王麗娟 趙思同

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

我國(guó)的城市垃圾產(chǎn)量與日俱增，居民年產(chǎn)垃圾近10億噸，生活垃圾產(chǎn)量還在以每年5%-8%的速度快速增長(zhǎng)。我國(guó)生活垃圾的處理方式目前仍以填埋、焚燒、堆肥為主，而填埋作為主要的處理方式占處理總量的64%。垃圾填埋的處理方式具有成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但垃圾滲濾液成分復(fù)雜、污染濃度較高，會(huì)造成地下水污染。因此，垃圾填埋場(chǎng)底部防滲墊層選擇的合理性成為降低環(huán)境污染的關(guān)鍵技術(shù)手段。

對(duì)于天然黏土，加入改性材料可以改善黏土的工程性質(zhì)，國(guó)內(nèi)外已有眾多研究證明了改性黏土在垃圾填埋防滲襯墊方面的使用是安全可靠的。通過(guò)滲透試驗(yàn)測(cè)定改性土的滲透系數(shù)，是衡量改性土作為防滲墊層可行性的有效手段。黃土地區(qū)以粉土和粉質(zhì)黏土居多，天然黏土匱乏，如何做到因地制宜，將分布廣泛的黃土材料用作防滲墊層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全有效地阻隔垃圾滲濾液和降低工程造價(jià)，成為一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

1 垃圾填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)規(guī)范要求

我國(guó)要求投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的垃圾填埋場(chǎng)須在其四周邊坡以及底部設(shè)置滿(mǎn)足防滲要求的結(jié)構(gòu)層，目的是將垃圾滲濾液密封處理，以免污染周?chē)牡乇硭偷叵滤?，也防止周?chē)叵滤礉B入填埋場(chǎng)。結(jié)構(gòu)層的滲透系數(shù)必須小于1×10-7cm/s[1]。

2 重塑黃土試樣的物性特征

影響黃土滲透特性的因素主要是土的孔隙率與含水率。黃土的孔隙率會(huì)隨壓實(shí)度的增加而降低，因此通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)研究黃土的含水率與干密度之間的關(guān)系，是研究黃土滲透特性的前提和基礎(chǔ)。本文選用蘭州黃土作為試驗(yàn)材料，在將礫石和雜質(zhì)剔除之后，通過(guò)風(fēng)干和手工研磨將土樣細(xì)磨。本文主要完成了土的粒度特性指標(biāo)試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定最優(yōu)含水率和最大干密度試驗(yàn)，得到該重塑黃土的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。根據(jù)表1結(jié)果可認(rèn)定該土樣為粉土。

表1 黃土的粒度特性指標(biāo)試驗(yàn)及界限含水率試驗(yàn)結(jié)果

篩分出粒徑小于2mm的土樣進(jìn)行烘干，選用內(nèi)徑51mm、高度40mm的環(huán)刀進(jìn)行自然密度試驗(yàn)，黃土的自然密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。利用烘干法測(cè)定黃土試樣的天然含水率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 黃土的自然密度試驗(yàn)結(jié)果

表3 黃土含水率試驗(yàn)結(jié)果

本文采用輕型擊實(shí)儀完成擊實(shí)試驗(yàn)。先將土樣分成三層，每層擊實(shí)數(shù)為27下，根據(jù)公式（1）[2]計(jì)算試樣的最優(yōu)含水率約為13.4%。然后在此基礎(chǔ)上分別制作五個(gè)含水率依次相差2%的試樣，將制作好的試樣置于密封的塑料袋中48小時(shí)后開(kāi)始進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 黃土干密度和含水率的關(guān)系曲線(xiàn)

式中：

Wop—試樣的最優(yōu)含水率，%；

Wp—土樣塑限，%；

IP—土樣塑性指數(shù)。

根據(jù)圖1得知，土樣的最優(yōu)含水率為15.3%，最大干密度為1.78g/cm3。在最優(yōu)含水率條件下配制的土樣，其壓實(shí)效果最好。

3 石灰改性黃土的物性特征

石灰中含有的氧化鈣和氧化鎂會(huì)與黃土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在摻入量相同的情況下，石灰的細(xì)度越大，其與土?xí)l(fā)生更加充分的化學(xué)反應(yīng)，從而得到的改性黃土的性質(zhì)也越好。生石灰在消解過(guò)程中會(huì)釋放大量熱能，消解后呈膠凝狀特性，活性和溶解度都較消解前有所提高，這些膠凝狀物質(zhì)能進(jìn)一步與土中的膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。因此，利用生石灰改性黃土的效果要優(yōu)于熟石灰。石灰的加入會(huì)使得黃土拌合更加容易和均勻，可有效降低黃土的濕陷性和脹縮性。石灰中的化學(xué)物質(zhì)與黃土發(fā)生一系列反應(yīng)，阻隔了黃土中輸送水分的毛細(xì)孔，不僅可以提高黃土的承載能力，還能改善黃土的物理力學(xué)性質(zhì)。

按照GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求制作石灰改性黃土的擊實(shí)試樣。將通過(guò)2mm篩的改性土放入105℃的烘箱中烘干，將石灰摻入比例不同的改性黃土攪拌均勻，參考擊實(shí)試驗(yàn)得到試樣的最優(yōu)含水率15.3%，每種不同的石灰摻入比例均配制五個(gè)含水率依次變化的土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，改性黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 不同石灰摻入比的改性黃土的含水率與干密度的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖2可知，在摻入石灰后，改性黃土的最大干密度較黃土明顯減小，最優(yōu)含水率有所增大。最大干密度的減小是因?yàn)槭业谋戎剌^黃土小；最優(yōu)含水率逐漸增大是因?yàn)辄S土內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)Al2O3和SiO2在與生石灰反應(yīng)時(shí)需要消耗試樣內(nèi)的水分。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在將黃土和石灰均勻攪拌后，應(yīng)盡量減少放置時(shí)間并及時(shí)擊實(shí)，否則會(huì)引起干密度的快速降低，使得強(qiáng)度降低。

4 不同圍壓下石灰改性黃土的滲透試驗(yàn)

在對(duì)傳統(tǒng)三軸儀改造的基礎(chǔ)上，采用反壓飽和的方法對(duì)不同石灰摻入比條件下的石灰改性黃土進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)

常規(guī)滲透儀測(cè)試滲透系數(shù)時(shí)，試樣與側(cè)壁之間存在縫隙，部分水從側(cè)壁滲漏會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，且測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程中存在試樣結(jié)構(gòu)被擾動(dòng)造成應(yīng)力釋放等問(wèn)題[3]。

本試驗(yàn)采用的常規(guī)三軸儀是南京土壤儀器廠(chǎng)TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀。儀器安裝完成后開(kāi)始施加圍壓，使得水由于壓力差的存在而通過(guò)試樣滲透流出。在流量處于穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行滲透試驗(yàn)，每個(gè)試樣分別施加逐級(jí)變化的圍壓。本試驗(yàn)對(duì)常規(guī)三軸儀進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，較常規(guī)滲透儀能更好地模擬土的受力狀態(tài)，采用增大滲透壓的方式也可以加快試驗(yàn)的進(jìn)程。儀器上由兩個(gè)嵌套的有機(jī)玻璃管組合成雙層管，其中內(nèi)管下端與試樣相連，利用內(nèi)管上的刻度變化計(jì)算排水量，外管為可承受反壓力的透明有機(jī)玻璃管，為了在反壓力存在的情況下依然可以清晰讀出水量的滲流情況，內(nèi)外管的水面采用有色機(jī)油進(jìn)行隔離。圖3為裝置圖。

圖3 改進(jìn)的常規(guī)三軸儀測(cè)定滲透系數(shù)的裝置圖

4.2 試驗(yàn)步驟

為了使試樣達(dá)到飽和狀態(tài)，保證土樣中的氣體不會(huì)隨著孔隙水壓力的變化而變化，需要利用反壓飽和法使試樣處于飽和狀態(tài)。向試樣逐級(jí)施壓，直至孔隙水壓力的增量值與圍壓的增量值之比大于0.98時(shí)，則認(rèn)為該試樣處于飽和狀態(tài)[4]。圍壓和滲透反壓力的每級(jí)增壓量均為100kPa，待試樣內(nèi)孔隙水壓力消散后，對(duì)試樣底部施加滲透壓力進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)公式（2）計(jì)算結(jié)果作為該級(jí)圍壓下土樣滲透系數(shù)的終值。

式中：kt—水溫為t℃時(shí)土樣的滲透系數(shù)，cm/s；

a—體變管截面積，cm2；

?t—時(shí)間間隔t2-t1，s；

H—試樣高度，cm；

A—試樣面積，cm2；

h1、h2—t1、t2時(shí)體變管水面與排水管水面高度差，cm；

2.3—In和log的換算系數(shù)。

水溫為20℃時(shí)試樣的滲透系數(shù)見(jiàn)公式（3）。

式中：k20、kt—滲流水溫為20℃和t℃時(shí)的滲透系數(shù)，cm/s；

Q—滲流水量，cm3；

t—滲流時(shí)間，s；

h—滲透水頭，cm；

L—滲流流經(jīng)高度，cm；

η20、ηt—水溫為20℃和t℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，cm2/s；在水的動(dòng)力粘滯系數(shù)表中可以查到的比值。

按照擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得的不同石灰摻入比的石灰改性黃土的試驗(yàn)結(jié)果，制備試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同石灰摻入比條件下的石灰改性黃土滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果（cm/s）

根據(jù)滲透試驗(yàn)結(jié)果可知，黃土中摻入石灰后，其滲透系數(shù)明顯降低，這主要是由于石灰中的Fe2+、Mg2+、Ca2+等離子在與土中膠凝狀物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)時(shí)有效減少了滲流路徑。在石灰摻入比為5%時(shí)，不同圍壓下的改性黃土滲透系數(shù)都較石灰摻入比為3%時(shí)有數(shù)量級(jí)的降低。但是隨著石灰摻入比例的再增大，滲透系數(shù)的減小速率變緩。當(dāng)石灰的摻入比超過(guò)20%后，改性土的滲透系數(shù)均滿(mǎn)足垃圾填埋場(chǎng)的防滲要求。若再增大石灰摻入量，其滲透系數(shù)的降低幅度已經(jīng)不明顯，若進(jìn)一步增大石灰摻入量，會(huì)造成原材料的浪費(fèi)以及工程造價(jià)的增加。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比分析石灰改性黃土的最大干密度、含水率以及滲透特性隨石灰摻入比的變化規(guī)律，探究了石灰土作為黃土地區(qū)垃圾填埋場(chǎng)底部防滲墊層的合理性，主要得到以下結(jié)論：

1）石灰改性黃土的最大干密度隨著石灰摻入比的增加而減小，而最優(yōu)含水率隨石灰摻入比的增加而增大。

2）隨著石灰摻入比例的增加，石灰改性黃土的滲透系數(shù)逐漸減小。當(dāng)石灰摻入比達(dá)到20%，石灰改性黃土的滲透系數(shù)可滿(mǎn)足垃圾填埋場(chǎng)底部防滲墊層的規(guī)范要求。