昆明市不同深度下湖相泥炭質(zhì)土壓縮特性試驗(yàn)研究

呂慶賢　羅軍堯

摘要：為研究不同深度下泥炭質(zhì)土的壓縮特性，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析的方法，從不同有機(jī)質(zhì)含量和不同取樣深度著手，對泥炭質(zhì)土進(jìn)行燒失量試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)，分析了有機(jī)質(zhì)含量對壓縮性的影響，以及在不同深度下泥炭質(zhì)土壓縮性質(zhì)的變化。結(jié)果表明：天然孔隙比隨有機(jī)質(zhì)含量增加而線性增加，高孔隙比的泥炭質(zhì)土具有高壓縮性;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，不同深度下的壓縮特性變化很大;取樣深度越深，壓縮模量越大;取自40 m以下的泥炭質(zhì)土超固結(jié)比都大于1，屬于超固結(jié)土，泥炭質(zhì)土壓縮指數(shù)介于0.8～1.0之間，屬于高-超高壓縮性土。上述對泥炭質(zhì)土壓縮特性的研究結(jié)果，對泥炭質(zhì)土地基處理具有指導(dǎo)意義，同時為不同深度下泥炭質(zhì)土壓縮特性研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：泥炭質(zhì)土;有機(jī)質(zhì);不同深度;固結(jié)試驗(yàn)

中圖分類號：TU411.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

泥炭質(zhì)土是由土顆粒、動植物腐殖質(zhì)、有機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(yàn)，明確了泥炭質(zhì)土的次固結(jié)特性及其機(jī)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(yàn)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(yàn)和蠕變試驗(yàn)說明泥炭質(zhì)土的有機(jī)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(jī)質(zhì)含量和物理力學(xué)指標(biāo)分析表明有機(jī)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(yàn)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(yáng)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(yùn)動

研究區(qū)所處區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動的總特點(diǎn)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(diǎn)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(kuò)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(kuò)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(qiáng)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(yàn)方案

2.1泥炭質(zhì)土中有機(jī)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(yàn)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(jì)算得到有機(jī)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(yàn)的物理指標(biāo)換算得到，換算公式如下：

e=d ω/S

式中，d表示土粒比重;S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(jī)質(zhì)含量燒失試驗(yàn)和基本土工試驗(yàn)，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50123—2019）[11]進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)和參數(shù)換算得到泥炭質(zhì)土的基本物理參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)換算結(jié)果見表1。

2.2不同深度下泥炭質(zhì)土的壓縮試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)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(yàn)。試驗(yàn)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 cm，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)α（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(jì)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(yàn)最終得到的壓縮系數(shù)和壓縮模量結(jié)果見表2。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1有機(jī)質(zhì)含量對壓縮性的影響

為研究泥炭質(zhì)土中有機(jī)質(zhì)含量對其壓縮性的影響，通過對試驗(yàn)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。

根據(jù)表1試驗(yàn)結(jié)果繪制了有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yàn)結(jié)果的分析說明有機(jī)質(zhì)含量的增加會影響其壓縮特性。

在表1中，隨著有機(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)含量線性增加，這是因?yàn)槟嗵抠|(zhì)土有機(jī)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]）。

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(yàn)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(yàn)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(yàn)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。

3.3取樣深度和壓縮模量的關(guān)系

在工程設(shè)計(jì)上，壓縮模量是一個重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，用于計(jì)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(yàn)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。

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(yàn)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(yàn)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(yàn)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。

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(qiáng)。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(qiáng)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(qiáng)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(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1）隨著有機(jī)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(jī)質(zhì)含量的增加會影響其壓縮特性。有機(jī)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(qiáng)，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(yàn)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(shí)際工程中不能僅僅采用平均值來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)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(jì)。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Experimental Study on Compression Characteristics of

Lacustrine Peat Soil at Different Depths in Kunming

LV Qingxian， LUO Junyao

（Faculty of Civil Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming， 650500， China）Abstract： To study the compression characteristics of peat soil at different depths， adopting the method of indoor test and data analysis， from different organic matter content and sampling depth， this article carries out the ignition loss test and consolidation test on peat soil， and analyzes the effects of organic matter content on compressibility， as well as the changes in compression of peat soil at different depths. The results show that the natural pore ratio increases linearly with the increase of organic matter content， and peaty soil with high pore ratio has high compressibility; the relationship between the sampling depth and the compression coefficient of peaty soil is a power function， and the curve shows a "steep" trend， suggesting the compression characteristics of peaty soil vary greatly at different depths; the deeper the sampling depth is， the greater the compression modulus is; the peat soil under 40m with the overconsolidation ratio greater than 1 belongs to the overconsolidation soil， while the peat soil with the compression index between 0.8 and 1.0 belongs to the high to ultra-high compressibility soil. The above research results on the compression characteristics of peaty soil have guiding significance for the foundation treatment of peaty soil， and also lay a foundation for the research on the compression characteristics of peaty soil at different depths.

Key words： peaty soil; organic matter; different depths; consolidation test