Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния механики ТБО 18
1.1 Классификация отходов 19
1.2 Прогноз деформаций оснований ТБО 47
1.3 Методы улучшения оснований из ТБО 75
1.4 Основные модели и НДС армогрунтоподобных оснований 80
Выводы по главе 1 96
Глава 2. Полевые и лабораторные исследования геотехнических параметров оснований, сложенных ТБО и псевдосвязными неводонасыщенными грунтами 100
2.1 Полевые исследования ТБО 100
2.1.1 Определение удельного веса ТБО 100
2.1.2 Определение коэффициента Пуассона 103
2.1.3 Статическое зондирование массива отходов 113
2.1.4 Изучение массива ТБО методом многоканального анализа поверхностных волн 128 2.2 Лабораторные исследования особенностей напряженно деформированного состояния псевдосвязных грунтов 136
2.2.1 Трехосные испытания образцов псевдосвязного грунта 137
2.2.2 Сдвиговые испытания образцов 142
2.2.3 Компрессионные испытания образцов 145
Выводы по главе 2 167
Глава 3. Аналитические методы прогноза НДС ТБО 170
3.1 Условие текучести ТБО 171
3.2 Упругая модель твердых бытовых отходов 180
3.3 Упруго-пластическая модель твердых бытовых отходов 188
3.4 Реологическая модель твердых бытовых отходов 194
3.5 Уточненная модель биологического разложения ТБО 204
Выводы по главе 3 212
Глава 4. Численное моделирование массивов твердых бытовых отходов 214
4.1 Моделирование напряженно-деформированного состояния ТБО 214
4.2 Выбор параметров модели 216
4.3 Моделирование полигона ТБО 218
4.4 Сравнительный расчет высоконагруженного полигона 223
Выводы по главе 4 232
Глава 5. Рекомендации по прогнозу деформаций уплотненного массива ТБО 233
Выводы по главе 5 242
Глава 6. Рекомендации по освоению территорий старых и закрытых полигонов ТБО 243
6.1 Направления повторного использования и критерии вывода старых полигонов из эксплуатации 243
6.2 Оценка геотехнических параметров оснований из ТБО 245
6.3 Экологически устойчивое использование старых и заброшенных полигонов ТБО 249
6.4 Строительство на территориях старых свалок 253
Выводы по главе 6 261
Выводы по диссертации 263
Список литературы 265
- Методы улучшения оснований из ТБО
- Определение коэффициента Пуассона
- Упруго-пластическая модель твердых бытовых отходов
- Экологически устойчивое использование старых и заброшенных полигонов ТБО
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В Российской Федерации постоянно увеличивается количество отходов производства и потребления. Общий объем отходов на начало 2014 г. составлял порядка 90 млрд т, ежегодно увеличиваясь примерно на 5 млрд т. Количество полигонов в России – 1092, санкционированных свалок – около 15 000, несанкционированных – порядка 17 000 и, кроме того, около 13 000 несанкционированных мест размещения отходов. Переработке подвергается менее 40 % промышленных и до 10 % твердых бытовых отходов (ТБО). Отходы размещаются на территориях площадью 4 млн га. Ежегодно под их размещение выделяется порядка 400 тыс. га земли.
В настоящее время в соответствии с п. 6.6.4 СП 22.13330.2011 использование свалок бытовых отходов в качестве естественных оснований не допускается, поэтому возвращение территорий, занятых как действующими, так и закрытыми свалками, в деловой оборот и использование для строительства городов является актуальной народнохозяйственной задачей в Российской Федерации.
Степень разработанности. В настоящее время в мире выполняется большое количество экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов твердых бытовых отходов. Для оценки несущей способности оснований из ТБО применяются в основном эмпирические методы, требующие интенсивных научно-исследовательских работ. Не разработаны надежные численные модели, позволяющие прогнозировать перспективы использования оснований из мусора профессиональным работникам проектных организаций. Изыскательские работы на массивах отходов ведутся по традиционной схеме с обязательным традиционным набором работ, в результате чего объем полученной технической информации недостаточен для дальнейших расчетов таких оснований. Полевые работы сопряжены с повышенным риском ведения газоопасных работ в условиях техногенной антисанитарии.
Цели и задачи. Основной целью исследований является обоснование геотехнического использования массивов твердых бытовых отходов, представляющих собой псевдосвязный неводонасыщенный грунтоподобный материал, в качестве оснований.
Поставленная цель была достигнута в результате решения следующих задач:
-
анализа современного состояния механики твердых бытовых отходов;
-
обоснования и опробования комплекса безопасных, неразрушающих и малоразрушающих методов полевых и лабораторных исследований ТБО, позволяющих получать надежные физико-механические характеристики для геотехнических расчетов несущей способности оснований из ТБО и прогноза развития деформаций;
-
формулирования аналитических моделей расчета оснований из твердых бытовых отходов с учетом развития механических и биологических деформаций во времени;
-
обоснования возможности применения и адаптации моделей грунтовой среды для численных прогнозов напряжено-деформированного состояния оснований из ТБО;
-
разработки рекомендаций по оценке результатов динамического уплотнения ТБО;
6) формулирования рекомендаций по геотехническому использованию
массивов твердых бытовых отходов в качестве оснований.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Обосновано отнесение ТБО к типу псевдосвязных неводонасыщенных грунтоподобных материалов. Твердые бытовые отходы представляют собой псевдосвязный неводонасыщенный грунтоподобный материал, произвольно армированный волокнами преимущественно в одном горизонтальном направлении.
-
Предложен и реализован метод отбора образцов ТБО в извлекаемых гильзах, позволяющий упорядочить процессы хранения и исследования, минимизировать риски неблагоприятных последствий для обслуживающего персонала. Обоснованы и опробованы на практике неразрушающие и малоразрушаю-щие методы полевых работ, ранее комплексно не применявшиеся для изучения твердых бытовых отходов, позволяющие оперативно и безопасно оценивать механические характеристики неоднородного массива ТБО. Сформулированы рекомендации по особенностям лабораторных геотехнических исследований ТБО. Экспериментально установлены особенности напряженно-деформированного состояния псевдосвязных неводонасыщенных грунтов, произвольно армированных волокнами.
-
Твердые бытовые отходы рассматриваются как композитный армогрун-топодобный материал, армированный произвольно ориентированными волокнами преимущественно в одном горизонтальном направлении. Предполагается, что ТБО – композитный материал, состоящий из двух составных частей, а именно: грунтоподобной основной породы и армирующей матрицы. Считается также, что обе составные части одновременно существуют в каждой точке композита. Для такого материала предложены упругая, упругопластическая и реологическая модели композитного материала ТБО. Выделен в отдельную стадию прогноз величины, скорости и времени окончания стадии биологической ползучести отходов. Сформулированы общие принципы моделирования механической и биологической ползучести ТБО. Предложена уточненная модель биологической осадки твердых бытовых отходов, позволяющая рассматривать процесс биоползучести в отрыве от остальных процессов деформирования ТБО.
-
Обоснована возможность использования модели слабого грунта с учетом ползучести (SSC) для численного моделирования НДС оснований из ТБО, что позволяет выполнять расчеты осадок массивов ТБО для любого момента времени как при послойном заполнении полигона, так и в период после окончания закладки отходов. Численный анализ позволяет оценить увеличение рас-
четной вместимости существующих полигонов за счет первичной и вторичной компрессии, спрогнозировать как время окончания процессов биологического разложения, так и осадки массива отходов к этому, а также к любому другому моменту времени.
-
Предложены рекомендации по оценке результатов динамического уплотнения твердых бытовых отходов.
-
Сформулированы рекомендации по геотехническому использованию массивов ТБО в качестве оснований.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость работы заключается в формулировании аналитических моделей твердых бытовых отходов как композитного грунтоподобного материала, армированного волокнами преимущественно в одном горизонтальном направлении, обосновании применения модели слабого грунта с учетом ползучести для численного моделирования развития напряженно-деформированного состояния массива ТБО во времени, уточнении модели биологического разложения ТБО.
Практическая значимость работы заключается в обосновании подходов и методов как полевых и лабораторных исследований, так и теоретических и численных расчетов, используя которые можно получить необходимые исходные данные и выполнить расчеты напряженно-деформированного состояния массива ТБО для его использования в качестве несущего основания; разработке и формулировании рекомендаций по геотехническому использованию массивов ТБО в качестве оснований. Получены два свидетельства Роспатента на полезные модели № 2596 и № 9235.
Методология и методы исследования. Объект исследования – массивы твердых бытовых отходов.
Предмет исследования – напряженно-деформированное состояние массивов ТБО.
Цель исследования – обоснование геотехнического использования массивов ТБО в качестве оснований.
Для достижения поставленной цели в работе обосновано применение экспериментальных, теоретических и численных методов, с помощью которых можно получить необходимые экспериментальные данные. Используя их, можно выполнить расчеты несущей способности и осадок мусорного массива и, наконец, подтвердить эти расчеты итогами контроля качества геотехнических работ на таких массивах.
Эвристическая модель поиска решений состояла в подготовке и приеме решений по итогам экспериментальных и теоретических исследований, планирование которых осуществлялось с учетом обобщения ранее накопленного и проанализированного автором мирового опыта исследований. При этом максимально исключался слепой поиск, опирающийся на метод проб и ошибок, неоправданно загромождающий исследования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование геотехнического использования твердых бытовых отходов, представляющих собой псевдосвязный неводонасыщенный грунтоподоб-ный материал, произвольно армированный волокнами преимущественно в одном горизонтальном направлении, в качестве оснований.
-
Методика и особенности оценки несущей способности массивов ТБО по результатам полевых и лабораторных исследований.
3. Аналитические модели напряженно-деформированного состояния
твердых бытовых отходов как композитного армогрунтоподобного материала,
армированного волокнами преимущественно в одном горизонтальном направ
лении, и уточненная модель биологической осадки ТБО.
-
Применение численных моделей ползучести для прогноза напряженно-деформированного состояния твердых бытовых отходов.
-
Рекомендации по оценке результатов динамического уплотнения ТБО.
-
Рекомендации по использованию массивов из твердых бытовых отходов в качестве оснований.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы обусловлена результатами выполненных экспериментально-теоретических исследований. Теоретические выводы основываются на известных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности, а также подтверждаются результатами полевых и лабораторных экспериментов, поставленных автором. Результаты теоретических исследований отвечают критериям достоверности: предметности, полноте, непротиворечивости, интерпретируемости, проверяемости, достоверности.
По результатам исследований, выполненных в ходе работы над диссертацией, в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки, опубликованы 12 научных статей. В изданиях, включенных в базы цитирования Scopus, Web of Science, опубликованы 6 научных статей. Основные результаты доложены на Всероссийской конференции с международным участием «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» (Пермь – 2014, устный доклад), XIV Международном симпозиуме по реологии грунтов (Казань – 2014, устный доклад), VII Международном конгрессе по геотехнике окружающей среды (Мельбурн – 2014, стендовый доклад), XVI Европейской конференции по механике грунтов и геотехнике (базы цитирования: Scopus, ISI Conference Proceedings Citation Index – Web of Science; Эдинбург – 2015, устный доклад, 1 статья), XV Азиатской конференции по механике грунтов и геотехнике (базы цитирования: J-Stage – база цитирования рецензируемых публикаций, Япония; ISI Conference Proceedings Citation Index – Web of Science; Фукуока – 2015, 2 устных доклада, 2 статьи); опубликованы в трудах международной научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментострое-нии» (Новочеркасск, 13–15 мая 2015 г.) и международной конференции «Систе-
мы управления в обращении с ТБО: правовые, финансовые и технические решения» (в рамках форума «ВэйстТэк – 2015»).
Практическое внедрение результатов диссертации осуществлено в ОАО «ПЗСП», что подтверждается справкой. Основные результаты исследований используются в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению 270800 «Строительство» в Пермском национальном исследовательском политехническом университете.
Личный вклад автора. Автором лично сформулированы цели и задачи диссертационной работы, на основе обобщения мирового опыта экспериментально-теоретических исследований проанализировано современное состояние механики ТБО, спланированы и выполнены полевые и лабораторные эксперименты, предложены аналитические модели напряженно-деформированного состояния композитного материала ТБО, обоснована возможность применения численных моделей ползучести грунтов к процессам биологической ползучести твердых бытовых отходов, выполнены численное моделирование НДС массивов отходов и прогнозные расчеты оценки результатов уплотнения массивов ТБО, сформулированы рекомендации по использованию данных массивов в качестве оснований.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по диссертации, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 385 страниц, включает 149 рисунков, 29 таблиц, список литературы из 307 наименований, в том числе 264 на иностранных языках.
Методы улучшения оснований из ТБО
В работе [Zekkos et al., 2010] процедуру геотехнического описания рекомендуется разделить на 4 этапа: сбор и анализ доступной архивной информации, полевое описание, первичное геотехническое описании, вторичное геотехническое описание. На первом этапе собирается доступная информация об источниках поступления мусора, процедурам укладки и дальнейшей обработки отходов на полигоне. На втором этапе собирается общая качественная и количественная информация полевая информация о рассматриваемом массиве отходов. На третьем и четвертом этапах получается и обрабатывается более детальная информация по результатам испытаний образцов, приготовленных из отобранных проб материала. При первичном геотехническом описании рекомендуется разделение материала отходов на фракции более и менее 20 мм. Для такого разделения удобно использовать большие сита с ячейкой 20 мм. Установлено значительное различие в свойствах фракций отходов размером менее и более 20 мм [Zekkos, 2005]. Отходы фракции менее 20 мм в основном грунтоподобные по природе (включают значительное количество перекрывающего грунта, неорганического мусора мелких включений), в то время, как отходы фракций более 20 мм состоят из исходного мусора и включают в себя, в основном, такие материалы, как пластик, бумагу, древесину. Состав фракции размером более 20 мм значительно колеблется как на различных полигонах, так и внутри одного полигона. Разделение на фракции размером менее и более 20 мм предпочтительно и по причине того, что материал крупностью менее 20 мм можно испытывать с помощью типового оборудования и процедур, применяемых в механике грунтов, в то время как более крупную фракцию легко отделить вручную и категоризировать визуально. Разделение на фракции размером менее и более 20 мм помогает лучше понять свойства материала отходов. Отходы с более низким содержанием частиц крупностью более 20 мм отличаются более высоким удельным весом, по причине малого удельного веса волокнистой составляющей [Zekkos et al., 2010]. Кроме того, удельный вес материала отходов крупностью более 20 мм значительно возрастает с глубиной под действием бытового давления, в то время как для отходов фракции менее 20 мм таким изменением можно пренебречь. Мусор с крупностью частиц более 20 мм имеет более высокую сдвиговую прочность в связи с мобилизацией волокнистых составляющих [Bray et al., 2009]. Такой материал характеризуется и более высокой сжимаемостью [Kavazanjian et al., 1999b]. И наконец значительное влияние эти фракции оказывают на динамические свойства материала [Zekkos et al., 2008].
Материал отходов фракции менее 20 мм характеризуется с помощью обычных геотехнических процедур, включающих ситовой анализ, определение влажности, содержание органического вещества и пределы Аттерберга [Zekkos et al., 2010].
В работе [Загорская и др., 2013] изучался состав отходов массивов полигонов ТБО путем просеивания через сита с ячейкой 100 и 50 мм с частичной ручной досортировкой. После этого каждая фракция отходов разбиралась вручную на компоненты с целью определения морфологического состава. Мелкая неидентифицируемая масса разложившихся отходов авторами названа свалочным грунтом. На основе анализа полученных данных фракционного состава отмечается значительное возрастание фракции крупностью менее 50 мм с увеличением возраста отходов. Такая же тенденция наблюдается с увеличением глубины залегания отходов в массиве, что также связано с процессами биоразложения. В более глубоких слоях также отмечается тенденция к увеличению слеживаемости отходов. В старых свалках с возрастом более 30 лет содержание свалочного грунта приближается к 90%. Результаты анализа морфологического состава отходов разного возраста также подтверждают выводы авторов [Загорская и др., 2013] о возрастании доли свалочного грунта и уменьшении содержания биодеградируемых компонентов с увеличением сроков захоронения. Пищевые компоненты, по данным [Загорская и др., 2013], полностью разлагаются в течение первых трех лет. Полимерные отходы по данным [Загорская и др., 2013] в активной метановой фазе не подвергаются биологическому разложению, медленно разрушаясь в результате химических и фотохимических процессов а также деполимеризации, теряя менее 1% массы после 10 лет захоронения [Horing et al., 1999].
Определение коэффициента Пуассона
Согласно данным исследований [Finnie & Randolph, 1994; Chung et al, 2006; Kim et al, 2008] переход от недренированных к частично дренированным условиям происходит приблизительно при V 10. Таким образом, для CPT со стандартным конусом площадью 10 см2 при стандартной скорости 20 мм/с, недренированная пенетрация может ожидаться в грунтах при значениях ch 7х 10 "5 м 2 /с. Исследуя эффект смещения зависящей от скорости сдвиговой прочности, [Kim et al, 2010] показали, что сопротивление конуса неизменяемо для V 1, что соответствует с /j 7 х 10 м /с .
Но основе зависимости между 150 и с (2.11), это соответствует t50 0,5 мин (30 с ). Следовательно, простым методом оценки зондирования (недренированное или частично дренированное состояние) является диссипационное испытание. Если t 50 30 с, то статическое зондирование конусом площадью 10 см2 и 15 см2 вероятнее всего недренированное и замеренное сопротивление по конусу может быть использовано для оценки недренированного сопротивления сдвигу. Если г150 30с, то замеренное сопротивление по конусу может быть несколько выше в связи с частично дренированным состоянием. Это согласуется с наблюдениями [Robertson et al, 1992]. По результатам диссипационного испытания пьезоконусом на точке 2 время г150 =18 с. Приведенная скорость составила V = vdc /ch =20x36,5/55,3 = 13,2
В соответствии с [Robertson, 2010b] в этом случае напряженно-деформированное состояние массива ТБО под конусом является частично дренированным и замеренное сопротивление по конусу может привести к завышенным оценкам недренированного сопротивления сдвигу. Значения недренированного сопротивления сдвигу по результатам зондирования пьезоконусом, следует рассматривать как «псевдосцепление» в дренированном состоянии. Его значения оцениваются в диапазоне от 50 до 150 КПа. По консервативным соображениям принимается 50 КПа. В рассматриваемом случае с учетом результатов диссипационного испытания недренированные условия будут достигнуты при скорости зондирования до 15 мм/с.
Оценка начального коэффициента пористости Результаты статического зондирования пьезоконусом можно использовать для оценки начального модуля сдвига при известном начальном коэффициенте пористости зондируемого материала. Методика оценки предложена [Маупе & Rix, 1993]. (а Ї0,695 ( \0,305 Wt ) G0 = 99,5{ра ) (2.15) (е0)1, 13 где G 0 - начальный модуль сдвига; р а - атмосферное давление в тех же единицах измерения, что и G 0; q t - скорректированное сопротивление по конусу (см. табл. 2.7); е 0 - начальный коэффициент пористости грунта.
На основе описанного метода в рамках настоящей работы предлагается решение обратной задачи - по известным параметрам зондирования пьезоконусом и начальному модулю сдвига оценить значение начального коэффициента пористости.
Начальный модуль сдвига G0 можно определить по результатам съемки массива ТБО методом многоканального анализа поверхностных волн. По результатам МАПВ-съемки начальный модуль сдвига составил 10,7 МПа (см. далее) при средней скорости волн сдвига в слое ТБО 110 м/с. Атмосферное давление в день зондирования составляло 745 мм.рт.ст. или 0,0993 МПа. Среднее геометрическое значение скорректированного сопротивления по конусу на отм. -4,0 равно 1,88 МПа (рис. А. 51). В результате расчета начальный коэффициент пористости ТБО оценивается в размере 5,7. Пористость массива ТБО составила 0,85. (1 88) 695 10,7 = 99,5(0,0993)0 305 = е0 5,7; и 0,85 ( о)1ЛЗ Как и начальный модуль сдвига, значение начального коэффициента пористости представляет собой среднее значение по всей толще массива ТБО. Оценка удельного веса по результатам CPTu В работе [Robertson & Cabal, 2010] изложена методика оценки удельного веса по результатам зондирования пьезоконусом. Удельный вес можно оценить по выражению (2.16) уjyw = [o,27\ogRf + 0.361og(tf, Iра )]+1,236 (2.16) где Я у- фрикционное отношение (fs jqt )-100%; у w - удельный вес воды в тех же единицах, что и /; р а - атмосферное давление в тех же единицах, что и q t
Средний удельный вес твердых частиц грунта (специфическая сила тяжести) для большинства грунтов находится в диапазоне 2,6-2,7. При иных значениях удельного веса твердых частиц выражение (2.16) должно быть скорректировано на величину отношения этого удельного веса к среднему значению 2,65. Если доступны образцы грунта нарушенной структуры, по которым можно определить удельный вес твердых частиц, то выражение для удельного веса грунта по результатам зондирования пьезоконусом имеет вид (2.17)
Упруго-пластическая модель твердых бытовых отходов
Процесс биологической ползучести начинается примерно через 200 дней с момента закладки отходов [Bareither et al., 2013]. К этому времени образец ТБО уже деформирован в процессе немедленной компрессии и механической ползучести, и его относительная деформация составляет некоторую величину є о bio . Относительная осадка измеряется по отношению к начальной величине образца, поэтому ее обнуление к моменту начала процесса биологической ползучести неправомерно и полученные результаты теряют смысл, поскольку в этом случае относительная осадка рассчитывается по отношению к высоте образца к началу процесса биологического разложения. При расчете осадок интерес представляет относительная осадка по отношению к начальной высоте сооружения, из которой можно получить абсолютную деформацию и далее подсчитать объемы работ, например, по замещению грунта, увеличению вместимости свалки и т.п., что представляет практический интерес. В соответствии с вышеизложенным, модель биологического разложения ТБО (3.114) может применяться только в составной модели как часть процесса общей осадки ТБО, которой обязательно должны предшествовать немедленная компрессия и механическая ползучесть.
Уточненная модель биологического разложения ТБО В процессе немедленной компрессии и механической ползучести ТБО к началу биологического разложения относительная деформация образца составит величину є0bio. Относительную деформацию при биологической компрессии можно определить по формуле (3.110).
При отсутствии данный компрессионных испытаний коэффициент биологической ползучести CаB и коэффициент скорости биокомпрессии первого порядка к можно прогнозировать по предложению [Bareither et al., 2013]. Коэффициент скорости биокомпрессии обычно находится в диапазоне к 211 = 0,1 0,4, а коэффициент биологической ползучести для начальной оценки рекомендуется принять С ав = 0,2. На основании этих данных можно подсчитать время биологической компрессии. Обозначим относительную деформацию к окончанию процесса биологической ползучести є ст frio. Ее величина представляет собой сумму относительной деформации к началу стадии биологической ползучести є0Ьіо и относительной деформации за период биологической ползучести є Ыо sст Ыо = є0Ью +єЬіо (3.116)
Для учета относительной деформации образца с момента укладки до начала биологической ползучести ТБО, необходимо в правую часть равенства (3.114) добавить относительную деформацию перед началом биологической ползучести є = є0Ьіо +є Ыо (3.117) Выражение (3.117) является решением дифференциального уравнения (3.118) d{s-s0bw -єЬіо ) , . = -кує-є0jjio-єjjio ) (3.118) dt С учетом (3.116) дифференциальное уравнение (3.118) принимает вид (3.119) к{гстЫо-г) d{sстbw-s) ст Ыо -Є) (3.119) dt
Дифференциальное уравнение (3.119) представляет собой скорость приближения относительной деформации биологической ползучести к значению относительной деформации к окончанию стадии биологической ползучести Б ст fc0. В соответствии с равенством (3.119), скорость приближения к максимальной относительной деформации в конце биологического разложения пропорциональна отклонению от этого максимального значения относительной деформации. Знак минус означает, что скорость d{sст bio -є)/dt уменьшается в течение процесса биоразложения. Графически изменение относительной деформации образца ТБО в процессе биологического разложения описывается выражением (3.117), изображается экспоненциальной кривой, возрастающей от є0Ьіо до є ст Ыо (рис. Б. 11). Модель биологического разложения ТБО (3.117) можно представить по-иному, подставив в него выражение (3.116) - к є = є ст bio sbioe (3.120) Уравнение типа (3.119) было впервые предложено [Handy, 2002] для таких задач, как определение предела текучести грунта по методу Казагранде, прогноз набора прочности бетона, прогноз первичной и вторичной консолидации грунтов и т.д. Такие уравнения предложено называть скоростными уравнениями первого порядка (FORE) [Handy, 2002]. В уравнениях такого типа скорость приближения функции к условию равновесия пропорциональна отклонению от этого условия.
Предложенная модель биологической осадки ТБО позволяет рассчитать относительную осадку ТБО на стадии биологической ползучести с учетом предшествующего деформирования и определить реальные абсолютные деформации массива отходов, а также скорость приближения процесса биоразложения к моменту его окончания.
Экологически устойчивое использование старых и заброшенных полигонов ТБО
В случае динамического уплотнения очень важным является контроль качества, что гарантирует оптимальный срок службы полигона. Однако гетерогенность материала отходов усложняет обоснованную оценку жесткости материала отходов.
Существуют различные методы оценки качества динамического уплотнения отходов в полевых условиях. Основное внимание следует уделять соотношению цена – качество. Качество уплотнения грунтового слоя можно оперативно контролировать недорогими ручными и электронными приборами. К приборам первого типа относится динамический плотномер – компактный носимый прибор, легко умещающийся в наплечной сумке. Контроль качества уплотнения осуществляется по погружению пенетрометра от удара стандартным грузом, падающим со стандартной высоты. В последние годы стали доступны электронные динамические плотномеры типа ДПГ-1.Такие методы контроля качества возможны при укладке оснований из однородных материалов.
Из основных полевых испытаний, обычно используемых для оценки количественных показателей динамического уплотнения ТБО можно выделить штамповые испытания (PLT), стандартные пенетрационные испытания (SPT), статическое зондирование (CPT), волновое определение жесткости (WAK) [Briaud et al., 1990], прессиометрические испытание (PMT), спектральный анализ поверхностных волн (SASW) [Bouazza et al., 1996] и в последнее время многоканальный анализ поверхностных волн (MASW). В Российской Федерации традиционно применяются в основном статическое зондирование, штамповые испытания и иногда прессиометрические испытания.
Твердые бытовые отходы являются грунтоподобными материалами с крайне неоднородной структурой. Точечные испытания таких материалов малоинформативны в связи со значительным разбросом показателей на соседних участках. Полевые методы оценки улучшения свойств отходов должны быть быстрыми, чтобы снизить время простоя технологических механизмов; достоверными, чтобы можно было оценить изменение свойств грунтоподобной толщи прямыми методами без применения эмпирических корреляционных зависимостей к локальным результатам поверхностных, либо пенетрационных испытаний; недорогими и безопасными для исполнителей.
В последнее время, по мере совершенствования и упрощения технологий наблюдения и обработки результатов все более эффективными становятся волновые методы полевого исследования свойств грунтов. Сущность этих методов залючается в полевых определениях свойств грунтов путем наблюдений за распространением волн.
Методы, в основе которых заложены принципы определения динамических характеристик при малых деформациях путем наблюдений за распространением волн, могут быть как разрушающими, так и неразрушающими. Для разрушающих методов требуется зондирование, либо бурение с последующим прямым определением скорости волны сжатия VP или волны сдвига VS. В эту категорию входят такие методы, как прямой и обращенный каротаж, межскважинное просвечивание, испытания подвесным зондом, сейсмическое зондирование. При использовании неразрушающих методов профили скорости волны определяются с дневной поверхности. В число этих методов входят исследование грунтов отраженными волнами, исследование грунтов преломленными волнами, исследование методом установившейся вибрации, спектральный и многоканальный анализ поверхностных волн. Сейсмическое отражение и преломление более пригодны для геофизических поисково-разведочных работ, поскольку не обеспечивают точные профили скоростей сейсмических волн для геотехнических целей, хотя необходимо отметить что корреляционный метод преломленных волн также позволяет оперативно установить напластование грунтов верхней части разреза зоны малых скоростей, при весьма недорогой технологии наблюдений, хотя и несколько более усложненной и длительной процедуре обработки результатов по сравнению с методами анализа поверхностных волн. В трех последних неразрушающих методах дисперсия поверхностных сейсмических волн используется для непрямого определения скоростей волны сдвига и сжатия. Преимущество этих методов заключается в том, что они выполняются при известном уровне напряжений и деформаций ( 10-4 %) и по существу при ненарушенных грунтах. Испытания методом спектрального и многоканального анализа поверхностных волн не требуют бурения скважин, оборудование располагается на поверхности грунта, осуществляются очень быстро с использованием новейших достижений гармонического анализа.
Из всех вышеперечисленных методов только методы спектрального и многоканального анализа поверхностных волн позволяют оперативно и недорого оценить качество уплотнения грунтоподобного материала на значительной территории и на значительную глубину. Основными недостатками этих методов для традиционных геофизических исследований является то, что даные по геологическому разрезу получают как средние значения по заданной глубине, т.е. они наиболее пригодны для испытаний однослойных грунтоподобных толщ. Поскольку массив отходов является однослойной грунтоподобной структурой, методы спектрального и многоканального анализа поверхностных волн позволяют с наибольшей эффективностью оценить свойства неоднородного массива ТБО и их изменение в результате технологического улучшения. Наиболее недорогим является метод многоканального анализа поверхностных волн (MASW или МАПВ).