中国低品质厨房废弃物的工程性质及其动态剪切行为

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Engineering properties and dynamic shear behaviors of low kitchen waste in China

低厨余垃圾（LKW）的工程特性及动态剪切行为研究，基于无锡旺吴山填埋场取样，分析表明LKW压缩性较高（平均压缩指数0.23），动态剪切模量随剪切位移幅值增大而降低（1.49-30.45 MPa），阻尼比随位移幅值增大显著升高（3.41%-28.72%）。研究发现，纤维和塑料含量与压缩指数、模量负相关（r=-0.98），土壤类材料含量与模量正相关（r=0.86）。振动特性显示低频下出现“过渡区”，需增加土壤类材料以提升填埋场抗剪强度。

　　随着全球城市化进程和经济发展，城市固体废弃物（MSW）的产生量显著增加。在许多发展中国家，卫生填埋仍然是主要的垃圾处理方式之一，因为它具有成本效益和操作效率。为了确保填埋场的安全运行，学者们对MSW的物理和机械性能进行了大量研究。然而，仅了解MSW在静态荷载下的机械特性并不能完全保障填埋场的安全性。1994年美国北岭地震后，研究者意识到地震活动可能引发填埋场边坡失稳。因此，过去几十年里，研究者开始关注MSW的动态特性，因为填埋场的地震响应主要由MSW的动态剪切行为决定。

在中国，由于实施了垃圾分类政策，许多垃圾填埋场中的厨余垃圾比例已经大幅降低。这些低厨余垃圾（LKW）主要由纤维、塑料和其他非生物降解材料组成，与传统的高厨余垃圾填埋场相比，其工程特性和动态剪切行为存在显著差异。为了更好地理解LKW的工程特性及其动态剪切行为，研究者在江苏无锡的陶花山垃圾填埋场进行了样本采集和实验测试。通过压缩测试和循环直接剪切测试，研究者分析了LKW在不同深度下的工程特性和动态响应。

研究发现，LKW的单位重量和含水率在不同深度有所变化，但总体上低于传统MSW的测试结果。例如，在16.25米深度处，LKW的平均含水率为45.8%，显著低于某些传统MSW的测试数据。这种差异主要归因于LKW中非生物降解材料的占比较高，而厨余垃圾的降解过程使得含水率相对较低。此外，LKW的压缩特性表明，其压缩指数与单位重量呈负相关，即单位重量越高，压缩性越低。这与传统MSW的研究结果一致，但LKW的压缩特性受到其组成成分的影响更为显著。

在动态剪切特性方面，研究发现LKW的动态剪切模量随着剪切位移振幅的增加而减小，而阻尼比则随着剪切位移振幅的增加而增大。这一现象表明，LKW在小位移振幅下的弹性行为较弱，但在大位移振幅下表现出较强的能量耗散能力。此外，剪切频率和正应力对动态剪切模量和阻尼比也有影响。在低频率条件下，LKW的动态响应表现出“过渡区域”，即剪切应力和剪切位移之间的非线性关系。这种现象可能与LKW中塑料和纤维材料的变形特性有关，它们在低频率下更容易发生位移和重排，从而影响整体的剪切强度。

通过对比不同垃圾填埋场的组成成分，研究者发现LKW的成分与传统MSW存在显著差异。例如，LKW中的塑料和纤维材料含量较高，而有机物和土壤类材料含量较低。这种差异导致LKW的动态剪切特性与传统MSW不同，特别是在剪切位移振幅和频率的影响下，其表现更为复杂。此外，研究还发现，LKW的动态剪切模量和阻尼比与组成成分之间存在较强的统计相关性，尤其是土壤类材料和纤维材料的影响最为显著。

研究还指出，LKW的动态剪切行为与填埋场的结构和填充方式密切相关。在实验中，LKW样本被分为水平段填充和垂直层填充两种方式，结果显示，水平段填充方式更有利于模拟实际填埋场的动态响应。此外，填埋场中不同深度的材料特性差异较大，尤其是当剪切位移振幅较高时，材料的重新排列和链接效应更加明显，从而提高了剪切强度。

对于LKW填埋场的地震响应，研究者认为其动态特性与传统MSW填埋场存在显著差异。由于LKW的单位重量较低，其动态剪切模量和阻尼比也相对较低，这可能导致其在地震作用下更容易发生滑动和变形。然而，当剪切位移振幅增加时，LKW的阻尼比显著提高，这表明其在较高剪切条件下具有更强的能量耗散能力。因此，LKW填埋场在地震作用下的稳定性取决于其填充方式、材料组成和剪切条件。

最后，研究者建议在LKW的回填过程中适当添加土壤类材料，以提高其动态稳定性。这种做法可以增强材料之间的链接效应，从而改善填埋场的整体性能。此外，研究还强调了对LKW动态特性的深入研究的重要性，这对于发展中国家的垃圾填埋场设计和安全运营具有重要意义。通过这些研究，可以更好地理解LKW的工程特性及其在地震作用下的行为，从而为未来的垃圾处理和填埋场建设提供科学依据。