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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2022, Vol. 56 Issue (4): 664-673    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.04.005
交通工程、土木工程     
固废应变硬化机理与超重力模拟适用性
孟嘉1,2(),李俊超1,2,*(),陈云敏1,2
1. 浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058
2. 浙江大学 超重力研究中心，浙江 杭州 310058
Strain-hardening mechanism and applicability in hypergravity simulation of municipal solid waste
Jia MENG1,2(),Jun-chao LI1,2,*(),Yun-min CHEN1,2
1. MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2. Center for Hypergravity Experiment and Interdisciplinary Research, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
 全文: PDF(1720 KB)   HTML
摘要：

为了探究城市固废应变硬化机理及模型固废在超重力模拟试验中的适用性，选用塑料和草炭、石英砂和高岭土等材料，分别对固废有机纤维和土颗粒的各项特性进行试验研究. 结果表明，有机质纤维对固废的应变硬化特性起主导作用，可以显著地提高固废强度；土颗粒中石英砂质量分数增加可以提高固废在小应变时的强度，高岭土质量分数增大会导致固废破坏应变及偏应力峰值明显减小. 基于各组分作用，提出定量控制有机纤维质量分数的方法配制模型固废，配制出的模型固废与真实固废的各项特性非常吻合. 采用模型固废强度参数计算得到的填埋场失稳临界水位比与离心模拟试验结果一致，验证了所配固废的超重力模拟适用性，为填埋场变形与稳定超重力研究提供了重要依据.
关键词： 城市固体废弃物（MSW）;  模型固废;  应变硬化;  有机纤维;  超重力模拟适用性    
Abstract:

Materials such as plastic and peat, quartz sand and kaolin were selected to conduct experimental researches on the characteristics of the organic fiber and soil particles of municipal solid waste (MSW) in order to analyze the strain-hardening mechanism and applicability in hypergravity simulation of MSW. Results show that organic fiber plays a leading role in the strain-hardening characteristics of MSW, and can significantly increase the strength of MSW. The increase in the mass fraction of quartz sand in the soil particles can increase the strength of MSW at small strains, while the increase of the kaolin mass fraction will significantly decrease the failure strain and the peak deviatoric stress of MSW. A method to quantitatively control the mass fraction of organic fiber was proposed based on the effect of each component in order to prepare model MSW. The characteristics of the model MSW accorded with the real MSW. The landfill instability critical water level ratios calculated by the strength parameters of model MSW accorded with the results of the centrifugal simulation tests. The applicability of the hypergravity simulation of the model MSW was verified, which provided an important basis for hypergravity simulation research on deformation and stability of the landfill.
Key words: municipal solid waste (MSW)    model MSW    strain-hardening    organic fiber    applicability of hypergravity simulation
收稿日期: 2021-05-15 出版日期: 2022-04-24
CLC:  TU 411  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51988101）; 浙江省基础公益研究计划资助项目（LGF21E080013）
通讯作者: 李俊超     E-mail: 1065467906@qq.com;lijunchao@zju.edu.cn
作者简介: 孟嘉（1996—），男，硕士生，从事城市固废静动力力学特性的研究. orcid.org/0000-0001-6916-3244. E-mail： 1065467906@qq.com
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孟嘉
李俊超
陈云敏

引用本文:

孟嘉,李俊超,陈云敏. 固废应变硬化机理与超重力模拟适用性[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(4): 664-673.

Jia MENG,Jun-chao LI,Yun-min CHEN. Strain-hardening mechanism and applicability in hypergravity simulation of municipal solid waste. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2022, 56(4): 664-673.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2022.04.005    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2022/V56/I4/664

固废种类 wB/%
厨余垃圾 塑料 纸、木、纺织物、皮革等纤维 煤渣和粉尘 金属和玻璃
新鲜固废 32.4 18.4 16.3 29.3 3.6
部分降解固废 16.4 17.6 10.2 53.3 2.5
表 1  苏州七子山固废组分 %
图 1  固废不同组分的应力-应变曲线
图 2  配制模型固废的材料
试验
组别 		σ3/kPa mp∶mk∶mq
 wor/% wk/% wq/%
ZF1 200 1∶0.5∶0 34.3 33.3 0
ZF2 200 1∶0∶0.5 34.3 0 33.3
ZF3 200 1∶0.2∶0.3 34.3 13.33 20
ZF4 200 1∶0.2∶0.4 32.2 12.5 25
ZF5 200 1∶0.2∶0.6 28.6 16.67 33.33
ZF6 200 1∶0.2∶0.8 25.75 10 40
ZF7 200 1∶0.33∶0.33 30.9 20 20
ZF8 200 1∶0.5∶0.5 25.75 25 25
ZF9 200 1∶0.67∶0.67 22.1 28.57 28.57
ZF10 200 1∶0.8∶0.8 19.8 30.77 30.77
ZF11 200 1∶1∶1 17.2 33.33 33.33
ZF12 200 0∶1∶1 0 50 50
表 2  固废各组分作用分析
试验
组别 		试样种类 σ3/kPa mk∶mq
 wor/%
JX1-1 石英砂+高岭土 100 1∶4 0
JX1-2 石英砂+高岭土 200 1∶4 0
JX1-3 石英砂+高岭土 400 1∶4 0
JX2-1 高岭土+石英砂+塑料筋相 100 1∶4 3
JX2-2 高岭土+石英砂+塑料筋相 200 1∶4 3
JX2-3 高岭土+石英砂+塑料筋相 400 1∶4 3
JX3-1 高岭土+石英砂+草炭 100 1∶4 3
JX3-2 高岭土+石英砂+草炭 200 1:4 3
JX3-3 高岭土+石英砂+草炭 400 1∶4 3
JX4-1 高岭土+石英砂+塑料筋相 200 1∶4 7
JX4-2 高岭土+石英砂+塑料筋相 200 1∶4 10
JX5-1 高岭土+石英砂+草炭 200 1∶4 7
JX5-2 高岭土+石英砂+草炭 200 1∶4 10
表 3  有机质筋相的作用分析
图 3  不同有机质筋相质量分数的试样
图 4  三轴试验过程
图 5  高岭土对模型固废应力-应变曲线的影响
图 6  石英砂对模型固废应力-应变曲线的影响
图 7  有机质筋相质量分数对模型固废的影响
图 8  不同有机质筋相质量分数的模型固废应力-应变曲线对比
图 9  不同筋相对模型固废应力应变特性的影响
图 10  有机质筋相质量分数对偏应力峰值和破坏应变的影响
图 11  黏粒质量分数对偏应力峰值和破坏应变的影响
配置方法 试验
组别 		试样种类 σ3/kPa mk∶mq wor/%
经验法 JY-1 高岭土+石英砂+草炭 100 1∶4 34.3
JY-2 高岭土+石英砂+草炭 200 1∶4 34.3
JY-3 高岭土+石英砂+草炭 400 1∶4 34.3
有机筋相
控制法 		KZ1-1 高岭土+石英砂+草炭 100 1∶4 35
KZ1-2 高岭土+石英砂+草炭 200 1∶4 35
KZ1-3 高岭土+石英砂+草炭 400 1∶4 35
KZ2-1 高岭土+石英砂+草炭 100 1∶4 45
KZ2-2 高岭土+石英砂+草炭 200 1∶4 45
KZ2-3 高岭土+石英砂+草炭 400 1∶4 45
表 4  模型固废适用性探究试验安排
图 12  不同草炭筋相质量分数的模型固废
固废种类 T/a h/m wor/% ww/% γ/（kN·m?3） e E/MPa?1 k/（10?6m·s?1）
模型固废 （新鲜） — — 45 60 8 2.5 3.6 6.1
模型固废 （部分降解） — — 35 50 9 1.6 2.4 4.4
七子山固废 （新鲜） 0 5 40~50 65 8.3 2.7 3.3 6.24
七子山固废 （部分降解） 5 15 30~40 50 9.4 1.7 2.2 4.76
经验法[12] （新鲜） — — — 55 7 2.9 3.19 6.6
经验法[12] （部分降解） — — — 45 9 1.6 2.26 4.4
表 5  固废基本特性的比较
图 13  模型固废与真实固废的应力-应变曲线的比较
固废种类 εf/% 模型固废 七子山 经验法[12]
c'/kPa $\varphi {'} $/(°) c'/kPa $\varphi {'} $/(°) c'/kPa $\varphi {'} $/(°)
新鲜 10 26.0 14.0 24.0 14.7 25 13.5
20 28.7 25.5 27.0 25.8 30 24.9
部分降解 10 21.0 15.7 23.2 15.0 27 13.4
20 26.0 27.6 29.2 25.7 24 28.8
表 6  模型固废与真实固废强度参数的比较
图 14  部分降解固废边坡模型
图 15  临界状态下的边坡模型
固废种类 εf/% hw/H dr/% dc/%
离心试验 （新鲜） — 0.81 — —
七子山真实固废 （新鲜） 10 0.63 — —
七子山真实固废 （新鲜） 20 0.80 — 1.2
本次配置固废 （新鲜） 10 0.64 1.6 —
本次配置固废 （新鲜） 20 0.82 2.5 1.2
离心试验 （部分降解） — 0.79 — —
七子山真实固废 （部分降解） 10 0.71 — —
七子山真实固废 （部分降解） 20 0.81 — 2.5
本次配置固废 （部分降解） 10 0.69 2.8 —
本次配置固废 （部分降解） 20 0.83 2.4 5.0
表 7  不同固废临界水位的比较
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