昆明市不同深度下湖相泥炭質(zhì)土壓縮特性試驗研究

呂慶賢，羅軍堯

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

泥炭質(zhì)土是由土顆粒、動植物腐殖質(zhì)、有機質(zhì)膠體、黏粒團(tuán)聚體等構(gòu)成的一種湖相沉積軟土。泥炭質(zhì)土具有超高的含水率、天然孔隙比大、高壓縮性、強度較低等工程特性。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，泥炭質(zhì)土與工程建設(shè)愈發(fā)密切，出現(xiàn)了不少因泥炭質(zhì)土工程特性極差造成的工程事故。南昆線曾因在泥炭質(zhì)土地基上填筑路基造成坍塌而修改路線及改址。在基坑工程中，也出現(xiàn)了許多因泥炭質(zhì)土強度不足，承載力不夠造成了地基不均勻沉降，工程樁因泥炭質(zhì)土土層發(fā)生滑移被剪斷[1]。因此，泥炭質(zhì)土課題也成為了許多學(xué)者的熱門研究方向。

許多學(xué)者對泥炭質(zhì)土的壓縮固結(jié)特性進(jìn)行了研究及分析。桂躍等對高原湖相泥炭質(zhì)土進(jìn)行了一系列固結(jié)試驗，明確了泥炭質(zhì)土的次固結(jié)特性及其機理[2]；丁祖德等對昆明市盆地泥炭質(zhì)土進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)試驗研究，建立了泥炭質(zhì)土的動剪切模量比及阻尼比模型[3]；馬瑞玲等通過對泥炭質(zhì)土的基本物理力學(xué)試驗和蠕變試驗說明泥炭質(zhì)土的有機質(zhì)含量越高，次固結(jié)變形越大[4]；呂巖等通過對草炭土有機質(zhì)含量和物理力學(xué)指標(biāo)分析表明有機質(zhì)含量的增加會增大泥炭質(zhì)土的壓縮性，導(dǎo)致固結(jié)系數(shù)降低[5]；張帆舸等通過室內(nèi)固結(jié)回彈試驗對泥炭質(zhì)土的壓縮及回彈變形特征進(jìn)行了研究，分析了泥炭質(zhì)土壓縮性和回彈性參數(shù)的取值范圍及變化規(guī)律[6]。對于泥炭質(zhì)土極差的工程特性，也相繼出現(xiàn)了許多對泥炭質(zhì)土地基改良方法研究。陶然等采用水泥固化的化學(xué)方法對泥炭質(zhì)土的壓縮模量和固結(jié)系數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻石英砂能提升固化泥炭質(zhì)土的壓縮模量,且石英砂粒徑越小,固化土壓縮模量增幅越大[7]；阮永芬等采用化學(xué)改良的方法改良泥炭質(zhì)土，發(fā)現(xiàn)改良后的土體抗壓強度比原狀土大，且隨著齡期的延長而增大[8]；桂躍等采用微生物技術(shù)對泥炭質(zhì)土進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)高濃度菌液能加快泥炭質(zhì)土中有機質(zhì)的分解[9]。

前期學(xué)者研究主要集中在泥炭質(zhì)土的次固結(jié)特性及其機理研究和對泥炭質(zhì)土地基的不良工程特性進(jìn)行改良研究。然而，對于不同深度下泥炭質(zhì)土壓縮特性的研究較少。由于沉積環(huán)境、沉積年代的不同，導(dǎo)致不同深度存在著不同的泥炭質(zhì)土土層，它們的物理力學(xué)特性都存在著差異，因此，本文對不同深度下泥炭質(zhì)土的壓縮特性進(jìn)行深入的研究和分析。

1 工程地質(zhì)背景

1.1 氣象條件

研究區(qū)位于昆明市官渡區(qū)，屬于低緯度、高海拔亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候。近年來，平均降水量為1 000 mm，春冬兩季降雨量少，月平均氣溫在6.4 ℃以上，雨水蒸發(fā)量大。研究區(qū)年均蒸發(fā)量1 900～2 100 mm，相對濕度68%，蒸發(fā)量占全年的65%左右，降水量較少，為全年降水量的15%左右。夏秋季節(jié)雨水充沛，降水量占全年的88%左右，兩季降水在空間上分布不均勻。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺的西南部、滇東臺褶帶的西緣，昆明臺褶束，普渡河斷裂的東側(cè)，夾持于普渡河與小江斷裂之間，其中，小江斷裂為全新世活動斷裂，普渡斷裂為晚更新世活動斷裂。南北向構(gòu)造為控制性構(gòu)造，斷裂構(gòu)造較發(fā)育。研究區(qū)地處昆明斷陷盆地的東南部位，地貌上屬湖積平原。

1.3 新構(gòu)造運動

研究區(qū)所處區(qū)域新構(gòu)造運動的總特點是大幅度抬升，受南北向主干斷裂的復(fù)活與控制作用。上新世初期地殼有一次不均勻的上升，使原來準(zhǔn)平原抬升并遭到一定的破壞。上新世中、晚期逐漸平靜，只是非常緩慢的升降，盆地的沉降速度與堆積速度大體一致。早更新世早期地殼發(fā)生了抬升，其特點是繼承南北向基底斷裂而有不均勻性，使其前期地形高差加大，區(qū)域西部滇池盆地在上新世基礎(chǔ)上繼續(xù)下陷，滇池范圍逐漸擴大；中后期地殼又變得較穩(wěn)定，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，后期較大盆(谷)地兩岸又有一期剝蝕的平緩地形，后來被抬升破壞。滇池在中更新世范圍的基礎(chǔ)上局部有所擴展，繼續(xù)沉積河湖相地層，滇池北部相對掀升，南部相對下降，但幅度較小。全新世時期出現(xiàn)普遍上升加劇的趨勢，滇池盆地湖面逐漸縮小，多數(shù)河流侵蝕下切，晚更新世階地形成數(shù)米高的陡坎，山區(qū)河流向源侵蝕強烈，高原面進(jìn)一步遭受破壞，部分山前出現(xiàn)洪積扇，斷裂活動還相伴產(chǎn)生地震和地?zé)峄顒印?/p>

2 試驗方案

2.1 泥炭質(zhì)土中有機質(zhì)含量的測定

此次試樣取自某工程高層建筑泥炭質(zhì)土地基鉆孔土樣，取樣深度為10～60 m。對于取回的土樣分別通過燒失法和土工試驗得到基本物理力學(xué)參數(shù)。燒失法是將烘干土樣置于550 ℃高溫下灼燒，燒失時間為1 h，然后稱量灼燒損失的重量。重復(fù)灼燒稱量，灼燒至前后兩次質(zhì)量相差小于0.5 mg，記錄最終質(zhì)量，計算得到有機質(zhì)含量[10]。天然孔隙比是土體中的孔隙體積與其固體顆粒體積之比,用來說明土體結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo)。天然孔隙比通過土壤試驗的物理指標(biāo)換算得到，換算公式如下：

e=dsω/Sr

式中，ds表示土粒比重；Sr表示土的飽和度，%；ω表示含水率，%。

分別對6組原狀土進(jìn)行有機質(zhì)含量燒失試驗和基本土工試驗，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50123—2019)[11]進(jìn)行物理力學(xué)試驗和參數(shù)換算得到泥炭質(zhì)土的基本物理參數(shù)，試驗結(jié)果及參數(shù)換算結(jié)果見表1。

表1 泥炭質(zhì)土基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of peaty soil

2.2 不同深度下泥炭質(zhì)土的壓縮試驗

固結(jié)試驗是研究土體壓縮性的基本方法，壓縮系數(shù)是衡量土體的一個重要指標(biāo)。對于取回的土樣進(jìn)行壓縮試驗。試驗采用WG型雙聯(lián)杠桿固結(jié)儀，試樣高為2 cm、截面面積為30 cm2，將環(huán)刀試樣裝在雙聯(lián)杠桿固結(jié)儀上，分別以50、100、200、300、400 kPa加壓，記錄不同時間內(nèi)的壓縮量。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可以得出泥炭質(zhì)土的壓縮系數(shù)，將壓力100 kPa與壓力200 kPa下的壓縮系數(shù)α0.1-0.2(1/MPa)作為土體壓縮性評價指標(biāo)。壓縮模量也是評價土體壓縮性的一個重要指標(biāo)，用于計算地基的最終沉降量，用土體在固結(jié)狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變之比表示。試驗最終得到的壓縮系數(shù)和壓縮模量結(jié)果見表2。

表2 不同深度泥炭質(zhì)土的壓縮系數(shù)與壓縮模量Tab.2 Compression coefficient and compression modulus of peaty soil at different depths

3 試驗結(jié)果分析

3.1 有機質(zhì)含量對壓縮性的影響

為研究泥炭質(zhì)土中有機質(zhì)含量對其壓縮性的影響，通過對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，從原狀泥炭質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)入手，分析了泥炭質(zhì)土的高天然孔隙比間接對泥炭質(zhì)土壓縮性的影響。

圖1 泥炭質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of microstructure of peaty soil

根據(jù)表1試驗結(jié)果繪制了有機質(zhì)含量和天然孔隙比的關(guān)系圖，如圖2所示。在圖2中，有機質(zhì)含量的增加，天然孔隙比逐漸增大，呈線性關(guān)系。土體中的有機質(zhì)主要為炭化的腐殖質(zhì)，具有大量的植物纖維，而植物纖維與土顆粒共同構(gòu)成了泥炭質(zhì)土的骨架。有機質(zhì)的存在架空了土顆粒，增大了土體顆粒之間的孔隙，這些被架空的大孔隙直徑一般大于10 um[2]，遠(yuǎn)大于土顆粒與土顆粒之間的間隙從而導(dǎo)致原狀泥炭質(zhì)土具有很高的孔隙比。因此，有機質(zhì)含量的增加會增大土顆粒之間的間隙從而增大孔隙比，在泥炭質(zhì)土壓縮后會產(chǎn)生較大的壓縮變形量。對于有機質(zhì)含量較高的泥炭質(zhì)土，在壓縮過程中孔隙比會存在著較大的變化過程，壓縮量可以達(dá)到試樣的3/4[5]。通過上述對試驗結(jié)果的分析說明有機質(zhì)含量的增加會影響其壓縮特性。

圖2 有機質(zhì)含量與天然孔隙比的關(guān)系Fig.2 Relationship between organic matter content and natural pore ratio

在表1中，隨著有機質(zhì)含量的增加，含水率也逐漸增加，據(jù)此數(shù)據(jù)繪制了有機質(zhì)含量與含水率關(guān)系曲線圖，如圖3所示。在圖3中，含水率隨有機質(zhì)含量線性增加，這是因為泥炭質(zhì)土有機質(zhì)中主要成分為動植物腐殖質(zhì)，能吸附大量自由水，具有較好的親水性。同時炭化腐殖質(zhì)的存在增大了土顆粒之間的孔隙，存在著大量孔隙水，導(dǎo)致泥炭質(zhì)土具有很高的含水率(可高達(dá)600%[3])。

圖3 有機質(zhì)含量與含水率的關(guān)系Fig.3 Relationship between organic matter content and water content

3.2 取樣深度和壓縮系數(shù)的關(guān)系

壓縮系數(shù)往往與沉積環(huán)境和沉積年代有關(guān)，隨著沉積時間的推移，不同深度下的泥炭質(zhì)土的壓縮系數(shù)都有所不同。為研究不同深度下的壓縮關(guān)系，根據(jù)表2繪制了取樣深度-壓縮系數(shù)關(guān)系圖，如圖 4 所示。該曲線呈現(xiàn)出“較陡”的趨勢，當(dāng)取樣深度為30 m時，曲線斜率減小，走勢“平緩”。由此說明30 m以下的泥炭質(zhì)土已經(jīng)接近正常固結(jié)狀態(tài)或超固結(jié)狀態(tài)，這與下一節(jié)對于40 m以下的泥炭質(zhì)土固結(jié)評價結(jié)果一致。而30 m以上的泥炭質(zhì)土土層可能處于欠固結(jié)狀態(tài)。在30 m以上的上覆泥炭質(zhì)土土層，壓縮系數(shù)介于2.5～5.2之間，可壓縮性極高，土顆粒之間較為疏松，壓縮試驗后會出現(xiàn)很大的壓縮變形量。在30 m以下的土層，壓縮系數(shù)急劇減小，壓縮系數(shù)小于2，相比30 m以上的泥炭質(zhì)土，30 m以下的泥炭質(zhì)土的壓縮性較低，土顆粒之間較為致密，壓縮試驗后壓縮變形量較小。因此，曲線斜率突然減小，呈現(xiàn)出“較陡”的趨勢。壓縮試驗時，30 m以下泥炭質(zhì)土的壓縮變形量小于30 m 以上的泥炭質(zhì)土，因此，在自重及上部荷載作用下不均勻沉降大部分將出現(xiàn)在30 m 以上的土層。該曲線呈冪函數(shù)關(guān)系，采用擬合方程為αv=47.86h-0.97。可據(jù)此擬合方程估算更深土層的壓縮系數(shù)，預(yù)測深地層壓縮系數(shù)。從該曲線可以看出泥炭質(zhì)土的固結(jié)壓縮過程受取樣深度的影響很大，曲線“較陡”的趨勢說明泥炭質(zhì)土具有超高的壓縮性，在工程特性上極易壓縮，屬于不良地基土。

圖4 不同深度下的壓縮系數(shù)Fig.4 Compressibility at different depths

3.3 取樣深度和壓縮模量的關(guān)系

在工程設(shè)計上，壓縮模量是一個重要的設(shè)計參數(shù)，用于計算地基的最終沉降量。為此本節(jié)研究了不同深度下壓縮模量的變化關(guān)系，根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制取樣深度-壓縮模量關(guān)系圖，如圖5所示。隨取樣深度的逐漸增加，壓縮模量逐漸增大，取樣深度和壓縮模量為線性關(guān)系。在先期自重作用下，隨著取樣深度的增加，自重越大，深部泥炭質(zhì)土層壓縮后，孔隙比減小。在對原狀土進(jìn)行壓縮試驗時，越深的土樣壓縮變形量越小，因此由壓縮模量與應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系ES=σ/ε得出，應(yīng)變越小，泥炭質(zhì)土的壓縮模量越大，從而說明泥炭質(zhì)土壓縮模量隨取樣深度增加而線性增加的關(guān)系，與圖5曲線結(jié)果一致。并且說明泥炭質(zhì)土土層越深，壓縮模量相對上部土層越大，在工程特性上深部泥炭質(zhì)土好于淺部泥炭質(zhì)土。

圖5 不同深度下的壓縮模量Fig.5 Compression modulus at different depths

4 泥炭質(zhì)土土層固結(jié)評價

為評價泥炭質(zhì)土土層的固結(jié)情況，此次試驗對在40 m深度以下土層中選擇了部分土樣進(jìn)行高壓-固結(jié)試驗來測定土的先期固結(jié)壓力。每一級施加荷載分別為50、100、200、300、400、500、600、800、1 000、1 200、16 00、3 200 kPa，開始施加壓力后記錄不同時間內(nèi)的壓縮量。先期固結(jié)壓力根據(jù)e-log p曲線采用Casagrande作圖法[12]進(jìn)行求解。壓縮指數(shù)和壓縮系數(shù)一樣，都是描述土體壓縮性的指標(biāo)。壓縮指數(shù)值越大，土的壓縮性越高。壓縮指數(shù)小于0.2一般屬于低壓縮性土，壓縮指數(shù)大于0.4一般屬于高壓縮性土[13]。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到最終壓縮指數(shù)、先期固結(jié)壓力、超固結(jié)比結(jié)果及固結(jié)評價，見表3。

表3 高壓-固結(jié)試驗結(jié)果和評價Tab.3 Results and evaluation of high-pressure consolidation test

G1、G2、G3壓縮指數(shù)介于0.8～1.0之間，均大于0.4，屬于高壓縮性土范圍。對于40 m以下的深部泥炭質(zhì)土超固結(jié)比均大于1，屬于超固結(jié)土。超固結(jié)泥炭質(zhì)土一般比欠固結(jié)和正常固結(jié)泥炭質(zhì)土的靈敏度更高，結(jié)構(gòu)性更強。在原有結(jié)構(gòu)下，在先期壓力之下會表現(xiàn)出土體的原有壓縮性，在較強的結(jié)構(gòu)性遭到破壞后(如地震，周圍基坑開挖等)，會表現(xiàn)為流塑性，泥炭質(zhì)土的強度會大打折扣。因此，泥炭質(zhì)土在工程上為不良地基土。

5 結(jié)論

通過對泥炭質(zhì)土的室內(nèi)土工試驗和試驗結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1)隨著有機質(zhì)含量增加，天然孔隙比線性增大，天然孔隙比和壓縮性有很好的相關(guān)性，所以有機質(zhì)含量的增加會影響其壓縮特性。有機質(zhì)的存在也說明了泥炭質(zhì)土本身具有大孔隙比，高含水率等物理性質(zhì)。

2)泥炭質(zhì)土的取樣深度和壓縮系數(shù)為冪函數(shù)關(guān)系，曲線呈現(xiàn)出“較陡”的趨勢。以30 m為分界，上部土層具有很高的壓縮性，下部土層壓縮性相對較低。壓縮模量隨著取樣深度的增加而增大，兩者為線性增加的關(guān)系，下部土層好于上部土層。

3)研究區(qū)40 m以下的泥炭質(zhì)土壓縮指數(shù)均大于0.4，屬于高壓縮性土，超固結(jié)比大于1，屬于超固結(jié)土。超固結(jié)土的結(jié)構(gòu)性更強，對其擾動之后，原有結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，將出現(xiàn)流塑性。

4)泥炭質(zhì)土具有高壓縮性-超高壓縮性，在建筑荷載作用下，地基可能產(chǎn)生不均勻沉降導(dǎo)致地基產(chǎn)生較大變形，因此，不能作為樁端持力層使用。

5)在試驗過程及數(shù)據(jù)整理過程中發(fā)現(xiàn)泥炭質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)具有較高的離散性，在實際工程中不能僅僅采用平均值來進(jìn)行工程設(shè)計和評價，應(yīng)采用工程類比法與平均值相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計。