超高含水率泥炭土力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

孫 壯，王 榮，林立宏，徐立新，史江偉

（1.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.浙江臺(tái)州市沿海高速公路有限公司，浙江 臺(tái)州 318000；3.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000；4.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024）

泥炭土是由有機(jī)殘?bào)w、腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)組成的高有機(jī)質(zhì)含量特殊土，是工程性質(zhì)極差的土。泥炭土分布廣泛，覆蓋了陸地表面的5%～8%，其中38%的泥炭土分布在東南亞地區(qū)。馬來西亞的泥炭土面積約占國家陸地面積的14%[1]。

泥炭土力學(xué)特性主要受含水率、有機(jī)質(zhì)含量和pH值等因素的影響。HOBBS[2]發(fā)現(xiàn)低分解度的纖維狀泥炭土比分解度高的非晶質(zhì)泥炭土的含水率更高。泥炭土的pH值與腐殖質(zhì)化程度有關(guān)，腐殖質(zhì)化程度越高的泥炭土酸性越弱。LEA等[3]發(fā)現(xiàn)泥炭土的pH值介于4～7；ANDRIESSE[4]發(fā)現(xiàn)泥炭土中存在黃鐵礦物時(shí)，pH值低于2。水泥固化泥炭土?xí)r，有機(jī)酸會(huì)阻礙鈣的結(jié)晶，導(dǎo)致固化土強(qiáng)度降低[5-6]。鄧侖昆等[7]發(fā)現(xiàn)泥炭土的天然密度、飽和度、塑性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量等參數(shù)能較好地符合正態(tài)分布。KOLAY等[8]發(fā)現(xiàn)馬來西亞馬當(dāng)、巴生和吉隆坡泥炭土的物理特性指標(biāo)差異明顯，含水率、有機(jī)質(zhì)含量和pH值分別介于159%～538%、43%～94%和3.8～6.0。

本文依托馬來西亞沙撈越第二干線項(xiàng)目，分析泥炭土厚度、含水率、有機(jī)質(zhì)含量的分布規(guī)律。開展室內(nèi)試驗(yàn)研究了原狀和重塑泥炭土的力學(xué)特性，明確了控制固化泥炭土強(qiáng)度的主要影響因素。

1 原狀泥炭土物理力學(xué)性質(zhì)分析研究

1.1 泥炭土厚度分布規(guī)律

馬來西亞沙撈越項(xiàng)目位于馬來西亞東島沙撈越州西南部。為獲取沙撈越地區(qū)泥炭土厚度的分布規(guī)律，對128個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體如圖1所示。泥炭土厚度為小于等于1 m、1～3 m、3～5 m、5～7 m和大于7 m的占比分別為4.6%、31.3%、48.1%、14.5%和1.5%。沙撈越第二干道項(xiàng)目泥炭土的厚度主要介于1～5 m，占總數(shù)的79.4%。

圖1 沙撈越地區(qū)泥炭土厚度分布規(guī)律

1.2 泥炭土含水率分布規(guī)律

泥炭土含水率分布規(guī)律如圖2所示。泥炭土含水率的最大值和最小值之間差距較大，表明泥炭土含水率的離散性很大。泥炭土深度為小于等于1 m、1～2 m、2～3 m、3～4 m、4～5 m和大于5 m時(shí)，平均含水率分別為715%、1 076%、922%、813%、742%和402%。深度低于5 m的泥炭土平均含水率大于700%。

圖2 不同深度下泥炭土含水率

1.3 泥炭土有機(jī)質(zhì)含量分布規(guī)律

泥炭土有機(jī)質(zhì)含量隨深度的分布規(guī)律如圖3所示。泥炭土有機(jī)質(zhì)含量分布比較離散，最大值、最小值之間差距明顯。泥炭土深度為小于等于1 m、1～2 m、2～3 m、3～4 m、4～5 m和大于5 m時(shí)，平均有機(jī)質(zhì)含量分別為88.1%、88.8%、77.9%、69.4%、67.9%和55.3%。泥炭土深度從1 m增加到5 m后，平均有機(jī)質(zhì)含量降幅明顯，達(dá)到了32.8%。然而，深度大于5 m時(shí)，平均有機(jī)質(zhì)含量依然大于50%，屬于超高有機(jī)質(zhì)含量的泥炭土。沙撈越第二干線項(xiàng)目的泥炭土富含植物根系，腐爛時(shí)會(huì)降低土體pH值，呈酸性介質(zhì)。相比于無機(jī)土，有機(jī)質(zhì)土的酸性介質(zhì)會(huì)阻礙水泥的水化反應(yīng)和水泥凝膠的形成。因此，需要開展系統(tǒng)的室內(nèi)配比試驗(yàn)，尋求適用于高有機(jī)質(zhì)含量泥炭土的固化劑，進(jìn)而獲取高有機(jī)質(zhì)含量泥炭土的固化劑的配合比體系。

圖3 不同深度下泥炭土有機(jī)質(zhì)含量

1.4 原狀泥炭土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

原狀、重塑泥炭土不排水強(qiáng)度與含水率的關(guān)系如圖4所示。泥炭土強(qiáng)度呈現(xiàn)出一定的離散性，但隨著泥炭土含水率的增加，不排水強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐步遞減的趨勢。原狀泥炭土的含水率大于1 000%時(shí)，依然存在一定的抗剪強(qiáng)度，表明原狀土存在結(jié)構(gòu)性。重塑泥炭土的含水率大于500%時(shí)，不排水強(qiáng)度不大于3 kPa，強(qiáng)度極低。原狀、重塑泥炭土平均不排水強(qiáng)度分別為8.2 kPa和2.2 kPa。很明顯，泥炭土完全重塑后強(qiáng)度降幅明顯，表明此地區(qū)泥炭土的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)。無論是原狀還是重塑泥炭土，不排水強(qiáng)度與含水率之間均呈現(xiàn)出對數(shù)關(guān)系。

圖4 沙撈越地區(qū)原狀泥炭土不排水強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

1.5 原狀泥炭土靈敏度分布規(guī)律

泥炭土靈敏度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。泥炭土的最大、最小和平均靈敏度分別為13.6、1.6和4.9。90%和55%測點(diǎn)的土體靈敏度大于2和4，屬于中靈敏度泥炭土（24）。因此，此地區(qū)泥炭土為中高靈敏度土。

圖5 沙撈越地區(qū)泥炭土靈敏度分布規(guī)律

2 超高含水率泥炭土固化特性研究

為了提高泥炭土地基的承載力，開展固化試驗(yàn)研究。泥炭土有機(jī)質(zhì)含量為80%，pH值為5.5，含水率為400%～800%，水泥摻量為10%～30%。

固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖6所示。從圖6中發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)齡期從7 d增加到28 d后，固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅不明顯，為10.5%～37.5%。表明超高含水率泥炭土的固化強(qiáng)度主要取決于7 d齡期強(qiáng)度。當(dāng)含水率從800%降低到400%時(shí)，28 d齡期固化泥炭土強(qiáng)度增幅明顯，達(dá)到72.1%～92.1%。

圖6 固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥摻量增加后，水化反應(yīng)能產(chǎn)生大量的水泥凝膠，連接泥炭土顆粒，增強(qiáng)土體強(qiáng)度。水泥摻量從10%增加到30%后，28 d齡期固化土的強(qiáng)度增加了4.1～4.7倍。因此，影響固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素依次為水泥摻量、含水率和齡期。

基于浙江省《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，道路工程要求室內(nèi)水泥固化土的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于300 kPa?；诓煌屎退鄵搅康墓袒翉?qiáng)度，利用線性差值推求各含水率下的最低水泥摻量。泥炭土含水率為400%、600%和800%時(shí)，達(dá)到300 kPa的水泥摻量分別為250 kg/m3、300 kg/m3和380 kg/m3。

3 結(jié)論

基于現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗(yàn)，研究了沙撈越地區(qū)原狀、重塑泥炭的力學(xué)特性。得出結(jié)論如下。

泥炭土厚度主要介于1～5 m，此厚度范圍內(nèi)平均含水率大于700%，屬于超高含水率泥炭土。泥炭土深度從1 m增至5 m后，平均有機(jī)質(zhì)含量降幅高達(dá)32.8%。深度大于5 m后，平均有機(jī)質(zhì)含量依然大于50%，屬于超高有機(jī)質(zhì)土。泥炭土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，90%測點(diǎn)的靈敏度大于2，屬于中—高靈敏度土。原狀、重塑泥炭土的不排水強(qiáng)度與含水率之間均呈現(xiàn)出對數(shù)關(guān)系。養(yǎng)護(hù)齡期7 d增至28 d后，固化泥炭土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅僅為10.5%～37.5%。含水率從800%降至400%或者水泥摻量從10%增至30%后，固化土壓強(qiáng)度的增幅高于72.1%和410%。影響固化土強(qiáng)度的因素依次為水泥摻量、含水率和養(yǎng)護(hù)齡期。為了滿足路基固化土的強(qiáng)度要求，含水率為400%、600%和800%泥炭土固化的水泥摻量分別為250 kg/m3、300 kg/m3和380 kg/m3。