季凍區(qū)草炭土固結(jié)特性研究

韓伶敏 ，徐 燕 ，高 康

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院, 吉林 長春 130000）

草炭土是一種含有大量植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)及一部分礦物質(zhì)的特殊土，在我國主要分布于大小興安嶺、長白山脈、青藏高原以及新疆大部分山區(qū)[1]。草炭土的工程性質(zhì)很差，壓縮性高且工后沉降明顯，隨著道路工程的發(fā)展建設(shè)，大量的工程項(xiàng)目不可避免地穿越草炭土地區(qū)，路基多出現(xiàn)沉陷、基底被擠壓引起側(cè)向隆起、滑動坍塌等破壞現(xiàn)象[2]。因此亟需開展草炭土固結(jié)特性研究，為草炭土路基沉降預(yù)測提供理論和參數(shù)依據(jù)。

國內(nèi)外對含纖維及腐殖質(zhì)有機(jī)質(zhì)土固結(jié)特性的研究主要有以下2個(gè)方面：（1）在固結(jié)壓縮研究方面，Whitlow[3]、Razali等[4]研究得到泥炭土的高壓縮性由高有機(jī)質(zhì)含量和高纖維含量決定，并導(dǎo)致嚴(yán)重的沉降問題。Santaga等[5]研究表明泥炭土的固結(jié)壓縮特性受分解度的影響很大，分解度越低壓縮性越高，這是由于高含量植物纖維導(dǎo)致較高的含水率和孔隙比。Johari等[6]研究得出泥炭土中的纖維含量極大地影響著壓縮變形特性，纖維含量越高，含水率、孔隙比和壓縮指數(shù)越大，壓縮性越高，沉降量越大。桂躍等[7]探討了云南地區(qū)泥炭土不同影響因素對固結(jié)系數(shù)的影響及機(jī)制。呂巖等[8]研究了草炭土不同有機(jī)質(zhì)含量下的壓縮、強(qiáng)度特性。（2）在固結(jié)蠕變研究方面，MacFarlane[9]發(fā)現(xiàn)泥炭土次固結(jié)系數(shù)較大，次固結(jié)變形量最高可占總沉降的60%。桂躍等[10]提出云南地區(qū)泥炭土次固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)壓力的增大，呈現(xiàn)先快速增大、到達(dá)峰值后逐步減小的規(guī)律，次固結(jié)系數(shù)峰值所對應(yīng)的固結(jié)壓力在100～200 kPa之間，泥炭土次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)比值（Cα/Cc）約為0.052。王竟宇等[11]探究了不同埋深和擾動狀態(tài)對大理泥炭土固結(jié)蠕變特性的影響。馮瑞玲等[12]以云南某高速公路泥炭土路段為依托，對不同有機(jī)質(zhì)含量的泥炭土進(jìn)行了基本性質(zhì)試驗(yàn)和一維蠕變試驗(yàn)。李育紅等[13]對昆明滇池地區(qū)湖相泥炭土開展了主、次固結(jié)系數(shù)研究。以上對于含纖維及腐殖質(zhì)有機(jī)質(zhì)土固結(jié)特性的研究已取得了較多的成果，但對季凍區(qū)草炭土固結(jié)壓縮蠕變特性的研究仍相對匱乏。因此本文選取吉林省敦化市江源鎮(zhèn)典型季凍區(qū)草炭土為研究對象，開展一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)和一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)，分析壓縮系數(shù)、固結(jié)系數(shù)和次固結(jié)系數(shù)的分布范圍及纖維含量對草炭土主、次固結(jié)特性的影響規(guī)律。

1 草炭土的基本性質(zhì)

采用ASTMD 2974—14[14]中的方法測得吉林敦化草炭土樣的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為36.25%～81.35%，采用ASTMD 1997—13[15]中的方法測得草炭土樣的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為19.83%～73.78%，如表1所示。

表1 吉林敦化草炭土不同深度有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Wu）和纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Wf）Table 1 Organic matter content and fiber content of the turfy soil at different depths near Dunhua in Jilin

根據(jù)ASTMD 4427—13[16]標(biāo)準(zhǔn)將纖維質(zhì)土分為3類，Wf≥67%為纖維土，33%≤Wf＜67%為半纖維土，Wf＜33%為高分解土。選取高分解度草炭土（Wf=21%）、半纖維草炭土(Wf=34%、Wf=48%、Wf=59%)以及纖維草炭土（Wf=73%）試樣，進(jìn)行5種纖維草炭土的固結(jié)試驗(yàn)。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[17]，測得吉林敦化草炭土試樣基本物理指標(biāo)如表2所示。

表2 吉林敦化草炭土樣基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical indexes of the turfy soil samples near Dunhua in Jilin

吉林敦化草炭土含水率與初始孔隙比隨纖維含量的增大而增大。當(dāng)Wu=79.43%（Wf=73%）時(shí)，含水率和初始孔隙比最大，分別為416.83%、8.88。

表3為云南滇池[18]和云南大理[19]2種土樣的基本物理指標(biāo)，可以看出，云南滇池土樣[18]中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在15.7%～69.3%之間，有機(jī)質(zhì)含量越大，含水率和初始孔隙比越大。Wu=69.3%時(shí)，含水率和初始孔隙比最大，分別為406.3%和6.4。而云南大理土[19]有機(jī)質(zhì)含量與含水率沒有明顯規(guī)律。

表3 云南滇池土樣[18]和云南大理土樣[19]基本物理指標(biāo)Table 3 Basic physical indexes of Yunnan Dianchi Lake soil samples and Yunnan Dali soil samples

敦化草炭土與云南滇池泥炭土的有機(jī)質(zhì)含量范圍比較接近，敦化草炭土更疏松多孔。云南大理泥炭土有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在32.1%～41.8%之間，含水率范圍在118.0%～171.7%之間，含水率較前2種土偏小。

2 草炭土一維固結(jié)試驗(yàn)方法

對吉林敦化5種纖維含量草炭土樣分別進(jìn)行一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)和固結(jié)蠕變試驗(yàn)，采用分級加載方式，具體試驗(yàn)方案見表4。

表4 試驗(yàn)方案Table 4 Test schemes

試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的WG型三聯(lián)單杠桿固結(jié)儀，固結(jié)壓縮試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級壓力下固結(jié)24 h或1 h變形量不大于0.01 mm，固結(jié)蠕變穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24 h變形量不大于0.01 mm[17]?？紤]到草炭土的實(shí)際工程多以路基等工程為主，因此最大荷載采用400 kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 先期固結(jié)壓力

由于草炭土埋深較淺，先期固結(jié)壓力較小。為確定草炭土先期固結(jié)壓力，固結(jié)壓縮試驗(yàn)在常規(guī)初始固結(jié)壓力12.5 kPa之前分級施加2.4，3.9，6.3 kPa的固結(jié)壓力，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為試樣1 h變形量不大于0.01 mm。吉林敦化5種纖維含量草炭土試樣的e-p和e-lgp曲線如圖1所示?？紫侗萫隨固結(jié)壓力的增加遞減幅度變小。由于e-lgp曲線屈服階段的直線趨勢不易判斷，最大曲率點(diǎn)不易確定，采用傳統(tǒng)的Cassgrande方法來確定草炭土的先期固結(jié)壓力存在一定困難。針對這一問題，Onitsuka等[20]、Hong等[21]、桂躍等[10]等采用了ln(1+e)-lgp雙對數(shù)法較好地獲得了土的先期固結(jié)壓力。因而采用該法獲得5種纖維含量草炭土ln(1+e)-lgp雙對數(shù)曲線及先期固結(jié)壓力pc，如圖2所示。

圖1 吉林敦化草炭土不同纖維含量的壓縮曲線Fig.1 Compression curve of the Jilin Dunhua turfy soil with different fiber contents

圖2 原狀草炭土的ln(1+e)-lgp曲線Fig.2 ln(1+e)-lgp curves of the undisturbed turfy soil

纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%、34%、48%、59%、73%草炭土樣的先期固結(jié)壓力分別為32.2，21.3，15.1，4.2，3.8 kPa，實(shí)際上覆土壓力為28.13，21.86，13.13，3.13，1.88 kPa，與先期固結(jié)壓力基本一致，為正常固結(jié)土。通過查閱相關(guān)的地質(zhì)勘查報(bào)告，該地區(qū)并未發(fā)生過剝蝕搬運(yùn)等地質(zhì)變化，上層未施加過荷載，屬正常固結(jié)土。

3.2 草炭土的壓縮特性

壓縮系數(shù)a1-2＜0.1 MPa-1時(shí)為低壓縮性土，0.1 MPa-1≤a1-2＜0.5 MPa-1時(shí)為中壓縮性土，a1-2≥0.5 MPa-1時(shí)為高壓縮性土[17]。圖3為吉林敦化草炭土樣和云南滇池泥炭土樣的壓縮系數(shù)（av）和固結(jié)壓力的關(guān)系曲線。吉林敦化草炭土樣的壓縮系數(shù)范圍為1.49～51.74 MPa-1，云南滇池泥炭土樣[18]壓縮系數(shù)范圍為0.71～52.71 MPa-1，2種土均屬于高壓縮性土。

圖3 各土樣分級加載下av-p曲線Fig.3 av-p curves of each soil sample under graded loading

隨著纖維含量的增加，草炭土中絮狀、多孔結(jié)構(gòu)增多。固結(jié)壓力一定時(shí)，纖維含量越大，壓縮系數(shù)越大，壓縮性越強(qiáng)。

3.3 草炭土的主固結(jié)特性

采用時(shí)間對數(shù)法計(jì)算草炭土的固結(jié)系數(shù)Cv。吉林敦化不同纖維含量草炭土和云南滇池泥炭土樣[18]的Cv-p曲線如圖4所示。

圖4 各土樣分級加載下的Cv-p曲線Fig.4 Cv-p curves of each soil sample under graded loading

沈珠江[22]經(jīng)過研究總結(jié)出連云港淤泥質(zhì)土固結(jié)系數(shù)范圍為5×10-5～4×10-3cm2/s，加瑞等[23]得到日本有明海沿岸黏土的固結(jié)系數(shù)基本處于10-6～10-4cm2/s量級之間，雷華陽等[24]得到天津地區(qū)吹填軟土的固結(jié)系數(shù)范圍為3.8×10-5～1.4×10-3cm2/s。圖4中吉林敦化草炭土樣的固結(jié)系數(shù)范圍為1.00×10-3～8.39×10-3cm2/s，云南滇池泥炭土樣[18]固結(jié)系數(shù)范圍為0.21×10-3～3.23×10-3cm2/s。吉林敦化草炭土固結(jié)系數(shù)比淤泥、黏土、軟土高，與云南滇池泥炭土樣[18]相比，草炭土的固結(jié)系數(shù)更大。固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加而逐漸下降。固結(jié)壓力在12.5～100 kPa區(qū)間時(shí)，固結(jié)系數(shù)陡降趨勢明顯，云南滇池泥炭土樣[18]也有類似的規(guī)律。

對5種纖維含量草炭土固結(jié)系數(shù)和固結(jié)壓力進(jìn)行冪函數(shù)擬合，結(jié)果如表5所示，兩者相關(guān)性較高，可為實(shí)際工程提供一定指導(dǎo)。

表5 不同纖維含量草炭土的Cv-p經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表達(dá)式Table 5 Cv-P empirical relationship expression of the turfy soil with different fiber contents

3.4 草炭土的蠕變特性

3.4.1 次固結(jié)系數(shù)

通過室內(nèi)一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)，得到5種纖維含量草炭土的e-lgt曲線（圖5）。e-lgt曲線均表現(xiàn)出反“S”型，采用Cassgrande作圖法確定其次固結(jié)系數(shù)Cα。

圖5 吉林敦化草炭土e-lgt曲線Fig.5 e-lgt curve of the turfy soil near Dunhua in Jilin

圖6為吉林敦化草炭土與云南大理泥炭土[19]次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化曲線，2種土樣的Cα-p曲線均呈現(xiàn)先上升、到達(dá)峰值后逐漸下降的趨勢。吉林敦化土樣次固結(jié)系數(shù)范圍為0.022 ～0.095，峰值出現(xiàn)在固結(jié)壓力50～100 kPa之間，云南大理泥炭土樣次固結(jié)系數(shù)的范圍為0.008 ～0.091，峰值出現(xiàn)在固結(jié)壓力100～200 kPa之間。固結(jié)壓力一定時(shí)，吉林敦化草炭土纖維含量越高，次固結(jié)系數(shù)越大，有機(jī)質(zhì)含量越高，次固結(jié)系數(shù)越大；云南大理泥炭土樣[19]次固結(jié)系數(shù)與有機(jī)質(zhì)含量之間未表現(xiàn)出明顯相關(guān)規(guī)律。

圖6 各土樣分級加載下Cα-p曲線Fig.6 Cα-p curves of each soil sample under graded loading

次固結(jié)系數(shù)Cα出現(xiàn)峰值是因?yàn)橥馏w次固結(jié)變形由土骨架剛度變化決定，一方面，分級加載過程中，土體結(jié)構(gòu)逐漸破環(huán)，土骨架剛度降低；另一方面，固結(jié)壓力的增加使得土體被壓密，提高了土骨架的剛度。兩方面因素綜合作用使得Cα出現(xiàn)峰值點(diǎn)，次固結(jié)系數(shù)Cα峰值點(diǎn)可看作土體壓密對土骨架剛度起主要作用的臨界點(diǎn)。

3.4.2 次固結(jié)系數(shù)Cα與壓縮指數(shù)Cc關(guān)系

Mesri等[25]等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)土的Cα/Cc壓縮法則。Walker等[26]對Leda地區(qū)黏土進(jìn)行研究，得出次固結(jié)系數(shù)Cα與壓縮指數(shù)Cc近似滿足Cα/Cc=0.025。Brendan等[27]對多個(gè)地區(qū)的11種軟黏土進(jìn)行一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)總結(jié)得出富含有機(jī)質(zhì)土的Cα/Cc=0.05 ～ 0.06，碳酸鈣含量較高黏土的Cα/Cc=0.02。孫德安等[28]對上海飽和黏土進(jìn)行試驗(yàn)得到Cα/Cc=0.033 6。鄧岳保等[29]發(fā)現(xiàn)寧波軟土次固結(jié)系數(shù)Cα與壓縮指數(shù)Cc近似符合Cα/Cc=0.02±0.01。泥炭土的Cα/Cc值多處于0.05～0.07范圍內(nèi)[30]。從力學(xué)機(jī)理上來看，Cα和Cc體現(xiàn)應(yīng)力和時(shí)間因素對土壓縮變形的影響，雖分屬主固結(jié)和次固結(jié)兩個(gè)階段，但有很好的相關(guān)性。因此在實(shí)際工程中可以用較易獲得的Cc來預(yù)測相對難獲得的Cα。吉林敦化5種纖維含量草炭土Cα-Cc曲線如圖7所示。

圖7 不同纖維含量草炭土Cα-Cc關(guān)系曲線Fig.7 Cα-Cc curve of the turfy soil with different fiber contents

5種纖維含量草炭土的Cα和Cc具有一定的相關(guān)性，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%、34%、48%、59%、73%的草炭土，Cα/Cc值分別是0.045 2，0.033 1，0.030 3，0.024 6，0.024 5。

4 結(jié)論

（1）敦化市江源鎮(zhèn)草炭土的壓縮系數(shù)范圍為1.49～51.74 MPa-1，壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力增加而減小，固結(jié)壓力一定時(shí)，纖維含量越大，壓縮系數(shù)越大，壓縮性越強(qiáng)。

（2）固結(jié)系數(shù)的范圍為1.00×10-3～8.39×10-3cm2/s。隨著固結(jié)壓力增大，固結(jié)系數(shù)先快速減小，當(dāng)固結(jié)壓力超過200 kPa后，固結(jié)系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定；同一固結(jié)壓力下，纖維含量越高，固結(jié)系數(shù)越大。對5種纖維含量草炭土固結(jié)系數(shù)和固結(jié)壓力進(jìn)行冪函數(shù)擬合，擬合效果較好。

（3）次固結(jié)系數(shù)范圍為0.022～0.095，在固結(jié)壓力前期，次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加而增大，至峰值后逐漸減小，峰值對應(yīng)的固結(jié)壓力介于50～100 kPa之間。固結(jié)壓力一定時(shí)，纖維含量越大，固結(jié)蠕變越明顯，次固結(jié)系數(shù)越大。

（4）敦化市江源鎮(zhèn)草炭土的Cα和Cc具有一定的相關(guān)性，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%、34%、48%、59%、73%的草炭土對應(yīng)的次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)比值（Cα/Cc）分別是0.045 2，0.033 1，0.030 3，0.024 6，0.024 5。