城市固廢本構模型研究范文

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《同濟大學學報》2015年第四期

城市固體廢棄物（municipalsolidwaste，MSW以下稱為城市固廢）由于組分復雜，加之生化降解等多種因素影響，其物理力學特性常較復雜．考慮到固廢力學特性對填埋場穩定性及變形分析的重要性，因而有必要針對其強度和本構特性進行深入研究．固廢強度常通過線性Mohr－Coulomb準則描述，在當變形較大固廢仍未破壞時，可采用應變10％～15％對應的抗剪強度確定．以往試驗結果表明，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準則只能描述與常規土體力學性質相近的固廢強度，對于大多數固廢，其強度表現為非線性．Bray等通過試驗結果的分析，指出固廢摩擦角隨平均應力增大而降低，這進一步得到了Bareither等試驗結果和Bhandari和Powrie的證實．Stark等通過總結試驗結果和填埋體穩定性強度參數反分析，進一步證實了固廢強度的非線性特性．有關土體非線性強度目前已開展過一些探討，并已建立了相應準則（如Bake），但針對城市固廢非線性強度特性還缺乏深入探討，且與線性Mohr－Coulomb準則間的轉換還值得進一步研究．

當前固廢本構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特性，用于填埋場穩定性分析．呂璽琳等采用Mohr－Coulomb硬化模型研究固廢本構特性，并分析了其失穩特性．Machado等將固廢看作纖維加筋相和泥狀物復合體，提出了復合本構模型，馮世進等則基于該模型建立了基于鄧肯－張模型的復合本構模型．這些本構模型能合理描述固廢應力－應變關系，但缺少對體變特性的探討．受其復雜組分的影響，固廢體變特性與常規土體可能差異較大．高麗亞等通過大三軸試驗指出，固廢體變隨圍壓增大反而減小，與土體體變規律相反，該特性也得到其他試驗結果（如Machado等，Zhan等，馮世進等）的證實．針對當前有關固廢強度和本構描述存在的不足，本文基于冪函數形式的非線性破壞（屈服）準則，并采用合理的塑性勢函數，建立了一個合理適用的固體廢棄物本構模型，并通過對一系列三軸試驗結果模擬進行了對比驗證．

1城市固廢非線性強度準則

1．1強度準則為合理描述固廢的非線性強度特性，采用冪函數強度準則。

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

2城市固廢本構模型

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

3三軸試驗模擬驗證

3．1力學生物預處理（MBT）固廢試驗首先模擬Bhandari和Powrie［5］針對力學生物預處理（mechanical－biological－treatment，MBT）固廢三軸固結排水剪切試驗結果．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G0、ν，根據試樣孔隙特性選取e＊，Mf和ξ通過強度特性選取，Mc0和λ通過體變特性選取，hs為擬合參數．根據表1參數，對圍壓為50、100、200、400kPa條件下的試驗結果進行模擬．采用冪函數非線性強度準則預測的固廢抗剪強度結果如圖6所示，預測值與試驗值符合較好．考慮剪脹參數隨壓力水平的變化，采用如圖7所示的剪脹參數，模擬得到應力－應變關系曲線如圖8所示，通過與試驗對比表明，本模型能合理反映初始圍壓對應力－應變關系的影響特性．

3．2成都某填埋場固廢試驗進一步對李俊超等［15］的三軸固結排水剪切試驗結果進行模擬．固廢采自成都某填埋場5～15m深度處，直徑為10cm、高度為20cm。根據現場實測結果，試樣初始孔隙比取2．2．采用如表1所示的模型參數，對初始圍壓為50、100、150、250kPa條件下的4組試驗結果進行模擬．通過本文非線性強度準則預測的強度值如圖9所示，從圖中可看出，該準則能合理反映平均應力對固廢強度的影響．應力－應變特性模擬結果與試驗對比如圖10a所示，模擬結果與試驗基本一致．從試驗結果可知，體縮型固廢的體變與常規土體不同，即初始圍壓越大，體變反而越小．為合理描述這一特性，假定剪脹性參數與應力有關的量，這里取A＝e－p／p0．從圖10b的模擬結果可看出，采用該剪脹參數能合理反映試樣隨初始圍壓增大壓縮性降低的現象，且模型預測結果與試驗結果符合較好．

4結論

為反映城市固廢剪切強度隨平均壓力的變化，建立了一個冪函數非線性強度準則，并分析了剪切強度隨參數的變化特性．進一步分析了向線性Mohr－Coulomb準則轉換所得內摩擦角的變化規律，結果表明，該準則能合理反映摩擦角隨圍壓而降低的規律，并與試驗結果一致．基于增量雙曲線硬化準則，并采用合理的塑性勢函數，建立了一個適用于固廢的非關聯流動彈塑性本構模型．通過對一系列三軸固結排水試驗結果的模擬表明，所建立的模型不僅能合理反映初始圍壓對應力－應變關系的影響，并能正確模擬體變隨圍壓的變化．由于固廢體變特性復雜，與常規土體可能差異較大，因而尚需開展進一步的試驗和理論研究．

作者：呂璽琳 黃茂松 王蓉 單位：同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室 同濟大學 土木工程學院 上海巖土工程勘察設計研究院有限公司