浅谈垃圾无害处理设计方法

本文作者：杨书源 单位：天津市环境卫生工程设计院

1工程场地及设计条件

商河县生活垃圾无害化处理场位于商河县城区东约5km，孙集乡小郭家村南，在原垃圾临时堆放场基础上进行改扩建。现场地自然标高约为12.00m，地势低洼，地表面以下大部分有芦苇根，东西向有1道水渠通过，按工艺要求库底设计标高最低点11.00m，库区四周筑坝，坝顶平均标高14.30～14.50m，库区西面为管理区及污水处理区，设计室外地坪标平均标高14.30m，场区的东北部大坑为原垃圾临时堆放区，区域所处位置为设计坝基和填埋库区。占地面积2500～3000m2，堆填总厚度约为8m，堆放时间5～6a。现有回填垃圾杂填土顶部标高12.30～15.46m，库底设计标高以下现有垃圾杂填土还有约6m深，垃圾底部标高约5.00m，地下水位标高8.7m。从开挖现场看，回填垃圾为杂填土，主要成分为塑料布、石子等大颗粒物，细粒部分为炉灰等土壤类物质，黑色、分散、质粒不均匀，基本腐化为不稳定的似土壤类物质。场地地层主要由粉土、黏性土组成，自上而下划分为6层，分述如下。第①层粉土：0.00～0.50m为素填土。厚度2.80～6.80m，平均厚度4.01m；层底标高7.41～13.24m，平均标高9.00m。第②层黏土：厚度1.75～4.30m，平均厚度2.62m；层底标高4.35～9.24m，平均标高6.38m。第③层粉土：厚度1.15～3.20m，平均厚度2.31m；层底标高2.25～7.04m，平均标高4.07m。第④层粉土夹粉质黏土：厚度2.30～4.55m，平均厚度3.55m；层底标高-0.74～3.24m，平均标高0.53m。第⑤层粉质黏土夹粉土：厚度1.90～4.10m，平均厚度3.07m；层底标高-3.79～0.44m，平均标高-2.55m。第⑥层粉土：厚度2.10～5.85m，平均厚度3.88m；层底标高-8.47～-2.06m，平均标高-6.35m。根据勘察报告所提供的工程地质条件［1］，设计库底地基持力层为第①层粉土，稍密，分布普遍，属中等压缩性土，地基承载力特征值fak＝100kPa。局部区域原垃圾杂填土底部为第④层粉土夹粉质黏土，中密～密实，分布普遍，属中等压缩性土，地基承载力特征值fak＝140kPa。勘察期间，地下潜水位埋深0.95～5.54m，设计抗浮水位标高11.00m。按照填埋工艺设计要求库底设计标高以上垃圾填埋高度为21m，库底面荷载最大值约为210kPa，设计库区底部标高以下局部区域存在的垃圾杂填土，已经不能满足地基承载力及变形的要求，地基需要进行处理。

2地基处理设计方案

2.1概述根据工艺提供的垃圾填埋堆体空间尺寸及填埋工艺，地面荷载为大面积堆载，根据勘察报告［1］，天然地基不经处理已经不能满足地基承载力及稳定性要求。垃圾场主堆放场建议采用水泥土搅拌桩复合地基，以第④层粉土夹粉质黏土为桩端持力层，桩长约8.50m，桩径500mm，采用普通硅酸盐水泥作固化剂。这是按建筑物对待提供的地基处理方法，实际上天然地基上垃圾堆体荷载是逐级施加，不同于建筑物，是在慢速堆载的情况下，历时11a才完成，地基土随着固结度增长，地基强度会不断提高，根据以往软土地基慢速堆载试验数据及设计经验，库区大部分区域天然地基在垃圾堆体快速堆载的情况下，垃圾填埋1次加荷控制高度不大于3m［2］，此工程地基强度及稳定性能够满足要求，设计库底局部区域垃圾杂填土需要进行处理。

2.2地基处理方法的选用工程中地基处理方法很多，每种处理方法都有它的适用范围和优缺点，所以要根据工程的具体情况来选择。场区内局部区域库底标高以下垃圾杂填土为高有机质含量、高含水率、高孔隙比、高压缩性、低强度的软土，此类垃圾杂填土软土定量物理力学指标不好确定，缺少相应的设计规范和成熟的经验，一般勘察单位不提供此类图的物理力学指标。对条件复杂的软土地基，由于每个工程的具体情况不同，所以在选择地基处理方法时要充分综合考虑各种影响因素，根据工程现状、场地工程地质条件，在选用处理方法前首先要进行调查研究，如上部结构物的体型、刚度和受力体系、材料和使用要求、上部荷载对地基均匀性的要求、上部结构荷载大小分布和种类、基底压力、地基土的类别、基础类型和深度，处理后土的加固深度、稳定安全系数和变形允许值等；施工区地形及地质成因、地基成层状况，软弱土层厚度、不均匀性和分布范围，持力层位置及状况、地下水情况及地基土的物理和力学性质指标，要深入现场详细了解回填垃圾的现状成分、范围，综合分析比较具体的地基条件、在地基处理施工中应考虑对场地环境的影响，如采用强夯法和砂桩挤密法要考虑施工时振动和噪音对相邻建筑物和居民的影响，采用真空预压法或降水预压法时要考虑是否对相邻建筑物地基会产生附加沉降，还应考虑施工的占地条件、材料来源及质量、施工难易程度等。本工程的特点是地面荷载较大，且是大面积堆载，对地基的变形、稳定性及不均匀沉降的要求严格，工期紧，设计加载计划时需要注意此项，使地基在受压过程中快速排水固结，增加一部分强度以满足逐渐加荷条件下地基稳定性的要求，并加速地基的固结沉降，缩短固结的时间。应充分考虑是否能够达到设计的各项指标，确定处理范围，采取减少不均匀沉降措施。施工工期、施工机械、施工技术条件和工程费用指标等是否符合要求。此外，要提高环保意识，注意节约能源和保护环境，本着“技术上可靠，经济上合理”的原则，优化选择地基处理方案。

2.3地基处理方案比选

2.3.1堆载预压法利用前期荷载加速地基土的固结，使地基在建造建（构）筑物之前提前产生沉降，并由此提高地基土的抗剪强度地基承载力，以适应建（构）筑物荷载的作用并有效地减小施工后沉降和不均匀沉降。适用于处理厚度较大的饱和软土地基。当厚度较大的淤泥质土层和有机质土层中需采用超载预压法。该方法需要大量堆载材料和较长的预压时间，预压效果取决于地基土的固结特性、土层厚度、预压荷载大小和预压时间长短。

2.3.2强夯法该方法利用吊升设备将具有较大质量和一定规格尺寸的夯锤起吊至一定高度后，使其自由下落，强大的冲击能量使地基产生强烈的振动和很高的动应力，使一定范围内的土体压缩强度提高、压缩性降低，提高土层的均匀程度。强夯法一般适用于处理碎石土、砂土、粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，对于饱和黏性土等地基应用相对较少。近几年，采用强夯法通过合理控制设计施工参数，也在一些工程中处理饱和粉土、黏性土、淤泥质土、杂填土等软弱地基取得较好效果。

2.3.3水泥土搅拌桩法该方法是用于加固饱和黏性土、素填土地基的一种方法，是利用水泥（或水泥石灰拌合物）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土体，从而提高地基强度和减少不均匀沉降。主要适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。当用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数Ip大于25的黏土，地下水有腐蚀性时以及缺少经验地区，必须通过现场试验确定其适用性。

2.3.4换填法当软土地基的承载力和变形满足不了上部荷载的要求，而软土层的厚度又不是很大时，将基础底面以下处理范围内的软土层的部分或全部挖除，然后分层回填强度较大的砂、碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰或其他性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实至规定要求的密实度为止。该方法适用于淤泥、淤泥质土、素填土、杂填土地基及沟、塘等的浅层处理。通过综合比较，堆载预压法、水泥土搅拌桩法、换填法施工工期较长，需要的材料费较高，不满足建设单位的要求，强夯法施工方法简单，不发生材料费，结合此场地地质条件，确定此方法处理比较适合。

2.4强夯法地基处理

2.4.1加固深度强夯法的加固深度（从起夯面算起）可根据现场试验或当地经验确定。有效加固深度H过去常用Menard公式估算，但有效加固深度实测值比估算值小，因此应用时通常进行修正，如黏性土、砂土取修正系数0.45～0.60，高填土取0.60～0.80。对同一种土采用一个修正系数也是不合适的，所以规范［2］考虑当地缺少试验资料或经验时提供强夯法的有效加固深度表，供设计人员确定有效加固深度参考。考虑单位面积夯击能和多遍夯加固影响，可得下列经验公式：H=5.1022+0.00086Mh+0.00094E。（1）式中：H为强夯加固影响深度（m）；E为单位面积夯击能（kN•m/m2），取值2000kN•m/m2；M为锤质量（）t，取值10t；h为夯锤落距（m），取值12m。按照公式（1）计算得：H=7.08m，大于6m满足要求。

2.4.2夯击能确定夯击能分为单击夯击能和单位夯击能。单击夯击能（即夯锤质量和落距的乘积）一般根据工程要求的加固深度确定，有时也取决于现有起重机的起重能力和臂杆的长度。锤质量和落距越大，单击夯击能越大，加固效果越好。一般夯锤采用10～25t。夯锤平面宜选圆形，并带有上下贯通的气孔（孔径为250～300mm）。锤底面积宜按土的性质确定，对细颗粒土要加大锤底面积；一般砂性土锤底面积为2～4m2，黏性土为3～6m2，此工程采用2.5m2。夯锤确定后，根据要求的单击夯击能量来确定夯锤的落距。通常采用的落距为8～20m。对相同的夯击能量，常选用落距大的施工方法，增大落距能将大部分能量有效的影响到地下深处，增加深层夯实效果。强夯加固场地的总夯击能量（锤质量×落距×总夯击数）除以加固面积称为单位夯击能。强夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求加固处理的深度综合考虑，可通过试验确定。一般情况下，对粗粒土可取1000～3000kN•m/m2，对细粒土可取1500～4000kN•m/m2。

2.4.3夯击范围和夯击点布置强夯法处理范围应大于建（构）筑物基础范围，每边超出基础外缘的宽度一般为处理深度的1/2~2/3，且不小于3m，此工程取3.5m。夯点位置可根据建（构）筑物基底平面形状进行布置，夯点位置的合理与否与夯实效果和施工费用有直接的关系。一般为等边、等腰三角形或正方形，此工程为大面积地基，采用正方形插档布置。夯距位置一般为夯锤直径的2.5～3.5倍，通常为5～9m，为便于超静孔隙水压力的消散使深层土得以加固，第1遍夯击点的间距要大，下一遍夯点布置在上一遍夯点中间。对处理深度较深或单击夯击能较大的工程，第1遍夯击点间距宜适当增大。此工程第1遍夯距采用5.5m。

2.4.4夯击击数和夯击遍数每遍每夯点夯击击数可通过试验确定。按规范［2］以最后连续2击的平均沉降量小于某一数值为标准，同时考虑夯坑周围地面不发生过大的隆起，考虑施工方便不因夯坑过深使得起锤困难。夯击遍数应视现场地质条件和工程要求确定，也与每遍夯击点夯击次数有关。此工程夯击遍数采用点夯2～3遍，最后以低能量满夯2遍。满夯采用轻锤低落距锤多次夯击，锤印彼此重叠搭接。

2.4.5间歇时间间歇时间是指2遍夯击之间的时间间隔。取决于土中超静孔隙水压力消散时间。对渗透性好的地基，超静孔隙水压力消散很快，夯完1遍，第2遍可连续夯击。若地基土渗透性较差，间歇时间要长，黏性土地基夯完1遍一般需间歇3～4周才能进行下一遍夯击。此工程要强夯的填土有一定的渗透性采用连续夯击。

2.4.6垫层强夯前要求需要加固的场地应具有一层稍硬的表层，使其能支承起重设备，并便于夯击能扩散，对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石层，无需铺设垫层可直接强夯；对地下水位较高的饱和黏性土需要地表铺设砂砾或碎石垫层才能进行强夯，否则土体会发生流动。垫层厚度随场地的土质条件、夯锤质量及其形状等条件而定。当场地土质条件好，夯锤小或形状构造合理，起吊时吸力小者，也可减少垫层厚度。垫层厚度一般为0.5～2.0m，此工程需要加固的填土有一定的渗透性，表面整平后，直接进行强夯，强夯完成后经检测符合设计要求后，回填压实0.2～0.3m厚基坑开挖出来的第①层粉质黏土至设计标高。填埋库区基坑开挖时库底原水渠、水坑应排净积水，底部清淤，水渠边坡做好退蹬，采用此场区开挖出第①层粉质黏土，分层填筑、碾压密实，压实系数不小于0.93。填埋库区底部天然地基为减少地基持力层的不均匀变形，确保防渗材料不受到破坏，基坑开挖至设计标高形成一定坡度后，对天然地基、水渠水坑处理后地基、强夯处理后区域的地基，整体按设计标高进行整平，统一用大型压路机械进行碾压，纵横方向分别各碾压3遍，加强地基整体的均匀性，为其上面的防渗衬层提供良好的基础。

3载荷试验按照规范规定强夯处理的地基要进行检测，本院按照设计要求与济南亘富工程质量检测有限公司共同对强夯处理后地基进行了载荷试验。

3.1试验依据和测试系统简介试验依据为建筑地基基础设计规范GB50007—2002［3］。试验方法：浅层平板载荷试验，试验采用慢速维持荷载法，加载反力装置能提供的反力不得小于最大加载量的1.2倍。

3.2测试原理及分析方法加载分级：由于所在场地地质条件相同，各点设计承载力相同，故采用同一加荷方案。分8级加荷，每级加载值为天然地基极限值的1/8，卸荷分4级。观测方法：每加一级荷载后，按间隔10、10、10、15、15min，以后每隔0.5h测读1次沉降量，当在连续2h内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。

3.3压板静载试验结果测试日期2010-09-03；压板面积：0.25m2；试验点号1#、2#、3#，见图1，试验结果见表1。由表1可知：1#最大沉降量8.21mm，最大回弹量2.51mm，回弹率30.6%；2#最大沉降量8.05mm，最大回弹量2.45mm，回弹率30.4%；3#最大沉降量7.78mm，最大回弹量2.38mm，回弹率：30.6%3.4试验结果综述1#测试点加荷至220kPa，满足设计天然地基承载力的2倍，沉降稳定，最大沉降量8.21mm，分4级卸荷，最大回弹量为2.51mm，取220kPa为该试点的极限承载力。载荷试验数量为3个点，设计天然地基承载力特征值为110kPa，完全达到设计要求。

4结束语

此工程库区底部垃圾杂填土采用强夯法处理，提高地基承载力、土的密实度，减小沉降，来满足上部垃圾堆填荷载作用的要求，这是用其他方法处理地基所不能比拟的。此方法施工机具比较简单，比用换填处理节省开挖降水、回填土费用。比用水泥搅拌桩处理（地勘报告建议）节省水泥及设备费用，缩短工期，强夯法处理地基费用比水泥搅拌桩要便宜2～4倍。由于强夯法设计理论尚不成熟，尤其是此工程处理的垃圾杂填土存在性状变化多端，夯击时地基土的动力性质又不十分明确，采用强夯法要求应进行试验性施工。日本首先采用信息化施工，这种方法在现场要进行一系列测试和检验，将实测结果利用计算机进行处理，对地基处理后的效果进行定量评价，数据反馈回来对原设计进行修改后再进行施工，如此进行直至达到理想效果，从而弥补了设计要求与实际不符的缺点，保证整个场地处理后的均匀性。强夯法信息化施工的安全性、经济性及高效率融为一体，是一项先进的施工管理方法，在我国逐步推广应用，能进一步提高强夯处理的工程质量和降低工程造价。