城市固废本构模型研究范文

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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