不同地區(qū)泥炭質(zhì)土物理力學(xué)特性研究分析★

蔣 玉，何兵祥，丁 勇，趙興澤，李俊輝

(保山學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，云南 保山 678000)

1 概述

泥炭質(zhì)土是一種特殊的土體，分布于各個(gè)地區(qū)，是植物遺體經(jīng)泥炭化作用，形成的有機(jī)質(zhì)聚積物，土質(zhì)均勻，呈黑色、深灰色，且有腥臭味，是由水、礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)三部分組成。其有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～60%之間，具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低等特性的不良土體。大部分學(xué)者對(duì)其物理力學(xué)特性研究較多，如固結(jié)特性、相關(guān)本構(gòu)關(guān)系等[1-2],熊恩來等對(duì)泥炭質(zhì)土孔隙壓力與應(yīng)變進(jìn)行相關(guān)關(guān)系研究[3-4]，謝莉萍等對(duì)闡述有機(jī)質(zhì)土的比重與有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行了線性關(guān)系的研究[5]。因此本次試驗(yàn)以保山龍陵與香格里拉地區(qū)土體為主要研究對(duì)象，取土深度范圍在3 m～10 m，分析對(duì)比兩地區(qū)土體的物理性質(zhì)(飽和度、孔隙比、含水率、土粒比重、天然密度)，界限含水率(液限WL、塑限WP、塑限指數(shù)IP、液限指數(shù)IL)，固結(jié)孔隙比，壓縮特性，直剪快剪的數(shù)據(jù)，找出兩地區(qū)土體的差異性，進(jìn)而掌握泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)特性。

2 基本物理特性

2.1 土樣描述

根據(jù)規(guī)范，對(duì)滇西(保山龍陵)與滇北(香格里拉)兩地區(qū)進(jìn)行取土，各取五個(gè)代表土樣，每個(gè)取樣點(diǎn)自上而下，編號(hào)為L1，L2，L3，L4，L5，X1，X2,X3，X4，X5，取土深度范圍均在3 m～10 m之間，且兩地區(qū)的土質(zhì)均勻，呈黑色、灰色，土質(zhì)輕，干縮現(xiàn)象明顯，取土深度越深腥臭味越重，深度越深，植物降解程度越大。

2.2 三大基本物理指標(biāo)

依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)得出含水率、土粒比重、密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示可知：

1)兩地區(qū)的含水率都比較高。龍陵地區(qū)(保山龍陵)該種土水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為195%～286%，香格里拉地區(qū)(香格里拉)該種土水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為138%～286%，兩地區(qū)可取其值作為該種土的含水率范圍值。但龍陵地區(qū)的含水率較香格里拉地區(qū)相對(duì)高一些，且香格里拉地區(qū)含水率隨深度增加而減小。

2)兩地區(qū)的土體土粒比重較常規(guī)土比重小。龍陵地區(qū)五個(gè)代表土樣的土粒比重平均值為1.678，香格里拉地區(qū)五個(gè)代表土樣的土粒比重平均值為2.252,相比較，香格里拉地區(qū)的土粒比重更大。

3)兩地區(qū)的土體天然密度低于常規(guī)土的密度。龍陵地區(qū)天然密度在1.06 g/cm3～1.16 g/cm3之間，平均值為1.116 g/cm3，香格里拉地區(qū)在0.93 g/cm3～1.70 g/cm3之間，平均值為1.352 g/cm3。香格里拉地區(qū)的天然密度較龍陵地區(qū)相對(duì)高一些。

總體來看，龍陵地區(qū)土體基本物理特性相對(duì)香格里拉地區(qū)也呈現(xiàn)出一種較為穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 兩地土體基本物理特性

2.3 其他物理指標(biāo)

本次其他物理指標(biāo)涉及飽和度、孔隙比、有機(jī)質(zhì)含量。土體的飽和度Sr是反映土中含水程度的指標(biāo)之一，其物理意義是水在空隙中充滿的程度，常見值在0～1之間。兩地區(qū)土體的孔隙比較大，飽和度幾乎在90%以上，趨于飽和，如表1所示。由于泥炭質(zhì)土孔隙比較大，含水率較高，強(qiáng)度低，土質(zhì)松軟，因此在泥炭質(zhì)土地區(qū)的建筑物，其地基基礎(chǔ)要求相對(duì)較高，不僅要滿足地基承載力要求，也要控制沉降量。阮永芬等指出了泥炭質(zhì)土對(duì)建筑地基的影響，孔隙比隨有機(jī)質(zhì)的含量增大而增大，其對(duì)昆明泥炭質(zhì)土研究泥炭質(zhì)土的成因以及分布，并針對(duì)發(fā)生工程事故的原因，提出處理泥炭土地基的防治措施，避免今后在泥炭土地基上的工程建設(shè)中，建筑物嚴(yán)重下沉、開裂、傾斜、重建等各種潛伏隱患[6]。

由表1可知，兩地區(qū)的飽和度比較高，孔隙比較大，有機(jī)質(zhì)含量也比較高，同時(shí)兩地泥炭質(zhì)土的孔隙比相對(duì)隨有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大，飽和度隨平均深度增加而增加。從兩地相比較，龍陵地區(qū)的飽和度、孔隙比、有機(jī)質(zhì)含量特性相對(duì)香格里拉地區(qū)土體特性較為穩(wěn)定，變化程度不大。

2.4 液塑限指標(biāo)

該指標(biāo)是來確定土體特性與命名，由于兩地區(qū)的含水率比較高，在65 ℃下烘干不同的時(shí)間可以得到不同含水量的土樣，且水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)120%以上，因此本次試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測定法來測定兩地區(qū)的液塑限指標(biāo)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 兩地土體液塑限指標(biāo)

由表2可知：龍陵地區(qū)(保山龍陵)液限在93%～104%之間，平均值為99.2%，塑限在33%～65%,平均值為51.4%，液限指數(shù)平均值為3.646；香格里拉地區(qū)(香格里拉)液限在40%～86%，平均值為53.2%，塑限在25%～46%，平均值為33.2%，液限指數(shù)平均值為4.0，兩地液限指數(shù)幾乎均大于1,呈流塑狀態(tài)，僅香格里拉地區(qū)(香格里拉)取土深度在7.3 m深度處土樣屬于軟塑狀態(tài)。

同時(shí)，兩地區(qū)的液限指數(shù)IL隨取土深度的增大而逐漸增大，龍陵地區(qū)均大于3，香格里拉地區(qū)在0.87～7.50之間。對(duì)比兩地區(qū)試樣，香格里拉地區(qū)的液限、塑限、塑限指數(shù)幾乎都大于香格里拉地區(qū)，龍陵地區(qū)液限指數(shù)比較穩(wěn)定，起伏不大，但香格里拉地區(qū)液限指數(shù)大小波動(dòng)較大，離散性較大。

3 力學(xué)特性

3.1 壓縮指標(biāo)

本次試驗(yàn)采用氣壓式固結(jié)儀測定兩地區(qū)試樣的壓縮試驗(yàn)，兩地區(qū)土樣均為飽和泥炭質(zhì)土，將環(huán)刀高度20 mm,直徑61.8 mm，填滿試樣，去除大石子，避免試驗(yàn)中引起應(yīng)力集中。本次試驗(yàn)加壓等級(jí)為50 kPa，100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa，每級(jí)荷載加壓時(shí)間為24 h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 兩地土體壓縮指標(biāo)與抗剪指標(biāo)

由表3可知，兩地泥炭質(zhì)土沉降量大，土體的壓縮系數(shù)av都比較大，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，兩地土樣av>0.5 MPa-1，壓縮模量Es均小于4 MPa，均屬于高壓縮性土，隨著土體深度增加，土體壓縮系數(shù)av也逐漸增加，可知壓縮系數(shù)av是一個(gè)變量，而非定值，單從壓縮系數(shù)相比較，龍陵地區(qū)土體的壓縮性大于香格里拉地區(qū)土體壓縮性。

3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

本次試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，結(jié)合快剪和固結(jié)快剪來測定兩地區(qū)土體的剪切情況，準(zhǔn)備兩地區(qū)每個(gè)試樣取4個(gè)環(huán)刀為一組試驗(yàn)，直剪儀垂直壓力分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa。數(shù)據(jù)處理見表3。

取兩地區(qū)相同含水率試樣L5，X5為代表試樣(見表1)，含水率接近情況下，L5試樣和X5試樣的黏聚力c均為26.4 kPa，內(nèi)摩擦角φ=4.0°，同時(shí)隨著剪切位移L增大，剪應(yīng)力τ也逐漸增大，且垂直壓力P與抗剪強(qiáng)度S呈線性關(guān)系。對(duì)比粉質(zhì)黏土，兩地區(qū)泥炭質(zhì)土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ相對(duì)較小，且抗剪強(qiáng)度比較低。同時(shí)通過試樣試驗(yàn)表明，隨著含水率的增大，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ逐漸減小，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，由于龍陵地區(qū)(保山龍陵)試樣的含水率高于香格里拉地區(qū)(香格里拉)試樣，因此香格里拉地區(qū)泥炭質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度相對(duì)大一些。

通過深度對(duì)比可知，龍陵地區(qū)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力與內(nèi)摩擦角，相對(duì)均勻，但無明顯規(guī)律，而對(duì)于香格里拉地區(qū)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)來看，基本呈現(xiàn)出隨深度增加而抗剪指標(biāo)提高的特性，并且差值倍數(shù)較大。

4 結(jié)語

1)兩地區(qū)的飽和度比較高，孔隙比比較大，有機(jī)質(zhì)含量也比較高，同時(shí)兩地泥炭質(zhì)土的孔隙比隨有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大。相比而言，龍陵地區(qū)的飽和度、孔隙比、有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較大，較均勻，龍陵地區(qū)的含水率更高一些，土粒比重、密度比常規(guī)土小。

2)兩地區(qū)的液限指數(shù)IL隨取土深度的增大而逐漸增大，都屬于流塑狀態(tài)。但對(duì)比兩地區(qū)試樣，香格里拉地區(qū)的液限、塑限、塑限指數(shù)幾乎都大于香格里拉地區(qū)，龍陵地區(qū)液限指數(shù)比較穩(wěn)定，起伏不大，但香格里拉地區(qū)液限指數(shù)大小波動(dòng)較大。

3)兩地區(qū)泥炭質(zhì)土沉降量大，土體的壓縮系數(shù)av都比較大，都屬于高壓縮的土體。但相比較，龍陵地區(qū)的壓縮系數(shù)av大于香格里拉地區(qū)。

4)兩地區(qū)泥炭質(zhì)土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ相對(duì)較小，且抗剪強(qiáng)度比較低。同時(shí)通過試樣試驗(yàn)表明，隨著含水率的增大，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ逐漸減小，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，由于龍陵地區(qū)試樣的含水率高于香格里拉地區(qū)試樣，則香格里拉地區(qū)泥炭質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度相對(duì)大一些。

5)兩地泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)指標(biāo)在淺層深度范圍內(nèi)(3 m～10 m)隨深度的變化無明顯的相關(guān)性，其物理力學(xué)指標(biāo)離散性較大，但龍陵地區(qū)土體物理力學(xué)特性較香格里拉地區(qū)土體特性相對(duì)穩(wěn)定，故對(duì)于淺層泥炭土的工程特性來看，建議將其看作統(tǒng)一整體來研究，室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可做參考。