有機質(zhì)對軟土次固結(jié)特性的影響機制研究*

賀建清 王 朦 陳立國 胡惠華 陳秋南

(①湖南科技大學巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測省重點實驗室，湘潭 411201，中國)(②中南大學土木建筑學院，長沙 410075，中國)(③湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，長沙 410007，中國)(④湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，長沙 410200，中國)

0 引 言

湖相地區(qū)軟土往往是在靜水和緩慢水流中經(jīng)過生化作用而形成的，一般具有有機質(zhì)含量高、天然含水量變化幅度大等特征(楊可銘，1981)。流變特性是土體基本特性之一，由于有機質(zhì)的存在，軟土地基在長期荷載作用下，易產(chǎn)生次固結(jié)變形。近年來，由次固結(jié)引起的工后沉降問題日益突出，給軟土地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和城市建設(shè)帶來嚴重影響，對于有機質(zhì)含量較高的軟土地基，由于次固結(jié)引起的工后沉降不容忽視(高彥斌等，2004；劉忠玉等，2019；孫萍萍等，2020)。因此，研究有機質(zhì)對湖相軟土次固結(jié)特性的影響對確保湖區(qū)軟土工程的安全營運和控制工后沉降具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，有機質(zhì)對軟土流變性質(zhì)影響的研究主要集中兩個方面：一是對高有機含量泥炭土的次固結(jié)特性進行研究，如蔣忠信(1994)、桂躍(2015)提出泥炭土的次固結(jié)特性符合太沙基理論，其影響因素的分析可參照一般軟土的研究方法；Badv et al.(2012)研究發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)含量不同的泥炭土，固結(jié)壓力在12.5～200 kPa范圍內(nèi)，其次固結(jié)系數(shù)Cα隨固結(jié)壓力的增大而增大；Santagata et al.(2008)通過高有機質(zhì)泥炭土與非有機質(zhì)土的室內(nèi)試驗對比發(fā)現(xiàn)高有機質(zhì)泥炭土壓縮蠕變更為顯著；馮瑞玲等(2019)通過對有機質(zhì)含量不同的泥炭土進行一維蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)泥炭土的有機質(zhì)含量越高，次固結(jié)變形量越大，強泥炭土的次固結(jié)沉降速率與先期固結(jié)壓力有關(guān)。二是從細觀的角度進行軟土流變的初步探討，谷任國(2009b)采用改進的直剪蠕變儀對不同含量有機質(zhì)的軟土試樣進行剪切蠕變試驗，提出有機質(zhì)通過吸附于土顆粒表面的結(jié)合水影響土的流變性質(zhì)，其中強結(jié)合水是土體產(chǎn)生流變的主要因素，弱結(jié)合水則是相對次要因素；Ou et al.(2017)提出了改進的西元模型，其擬合結(jié)果表明有機質(zhì)含量是影響軟土蠕變的重要因素，且有機質(zhì)含量與流變模型的參數(shù)具有良好的相關(guān)性。至于有機質(zhì)對軟土次固結(jié)特性的影響機制的研究鮮有涉及。

本文擬在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對不同有機質(zhì)含量重塑軟土試樣進行一維固結(jié)蠕變試驗，采用容量法測定其吸附結(jié)合水含量，根據(jù)一維固結(jié)蠕變試驗結(jié)果分析有機質(zhì)含量對軟土次固結(jié)特性的影響，確定吸附結(jié)合水含量與有機質(zhì)含量的關(guān)系，分析軟土的蠕變特征，探究有機質(zhì)對軟土次固結(jié)特性的影響機制。

1 試驗研究方案

1.1 試樣制備

試驗軟土取自洞庭湖區(qū)南益高速公路地表以下21.1～23.5 m處，系砂紋淤泥質(zhì)土，其礦物組成中，占比例最大的為石英，其次為白云母，此外還有少量的綠泥石，有機質(zhì)含量約為3%。其基本物理性質(zhì)指標見表1。

表1 土樣基本物理力學性質(zhì)指標

制樣步驟如下：

(1)將取得的原狀土風干、研磨過0.05 mm篩，加水攪拌均勻。

(2)研磨泥炭土，過0.05 m篩，泥炭土為長白山天然泥炭土，購自吉林省敦化市大橋裕家炭地，有機質(zhì)含量>70%。

(3)測定試驗用土含水量，按設(shè)計摻量將泥炭土摻入軟土中，充分拌勻，全面保證有機質(zhì)與黏土顆粒之間的相互作用(熊毅，1979)。

(4)將高度2 cm，截面積30 cm2的環(huán)刀壓入預(yù)制有機質(zhì)土，削平環(huán)刀兩端，稱重。共切取6組有機質(zhì)含量不同的土樣(含1組重塑天然土樣)，每組2個土樣，2個土樣質(zhì)量相差不超過1 g。

(5)將有機質(zhì)土樣置于20 ℃恒溫環(huán)境中養(yǎng)護7 d后進行固結(jié)蠕變試驗。針對人工配制而成的有機質(zhì)土，如果養(yǎng)護時間超7 d時，那么有機質(zhì)與土顆粒反應(yīng)已經(jīng)較為充分，配制而成的有機質(zhì)土的各項物理力學性質(zhì)已經(jīng)基本穩(wěn)定(姜爽，2015；李高山等，2019)。

1.2 試驗儀器及方法

固結(jié)試驗儀器采用WG型單杠桿固結(jié)儀進行，固結(jié)過程中保持試樣雙面排水。

飽和試樣，采用不卸載的方式，從小到大逐級加荷至12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1600 kPa、3200 kPa。每級荷載維持7 d。每級荷載施加后，前24 h內(nèi)參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50213-2019)(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)測讀百分表，24 h后每隔24 h測讀一次直至固結(jié)蠕變試驗結(jié)束。

1.3 有機質(zhì)含量測定

將已完成固結(jié)蠕變試驗的試樣烘干、研磨過0.05 mm篩，參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50213-2019)(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)，采用重鉻酸鉀容量法對試樣中的有機質(zhì)含量進行測定。表2為土樣通過試驗測得的有機質(zhì)含量，其中1#組為重塑天然土樣，表中OMC代表土中的有機質(zhì)含量。

表2 試驗土樣有機質(zhì)含量

1.4 吸附結(jié)合水含量測定

1.4.1 測量方法及原理

試驗采用容量法。試驗原理：將已完成固結(jié)蠕變試驗的試樣烘干過篩后，倒入裝有一定量水的特制容量瓶中，由于自由重力水的密度小于吸附結(jié)合水的密度，當黏土吸附結(jié)合水慢慢形成時，瓶中水的體積必定會縮小。通過對瓶中水體積的變化量進行量測，再通過下式計算吸附結(jié)合水含量(李文平等，1995)。

(1)

(2)

(3)

1.4.2 試驗操作步驟

(1)將玻璃質(zhì)容量瓶、漏斗等置于125 ℃的環(huán)境中烘干并進行冷卻，并將有機質(zhì)含量不同的土樣分別進行研磨并過0.05 mm篩，整個試驗中需要確保水體和試驗室恒溫，且不受其他熱源、冷源影響。

(2)取30 g研磨后的試驗土樣和適量水注入容量瓶中，對容量瓶進行振蕩，使土樣浸泡均勻和排出土樣內(nèi)部的氣體，使用滴管滴定后用帶微孔塞子塞好瓶口。因水中化學成分對黏性土吸附結(jié)合水含量大小有一定影響，為了使試驗結(jié)果更接近工程實際，本文試驗采用自來水，而不是蒸餾水(李文平等，1995)。

(3)增做“瓶加水”的對比試驗，主要目的是對溫度及可能蒸發(fā)的水分進行校正。

(4)當試樣每浸泡24 h內(nèi)需要進行1～2次輕微振蕩，從而加快土粒的分散和氣泡的排出(吳鳳彩，1984)。

(5)每天定時量測容量瓶中水體積減少量ΔVtj和室溫。量測容量瓶中水體積減少量ΔVtj的方法：先使用膠頭滴管吸水至最大量程位置，再往其中滴水直至容量瓶液面最低凹面處與容量瓶刻度線保持水平，此時ΔVtj為膠頭滴管滴入水中的水量。

(6)重復(fù)以上4～5步驟，并記錄容量瓶中水的體變ΔVtj，待水位穩(wěn)定2～3 d后觀測結(jié)束。

吸附結(jié)合水形成過程見圖1，因變化規(guī)律幾乎一致，受篇幅限制，只列舉1#組土樣(重塑天然土)、3#組土樣(人工有機質(zhì)土)吸附結(jié)合水的形成過程。如圖1所示，有機質(zhì)干黏性土在浸泡條件下，因每個土樣的分散和排氣速度不盡相同，每個土樣吸附水分的快慢也不完全相同，但最終吸附結(jié)合水含量趨于穩(wěn)定。不同有機質(zhì)含量黏土的吸附結(jié)合水含量列于表3。圖1、表3顯示，土中有機質(zhì)含量越高，吸附結(jié)合水含量越大。

表3 試驗土樣的吸附結(jié)合水含量

圖1 吸附結(jié)合水的形成過程

以有機質(zhì)含量OMC為橫坐標，吸附結(jié)合水含量Wg為縱坐標，繪制吸附結(jié)合水含量Wg與有機質(zhì)含量OMC的關(guān)系曲線，如圖2所示，土中的有機質(zhì)含量OMC越高，其吸附結(jié)合水含量Wg越大，吸附結(jié)合水含量Wg與有機質(zhì)含量OMC呈線性遞增關(guān)系，相關(guān)系數(shù)超過0.9，相關(guān)性較好，可用式(4)擬合：

圖2 試樣吸附結(jié)合水含量Wg與有機質(zhì)含量OMC的關(guān)系

(4)

式中：α、β為擬合參數(shù)。

2 固結(jié)蠕變試驗結(jié)果分析

2.1 軟土蠕變特征分析

圖3為通過一維固結(jié)蠕變試驗得到的土樣的e-lgt關(guān)系曲線，因變化規(guī)律幾乎一致，受篇幅限制，只列舉1#組土樣(重塑天然土)、3#組土樣(人工有機質(zhì)土)的e-lgt關(guān)系曲線。圖3顯示，在第1、2級荷載作用下，曲線近似呈直線，主、次固結(jié)界限模糊，與余湘娟等(2007)、邵光輝等(2008)的研究結(jié)論一致。隨著荷載的增加，曲線曲率緩慢增加，主、次固結(jié)的區(qū)別越來越明顯，可以明顯地觀察到曲線上的反彎點；整條曲線形狀的走勢基本沒有發(fā)生變化，大致呈等間距平行，荷載的變化對主、次固結(jié)界限的劃分基本沒有影響，未出現(xiàn)高固結(jié)壓力下曲線間距變密，主、次固結(jié)界限模糊，曲線近似成直線的現(xiàn)象(周秋娟等，2006；馮志剛等，2009；倪靜等，2019)。之所以出現(xiàn)上述情況的原因主要是受以下3個方面因素的影響：

圖3 e-lg t曲線

(1)雖然土體在重塑過程中，結(jié)構(gòu)受到破壞，強度極度降低，但因為在20 ℃恒溫環(huán)境中養(yǎng)護了7 d，養(yǎng)護后土顆粒和水分子進行了重新分布，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，整個土樣的強度有了一定程度的恢復(fù)。因為第1、2級荷載小于恢復(fù)后的結(jié)構(gòu)強度，類似處于超固結(jié)狀態(tài)。不言而喻，主、次固結(jié)變形量較小，曲線自然近似呈直線，主、次固結(jié)界限模糊。

(2)因為是重塑土，尚未完成固結(jié)，雖然在試驗過程中因土的觸變性恢復(fù)了部分強度，但結(jié)構(gòu)強度很低。試驗過程中，隨著荷載的增加，施加在土體上的應(yīng)力大于恢復(fù)后結(jié)構(gòu)強度時，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生進一步固結(jié)壓密。

(3)土樣的壓縮系數(shù)a=1.02 MPa-1，大于0.5 MPa-1，屬高壓縮性土，高有機質(zhì)泥炭土的加入，土樣的壓縮性更大；由于軟土透水性較差，隨著荷載的增加，軟土被進一步擠密，導(dǎo)致土顆粒間孔隙水的消散更加緩慢。因此，土體固結(jié)的過程主要由剪應(yīng)力產(chǎn)生，因靜水壓力而產(chǎn)生的體積應(yīng)變很小，不會由于累加荷載的增大，主、次固結(jié)的分界逐漸模糊。

2.2 有機質(zhì)含量對軟土次固結(jié)系數(shù)的影響

根據(jù)一維固結(jié)蠕變試驗得到的e-lgt關(guān)系曲線，采用式(6)計算次固結(jié)系數(shù)Cα

(5)

式中：Δes為次固結(jié)階段孔隙比的變化量；t1為主固結(jié)完成時間(min)；t2為次壓縮量計算時間(min)。目前，國內(nèi)對次固結(jié)系數(shù)的測定時間沒有明確的要求，參照英國標準《土木工程用土壤的測試方法》(BS 1377-5：1990)(British Standard Institution, 1990)對次固結(jié)系數(shù)的測定時間的規(guī)定，取t1為1440 min(1d)；t2為10 080 min(7d)。

不同有機質(zhì)含量和固結(jié)壓力p下土樣的次固結(jié)系數(shù)Cα關(guān)系曲線見圖4。由圖4中12個試樣的次固結(jié)系數(shù)Cα與固結(jié)壓力p的關(guān)系曲線可以得到一個共同的規(guī)律：當固結(jié)壓力p=100 kPa時，次固結(jié)系數(shù)Cα存在一個最大值，固結(jié)壓力p超過800 kPa，次固結(jié)系數(shù)Cα趨近于一不變的常數(shù)。從圖4中可以看出，當固結(jié)壓力p小于100 kPa時，次固結(jié)系數(shù)Cα隨著固結(jié)壓力p的增大而逐漸增加，這是因為土體在20 ℃恒溫環(huán)境中養(yǎng)護了7 d，養(yǎng)護后土顆粒和水分子進行了重新分布，土顆粒之間形成了新的結(jié)構(gòu)，隨著固結(jié)壓力的增加，土的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，土顆粒周圍結(jié)合水膜蠕變能力增強，次固結(jié)系數(shù)Cα相應(yīng)增大。當固結(jié)壓力p大于100 kPa，隨著荷載的增加和土顆粒的壓密，土顆粒周圍的結(jié)合水膜會越來越薄，土顆粒的蠕變能力逐漸變?nèi)?，次固結(jié)系數(shù)逐漸減小。此結(jié)論與余湘娟等(2007)、Kapustin et al.(2017)的研究一致。

圖4 次固結(jié)系數(shù)Cα與固結(jié)壓力p的關(guān)系

圖5為不同固結(jié)壓力下次固結(jié)系數(shù)Cα與有機質(zhì)含量OMC的關(guān)系散點圖。從圖5不難看出，固結(jié)壓力p分別為12.5 kPa和25 kPa時，次固結(jié)系數(shù)Cα隨著有機質(zhì)含量OMC增加逐漸增大，達到一峰值后逐漸減小，可能是因為土樣在重塑過程中，土體顆粒和水分子重新分布，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土樣的強度有了一定程度的恢復(fù)，具有一定的結(jié)構(gòu)強度。土樣中有機質(zhì)含量不同，恢復(fù)后的結(jié)構(gòu)強度也不同，因為第1、2級荷載較小，小于恢復(fù)后的結(jié)構(gòu)強度，類似處于超固結(jié)狀態(tài)，次固結(jié)系數(shù)Cα與超固結(jié)程度有關(guān)。當固結(jié)壓力p≥50 kPa時，隨著土中有機質(zhì)含量OMC增加，次固結(jié)系數(shù)Cα呈明顯增加的趨勢，在高應(yīng)力水平下表現(xiàn)尤為明顯。這是因為有機質(zhì)含量OMC增加，吸附結(jié)合水含量增大，結(jié)合水膜變厚，土的蠕變能力增加，導(dǎo)致次固結(jié)系數(shù)Cα增大。

圖5 次固結(jié)系數(shù)Cα與有機質(zhì)含量OMC的關(guān)系

2.3 有機質(zhì)含量對軟土次固結(jié)特性影響機制的探討

按傳統(tǒng)土力學的定義，飽和的軟土是固體顆粒和水構(gòu)成的二相體。固體部分是含有有機質(zhì)的礦物質(zhì)組成，固體部分構(gòu)成了土的骨架，土骨架之間是相互貫通的孔隙，完全被水充滿。土顆粒的表面被有機質(zhì)包裹，有機質(zhì)里的羧基(-COOH)和羥基(-OH)的H解離會使土顆粒板面帶聚集負電荷，進而吸附孔隙水成為結(jié)合水(谷任國，2009a)，其他學者的試驗表明有機質(zhì)含量越多，吸附的結(jié)合水越多(圖6)。同時，有機質(zhì)會和水產(chǎn)生相互作用變成了膠體，如水溶膠、固溶膠等，它們通常吸附在土顆粒表面。為了解釋土體具有的流變特性，British Standard Institution(1990)、袁杰等(2014)提出將土顆粒表面的結(jié)合水和膠體等稱為流變相物質(zhì)。有鑒于此，本文將飽和軟土由傳統(tǒng)土力學定義的二相體系如圖6所示看作三相體系。圖6為參照胡桂銜(2013)繪制的飽和軟土的三相物質(zhì)模型圖。

圖6 飽和軟土的三相物質(zhì)模型

有機質(zhì)對飽和軟土次固結(jié)特性的影響機制包括3個方面：首先是膠體和吸附水膜將土顆粒相互聯(lián)結(jié)起來，隨著有機質(zhì)的增加，土樣中的強結(jié)合水和膠體隨之增加，更多的土顆粒數(shù)被流變相的物質(zhì)聯(lián)結(jié)，所以固體顆粒間蠕動阻力減小，蠕變速率增大，次固結(jié)系數(shù)提高。其次是吸附水膜和膠體等這些流變相物質(zhì)不同于液相物質(zhì)，在土顆粒之間能傳遞剪力，通過流變相物質(zhì)聯(lián)結(jié)的土顆粒易產(chǎn)生相對滑移或轉(zhuǎn)動，土中有機質(zhì)含量增加，其強結(jié)合水和膠體含量相應(yīng)增加，隨著流變相物質(zhì)的增加，其包裹的土顆粒更加容易產(chǎn)生相對滑移或轉(zhuǎn)動，土體的次固結(jié)特性增強；最后流變相物質(zhì)是屬于一種類固體，力學性質(zhì)方面介于流體和固體之間，物理性質(zhì)方面其本身具有流體的流動性和固體的變形特性，具有明顯的蠕變特性；有機質(zhì)含量大，流變相物質(zhì)體積相應(yīng)增大，整個土體隨著流變相物質(zhì)的增加整體性質(zhì)將會表現(xiàn)出更明顯的次固結(jié)特性。

3 結(jié) 論

通過測定重塑土樣有機質(zhì)含量和吸附結(jié)合水含量，確定吸附結(jié)合水含量與有機質(zhì)含量的關(guān)系，分析有機質(zhì)對軟土次固結(jié)特性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)土中有機質(zhì)含量越高，其吸附結(jié)合水含量越大，兩者呈線性遞增關(guān)系，并提出了相應(yīng)的關(guān)系計算式。

(2)次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線在結(jié)構(gòu)強度附近有一個峰值點，在較大固結(jié)壓力作用下，次固結(jié)系數(shù)可近似視為一不變的常數(shù)。

(3)隨著土中機質(zhì)含量增加，次固結(jié)系數(shù)呈明顯增加的趨勢，在高應(yīng)力水平下表現(xiàn)尤為明顯。

(4)探討了有機質(zhì)對軟土次固結(jié)特性的影響機制：土樣中有機質(zhì)含量增加，強結(jié)合水和膠體含量相應(yīng)增大，流變相物質(zhì)變厚，體積占比增加，次固結(jié)特性愈加明顯。