泥炭質(zhì)土剪切特性及微結(jié)構(gòu)變異特性

蔡 斯, 阮永芬, 李鵬飛, 朱 強, 閆 明

(1. 昆明理工大學建筑工程學院, 云南 昆明 650500; 2. 文山州高級技工學校, 云南 文山 663000;3. 中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司, 湖北 武 漢430074;4. 中鐵十六局集團有限公司北京交通軌道建設(shè)工程有限公司, 北京 101100;5. 中鐵二十局集團第五工程有限公司, 云南 昆明 650000)

0 引言

泥炭和泥炭質(zhì)土是自然界中有機質(zhì)含量最多的土類[1-2]。不同地區(qū)沉積的其形成和發(fā)育規(guī)律有明顯差異[3],因此具有典型的地區(qū)特點。其多分布在遠離市區(qū)的沼澤和森林地區(qū),昆明是下伏此類土的為數(shù)不多的城市。近年來,環(huán)滇池地區(qū)已逐漸成為城市發(fā)展的核心區(qū)域,這些區(qū)域廣泛分布著深厚的泥炭質(zhì)土[4],其上工程已經(jīng)出現(xiàn)多次事故。

探究泥炭質(zhì)土抗剪強度來源及演化機理主要從宏觀、細觀及微觀三個角度著手。宏觀是從現(xiàn)象到本質(zhì),以室內(nèi)試驗為主。王方中[5]用三軸試驗分析了西湖泥炭土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;桂躍等[6]用直剪試驗分析泥炭土抗剪強度特性。細觀研究主要從土體中結(jié)合水[7-8]對蠕變的影響、礦物成分及有機質(zhì)對其模型影響[9-10]等方面進行研究。微觀研究是以位錯理論為基礎(chǔ),觀察土體受到壓力作用下微結(jié)構(gòu)變化[11-12],分析結(jié)構(gòu)損傷和破壞的物理本質(zhì)[13],研究剪切強度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系[14-15],微觀以定性研究居多,但隨著定量技術(shù)水平的提高,將微結(jié)構(gòu)與本構(gòu)研究相結(jié)合將是未來研究的重點與熱點。

20世紀90年代通過剪切試驗建立了土的各種本構(gòu)模型,雖為土的研究打下了堅實基礎(chǔ),但僅從宏觀現(xiàn)象推導的模型普適性較低。另外微觀結(jié)構(gòu)與剪切強度變化密切相關(guān),從微觀結(jié)構(gòu)去解釋土體狀態(tài)改變和強度變化,對工程實踐和認識土體強度變化本質(zhì)有指導意義。現(xiàn)有研究中對泥炭質(zhì)土在不同狀態(tài)下剪切強度微觀變化涉及不多且多為定性研究,定量研究程度較低。基于此對同一場地不同埋深的原狀泥炭質(zhì)土進行大量三軸CU試驗,深入系統(tǒng)的分析不同埋深處泥炭質(zhì)土在多級固結(jié)壓力下,其抗剪強度來源、演化機理及強度參數(shù)的空間變異性等,定性和定量分析其強度及微結(jié)構(gòu)變化。

1 抗剪強度及微觀結(jié)構(gòu)試驗

在滇池會展中心100多米的勘察深度范圍內(nèi),不同埋深處有5層泥炭質(zhì)土分布,呈灰黑或黑色,強度低,含水率w高,其物理力學性質(zhì)如表1所列。

表1 土樣的物理力學性質(zhì)

對5層土進行CU試驗。試驗采用TSZ30-2.0型應(yīng)變控制式三軸儀。試樣高80 mm,直徑39.1 mm,采用反壓飽和,飽和時間12 h。試驗圍壓為50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800 kPa累計11個壓力梯段。土樣壓縮性較大,常規(guī)固結(jié)標準固結(jié)變形量達0.01 mm/h[16]不易觀察,改為觀察其排水量,當排水量不大于0.05 mL/h視為固結(jié)完成,時間約為1 d。剪切速率為0.08 mm/min,當剪應(yīng)力有明顯峰值時,剪切至軸向應(yīng)變超過5%終止,無峰值時,軸向應(yīng)變達15%～20%終止。

將不同埋深的泥炭質(zhì)土在各級圍壓下試驗后土樣進行電鏡掃描,將土樣取尺寸約為0.5×2.0×2.0 mm薄片置入干燥機中抽真空使其干燥,并對其表面做噴金處理后,進行電鏡掃描。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 抗剪強度與應(yīng)力關(guān)系

用Mohr-Coulomb線擬合土體的抗剪強度τf:

τf=c+σtanφ

(1)

式中:c、φ分別為土的黏聚力及內(nèi)摩擦角。

根據(jù)CU試驗結(jié)果,作出不同埋深的5層土的抗剪強度包線如圖1所示。從圖1中可看出從低至高圍壓下的強度包線為折線,若用一條直線進行擬合誤差較大,若分3段作應(yīng)力圓的抗剪強度包線就可近似為直線。如E土樣在低圍壓段50～300 kPa、中圍壓段400～1 000 kPa、高圍壓段1 200～1 800 kPa,其他埋深的土層也有類似情況,限于篇幅這里不再一一列出。從圖1可看出,A、B、C、D、E層泥炭質(zhì)土都出現(xiàn)總應(yīng)力莫爾圓半徑有突然增大的現(xiàn)象。如圖2(a)中出現(xiàn)在σ3為400～600 kPa時,莫爾圓半徑突然增大,即抗剪強度突然增大。查閱資料發(fā)現(xiàn)歷史應(yīng)力會影響某些土的抗剪強度[18-19],當σ3大于pc后,土樣的c、φ會出現(xiàn)變化,形成2段斜率不同的直線[18]。5層土的pc見表1。對比后可發(fā)現(xiàn)除土樣A外,其他4層土的莫爾圓半徑突然增大時的σ3都小于且接近pc,σ3>pc后就出現(xiàn)莫爾圓半徑突然增大現(xiàn)象。試驗時圍壓選擇和設(shè)定在pc附近未進一步細化,但結(jié)合試驗結(jié)果分析及相關(guān)資料[17-18]表明本次試驗中莫爾圓半徑突然增大現(xiàn)象與盛志強[17]研究結(jié)果基本一致,若要得到具體數(shù)值需進一步進行深化研究。

圖1 土樣E全體擬合強度包線Fig.1 Fitting strength envelope of soil sample E

pc并不是影響c、φ變化的唯一因素。Kovalenko等[19]通過試驗發(fā)現(xiàn)森林泥炭質(zhì)土(w為440%～445%)和沼澤泥炭質(zhì)土(w為730%～1 000%)的c、φ轉(zhuǎn)折點應(yīng)力分別為50 kPa和60 kPa左右;桂躍等[9]通過直剪試驗得出泥炭土(w為89%～208%)在快剪時轉(zhuǎn)折點應(yīng)力為100 kPa,在固結(jié)快剪、慢剪時為200 kPa。從表1可看出,不同埋深的5層土的w、e、wu都很高,同一深度不同鉆孔取出土樣的wu差異大,莫爾圓半徑突然增大對應(yīng)的σ3與pc相差較大。對比分析認為造成轉(zhuǎn)折點變化的主要因素為pc、w、e及wu。但其土樣礦物組成、顆粒級配、獲得力學特性的試驗方法和纖維分解度等因素也會影響轉(zhuǎn)折點處應(yīng)力的大小,后期將對此進行進一步研究。

2.2 三軸CU試驗抗剪強度指標分析

將50～1 800 kPa圍壓分為50～300 kPa、400～100 kPa、1 200～1 800 kPa三個壓力段分別畫出抗剪強度線如圖2所示,分段擬合三軸CU試驗后泥炭質(zhì)土的抗剪強度指標如表2所列。

分析表2數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),5層土樣3個壓力段內(nèi)c隨著深度增加而增大,基本呈c3>c2>c1、φ1>φ2>φ3的規(guī)律。表明泥炭質(zhì)土抗剪強度隨土體埋深而增大,在不同壓力段內(nèi)泥炭質(zhì)土的力學性質(zhì)差異較大。由于泥炭質(zhì)土的原結(jié)構(gòu)被大量孔隙、有機質(zhì)及水充填,圍壓增大其原始結(jié)構(gòu)被破壞,土顆粒間距縮小,摩阻力提高。另外上覆土產(chǎn)生的靜壓力及地表動荷載作用,使泥炭質(zhì)土中失去大量腐殖凝膠水和分子水使強度提高。圍壓增加土樣所受的法向應(yīng)力提高,孔隙水排出,結(jié)構(gòu)變密實,故出現(xiàn)c3>c2>c1。在中圍壓400～1 000 kPa下土樣被壓得相對密實,土體密實度改變,摩阻力增大,使得土體的c、φ值增加。在高圍壓應(yīng)力下土樣被壓得很密實,隨法向應(yīng)力增加,摩阻力增幅更大,所以c值增幅更大,而φ3值增幅小。

圖2 不同埋深泥炭質(zhì)土分段強度包線Fig.2 Sectional strength envelope of peat soil with different buried depth

表2 5層土樣的抗剪強度指標

2.3 有效應(yīng)力路徑

由圖3可看出,同一圍壓下泥炭質(zhì)土在彈塑性變形階段有效應(yīng)力路徑隨著主應(yīng)力的增加而呈線性增大,隨著其強度增大逐漸屈服,有效應(yīng)力發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)后的曲線隨著圍壓的增大由弧線逐漸變成線性狀態(tài)。在低圍壓50 kPa時,有效應(yīng)力路徑大體呈現(xiàn)弧形增長且路徑比較凌亂,因為固結(jié)應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)臨界應(yīng)力[21]土樣結(jié)構(gòu)變化不大,無規(guī)律可循。但圍壓增大,從200 kPa起,有效應(yīng)力路徑出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點,最淺層土A表現(xiàn)最明顯,不同埋深土的有效應(yīng)力路徑曲線都從凌亂變得有序,圍壓達1 000～1 800 kPa時,有效應(yīng)力路徑曲線的轉(zhuǎn)折點明顯,曲線基本呈“7”字形變化,固結(jié)應(yīng)力增大并大于臨界結(jié)構(gòu)應(yīng)力。土體原結(jié)構(gòu)被破壞再逐漸被壓得緊密有序,有效應(yīng)力路徑曲線形體逐漸統(tǒng)一。但最淺土的強度遠低于其他土層的。

圖3 有效應(yīng)力路徑圖Fig.3 Effective stress path diagram

2.4 泥炭質(zhì)土固結(jié)排水特性分析

CU試驗中原狀土飽和后飽和度達都達94%以上。以土樣的固結(jié)排水量Δw反映固結(jié)過程中體積變化,即結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律。據(jù)其分析土樣的固結(jié)特性及抗剪強度的變化機理,不同埋深土的Δw與σ3的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4可看出,隨著σ3增大Δw增大土樣變密實,抗剪強度提高。Δw隨w、e的增大而增大。最淺層土樣A的Δw最大,C、D相差不大,最深層土樣E的Δw最小,即隨埋深及σ3增大土孔隙體積及壓縮性逐漸減小。據(jù)大孔隙優(yōu)先破壞原理[20],固結(jié)時大孔隙優(yōu)先被切割壓縮為小孔隙,孔隙中自由水被排出。土樣A、B在σ3為50～400 kPa和C、D、E在σ3為50～300 kPa時Δw基本呈線性增長,即此壓力段內(nèi)土體中自由水最容易被排出,結(jié)構(gòu)改變最大。當土樣A、B的σ3在400～1 200 kPa,C、D、E的σ3在300～1 200 kPa時Δw曲線增幅變緩,土體經(jīng)固結(jié)后結(jié)構(gòu)相對密實,但隨σ3增大,排除的水量Δw還有一定提升。當σ3>1 200 kPa,土體結(jié)構(gòu)變得十分密實,排除的水量Δw減小,排水曲線平緩。

圖4 固結(jié)排水量Δw與圍壓σ3間關(guān)系Fig.4 The relationship between consolidation drainage Δw and confining pressure σ3

3 微觀結(jié)構(gòu)的分析及探討

3.1 微觀結(jié)構(gòu)的定性分析

泥炭質(zhì)土中孔隙存在的形式可分為三種:團聚體間的架空大孔隙、團聚體內(nèi)小孔隙、土孔隙與植物殘體中孔隙。泥炭質(zhì)土中的腐殖物質(zhì)具有較大的表面積和親水基團,使得腐殖質(zhì)即黏粒團聚體具有松軟、多孔、絮狀特性。有機質(zhì)中的腐殖酸是一種親水膠體,有強大的吸附能力,單位腐殖酸的持水量是黏土礦物的4～5倍,其最大吸水量可達其自身重量的5倍[19]。泥炭質(zhì)土的微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀工程性質(zhì)。其有機質(zhì)含量高,孔隙豐富,這是泥炭類土高含水量和高壓縮性的重要原因之一。

圖5為土樣A和E在不同壓力下CU試驗后的部分SEM照片。

從圖5可看出,泥炭質(zhì)土結(jié)構(gòu)形式可分為三類:絮凝狀結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)及蜂窩狀結(jié)構(gòu),分別如圖5(a)、(b)及(c)所示。CU試驗后,隨圍壓增大顆粒間從以邊-面排列為主,面-面排列為輔的微團聚體向面-面排列為主,邊-面排列為輔轉(zhuǎn)變。大孔隙分布減少,小孔隙分布增多,結(jié)構(gòu)變得十分緊密且均勻。在50 kPa時看到的大孔隙,隨σ3的增大,孔隙逐漸消失,結(jié)構(gòu)變密實。在σ3為1 800 kPa的固結(jié)壓力下,土顆粒凝聚體緊密疊合。在圖5(d)和(e)中有未完全分解的藻類植物殘骸及植物纖維會在黏土礦物中形成大孔隙結(jié)構(gòu),高壓下結(jié)構(gòu)被破壞重整后擠壓得非常密實。如圖5(f)所示。

圖5 不同壓力下土樣A、E的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photos of soil samples A and E under different pressures

3.2 微觀結(jié)構(gòu)的定量分析

3.2.1 孔隙面積及分布

單元結(jié)構(gòu)體等面積代換后d的計算如下:

(3)

式中:A為單元結(jié)構(gòu)體的面積;π為圓周率。

用IPP軟件對試驗后土樣A和E在SEM放大2k倍后進行分析,得到不同孔徑分布圖如圖6所示。

從土樣孔隙分布來看,孔隙直徑集中分布于d<1 μm、d=1～2 μm、d=2～5 μm 3個區(qū)間內(nèi),其分布總量占孔隙數(shù)量90%以上,其余各區(qū)間孔隙數(shù)量分布呈現(xiàn)遞減狀。固結(jié)過程中,隨壓力增大,孔隙水被排除,顆粒位置被改變,顆粒間接觸面積增大,大孔隙最先被壓縮切割向小孔隙轉(zhuǎn)化,小孔隙分布增加,d<1 μm的孔隙隨固結(jié)應(yīng)力的增大一直在增加。d=1～2 μm和d=2～5 μm的孔隙數(shù)量分布出現(xiàn)明顯下降。土樣E在1 200 kPa后,大孔隙被分割成小孔隙,d=5～10 μm孔隙數(shù)量分布消失。兩種土樣在d=10～20 μm、d>20 μm的區(qū)間內(nèi)孔隙分布的占比小于2%。隨著壓力的增大孔隙分布減少,當壓力大于1 000 kPa時,土樣A和E中d>20 μm的孔隙占比變?yōu)?%,在d<1 μm、d=1～2 μm這兩個粒徑范圍內(nèi)無明顯差異,但d>2 μm的土樣A 孔隙分布多于E的,在漫長的壓力作用下,土樣E已部分被壓縮固結(jié),而土樣A結(jié)構(gòu)仍松散。

圖6 不同壓力下土樣微觀結(jié)構(gòu)的孔徑分布Fig.6 Pore size distribution in soil microstructure under different pressures

3.2.2 孔隙定向性分布規(guī)律

定向頻率Fi(α)是觀察結(jié)構(gòu)單元體定向角落入某一定向區(qū)間的幾率,即Fi(α)是在0°～180°范圍內(nèi)第i個區(qū)間內(nèi)孔隙的定向頻率。

Fi(α)=(hi/H)×100%

(4)

式中:hi、H分別為定向角落入(i-1,i)的孔隙數(shù)和總孔隙數(shù);α為每個區(qū)間的角度,α=180°/n。

當Fi(α)<5%時,則說明孔隙的長軸方向在這個區(qū)間上的個數(shù)分布較少,這一方向在定向頻率分布中不占優(yōu)勢;當10%15%時說明這一方向在定向頻率分布中占絕對優(yōu)勢。

定向概率熵Hm最早作為統(tǒng)計一個信源平均信息量的指標,后被引入到黏性土的微結(jié)構(gòu)分析中,定向概率熵[15]Hm定義:

(5)

當Hm=1時說明結(jié)構(gòu)單元完全是隨機的,出現(xiàn)在任何一個區(qū)間的概率都是相等的;當Hm=0是說明結(jié)構(gòu)的單元體具有完全一致的排列性。

土樣A和E進行CU試驗后定向概率熵Hm如表3所列。

表3 土樣A、E不同壓力下CU試驗的概率熵

從表3可知兩個不同深度土樣的定向Hm都很高,說明其空間展布性都不是很好。土樣A隨壓力增大定向Hm值呈波動狀減小;土樣E定向概率熵與壓力呈負相關(guān),這說明孔隙隨著固結(jié)壓力增大而逐漸整齊有序,定向性逐漸增強。加壓過程中原土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整,顆粒與孔隙的位置不斷調(diào)整,土體顆粒由松散變得緊密,結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定,孔隙隨壓力的增加定向性增強。土樣A和E在不同壓力下CU試驗后孔隙的定向頻率分布圖如圖7所示。

從圖7可見,兩種土樣孔隙都未出現(xiàn)分布的絕對優(yōu)勢,土樣A在600 kPa、800 kPa、1 500 kPa下優(yōu)勢區(qū)間較為明顯,而其他壓強下的方向角區(qū)間分布都較弱不占優(yōu)勢。土樣E與A相比定向性差,在頻率圖上方向角分布呈鋸齒狀。說明埋深對微觀結(jié)構(gòu)形狀也是有影響的,不僅孔隙的大小隨壓力的增加變小,而且大體的形狀向圓形趨近,孔隙結(jié)構(gòu)的外形更趨于“圓滑”。

圖7 不同壓力CU試驗后孔隙的定向分布頻率圖Fig.7 Directional distribution frequency diagram of pores after CU test under different pressures

三軸固結(jié)不排水剪切試驗后土樣的孔隙定向性變得更差,因土樣在剪切前經(jīng)固結(jié)排水,在固結(jié)過程中有效應(yīng)力的不斷改變,使得顆粒間位置及排列的方位不斷變化,顆粒間距縮小,土體結(jié)構(gòu)的孔隙被顆粒分割,大小和形狀都發(fā)生改變。在固結(jié)后期土體結(jié)構(gòu)漸漸穩(wěn)定,土體中的顆粒和孔隙形狀及排列也趨于穩(wěn)定。固結(jié)后在剪應(yīng)力作用下,原有的排列方式被打破,顆粒的排列方式變得更加無序,孔隙定向性降低。在CU試驗后孔隙和顆粒的定向性比僅做固結(jié)時低。

4 結(jié)論

(1) 一條莫爾-庫倫強度包線無法對泥炭質(zhì)土從50～1 800 kPa的三軸CU試驗數(shù)據(jù)進行擬合,分段擬合所得數(shù)據(jù)誤差更小。隨埋深增加泥炭質(zhì)土力學特性提高,其抗剪強度參數(shù)隨埋深增加而增大。

(2) 隨著圍壓增大5層不同埋深泥炭質(zhì)土的有效應(yīng)力路徑曲線由無序的弧線轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻摹?”字型,當σ3>300 kPa時有效應(yīng)力路徑線型基本都變?yōu)椤?”字型。固結(jié)排水量隨著深度的增加而減小,固結(jié)壓力小于300 kPa時排水量變化曲線基本呈線性變化,之后排水曲線變緩。

(3) 固結(jié)應(yīng)力增大,土顆粒趨于緊密,當固結(jié)應(yīng)力達到1 800 kPa時,大孔隙已完全消失,土顆粒接觸方式由邊-面為主轉(zhuǎn)變?yōu)槊?面為主。

(4) 固結(jié)剪切試驗后,泥炭質(zhì)土經(jīng)歷了土顆粒的滑移、擠壓、錯位后顆粒排序由無序趨向于有序,定向性提高;孔徑d=1～5 μm占有孔隙總數(shù)85%以上,d<1 μm增加,d=1～2 μm明顯減少。