川西高原不同纖維含量泥炭質(zhì)土工程特性研究

范榮全,王紅梅,常朝凱,曾文慧,羅 毅,焦一飛,張文濤

(1.國網(wǎng)四川省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,成都 610041;2.國網(wǎng)四川省電力公司,成都 610041;3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

泥炭土是在缺氧情況下,大量分解不充分的植物殘?bào)w積累所形成的土壤,主要是由有機(jī)殘?bào)w(以植物殘?bào)w為主)、腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)3種物質(zhì)成分組成的。本次研究的泥炭土試樣來自四川紅原縣。據(jù)統(tǒng)計(jì),紅原縣境內(nèi)泥炭土儲(chǔ)量約1.6×109m3［1］。

研究表明,泥炭土的強(qiáng)度受腐殖化程度(纖維含量)的影響強(qiáng)烈［2-3］。纖維間宏觀上存在相對(duì)較大的孔隙,即使適度施加負(fù)荷,也會(huì)隨著水的排出而產(chǎn)生較大的變形。在微觀層面上,纖維和其他植物物質(zhì)堆疊成中空的穿孔細(xì)胞結(jié)構(gòu),從而提高其持水能力,并且它通常表現(xiàn)出低剪切強(qiáng)度及極高的壓縮性。國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者從纖維含量方面研究了泥炭土的工程性質(zhì)。G.Mesri等［4］發(fā)現(xiàn)泥炭土在長時(shí)間加載條件下,殘余纖維的滑動(dòng)將其重新排列以形成更致密的基質(zhì),從而影響各種固結(jié)參數(shù);韓伶敏等［5］以吉林敦化市江源鎮(zhèn)典型季凍區(qū)泥炭土為研究對(duì)象,提出纖維含量越高,壓縮性越強(qiáng),兩者呈正相關(guān)性的規(guī)律,得出該地區(qū)泥炭土固結(jié)系數(shù)Cv范圍為(1.00～8.39)×10-3cm-2/s;馮瑞玲等［6］對(duì)高分解度泥炭土進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)研究,有機(jī)質(zhì)含量較高的泥炭土主固結(jié)時(shí)間較短,受固結(jié)壓力的影響較小,并呈現(xiàn)出較為明顯的蠕變性;M.T.Hendry等［7］認(rèn)為纖維的存在引起的不排水剪切強(qiáng)度c′和φ′的值各不相同,通過不排水三軸測(cè)試分析了高纖維泥炭土的剪切強(qiáng)度特性,表明它們的行為本質(zhì)上是摩擦性的,盡管具有一些小的內(nèi)聚力值,但是纖維泥炭?jī)?nèi)摩擦角總是表現(xiàn)出異常高,并得出有關(guān)泥炭土殘余纖維抗剪強(qiáng)度公式;Zhang L.等［8］指出有效應(yīng)力原理和常用的土力學(xué)強(qiáng)度模型,包括Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則與泥炭的機(jī)械行為具有足夠高的相關(guān)性,總結(jié)了纖維泥炭和其他有機(jī)土壤的主要本構(gòu)理論和模型;桂躍等［9］使用了多種剪切方法,包括快剪、慢剪、固結(jié)快剪對(duì)泥炭土中纖維加筋作用及機(jī)理的影響進(jìn)行了研究,也驗(yàn)證了直剪試驗(yàn)對(duì)于消除水平纖維的加筋作用的合理性。

本文針對(duì)川西高原地區(qū)泥炭土纖維含量對(duì)抗剪強(qiáng)度和壓縮性的影響進(jìn)行了研究,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一維固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)結(jié)果與SEM觀察手段,組合分析了纖維含量對(duì)泥炭土工程特性的影響規(guī)律。

1 泥炭土的基本性質(zhì)

四川阿壩藏族羌族自治州紅原縣地處川西高原,區(qū)內(nèi)以富營養(yǎng)的草本泥炭沼澤為主,泥炭層累積厚度在2 m左右,并且鄰近若爾蓋(我國典型泥炭聚集區(qū)之一),具有相似的區(qū)域條件,泥炭土形成特征代表性強(qiáng)。所取土樣根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)包含了半纖維、高分解泥炭土。在紅原地區(qū)選取典型泥炭土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣,采用圓柱取樣器(直徑10 cm,高20 cm)垂直取土,得到典型區(qū)域不同深度的泥炭土試樣,使用保鮮膜密封,并及時(shí)開展室內(nèi)物理力學(xué)特性試驗(yàn)。在本次試驗(yàn)研究中選取不同深度、不同纖維含量(Fc)泥炭土來細(xì)化各纖維梯度對(duì)其工程性質(zhì)的影響,所使用的土樣如圖1所示。根據(jù)泥炭土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM(D2974-14)［10］,得到所取試樣的物理力學(xué)基本性質(zhì)如表1。根據(jù)ASTM(D1977)［11］標(biāo)準(zhǔn)對(duì)纖維質(zhì)泥炭土進(jìn)行分類,其中33%

圖1 不同纖維含量的泥炭土土樣特征Fig.1 Characteristics of peat soil samples with different fiber content

表1 試樣的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the specimen

2 試驗(yàn)方法

一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)采用杠桿加載固結(jié)儀,將高2 cm、截面積 30 cm2進(jìn)行逐級(jí)加載。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》每級(jí)壓力下固結(jié)24 h或1 h,變形量不大于0.01 mm［12］視為穩(wěn)定。

直剪試驗(yàn)中采用直徑為61.8 mm,高度20 mm的環(huán)刀切取8組原狀土樣,采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)進(jìn)行不固結(jié)不排水的快速剪切試驗(yàn)。分別施加50、100、150、200 kPa的法向應(yīng)力,選取剪切速度為0.8 mm/min進(jìn)行剪切試驗(yàn)。為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性,直剪試驗(yàn)和一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)皆進(jìn)行平行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同纖維含量泥炭土的固結(jié)—壓縮特征

3.1.1 泥炭土e-lgp曲線特征

完成的四川紅原4種纖維含量泥炭土試樣的e-lgp曲線如圖2。各組e-lgp曲線形態(tài)大致相同,纖維含量較高的泥炭土,土樣的初始孔隙比(e)較大。較高孔隙比試樣,使得在較小的固結(jié)壓力(p)下(0～12.5 kPa)孔隙比大幅度減小,并隨固結(jié)壓力的增加遞減幅度變小。L.S.Wong等［13］通過大量固結(jié)試驗(yàn)指出纖維含量較高導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)疏松,使得孔隙比隨纖維含量的增加呈現(xiàn)明顯的增勢(shì)。

圖2 不同纖維含量泥炭土的e-lg p曲線Fig.2 The e-lg p curve of peat soil with different fiber content

3.1.2 泥炭土的壓縮特性

壓縮模量(Es)和壓縮系數(shù)是判定土體壓縮性的重要指標(biāo)。圖3、圖4為在逐級(jí)加載下纖維含量與壓縮系數(shù)、壓縮模量的關(guān)系曲線,隨著纖維含量的增大,壓縮模量與纖維含量呈負(fù)相關(guān),壓縮系數(shù)與纖維含量呈正相關(guān),即纖維含量增大,壓縮模量減小,壓縮系數(shù)增大,土體壓縮性越強(qiáng)。試驗(yàn)獲得的紅原地區(qū)泥炭土樣的壓縮系數(shù)av1-2為 0.68～1.79 MPa-1,壓縮模量Es1-2為1.14～4.15 MPa,屬于高壓縮性土［12］。

圖3 各分級(jí)荷載下壓縮系數(shù)與纖維含量的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curve between compression coefficient and fiber content under different load classes

圖4 各分級(jí)荷載下壓縮模量與纖維含量的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of compressive modulus and fiber content under each load class

3.1.3 泥炭土的固結(jié)系數(shù)

根據(jù)規(guī)范［14］,按照時(shí)間平方根法得出各纖維含量土樣在不同荷載下的固結(jié)系數(shù)(Cv)如圖5所示。各纖維含量泥炭土曲線走勢(shì)大致相同,纖維含量越高,固結(jié)系數(shù)越大。各纖維含量試樣固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)壓力的增加呈下降趨勢(shì)。由于高纖維含量試樣中的架空孔隙,施加小于200 kPa的固結(jié)壓力使得固結(jié)系數(shù)大幅度下降,并隨著纖維含量的減小,下降幅度減小。在固結(jié)壓力大于200 kPa時(shí),各纖維含量的試樣固結(jié)系數(shù)趨于平緩。

圖5 不同纖維含量試樣Cv-p曲線Fig.5 The Cv-p curve of samples with different fiber content

3.2 不同纖維含量泥炭土的抗剪強(qiáng)度特征

3.2.1 泥炭土的τ-s曲線特征

根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果繪制不同纖維含量泥炭土的τ-s曲線如圖6所示。各纖維含量剪應(yīng)力(τ)與剪切位移(s)關(guān)系曲線均呈現(xiàn)為應(yīng)變硬化型,無明顯的峰值強(qiáng)度,以塑性破壞為主。高分解泥炭質(zhì)土(纖維含量11%～20%)剪應(yīng)力要略高于纖維泥炭質(zhì)土(纖維含量34%～44%),隨著法向應(yīng)力的增加,土體密實(shí)程度的提高,纖維泥炭土與高分解度泥炭土的剪應(yīng)力均有所增加。

圖6 不同纖維含量下泥炭土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系Fig.6 Relationship between shear stress and shear displacement of peat soil with different fiber content

3.2.2 泥炭土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力曲線特征

對(duì)4個(gè)纖維含量泥炭土進(jìn)行快剪試驗(yàn),按照規(guī)范［14］取剪切位移為6 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度值,繪制不同纖維含量條件下抗剪強(qiáng)度(τf)與法向應(yīng)力(σ)的關(guān)系曲線如圖7,并確定其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

從圖7可見,隨著法向應(yīng)力的增加,各纖維含量的泥炭土抗剪強(qiáng)度增加。徐燕等［15］指出植物纖維與土顆粒之間的拉拔作用和土體中團(tuán)聚體的膠結(jié)作用共同抵抗剪切作用;桂躍等［16］研究了由于纖維分布所導(dǎo)致的各向異性對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響,得出纖維含量對(duì)泥炭土的強(qiáng)度能起到增強(qiáng)作用。在相同的法向應(yīng)力作用下,抗剪強(qiáng)度隨著纖維含量的增大而增大,當(dāng)纖維含量大于20%時(shí),抗剪強(qiáng)度反而減小,并沒有隨著纖維含量的增加而增加,整體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于植物纖維架空的土體結(jié)構(gòu)具有更多的孔隙,松散的結(jié)構(gòu)在快剪試驗(yàn)中沒有被充分壓實(shí),處在未完全固結(jié)狀態(tài),植物纖維與土顆粒,土顆粒之間的咬合作用較弱,使得抗剪強(qiáng)度減小。

3.2.3 泥炭土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)特征

圖8是泥炭土黏聚力(cq)、內(nèi)摩擦角(φq)與纖維量的擬合曲線圖,試樣纖維含量達(dá)到44%時(shí),黏聚力從最初13.71 kPa下降到4.61 kPa,內(nèi)摩擦角從8.53°增加到11.9°。纖維含量小于20%時(shí),黏聚力減小幅度較小,而內(nèi)摩擦有較大幅度的增加。當(dāng)纖維含量大于20%,黏聚力減小幅度較大,內(nèi)摩擦角增大幅度放緩。根據(jù)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化趨勢(shì),隨著纖維含量的增加,泥炭土抵抗剪切作用的強(qiáng)度指標(biāo)逐漸呈現(xiàn)出由黏聚強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為摩擦強(qiáng)度的趨勢(shì)。針對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角和纖維含量的關(guān)系,引入2個(gè)與纖維含量有關(guān)的二元一次方程(1)、(2)。擬合參數(shù)如表2所示,擬合系數(shù)均在0.97以上,纖維含量與黏聚力、內(nèi)摩擦角相關(guān)系數(shù)較高,有良好的相關(guān)性。

圖8 泥炭土黏聚力、內(nèi)摩擦角與纖維含量的擬合曲線Fig.8 Fitting curve of cohesion,friction angle and fiber content of peat soil

表2 不同纖維含量下泥炭土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of shear strength index of peat soil with different fiber content

cq=aFc+bFc+k

(1)

φq=aFc+bFc+k

(2)

式中:cq表示黏聚力(kPa);φq表示內(nèi)摩擦角(°);Fc表示纖維含量(%);a、b表示纖維含量影響的回歸系數(shù);k表示綜合回歸系數(shù)。

4 泥炭土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)工程特性的影響分析

泥炭土主要由大顆粒(主要為粉粒)、黏粒團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)膠體及植物纖維殘?bào)w構(gòu)成。張震豪［17］對(duì)云南地區(qū)泥炭土進(jìn)行了大量微觀結(jié)構(gòu)的分析,認(rèn)為泥炭土中的孔隙結(jié)構(gòu)可以分為礦物顆粒間的孔隙、植物殘?bào)w間的孔隙、植物內(nèi)部孔隙以及植物殘?bào)w和礦物顆粒間的孔隙。采用SEM觀察手段從微觀角度分析其特殊的物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其工程特性的影響,選取本文研究的高分解泥炭土與半纖維泥炭土進(jìn)行電鏡掃描,結(jié)果如圖9所示。

圖9-A1可見,纖維含量較高的土樣分布的植物纖維殘?bào)w非常明顯,具有較大的架空孔隙,土顆粒、植物纖維排列松散,從紅色局部放大區(qū)域(圖9-A2)可知,呈現(xiàn)出植物纖維“纏繞”于礦物顆粒團(tuán)體,或者“穿過”并“連接”于土顆粒團(tuán)體。正是這樣的架空結(jié)構(gòu)和植物團(tuán)聚體內(nèi)部所形成的大孔隙,使得半纖維泥炭土壓縮變形顯著,土體中大孔隙的架空結(jié)構(gòu)、各類團(tuán)聚體壓密形成土骨架所需要的法向應(yīng)力也越高,這也解釋了纖維含量大于20%時(shí)其抗剪強(qiáng)度沒有繼續(xù)增大反而減小的現(xiàn)象。這一規(guī)律與已有研究成果結(jié)論一致。O’Kelly等［18］認(rèn)為與礦物土壤中的純摩擦接觸不同,泥炭土中纖維之間的連接是通過蜂窩連接和纖維纏結(jié)提供的,這導(dǎo)致土壤的剪切強(qiáng)度降低。隨著纖維含量的增大(大于20%),導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散,大量的纖維在土顆粒間相互纏繞,植物纖維與土顆粒的拉拔作用產(chǎn)生一定的加筋效果,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中摩擦強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要大于黏聚強(qiáng)度的貢獻(xiàn),使得摩擦強(qiáng)度較高,內(nèi)聚強(qiáng)度較弱。

圖9-B是纖維含量為20%的高分解泥炭土,可見礦物顆粒以團(tuán)粒狀出現(xiàn),由架空結(jié)構(gòu)形成的大孔隙較少,分布著粒徑<75 μm的粉粒,形成較多礦物顆粒間的孔隙結(jié)構(gòu)。蔣忠信［19］指出,腐殖酸會(huì)通過吸附和包裹在礦物顆粒的形式,改變泥炭土中礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)方式。圖9-B1可明顯發(fā)現(xiàn)礦物顆粒呈現(xiàn)出團(tuán)粒狀的形貌。由于以礦物顆粒間的孔隙居多,其壓縮性要弱于半纖維泥炭土。隨著法向應(yīng)力增大,土中團(tuán)聚體逐步壓實(shí),纖維與土顆粒之間的咬合作用提高,使得抗剪強(qiáng)度增大。大顆粒由微小土顆粒團(tuán)體、有機(jī)質(zhì)膠體所包裹(圖9-B2藍(lán)色區(qū)域)導(dǎo)致黏聚強(qiáng)度增大,同時(shí)產(chǎn)生一定的滑動(dòng)摩擦。

圖9-C1中,纖維含量低使得土體質(zhì)地均勻,礦物顆粒以更微小的團(tuán)粒狀出現(xiàn),礦物顆粒間呈現(xiàn)較多的微小孔隙。表現(xiàn)為富含微小孔隙的“海綿狀”結(jié)構(gòu)［19］。黃色區(qū)域放大如圖9-C2,顆粒間的微小孔隙使得這類土樣的中壓縮性最弱。與纖維泥炭土相比,高分解泥炭土(Fc=11%)中殘余纖維的所提供的抗剪強(qiáng)度較為微弱,抗剪強(qiáng)度主要由逐步壓實(shí)后礦物顆粒團(tuán)體與有機(jī)質(zhì)膠體來提供。導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中黏聚強(qiáng)度最大,土顆粒間摩擦強(qiáng)度也相對(duì)較小。

5 結(jié)論

利用固結(jié)試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)對(duì)川西高原泥炭質(zhì)土中纖維含量對(duì)其力學(xué)特征的影響進(jìn)行了分析,并結(jié)合電鏡掃描觀察手段,研究了微觀結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成對(duì)其工程特性影響機(jī)理,可得出以下結(jié)論:

a.一維固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明,土樣的初始孔隙比相差較大,在較小的固結(jié)壓力下(0～12.5 kPa)孔隙比大幅度減小;隨著纖維含量的增加,壓縮系數(shù)增大,壓縮模量減小,壓縮性越強(qiáng)。固結(jié)系數(shù)Cv隨著纖維含量的增加而增加,隨著固結(jié)壓力的增加,固結(jié)系數(shù)呈現(xiàn)大幅度下降至相對(duì)平緩的趨勢(shì)。

b.抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)表明,施加50～200 kPa法向應(yīng)力,質(zhì)地較為均勻的高分解度泥炭土,隨著纖維含量的增加其抗剪強(qiáng)度有所增加;纖維泥炭土的抗剪強(qiáng)度隨纖維含量的增加而減小。隨著纖維含量的增加,泥炭土土體抵抗剪切作用的強(qiáng)度指標(biāo)逐漸呈現(xiàn)出由黏聚強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為摩擦強(qiáng)度的趨勢(shì)。

c.從微觀角度上,植物纖維間的架空結(jié)構(gòu)和纖維團(tuán)聚體所構(gòu)成的大孔隙是半纖維泥炭土壓縮性強(qiáng)于高分解泥炭土的主要因素。高分解泥炭土是由土顆粒、有機(jī)質(zhì)膠體和微弱的殘余纖維加筋效果共同提供剪切強(qiáng)度,而半纖維泥炭土是由土顆粒團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)膠體和纖維纏繞而形成的團(tuán)聚體共同提供剪切強(qiáng)度。隨著纖維含量的提高,泥炭土中團(tuán)聚體有無纖維纏繞聚集形成的特殊結(jié)構(gòu)是半纖維泥炭土與高分解泥炭土抗剪強(qiáng)度差異的重要影響條件。