王志良, 瞿嘉安, 申林方, 丁祖德

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

在云南省滇池附近及昆明市內(nèi)河流周邊分布著廣泛且厚度穩(wěn)定的泥炭質(zhì)土層,土層中的植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)、礦物使得泥炭質(zhì)土具有海綿狀結(jié)構(gòu)和大的孔隙.因此,它具有有機(jī)質(zhì)含量高、孔隙比大、天然容重小、含水率高及壓縮性強(qiáng)等物理力學(xué)特征[1-2],是一種工程性質(zhì)極差的超軟弱性土.將泥炭質(zhì)土層作為承載地基的工程建設(shè),極容易發(fā)生失穩(wěn)、沉降過大等工程病害,甚至引發(fā)工程事故.例如: 高5英尺(約1.525 m)的Suffolr路基4年多時(shí)間內(nèi)沉降近1英尺(約0.305 m)[3];伊朗Shahid-Kalantari高速公路路堤15年間沉降超過1 m[4];云南省昆明市某辦公大樓在建成近一年時(shí)間里,平均沉降值達(dá)256 mm[5].在基坑、盾構(gòu)隧道等的施工過程中,土體將不可避免的受到擾動(dòng),從而影響其結(jié)構(gòu)性,導(dǎo)致土層后期沉降.因此,研究昆明地區(qū)泥炭質(zhì)土結(jié)構(gòu)性對(duì)其壓縮特性的影響具有重要理論意義和工程實(shí)用價(jià)值.

目前,針對(duì)泥炭質(zhì)土層的研究成果主要集中于以下3個(gè)方面: ① 物質(zhì)組成及微觀結(jié)構(gòu)特征.文獻(xiàn)[1]從泥炭質(zhì)土的礦物成分、有機(jī)質(zhì)成分、化學(xué)成分等入手,對(duì)其成分特征進(jìn)行了探討.文獻(xiàn)[6]研究了云南高原泥炭質(zhì)土的物質(zhì)成分(礦質(zhì)成分、有機(jī)質(zhì)含量、分解度等)及微觀結(jié)構(gòu)特征(孔徑大小及分布).文獻(xiàn)[7]以吉林省沼澤草炭土為研究對(duì)象,對(duì)草炭土的物質(zhì)組成、孔隙特征等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.文獻(xiàn)[8]基于泥炭土微觀結(jié)構(gòu),研究了泥炭質(zhì)土的結(jié)構(gòu)特征、含水性等. ② 物理力學(xué)特性.文獻(xiàn)[2]研究了滇池泥炭質(zhì)土的分布規(guī)律,討論了滇池不同區(qū)域泥炭質(zhì)土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特性.文獻(xiàn)[9]根據(jù)大量的沼澤草炭土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了不同含量有機(jī)質(zhì)對(duì)草炭土物理力學(xué)指標(biāo)特征的影響.文獻(xiàn)[10]選取不同有機(jī)質(zhì)含量的泥炭質(zhì)土,討論含水量、液限、密度、有效重度等物理力學(xué)參數(shù)之間的相互關(guān)系.③ 壓縮特性.文獻(xiàn)[11]選取馬來西亞各地?zé)釒嗵抠|(zhì)土,基于現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)研究了泥炭壓縮特性.文獻(xiàn)[12]研究了有機(jī)質(zhì)含量與有機(jī)質(zhì)分解度對(duì)泥炭質(zhì)土壓縮特性的影響.文獻(xiàn)[13]對(duì)取自昆明和大理的泥炭質(zhì)土進(jìn)行次固結(jié)試驗(yàn),討論加荷比、加荷方式和固結(jié)壓力等對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響.可見,泥炭質(zhì)土固結(jié)沉降特性的研究尚不完善,且大部分研究未考慮土體結(jié)構(gòu)性的影響.

為此,本研究以取自于滇池國(guó)際會(huì)展中心附近某地鐵車站基坑工程埋深16.5～17.0 m的泥炭質(zhì)土原狀土樣和擾動(dòng)土樣為研究對(duì)象,進(jìn)行一維固結(jié)壓縮試驗(yàn),考慮土體結(jié)構(gòu)性的影響,研究泥炭質(zhì)土壓縮特性隨固結(jié)壓力的變化規(guī)律,以及不同固結(jié)壓力作用下土體壓縮變形的時(shí)程變化趨勢(shì).

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自于滇池國(guó)際會(huì)展中心附近某地鐵車站基坑工程,土層分布情況如下: ①1人工填土(深度0～4.7 m);②1-2粉質(zhì)粘土(深度4.7～6.7 m); ②3-2泥炭質(zhì)土(深度6.7～9.8 m);③4-3粉土(深度9.8～12.5 m);③1-3粉質(zhì)粘土(深度12.5～15.6 m); ③3-3泥炭質(zhì)土(深度15.6～17.7 m);③4-3粉土(深度17.7～25.8 m).本試驗(yàn)土樣選自第③3-3層泥炭質(zhì)土,取土深度為16.5～17.0 m.通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得土體的基本物理參數(shù).試樣的天然重度γ=13.1 kN·m-3,天然含水率ω=208.1%,有機(jī)質(zhì)燒失量ωu=40.3%,天然孔隙比e=2.55,土體液限和塑限含水率分別為190%和128%,滲透系數(shù)k0=1.03×10-4cm·s-2.

本試驗(yàn)采用常規(guī)WG型三聯(lián)中壓杠桿固結(jié)儀,雙面排水,試樣尺寸為30 cm2×2 cm,試驗(yàn)分為原狀土樣(A1,A2,A3)和擾動(dòng)土樣(B1,B2,B3)2組,固結(jié)時(shí)間為24 h,分級(jí)加卸載過程如下:25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→400 kPa→200 kPa.原狀土試樣根據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備.

為了更好地模擬施工對(duì)土體的擾動(dòng)狀態(tài),擾動(dòng)土樣采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)對(duì)原樣土進(jìn)行攪拌制備,攪拌前用濕毛巾對(duì)攪拌皿及攪拌刀進(jìn)行濕潤(rùn),減少攪拌過程對(duì)原狀土含水量的損失.由于泥炭質(zhì)土風(fēng)干后,難以研磨,且研磨加水浸泡24 h土粒仍未充分浸透,呈顆粒狀,與原狀土的粒徑(d,mm)分布有較大差異,如圖1所示,故擾動(dòng)土樣未按GB/T 50123—1999進(jìn)行重塑制備.圖2為采用LS13-320激光粒度儀(Beckman Coulter)測(cè)得泥炭質(zhì)土原狀樣與風(fēng)干重塑土樣的粒徑級(jí)配曲線.由圖2可知,兩者之間存在較大的差異.

圖1 不同狀態(tài)下的泥炭質(zhì)土樣

圖2 泥炭質(zhì)土粒徑級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓縮特性與固結(jié)壓力間的關(guān)系

為了確定泥炭質(zhì)土的前期固結(jié)壓力,采用兩種方法計(jì)算: 第1種是傳統(tǒng)Casagrande經(jīng)驗(yàn)作圖法,3組試樣壓縮曲線加載部分均呈反“S”趨勢(shì),通過作圖可以確定前期固結(jié)壓力分別為99,109和96 kPa,根據(jù)既定試驗(yàn)方案進(jìn)行壓縮試驗(yàn),得到試樣的e-lgp曲線,原狀土樣的壓縮曲線如圖3所示.其中e為孔隙比，p為固結(jié)壓力.

圖3 原狀土樣e-lg p曲線

第2種是Butterfield提出的ln(1+e)-lgp雙對(duì)數(shù)法,圖4為泥炭質(zhì)土原狀土樣的雙對(duì)數(shù)壓縮曲線,由此可以確定3組土樣的前期固結(jié)壓力分別為102,105和91 kPa.通過對(duì)比可以看出,兩種方法得到的前期固結(jié)壓力相近.但Casagrande經(jīng)驗(yàn)作圖法不易確定壓縮曲線最小曲率半徑位置,人為判斷誤差影響較大.而ln(1+e)-lgp雙對(duì)數(shù)壓縮曲線為兩個(gè)雙直線,交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的固結(jié)壓力即為土樣的前期固結(jié)壓力,其求解過程更為方便、快捷和準(zhǔn)確,因此后續(xù)采用該方法進(jìn)行分析.經(jīng)初步估算,上覆土層的有效應(yīng)力為128 kPa,故試驗(yàn)土樣的超固結(jié)比為0.71～0.82,可認(rèn)為該土層處于欠固結(jié)狀態(tài).

圖4 原狀土樣ln(1+e)-lg p曲線

圖5為擾動(dòng)土樣的ln(1+e)-lgp壓縮曲線.將圖5與圖4進(jìn)行對(duì)比可知: ① 擾動(dòng)土樣與原狀土樣的壓縮曲線具有相似的變化趨勢(shì),但與原狀土樣相比,擾動(dòng)土樣由于沒有結(jié)構(gòu)性的影響,平行組間在固結(jié)過程中壓縮曲線的一致性更好. ② 采用ln(1+e)-lgp雙對(duì)數(shù)法求得擾動(dòng)土樣的固結(jié)屈服壓力分別為60,72和68 kPa,均小于原狀土樣的前期固結(jié)壓力.表明泥炭質(zhì)土具有一定的結(jié)構(gòu)性,土體受到擾動(dòng)后,其結(jié)構(gòu)遭到破壞,土體強(qiáng)度顯著降低. ③ 原狀土樣在未達(dá)到前期固結(jié)壓力時(shí)變形較小,孔隙比變化量約為總變化量的20%,而同階段擾動(dòng)土樣的孔隙比變化量約占總變化量的35%.當(dāng)超過前期固結(jié)壓力(固結(jié)屈服壓力)后,兩種土樣壓縮變形均顯著增加.

圖5 擾動(dòng)土樣ln(1+e)-lg p曲線

圖6為原狀土樣與擾動(dòng)土樣壓縮指數(shù)Cc隨固結(jié)壓力的變化曲線.由圖6可知,當(dāng)土體固結(jié)壓力大于100 kPa時(shí),泥炭質(zhì)土的兩種土樣Cc均大于0.4,屬于高壓縮性土.總體來說,泥炭質(zhì)土的壓縮指數(shù)隨著固結(jié)壓力增大呈先增加后減小的趨勢(shì).對(duì)比兩種土樣壓縮指數(shù)曲線,由于原狀土樣具有一定結(jié)構(gòu)性,當(dāng)固結(jié)壓力較小時(shí)原狀土樣的壓縮指數(shù)小于擾動(dòng)土樣;隨著固結(jié)壓力增加原狀土樣壓縮指數(shù)逐漸增大,并超過擾動(dòng)土樣,這主要是由于固結(jié)壓力的增加,使原狀土體原有結(jié)構(gòu)性破壞,從而導(dǎo)致了固結(jié)壓力較大時(shí)其壓縮指數(shù)大于擾動(dòng)土樣.

圖6 固結(jié)壓力與壓縮指數(shù)關(guān)系曲線

泥炭質(zhì)土具有較強(qiáng)地域性,且埋深不同,其壓縮特性也存在較大差異.為此,將本研究固結(jié)壓縮試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[13]進(jìn)行對(duì)比,壓縮曲線如圖7所示.

圖7 ln(1+e)-lg p曲線對(duì)比圖

總體來看,兩者試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律較為相似,ln(1+e)-lgp雙對(duì)數(shù)壓縮曲線均呈雙直線形;在前期固結(jié)壓力(固結(jié)屈服壓力)變化趨勢(shì)方面,文獻(xiàn)[13]原狀土樣的前期固結(jié)壓力為40～62 kPa遠(yuǎn)小于本試驗(yàn)的91～105 kPa;文獻(xiàn)[13]中原狀土樣的前期固結(jié)壓力與擾動(dòng)土樣的屈服固結(jié)壓力較為接近,而本試驗(yàn)兩者則有顯著差異,原狀土樣的前期固結(jié)壓力遠(yuǎn)大于擾動(dòng)土樣,分析認(rèn)為引起該差異的原因在于土層埋深不同,與本研究土樣相比,文獻(xiàn)[13]土樣埋深較淺(6.2～8.9 m), 土體成層時(shí)間較短,地應(yīng)力相對(duì)較小,土體的結(jié)構(gòu)性也較弱,故擾動(dòng)土樣的屈服固結(jié)壓力與原狀土樣的前期固結(jié)壓力相差不大.

2.2 泥炭質(zhì)土一維固結(jié)時(shí)程分析

土體在外荷載作用下產(chǎn)生超孔隙水壓力,孔隙中的水分不斷排出,超孔隙水壓力逐漸減小,其消散速度快慢通常采用固結(jié)系數(shù)(Cv)來衡量.本研究通過一維壓縮試驗(yàn)得到各級(jí)固結(jié)壓力作用下原狀土樣壓縮量和時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用時(shí)間平方根法計(jì)算固結(jié)系數(shù),即

(1)

圖8為不同荷載作用下一維壓縮時(shí)程曲線(t為時(shí)間，min).據(jù)此計(jì)算出的固結(jié)系數(shù)Cv,見表1.

圖8 時(shí)間平方根法固結(jié)試驗(yàn)曲線

表1 泥炭質(zhì)土固結(jié)系數(shù)匯總 10-4 cm2.s-1

由圖8與表1可知: ① 兩種土樣在加載后很短的時(shí)間內(nèi)完成大部分壓縮,且隨固結(jié)壓力p增大,壓縮量逐漸增加. ② 隨著固結(jié)壓力增大,兩種土樣所對(duì)應(yīng)的固結(jié)系數(shù)均呈減小趨勢(shì),其中原狀土樣在固結(jié)壓力由100 kPa增加到200 kPa的過程中,固結(jié)系數(shù)變化尤為顯著.由于昆明地區(qū)泥炭質(zhì)土的結(jié)構(gòu)性強(qiáng),孔隙比大,滲透性較好,故當(dāng)固結(jié)壓力較小時(shí),孔隙水在超孔隙水壓力作用下能迅速排出,土體固結(jié)系數(shù)較大;隨著p增大,孔隙比逐漸減少,土體透水性變差,固結(jié)系數(shù)也相應(yīng)地變小.因此,土體的固結(jié)系數(shù)在壓縮過程中是一個(gè)變數(shù),隨著p的增大,固結(jié)系數(shù)逐漸減小,相比于擾動(dòng)土樣,原狀土樣結(jié)構(gòu)性強(qiáng),其變化趨勢(shì)更加顯著. ③ 昆明泥炭質(zhì)土有機(jī)質(zhì)含量高,且有機(jī)質(zhì)主要來源于植物根莖,具有良好的排水作用,故在p較小時(shí),擾動(dòng)土樣固結(jié)系數(shù)明顯小于原狀土樣.當(dāng)固結(jié)壓力超過200 kPa后,由于固結(jié)壓力較大,原狀土樣的結(jié)構(gòu)性遭到破壞,從而導(dǎo)致兩種土樣的固結(jié)系數(shù)較為接近.

土體在固結(jié)過程中,根據(jù)孔隙水壓力消散程度,其變形可分為主固結(jié)變形和次固結(jié)變形兩部分.由多級(jí)加載壓縮試驗(yàn)得到土樣孔隙比與時(shí)間對(duì)數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示.

圖9 原狀土樣的e-lg t曲線

由圖9可知: ① 每級(jí)固結(jié)壓力p作用下,土體的變形速率均經(jīng)歷由慢變快再變慢的過程.壓縮曲線后半段基本呈直線變化,這表明土體的壓縮變形已進(jìn)入次固結(jié)發(fā)展階段. ② 隨固結(jié)壓力的增大,e-lgt曲線表現(xiàn)出明顯的時(shí)間滯后現(xiàn)象,壓縮曲線呈反S形,且在中段與末段近似為兩段直線,將兩段直線的交點(diǎn)作為主次固結(jié)的分界點(diǎn),交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為tc,tc作為主固結(jié)完成的時(shí)間.隨時(shí)間的推移,在每級(jí)p作用下,土體主固結(jié)變形逐漸減小,而次固結(jié)變形呈上升趨勢(shì). ③ 隨固結(jié)壓力增加,昆明泥炭質(zhì)土的次固結(jié)特性更加顯著,且次固結(jié)變形在總體變形中所占比例越來越大,主、次固結(jié)的分界點(diǎn)tc也愈發(fā)清晰.這與上海、福州及廣東等地的一般軟土隨著固結(jié)壓力的增加e-lgt曲線逐漸趨近于一條直線[14-16]具有明顯不同.這是由于昆明泥炭質(zhì)土有機(jī)質(zhì)含量較高,外荷載作用下土體中有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生壓縮變形,而有機(jī)質(zhì)主要由纖維素和腐殖質(zhì)組成,其中包含大量的非自由水.在長(zhǎng)期外荷載作用下,有機(jī)質(zhì)骨架發(fā)生蠕變變形,部分結(jié)合水排出,整個(gè)變形過程雖然緩慢,但變形量相當(dāng)可觀,在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮.

為研究不同p作用下泥炭質(zhì)土原狀土樣與擾動(dòng)土樣的固結(jié)時(shí)間,根據(jù)圖8,9,通過作圖法分別求解固結(jié)度達(dá)到90%的固結(jié)時(shí)間t90和主固結(jié)時(shí)間tc,結(jié)果見表2.由表2可知,兩種土樣的tc都遠(yuǎn)大于t90,完成后續(xù)10%的主固結(jié)沉降需要較長(zhǎng)時(shí)間,甚至超過前期t90,這表明在主固結(jié)沉降后期已伴隨著次固結(jié)沉降的發(fā)生.

表2 不同p作用下固結(jié)時(shí)間對(duì)比

表3為本試驗(yàn)得到不同p作用下的壓縮指數(shù)與次固結(jié)系數(shù).

表3 不同p作用下壓縮指數(shù)與次固結(jié)系數(shù)對(duì)比

由表3可知:當(dāng)固結(jié)壓力為200～800 kPa時(shí),昆明地區(qū)泥炭質(zhì)土的次固結(jié)系數(shù)Cα為0.071～0.101,遠(yuǎn)大于一般軟粘土的0.001～0.030[13],且隨著p增加,擾動(dòng)土樣的次固結(jié)系數(shù)逐漸接近于原狀土樣.根據(jù)研究[17]表明,泥炭及泥巖沼澤原狀土的Cα/Cc為0.050～0.070,而本試驗(yàn)結(jié)果為0.056～0.080,范圍基本一致.將土體的次壓縮系數(shù)εα=Cα/(1+e)作為評(píng)價(jià)昆明地區(qū)泥炭質(zhì)土的次固結(jié)特性標(biāo)準(zhǔn),本試驗(yàn)的εα主要分布范圍為2.00%～2.85%.根據(jù)1973年G. MESRI提出的土體次壓縮特性劃分標(biāo)準(zhǔn)[18],昆明泥炭質(zhì)土屬于高次壓縮性或很高次壓縮性土體.

3 結(jié) 論

1) 原狀土樣在未達(dá)到前期固結(jié)壓力時(shí)變形較小,孔隙比變化量約為總變化量的20%,而擾動(dòng)土樣則變形較大，孔隙比變化量約35%.表明昆明泥炭質(zhì)土具有一定的結(jié)構(gòu)性,土體受到擾動(dòng)結(jié)構(gòu)破壞后,土的壓縮性顯著增加.

2) 當(dāng)固結(jié)壓力超過100 kPa時(shí),泥炭質(zhì)土的壓縮指數(shù)值均大于0.4,屬于高壓縮性土.固結(jié)壓力較小時(shí)原狀土樣的壓縮指數(shù)小于擾動(dòng)土樣;隨著固結(jié)壓力增加原狀土樣壓縮指數(shù)逐漸增大并超過擾動(dòng)土樣.

3) 對(duì)于昆明泥炭質(zhì)土,無論是原狀土樣還是擾動(dòng)土樣在加載后很短時(shí)間內(nèi),完成大部分壓縮.隨著固結(jié)壓力的增加,土體的固結(jié)系數(shù)呈逐漸減小趨勢(shì),由于原狀土樣具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性,固結(jié)壓力由100 kPa增加為200 kPa過程中,土樣固結(jié)系數(shù)變化尤為顯著.當(dāng)超過200 kPa后,由于原狀土樣的結(jié)構(gòu)性遭到破壞,兩種土樣的固結(jié)系數(shù)較為接近.

4) 在各級(jí)固結(jié)壓力作用下,泥炭質(zhì)土樣固結(jié)度達(dá)到90%時(shí)所需時(shí)間較短,而完成后續(xù)10%的主固結(jié)沉降需要較長(zhǎng)的時(shí)間,這表明在主固結(jié)沉降的后期已伴隨著次固結(jié)沉降的發(fā)生.

5) 昆明地區(qū)泥炭質(zhì)土的次固結(jié)系數(shù)為0.071～0.101,遠(yuǎn)大于一般軟粘土,而次壓縮特性主要分布范圍為2.00%～2.85%,屬于高次壓縮性或很高次壓縮性土.

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