有機質(zhì)入侵后土體壓縮性狀試驗研究

潘雪敏　尹春雷　王立娜　李茂林　楊必進

摘要：為了模擬不同種類有機質(zhì)入侵紅黏土對土體物理力學(xué)特性的影響，在紅黏土中添加腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀3種外摻有機質(zhì)配制得到了不同種類和含量的人工有機質(zhì)土，并進行了液、塑限對比試驗;然后，對紅黏土和重塑有機質(zhì)土進行室內(nèi)側(cè)限壓縮對比試驗，分析了有機質(zhì)含量、有機質(zhì)種類、初始含水率對有機質(zhì)土體壓縮性狀的影響。試驗結(jié)果表明：隨著有機質(zhì)含量的增加，土體比重減小，腐殖酸土液、塑限下降，富里酸土和腐殖酸鉀土液、塑限均呈現(xiàn)上升趨勢;當(dāng)養(yǎng)護齡期一定時，有機質(zhì)含量升高，土顆粒團聚性增強，土體的孔隙率增加，壓縮性增強;有機質(zhì)含量一定時，土體壓縮性排序為富里酸土>腐殖酸鉀土>腐殖酸土，且初始含水率高的有機質(zhì)土體壓縮性始終大于初始含水率較低的土體。土體壓縮性與有機質(zhì)種類及含量密切相關(guān)，研究結(jié)果可為后續(xù)有機質(zhì)土改良與計算地基沉降和穩(wěn)定性評價提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖土力學(xué);有機質(zhì);含水率;養(yǎng)護齡期;壓縮性狀

中圖分類號：TU443文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02008

Experimental study on soil compression properties after organic matter invasion

PAN Xuemin，YIN Chunlei，WANG Lina，LI Maolin，YANG Bijin

（School of Architecture Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201，China）

Abstract：In order to simulate the influence of different kinds of organic matter invading red clay on the physical and mechanical properties of soil，three kinds organic matter of humic acid，fulvic acid and potassium humate were added into the red clay to prepare artificial organic soil with different contents，and the liquid-plastic limit comparative test was carried outThen，the effects of organic matter content，organic matter type and initial moisture content on the compression properties of organic soil were analyzed by indoor closed compression test of red clay soil and remodeled organic soilThe experiment results show that with the increase of organic matter content，the proportion of soil decreases，the liquid limit of humus soil decreases，and the liquid-plastic limit of fulvic acid soil and potassium humus soil shows an upward trendWhen the curing age is fixed，with the content of organic matter increases，the agglomeration of soil particles，the porosity of soil and the compressibility of soil increaseWhen the content of organic matter is constant，the soil compressibility ranking is fulvic acid soil > potassium humate soil > humate soil，and the compressibility of organic soil with high initial water content is always greater than that of soil with low initial water contentThe soil compressibility is closely related to the type and content of organic matterThe research results can provide reference for the subsequent improvement of organic soil，calculation of foundation settlement and evaluation of its stability

Keywords：geotechnical mechanics;organic matter;moisture content;curing age;compression properties

有機質(zhì)土在自然界中廣泛存在，在工程建設(shè)過程中，承載主體的軟土層因為有機質(zhì)含量過高，會呈現(xiàn)出大孔隙比、低密度、高壓縮性、低強度等工程性質(zhì)，導(dǎo)致地基承載力低，變形大等問題，從而影響工程質(zhì)量[1-3]。

目前，關(guān)于有機質(zhì)對土體工程性質(zhì)影響方面的研究已經(jīng)有很多。有機質(zhì)土中有機質(zhì)的組成復(fù)雜，根據(jù)有機質(zhì)對酸堿溶解度不同，分為了腐殖酸、富里酸、胡敏素3類[4]。為了探究有機質(zhì)性質(zhì)對水泥固結(jié)土壤的影響，TREMBLAY等[5]在兩種不同的土壤中分別加入13種有機質(zhì)進行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)強酸類化合物（如腐殖酸、醋酸等）由于孔隙溶液pH值低導(dǎo)致固結(jié)過程無效，對土體強度產(chǎn)生了負(fù)面影響;徐日慶等[6]對單摻水泥固化與水泥添加固化劑XGL2005復(fù)合固化有機質(zhì)土進行了無側(cè)限抗壓強度對比試驗，發(fā)現(xiàn)固化劑XGL2005可有效消除有機質(zhì)的不利影響，顯著增強水泥固化有機質(zhì)土的效果;趙笛等[7]通過實驗得出富里酸通過阻礙水化反應(yīng)從而影響固化淤泥強度的形成這一結(jié)論;林琳等[8]在黑土中添加腐殖酸，探究了有機質(zhì)含量、含水率、黏粒三因素交互作用對黑土壓縮性的影響;MESRI等[9]及姜爽等[10]對有機質(zhì)土進行室內(nèi)固結(jié)壓縮試驗發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)含量越高的土體壓縮指數(shù)越大。綜上所述，考慮單一有機質(zhì)及有機質(zhì)含量對土體力學(xué)特性研究方面成果積累較多，然而不同種類和含量的有機污染物對于土體壓縮性狀的影響規(guī)律的系統(tǒng)研究并不多見。

基于此，本文對比選擇了腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀作為有機質(zhì)與紅黏土混合，制備成不同含量的有機質(zhì)土體，進行室內(nèi)壓縮固結(jié)試驗，再與非有機質(zhì)土壓縮試驗數(shù)據(jù)進行比較，明確了3種有機質(zhì)在不同含量和不同初始含水率的情況下對土體壓縮性狀的影響。

1試驗

1.1試驗用土

本試驗選取云南省昆明市盤龍區(qū)的天然黏土作為試驗土樣，取土深度為2.5 m，顏色為棕紅色，試驗用土的基本物理性質(zhì)見表1。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[11]，采用標(biāo)準(zhǔn)比重瓶法測定比重Gs為2.82，土體塑限用搓條法測定為26%，液限用碟式液限儀測定為51%。在試驗用土中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過氧化氫溶液（該黏土中的有機質(zhì)含量較小，加入過氧化氫溶液是為了防止影響試驗結(jié)果）[12]，然后再通過人工添加有機質(zhì)的方式進行制樣。圖1是基于卡氏塑限圖所做的試驗用土的塑性圖，從圖中可以看出，試驗用土塑性指數(shù)位于A線以上，液限位于B線右側(cè)，屬于高液限黏土。

1.2試驗用有機質(zhì)

1.2.1有機質(zhì)選用

試驗外摻有機質(zhì)選擇腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀3種（均由商業(yè)購買獲得），各有機質(zhì)基本參數(shù)見表2。

腐殖酸為黑色粉末，部分溶于水，可溶于堿，遇酸沉淀;富里酸為褐黃色粉末，遇水成黑色的溶液，溶于堿，遇酸不沉淀;腐殖酸鉀為黑色細顆粒，可與水相融[1]。

1.2.2有機質(zhì)土制備

為了探究不同有機質(zhì)含量對土體壓縮性狀的影響，本次試驗中配置的有機質(zhì)土的目標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0%，5%，10%，15%，20%。通過查閱資料，人工制備有機質(zhì)土的制備過程如下[12-13]。

1）將試驗用土置于（100±2） ℃烘箱里24 h烘干，烘干的土樣搗碎過2 mm篩，密封備用。

2）根據(jù)配合比配置人工有機質(zhì)土，腐殖酸微溶于水，故直接將稱量好的腐殖酸與土混合，再加入蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?富里酸和腐殖酸鉀先與水混合，待充分溶解后緩慢多次加入土中。

3）重塑有機質(zhì)土養(yǎng)護時間超過7 d后，土體的物理性質(zhì)趨于穩(wěn)定，可有效減少實驗誤差 [14]。將配置好的有機質(zhì)土在20 ℃環(huán)境下分別進行養(yǎng)護7 d和14 d。

1.3試驗儀器與試驗方案

本次試驗使用的儀器為南京土壤儀器廠有限公司的GZQ-1型全自動氣壓固結(jié)儀，采用快速固結(jié)的方式，測定在不同載荷和有側(cè)限的條件下土體的壓縮性能，多級加載荷載施加順序為0，12.5，25，50，100，200，400，800，1 600 kPa。將養(yǎng)護好的有機質(zhì)土開展一維壓縮試驗，試驗方案如表3所示。

2試驗結(jié)果及分析

許多學(xué)者通過人工配置有機質(zhì)土研究了有機質(zhì)含量對土體物理性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)天然有機質(zhì)土中隨著有機質(zhì)含量的上升，土體比重呈下降趨勢，液、塑限則呈現(xiàn)上升趨勢[15-16]。為了探究有機質(zhì)種類與含量對于有機質(zhì)土物理性質(zhì)的影響，將腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀3種外摻有機質(zhì)人工配置成不同含量有機質(zhì)土，養(yǎng)護7 d后進行土體比重、界限含水率等物理性質(zhì)試驗。

圖2、圖3分別是腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀配置有機質(zhì)土液、塑限與有機質(zhì)含量（用燒失量（LOI）質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，下同）關(guān)系圖，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著腐殖酸有機質(zhì)含量的增加，紅黏土土體比重和液限均呈現(xiàn)下降的趨勢，但土體塑限值并沒有太大的改變;當(dāng)土中添加富里酸和腐殖酸鉀時，隨著有機質(zhì)含量的增加，土體比重減小，液、塑限均大幅提升。有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，富里酸有機質(zhì)土液限值由51%上升為90%，塑限值由26%升到44%，但腐殖酸鉀的增加幅度明顯大于富里酸，液限值由51%升到120%，塑限值由26%升到74%。

2.1不同含量有機質(zhì)對土體壓縮性狀的影響

根據(jù)土力學(xué)原理可知，土體的壓縮是土中孔隙體積減小的一個過程，隨著豎向有效應(yīng)力的增加，土體孔隙比逐漸減小直至穩(wěn)定。李學(xué)等[17]認(rèn)為有機質(zhì)對土體起到保水作用，有機質(zhì)中的親水膠體因其極強的吸水能力與黏土顆粒連結(jié)，形成穩(wěn)定的團絮狀結(jié)構(gòu)。圖4 a）—f）分別是添加不同含量（富里酸、腐殖酸鉀、腐殖酸）外摻有機質(zhì)養(yǎng)護7 d和14 d后土體的e-log σ曲線。由圖4中可看出有機質(zhì)含量高的土體的壓縮曲線具有明顯的拐點，且曲線高于有機質(zhì)含量低的壓縮曲線。

圖4 a）—b）是添加不同含量富里酸外摻有機質(zhì)后土體的e-log σ曲線，養(yǎng)護齡期一定時，隨著土體中有機質(zhì)含量的增加，土體的壓縮性逐漸增大;同時，隨著養(yǎng)護齡期的增加，各種類有機質(zhì)的壓縮性狀也有了明顯變化，當(dāng)養(yǎng)護齡期為14 d時，20%有機質(zhì)含量的曲線遠遠高于其他曲線，這是因為隨著養(yǎng)護齡期的增加，有機質(zhì)吸附土顆粒表面的結(jié)合水趨于穩(wěn)定，造成土顆粒團聚性增強，土體的孔隙率增加，壓縮性增強。

圖4 c）—d）是添加不同含量腐殖酸鉀外摻有機質(zhì)后土體的e-log σ曲線，可得出與富里酸一樣的結(jié)論，土體壓縮性與有機質(zhì)含量和養(yǎng)護齡期密切相關(guān)，但壓縮現(xiàn)象沒有富里酸明顯。

圖4 e）—f）是添加不同含量腐殖酸外摻有機質(zhì)后土體的e-log σ曲線，與富里酸和腐殖酸鉀的規(guī)律基本一致，但是在腐殖酸中，養(yǎng)護齡期對有機質(zhì)土的影響較小，土是一種三相體，有機質(zhì)更多地是通過影響土體的物理性狀進而對土體的力學(xué)性狀造成影響，所有反應(yīng)都脫離不了土壤中的水分，腐殖酸無法和孔隙液進行相融，對土體的物理性狀影響遠不如前兩者，故隨著有機質(zhì)的增加，腐殖酸有機質(zhì)土的壓縮性增加得不太明顯。

黃爍菡等[18]通過對底泥的壓縮實驗發(fā)現(xiàn)底泥中有機質(zhì)含量增加，底泥的液限和比重發(fā)生變化，壓縮指數(shù)逐漸升高。從圖4 a）—4 f）中可以看出，不管是可溶有機質(zhì)還是不可溶有機質(zhì)，有機質(zhì)含量對土體的壓縮性狀都有一定規(guī)律的影響，有機質(zhì)含量高的土體壓縮曲線高于有機質(zhì)含量低的壓縮曲線，換言之，有機質(zhì)含量高的土體，壓縮性較高，且隨著養(yǎng)護齡期的增加，土體的物理性質(zhì)趨于穩(wěn)定，有機質(zhì)與土體黏粒之間的吸附越來越緊密。

圖5 a）—b）分別是添加不同種類外摻有機質(zhì)后土體的e-log σ曲線，結(jié)合圖像分析，當(dāng)有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%時，土體壓縮性排序為富里酸>腐殖酸鉀>腐殖酸，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時也可以得出相同的結(jié)論。對比2個圖，腐殖酸有機質(zhì)土的曲線斜率較小，沒有較為明顯的拐點，腐殖酸孔隙比差值由原先質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%有機質(zhì)的0.122變?yōu)榱速|(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的0.129，差值為0.007，無較大變化;將其與富里酸比較，富里酸曲線斜率較大，經(jīng)過壓縮后，富里酸孔隙比差值由原先質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%有機質(zhì)的0309變?yōu)榱速|(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的0.418，差值為0.109。由0.007到0.109，二者在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～20%有機質(zhì)時孔隙比差值相差將近15倍，而腐殖酸鉀居中。這也從側(cè)面證實了不同種類有機質(zhì)的確對土體的壓縮性狀有所影響。就所選取的3種有機質(zhì)而言，得出溶于水有機質(zhì)土體壓縮性大于微溶于水有機質(zhì)土體壓縮性這一結(jié)論。

2.2不同初始含水率對土體壓縮性狀的影響

高盼等[19]用單向固結(jié)儀對初始含水量不同的重塑軟黏土開展單向壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)初始含水量在2.0倍液限范圍內(nèi)可對重塑土力學(xué)性能產(chǎn)生影響。圖6 a）—b）分別是不同初始含水率下添加腐殖酸和腐殖酸鉀外摻有機質(zhì)后土體的e-log σ曲線。從圖6 a）—b）中均可觀察到初始含水率高的土體的壓縮曲線高于初始含水率較低的壓縮曲線，隨著豎向固結(jié)壓力的增加，差距逐漸減小，壓縮性隨著初始含水率的增加而增加。

2.3不同有機質(zhì)含量對土體壓縮系數(shù)的影響

圖7是富里酸有機質(zhì)含量與壓縮系數(shù)關(guān)系擬合曲線，采用指數(shù)函數(shù)對有機質(zhì)含量與壓縮系數(shù)關(guān)系進行回歸分析，含水率為38%的試樣隨有機質(zhì)含量變化的回歸方程為y=0.64e-049，相關(guān)系數(shù)為0.999 94，含水率為26.1%的試樣隨有機質(zhì)含量變化的回歸方程為y=0.009e +0.07，相關(guān)系數(shù)為0.952 59。從圖中變化趨勢可看出，38%含水率的土體壓縮系數(shù)增加明顯，而2.61%含水率的土體在有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%時壓縮系數(shù)才有了較明顯的變化。

3結(jié)語

本文通過選取3種外摻有機質(zhì)，就有機質(zhì)入侵紅黏土對土體壓縮性狀的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)其壓縮性狀與有機質(zhì)土初始含水率、有機質(zhì)種類及有機質(zhì)含量密切相關(guān)。主要結(jié)論如下。

1）隨著土中有機質(zhì)含量的增加，重塑土的比重減小，腐殖酸土的液限降低，塑限無較大改變，而富里酸和腐殖酸鉀液塑限值均增大。

2）在養(yǎng)護齡期與初始含水率一定時，人為增加土體中有機質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)土體壓縮性與土體中有機質(zhì)含量有關(guān)。有機質(zhì)含量上升，土體中孔隙比增大，土體壓縮性增強。

3）向土中添加3種不同種類有機質(zhì)，發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)種類對土體壓縮特性的影響不同，添加腐殖酸時，曲線較為平緩且層次分明，土體壓縮特性幾乎沒有變化。添加富里酸時影響最大，腐殖酸鉀次之，且隨著有機質(zhì)含量的增加，該現(xiàn)象更加明顯。

4）與無機質(zhì)土類似，重塑有機質(zhì)土初始含水率增大，土體孔隙比越大，可壓縮性越強。

本文通過側(cè)限壓縮試驗研究了有機質(zhì)對紅黏土物理力學(xué)性能的影響，但并未就其特點提出有效的改良措施，在接下來的研究中，可借助掃描電鏡和原子力顯微鏡對不同養(yǎng)護齡期下不同有機質(zhì)摻量的紅黏土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進行研究并提出合理的改良方案和工程控制措施。

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