国外城市垃圾填埋场岩土工程研究的最新进展

介绍了国外在垃圾填埋场衬垫层、覆盖系统 (帽子 )、垂直隔离墙及土工布等方面的最新进展.     

重金属作用下改性水泥系隔离墙化学相容性研究

水泥系隔离墙被广泛应用于工业污染场地修复工程,但其防渗性能有待改善,且在高浓度、毒理性重金属污染作用下的化学相容性有待研究。通过室内试验研究了不同粒化高炉矿渣（GGBS）掺量、膨润土掺量和固化剂总掺量对水泥系隔离墙的强度和渗透特性的影响;综合考虑成墙效果和成本,选出固化剂掺量为20%（水泥、粒化高炉矿渣和膨润土掺量分别为8%、8%和4%）作为改性水泥系竖向隔离墙的最优配比。通过柔性壁渗透试验研究了重金属锌、铅污染作用下改性水泥系隔离墙试样的化学相容性。结果表明,重金属溶液作用下试样防渗性能的下降由重金属种类、重金属浓度以及试样孔隙液pH值三者共同决定。重金属种类对防渗性能的不利影响为：硝酸锌-硝酸铅>硝酸锌>硝酸铅。锌、铅溶液作用下试样的渗透系数为自来水作用下渗透系数的1.49～10.10倍,且重金属溶液的浓度越高渗透系数越大。在满足防渗要求前提下,该配比墙体材料能阻挡50 mmol/L的硝酸锌污染液、100 mmol/L的硝酸铅污染液和10 mmol/L硝酸锌-硝酸铅污染液。     

有机污染物在含土工膜复合隔离墙和含水层系统的运移半解析模型

为评估土工膜与土-膨润土组成的复合隔离墙对有机污染物的防污性能,建立了污染物在源区域发生降解扩散时透过复合隔离墙的一维瞬态扩散模型。通过拉普拉斯变换和Talbot数值反演获得了模型解。第3类入流边界条件下,考虑源区的扩散和降解时,第1类隔离墙(土工膜/土-膨润土)和第2类隔离墙(土-膨润土/土工膜/土-膨润土)100 a的击穿浓度分别较源浓度恒定时减少了59%和53%。由于假设土工膜渗透系数高于10^–12 m/s,污染物在复合隔离墙中的对流作用不能忽略,因此,采用第2类复合隔离墙使土-膨润土能更好地发挥主导隔离作用。将土工膜的渗透系数从10^–10 m/s减少到10^–16 m/s,第1类复合隔离墙的击穿时间从26 a增加到188 a,第2类复合隔离墙的击穿时间从32 a增加到81 a。利用抽水井调整墙体内外为负水头差及提高源区的污染物降解能力,可使隔离墙的防污性能得到较大提升。     

垃圾土一维压缩修正公式及有机物降解验证试验研究

针对垃圾填埋场沉降计算问题,考虑垃圾土中有机物降解及对降解过程中重度变化,在张振营压缩量计算方法的基础上推导了垃圾土一维压缩计算的修正公式;通过垃圾土有机物降解试验和计算分析,研究了有机物的降解规律;以相同配比的垃圾土进行了垃圾土柱的沉降和计算参数试验,对推导的垃圾土一维压缩计算修正公式进行了验证。研究表明,修正的计算公式能考虑更多的影响因素,有机物的降解规律可以用Richards生物生长规律来模拟,修正的计算公式能够合理地计算出垃圾土沉降的过程。     

高速公路拼接段地基处理设计分析方法与工程实践

针对新、老高速公路拼接段的两种拼接型式直接拼接和分离拼接 ,对新建路基实施拼接后 ,以超载形式引起已建高速公路产生的附加沉降的不良影响进行研究 ,选择了造价低、施工方便的沉降隔离墙方案。应用土体固结非线性有限元法 ,对锡澄与沪宁高速公路拼接段中的隔离墙在工程中所起的作用进行数值模拟 ,计算分析表明 ,隔离墙的存在可有效地减少锡澄高速公路拼接后对沪宁高速公路主线中心的附加沉降量。     

水泥垃圾土强度特性试验研究

以生活垃圾为地基的工程事例越来越多,但垃圾土的处理方法还没有形成系统的经验和成熟的设计计算理论。经过统计分析,按一定配比制备了人工垃圾土,分别进行了未降解、降解旺盛期、降解稳定期在水泥掺入量为25 %、35 %、45 % 3种条件下不同养护龄期水泥垃圾土的无侧限抗压试验,得到了硬化的应力-应变关系曲线和水泥垃圾土强度随养护龄期、水泥掺入量、降解阶段变化的规律。试验结果表明,垃圾土中的有机质既对水泥垃圾土有加筋作用,也有减弱水泥垃圾土强度形成的作用;未降解、降解旺盛期、降解稳定期水泥垃圾土的强度变化特性不同,水泥只对降解稳定的垃圾土有较好的处理效果。同时建议水泥的掺入量应大于35 %。     

改性土-膨润土竖向隔离墙材料的压缩及渗透特性试验研究

膨润土系竖向隔离墙作为阻滞污染物的工程屏障有效且经济。采用沸石改性传统的土-膨润土竖向隔离墙存在抗腐蚀性弱等耐久性不足的同时,必须考虑其压缩、渗透等工程性质的变化。通过一维压缩固结试验,研究了不同沸石及膨润土掺量下膨润土系隔离墙材料的压缩固结和渗透特性。引入评价天然重塑黏土的压缩、渗透特性的归一化孔隙比e/eL和评价天然重塑黏土固有压缩特性的孔隙指数Iv两种归一化评价体系,进一步探讨了添加沸石改性前后膨润土系竖向隔离墙混合土的压缩和渗透特性。     

土-膨润土隔离墙应力状态与固结行为的现场试验研究

土-膨润土竖向隔离墙被广泛应用于污染场地治理,其服役性能受应力状态和固结变形影响较大。通过建造两段不同尺寸的土-膨润土隔离墙试验段,并利用土压力盒、孔压计、测斜管等分别对墙体现场应力状态和变形进行了为期15个月的监测,获得了土-膨润土隔离墙固结行为的基本特征。监测结果表明：墙体主固结阶段需要数月;墙体固结变形以侧向变形为主;大部分深度内总应力在前1个月显著减小,并在随后基本保持稳定,有效应力随超孔压消散而不断增加;水平应变与最大水平有效应力均与墙深呈显著正相关;然而在主固结期间,墙体底部总应力和孔压均一直减小直至等于静水压力,有效应力始终很小。根据实测墙体变形及应力分布的特点,指出在相邻土体中可能形成滑动楔形体,对填料产生整体挤压,从而对隔离墙的现场固结行为特征作出了合理解释。最后,针对土-膨润土隔离墙的设计施工提出了相关建议。     

好氧降解对垃圾土沉降影响试验及沉降模型

好氧降解作用对垃圾土沉降变形特性的定量评价是预测和评估好氧降解稳定化的重要基础。以武汉市典型生活垃圾组成配比人工制作的垃圾土为样本,开展了不同通风条件下垃圾土沉降特性试验,分析了好氧通风频率对沉降变形的影响。试验结果表明：厌氧条件沉降速率趋于稳定后,好氧通风可显著提高垃圾土的沉降速率;上、中、下3层垃圾在高通风频率下垃圾土沉降比低通风频率下沉降效率分别提高了145%、150%、100%;建立了厌氧-好氧联合型沉降模型,通过与试验监测得到的沉降值对比,初步验证了模型的可靠性。研究结果为好氧通风过程中垃圾土沉降稳定性评估提供了理论依据。     

垃圾土瞬时模量变化规律的试验研究及机制分析

采用有代表性配比的人工配料垃圾土试样对瞬时模量变化规律进行了试验研究,结果表明：垃圾土有机质含量、初始含水率、初始孔隙比及降解程度的变化对瞬时模量都有影响,并得到了各影响因素下的变化规律。结合垃圾土自身特性对各因素影响机制及结果进行了分析,这些结论对未来的填埋场变形研究及工程设计是非常有意义的。     

防渗墙粗粒土槽孔泥皮的抗渗性试验研究

通过自制泥浆渗透试验仪,针对粗粒土地基防渗墙泥皮的渗透稳定性问题,开展了护壁泥皮抗渗性能的试验研究。结果表明,泥皮具有明显的截渗作用;不同压差作用下泥浆渗透形成的泥皮具有不同的抗渗特性,压差越大、泥皮越致密,抵抗渗透破坏的能力越强,泥皮的渗透性也就越小;反压渗水作用下泥皮的抗渗性能较正压渗水作用下的抗渗性能差;随着水力作用持续时间的增长,泥皮的结构发生变化,孔隙增大,流速逐渐增大,在较大水力梯度作用下会发生破坏;泥皮的临界水力梯度与其形成时压差作用大小有关,泥皮形成压差越大,正、反向渗水的临界水力梯度越大;反之,临界水力梯度越小。关于泥皮抗渗性能的深化认识,对于完善防渗墙设计与施工具有重要的意义。     

堤坝脉动注浆浆液扩散机制及应用研究

基于脉动注浆泵可输出低频周期性脉冲压力的特点,结合可控性黏土固化浆液,提出了一种可用于堤坝防渗加固的新方法。通过进行原型试验验证了该方法的可行性,考虑钻孔扰动和脉动低频重复压力对地层渗透特性的影响,推导了黏土固化浆液脉动扩散方程,运用多场耦合软件COMSOL探讨了脉动压力下黏土固化浆液扩散的机制,最后将研究成果成功应用于南水北调中线鹤壁段引水渠道边坡帷幕注浆工程。研究结果表明：黏土固化浆液脉动控制注浆技术可显著提高地层连续性和整体性,结石体28 d强度大于2 MPa,渗透系数可降至10?5 cm/s左右,浆液在注浆孔附近与土体胶结成块,邻近注浆孔浆脉交错搭接,整体表现为空间立体网状包裹结构的防渗墙体;对数值模拟和现场试验结果进行综合分析,堤坝脉动注浆时间应控制在1 800～2 400 s之间,合理的脉动注浆压力在0.2～2 MPa之间,脉动持续时间宜调至4～8 s,脉动间隔时间宜调至2～6 s,这样有利于保证堤坝脉动注浆工程达到最优的防渗加固效果;工程实践的渠道边坡连续性、整体性得到了改善,注浆止水加固效果显著,检查孔渗透系数降至10?5 cm/s,所取芯样完整,芯样最长可达40 cm。     

孔隙砂岩多次化学注浆试验研究

选取宁东地区典型的孔隙砂岩,采用不同颜色示踪的化学浆液进行4次注浆试验;揭示了浆液在孔隙中的扩散、充填规律及注浆次数与被注岩层渗透系数、孔隙率之间的关系。研究发现：每次化学注浆浆液的充填情况有明显的差别,首次注浆浆液在整个岩样均有较均匀的充填,后续的各次注浆浆液均呈现部分区域积聚充填的现象;随着注浆次数的增加岩样的渗透系数减小,孔隙充填率增加,渗透系数、孔隙充填率与注浆次数的关系可分别采用幂函数及对数函数拟合;4次注浆后岩样的渗透系数减小了97%,说明多次注浆起到了很好的减渗效果。依据试验成果,建立数值计算模型,预测了不同注浆次数、不同开挖条件下注浆孔及井筒的涌水量,并与井筒实际涌水量进行对比,发现两者数据较为吻合,说明依据试验结果建立数值模型进行涌水量预测是可行的。     

煤系复杂地层钻探护壁浆液研究与应用

基于护壁材料对浆液的流变性和失水及造壁性的影响,通过室内试验,研究了适用于煤系复杂地层的护壁浆液——膨润土-高聚物浆液。采用正交试验法得出护壁浆液的优化配方:5%膨润土+0.3% SM植物胶+0.04%聚丙烯酰胺（PAM）+1%腐植酸钾（KHm）。将这种高聚物低固相泥浆用于现场试验,在煤系复杂地层的钻探护壁中取得了良好的效果。      

软土地层地下连续墙成槽护壁泥浆研究

含砂性土等软土地层地下连续墙成槽施工,基槽侧壁易扰动坍塌,影响地下连续墙施工质量。降低泥浆失水量、适当提高泥浆粘度和防塌是护壁成槽的关键。结合宁波轨道交通车站基坑地下连续墙成槽施工,采用部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、聚丙烯腈钙(CPAN)和硝基腐植酸钾(NKHm)作为添加剂,根据正交试验测定泥浆性能优化配比。研究表明：PHP失水量小,泥皮薄;CPAN和NKHm对降失水量效果明显,粘度适中。将试验结果应用于工程实践,护壁效果好。     

多孔介质中水泥浆三维锋面特征研究

深层渗滤效应普遍存在于多孔介质的渗透注浆过程中,并起着非常重要的作用。基于质量守恒方程、线性滤过定律、渗流连续性方程及Darcy定律,建立了水泥浆三维锋面的理论模型;通过现场试验,研究了水泥浆三维锋面扩散运移及沉积层渗透系数的变化规律,并将试验值与模型理论值进行了对比分析。结果表明,沉积层渗透系数随水泥浆锋面的扩散运移动态变化;当注浆压力恒定时,水灰比越小,深层渗滤效应越显著,浆液扩散距离相应越短;相同扩散距离时,受重力效应的影响,注浆点源之上的沉积层渗透系数大于注浆点源之下的沉积层渗透系数;浆液扩散距离及固定位置处的沉积层渗透系数均与水灰比呈正相关。研究成果可指导工程设计,具有一定的实际应用价值。     

新型水玻璃−酯类注浆材料及其固沙体特性研究

针对风积沙边坡稳定性差和常用加固技术存在成孔困难、加固范围有限等问题,提出以二元酸酯为固化剂的新型水玻璃?酯类浆液对风积沙进行加固的思路。采用倒杯法和旋转黏度计对新型水玻璃?酯类浆液的凝胶时间、黏度时变性进行了系统测试,并通过三轴试验研究不同浆液填充率对固沙体强度和渗透性的影响规律。研究表明：新型水玻璃?酯类浆液凝胶时间在20 s～60 min之间,浆液黏度随时间增长呈现指数型增长变化,且凝胶之前黏度低;当浆液填充率从0%增加至100%,固沙体黏聚力由0 kPa线性增加至148.4 kPa,内摩擦角按抛物线变化规律从32.1o增加至37.8o,渗透系数从3.42×10?5 cm/s降低到8.74×10?7 cm/s;与水玻璃?磷酸浆液、水玻璃?硫酸浆液相比,新型水玻璃?酯类浆液固沙体抗压强度高。该研究结果为风积沙边坡加固提供了新的方法。     

废弃泥浆底部真空−上部堆载预压模型试验研究

针对工程泥浆回填废弃矿坑处置的安全问题,开展底部真空和上部堆载预压处理废弃工程泥浆的模型试验,探讨该技术在废弃矿坑回填处置工程应用的可行性。试验结果表明,底部真空和上部堆载预压使得泥浆含水率显著降低及泥土的强度明显提高,处理一个月后,含水率从初始450%降低至95%～105%,体积减量达到73.4%;不排水强度由初始为0的状态提高至9.8～13.4 kPa。在初始的静置阶段,泥浆颗粒沉积存在重力分异现象,粗颗粒在底部沉积有助于缓解真空预压过程中淤堵问题。底部真空作用下,泥浆中孔隙水渗流方向并非完全一维向下,在径向存在水力梯度。处理后泥土压缩性与软土相近,渗透性优于软土。基于试验结果和大应变固结理论,考虑泥浆的自重固结以及压缩性与渗透性的非线性变化,利用有限差分法分析了单次回填厚度对泥浆层固结时间和减量效果的影响,提出了现场实施的工艺参数建议。     

渤钻低密度固井水泥浆降低煤层气储层伤害的实验

针对煤层气井传统的固井水泥密度较大,在固井过程中产生较大压差,影响半径较大,且滤液成分矿化度较高,持续对储层产生伤害的问题,通过对比渤海钻探所使用的低密度固井水泥浆(统称渤钻浆)和常规固井水泥浆的失水量、滤液性能和稠化时间,并通过分析其滤液成分、电导率、渗透率回复率和计算污染半径,评价了渤钻浆降低煤层气储层伤害的能力。结果表明:渤钻浆失水量比常规固井水泥浆小一半,并且滤液黏度高、矿化度低和电导率低,使渤钻浆污染的煤样渗透率降低为28.97%(常规水泥浆污染的煤样渗透率降低为65.87%),渗透率恢复率为89.81%(常规水泥浆渗透率恢复率为61.18%)。综合来看渤钻浆不仅密度低,形成压差小,保证煤层稳定,还减小污染半径,降低了对煤层气储层的伤害。      

双矩形钢模管互导干作业地下连续墙

地下连续墙常采用泥浆护壁、水下灌注混凝土进行施工,槽壁稳定和槽段接头防渗一直是施工控制的难点。泥浆本身易于造成环境污染,而泥浆制备的水耗和废料处置也增加了工程造价。为解决这些问题,开发了一种新技术——双模管互导干作业地下连续墙技术。该技术采用钢模管护壁和双矩形模管导向沉管挤土或沉管干取土的成墙工艺（分别适用于墙厚300～500mm和600～1 000mm）,不需要泥浆和水下灌注墙混凝土,可以在同一平面内成墙、实现墙单元无缝连接。实践表明,该技术墙体防渗性能好,成墙效率高,连接质量可靠,不仅适用于深厚软粘土地层的基坑围护工程,也可应用于类似地质条件下水库工程的防渗加固。