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城市固废本构模型研究

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《同济大学学报》2015年第四期

城市固体废弃物(municipalsolidwaste,MSW以下称为城市固废)由于组分复杂,加之生化降解等多种因素影响,其物理力学特性常较复杂.考虑到固废力学特性对填埋场稳定性及变形分析的重要性,因而有必要针对其强度和本构特性进行深入研究.固废强度常通过线性Mohr-Coulomb准则描述,在当变形较大固废仍未破坏时,可采用应变10%~15%对应的抗剪强度确定.以往试验结果表明,固废粘聚力一般在0~67kPa范围,摩擦角则位于0°~43°范围.随着龄期增长,固废充分降解后,粘聚力迅速降低甚至到0.然而,线性Mohr-Coulomb准则只能描述与常规土体力学性质相近的固废强度,对于大多数固废,其强度表现为非线性.Bray等通过试验结果的分析,指出固废摩擦角随平均应力增大而降低,这进一步得到了Bareither等试验结果和Bhandari和Powrie的证实.Stark等通过总结试验结果和填埋体稳定性强度参数反分析,进一步证实了固废强度的非线性特性.有关土体非线性强度目前已开展过一些探讨,并已建立了相应准则(如Bake),但针对城市固废非线性强度特性还缺乏深入探讨,且与线性Mohr-Coulomb准则间的转换还值得进一步研究.

当前固废本构特性的研究多参照土体开展,如Jones和Dixon利用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型描述固废本构特性,用于填埋场稳定性分析.吕玺琳等采用Mohr-Coulomb硬化模型研究固废本构特性,并分析了其失稳特性.Machado等将固废看作纤维加筋相和泥状物复合体,提出了复合本构模型,冯世进等则基于该模型建立了基于邓肯-张模型的复合本构模型.这些本构模型能合理描述固废应力-应变关系,但缺少对体变特性的探讨.受其复杂组分的影响,固废体变特性与常规土体可能差异较大.高丽亚等通过大三轴试验指出,固废体变随围压增大反而减小,与土体体变规律相反,该特性也得到其他试验结果(如Machado等,Zhan等,冯世进等)的证实.针对当前有关固废强度和本构描述存在的不足,本文基于幂函数形式的非线性破坏(屈服)准则,并采用合理的塑性势函数,建立了一个合理适用的固体废弃物本构模型,并通过对一系列三轴试验结果模拟进行了对比验证.

1城市固废非线性强度准则

1.1强度准则为合理描述固废的非线性强度特性,采用幂函数强度准则。

1.2内摩擦角对降解较充分的高龄期城市固废而言,其粘聚强度一般较小,为简单起见,忽略式(1)中的黏性项进行分析。

2城市固废本构模型

通过非线性强度准则建立屈服函数,并根据剪胀特性获得塑性势函数F和Q,分别为为合理描述固废的体变特性,剪胀参数比视为一个与初始围压有关的量。

3三轴试验模拟验证

3.1力学生物预处理(MBT)固废试验首先模拟Bhandari和Powrie[5]针对力学生物预处理(mechanical-biological-treatment,MBT)固废三轴固结排水剪切试验结果.试样为直径10cm、高20cm的圆柱体,初始孔隙比为1.0.通过固废弹性特性选取参数G0、ν,根据试样孔隙特性选取e*,Mf和ξ通过强度特性选取,Mc0和λ通过体变特性选取,hs为拟合参数.根据表1参数,对围压为50、100、200、400kPa条件下的试验结果进行模拟.采用幂函数非线性强度准则预测的固废抗剪强度结果如图6所示,预测值与试验值符合较好.考虑剪胀参数随压力水平的变化,采用如图7所示的剪胀参数,模拟得到应力-应变关系曲线如图8所示,通过与试验对比表明,本模型能合理反映初始围压对应力-应变关系的影响特性.

3.2成都某填埋场固废试验进一步对李俊超等[15]的三轴固结排水剪切试验结果进行模拟.固废采自成都某填埋场5~15m深度处,直径为10cm、高度为20cm。根据现场实测结果,试样初始孔隙比取2.2.采用如表1所示的模型参数,对初始围压为50、100、150、250kPa条件下的4组试验结果进行模拟.通过本文非线性强度准则预测的强度值如图9所示,从图中可看出,该准则能合理反映平均应力对固废强度的影响.应力-应变特性模拟结果与试验对比如图10a所示,模拟结果与试验基本一致.从试验结果可知,体缩型固废的体变与常规土体不同,即初始围压越大,体变反而越小.为合理描述这一特性,假定剪胀性参数与应力有关的量,这里取A=e-p/p0.从图10b的模拟结果可看出,采用该剪胀参数能合理反映试样随初始围压增大压缩性降低的现象,且模型预测结果与试验结果符合较好.

4结论

为反映城市固废剪切强度随平均压力的变化,建立了一个幂函数非线性强度准则,并分析了剪切强度随参数的变化特性.进一步分析了向线性Mohr-Coulomb准则转换所得内摩擦角的变化规律,结果表明,该准则能合理反映摩擦角随围压而降低的规律,并与试验结果一致.基于增量双曲线硬化准则,并采用合理的塑性势函数,建立了一个适用于固废的非关联流动弹塑性本构模型.通过对一系列三轴固结排水试验结果的模拟表明,所建立的模型不仅能合理反映初始围压对应力-应变关系的影响,并能正确模拟体变随围压的变化.由于固废体变特性复杂,与常规土体可能差异较大,因而尚需开展进一步的试验和理论研究.

作者:吕玺琳 黄茂松 王蓉 单位:同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室 同济大学 土木工程学院 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司

同济大学学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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