋場中間襯墊系統(tǒng)的主要工程問題
    1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其不足之處
    1.5 本文所做的主要工作
第2章 垃圾復(fù)合指數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變模型及中間襯墊系統(tǒng)的力學(xué)特性
    2.1 垃圾的壓縮性及應(yīng)變硬化特性
    2.2 垃圾復(fù)合指數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變模型
    2.3 中間襯墊系統(tǒng)的組成
    2.4 中間襯墊系統(tǒng)材料的界面特性
    2.5 中間襯墊系統(tǒng)材料的拉伸特性
    2.6 中間襯墊系統(tǒng)材料的容許應(yīng)變
    2.7 本章小節(jié)
第3章 老填埋場整體變形及其對中間襯墊系統(tǒng)的影響
    3.1 引言
    3.2 基于復(fù)合指數(shù)應(yīng)力應(yīng)變模型的垃圾體受力變形分析方法
    3.3 老填埋場整體變形及其對中間襯墊系統(tǒng)的影響
    3.4 本章小節(jié)
第4章 填埋場局部沉陷模型試驗研究
    4.1 引言
    4.2 砂土材料局部沉陷模型試驗方案
    4.3 砂土材料局部沉陷模型試驗結(jié)果及分析
    4.4 含緩沖層局部沉陷模型試驗
    4.5 應(yīng)變硬化材料局部沉陷模型試驗
    4.6 本章小節(jié)
第5章 填埋場局部沉陷數(shù)值模擬及加筋設(shè)計方法
    5.1 引言
    5.2 砂土材料局部沉陷模型試驗的數(shù)值模擬
    5.3 應(yīng)變硬化材料局部沉陷模型試驗的數(shù)值模擬
    5.4 應(yīng)變硬化材料Trapdoor問題的數(shù)值模擬
    5.5 填埋場局部沉陷數(shù)值模擬
    5.6 中間襯墊系統(tǒng)加筋設(shè)計新方法
    5.7 本章小節(jié)
第6章 圓形構(gòu)筑物周邊土工膜的受力與變形分析
    6.1 引言
    6.2 褶皺產(chǎn)生機理及分析模型
    6.3 土工膜褶皺簡單模型試驗驗證
    6.4 模型的局限性
    6.5 本章小節(jié)
第7章 擴建填埋場沿中間襯墊破壞的穩(wěn)定性分析
    7.1 引言
    7.2 三楔體極限平衡穩(wěn)定分析模型
    7.3 穩(wěn)定安全系數(shù)求解方法及影響因素分析
    7.4 屈服加速度系數(shù)求解方法
    7.5 襯墊系統(tǒng)地震永久位移分析
    7.6 本章小結(jié)
第8章 蘇州七子山垃圾填埋場擴建工程實例分析
    8.1 概述
    8.2 中間襯墊系統(tǒng)變形性狀及其工程控制措施
    8.3 中間襯墊系統(tǒng)穩(wěn)定性狀及其工程控制措施
第9章 結(jié)論與展望
    9.1 主要結(jié)論
    9.2 進一步研究工作的建議與展望
參考文獻
附錄:作者簡歷及發(fā)表文章情況
致謝

【引證文獻】

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1 高登;;砂土層中盾構(gòu)隧道豎向土壓力的轉(zhuǎn)移機理及其計算[J];公路;2011年11期

2 陳云敏;施建勇;朱偉;詹良通;;環(huán)境巖土工程研究綜述[J];土木工程學(xué)報;2012年04期

3 連寶琴;朱斌;高登;陳云敏;;應(yīng)變硬化垃圾堆體抗局部沉陷研究[J];土木工程學(xué)報;2012年07期

本文編號：2828686