固体废弃物力学中生化相变效应及应用

生物化学相变及其效应是固体废弃物重要的共性科学问题。本项目首先利用典型固体废弃物填埋模拟柱试验测试与认识典型固体废弃物在生化相变过程中固相质量损失规律及产气规律，提出典型填埋场环境条件下固相质量损失及产气量计算模型。然后，利用降解-压缩试验和力学压缩试验，揭示固体废弃物在应力和生化相变耦合作用下的压缩变形机理，建立基于固相质量损失和有效应力这两个变量的变形本构模型。在此基础上，建立固相质量损失场-水气渗流场-有效应力场耦合作用模型，获得数值模拟程序，揭示固体废弃物填埋场在生化相变过程中沉降及气压场发展规律。本项目研究将加深对生化相变多孔介质特性的认识，将生化相变效应引入到传统土力学理论中拓展土力学新分支(即环境土力学)，有效促进岩土工程、环境工程、工程力学等学科的交叉，并为我国固体废弃物填埋场设计及安全运营提供科学依据。

针对我国固体废弃物组分特点和填埋场运营状况，通过室内试验和现场监测研究了生化相变过程中固相质量损失和产气产液规律，提出了考虑含水量等因素影响的固相质量损失与产气产液模型以及生化降解程度表征指标。在此基础上建立了固体废弃物固相质量损失及产气产液源项的简化模型，以此作为降解-渗流-压缩耦合作用模型中的生化降解子模型。利用自制的真空抽气装置及降解-压缩仪分别研究了填埋场不同深度试样的比重和人工配置国内典型组分垃圾样的长期降解压缩规律，在此基础上提出了基于固相质量损失和有效应力的双变量变形本构模型。该变形本构模型的参数取值方法明确，并能直接反映生化降解程度对压缩特性的影响，最终通过室内分级加载长期压缩试验数据对该模型进行了验证。基于非饱和渗流理论建立了考虑降解产气产液源项的水气运移方程，结合所提出的变形本构模型，建立了固体废弃物填埋体降解-渗流-压缩耦合作用模型，对典型填埋场环境所对应的初始条件和边界条件进行了分析确定，并利用数值方法对耦合作用模型进行了求解。利用室内长期降解压缩试验和现场沉降孔压综合监测数据，对耦合作用模型进行了验证。最终，利用耦合作用模型分析了国内高有机质含量固体废弃物的生化相变效应特点，提出了固体废弃物填埋场填埋气收集、渗滤液产量及沉降和库容的计算方法，并利用上述计算方法对国内填埋场的实际施工和运营进行了分析研究。本项目研究成果发表论文16篇，主编一部国家行业规范《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范-CJJ176-2012》，并获得教育部科学技术进步奖一等奖一项。