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)濟技術研究院,成都 610041;2.國網(wǎng)四川省電力公司,成都 610041;3.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

泥炭土是在缺氧情況下,大量分解不充分的植物殘體積累所形成的土壤,主要是由有機殘體(以植物殘體為主)、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,紅原縣境內(nèi)泥炭土儲量約1.6×109m3［1］。

研究表明,泥炭土的強度受腐殖化程度(纖維含量)的影響強烈［2-3］。纖維間宏觀上存在相對較大的孔隙,即使適度施加負荷,也會隨著水的排出而產(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胞結構,從而提高其持水能力,并且它通常表現(xiàn)出低剪切強度及極高的壓縮性。國內(nèi)外大多數(shù)學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)泥炭土在長時間加載條件下,殘余纖維的滑動將其重新排列以形成更致密的基質(zhì),從而影響各種固結參數(shù);韓伶敏等［5］以吉林敦化市江源鎮(zhèn)典型季凍區(qū)泥炭土為研究對象,提出纖維含量越高,壓縮性越強,兩者呈正相關性的規(guī)律,得出該地區(qū)泥炭土固結系數(shù)Cv范圍為(1.00～8.39)×10-3cm-2/s;馮瑞玲等［6］對高分解度泥炭土進行固結壓縮試驗研究,有機質(zhì)含量較高的泥炭土主固結時間較短,受固結壓力的影響較小,并呈現(xiàn)出較為明顯的蠕變性;M.T.Hendry等［7］認為纖維的存在引起的不排水剪切強度c′和φ′的值各不相同,通過不排水三軸測試分析了高纖維泥炭土的剪切強度特性,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,但是纖維泥炭內(nèi)摩擦角總是表現(xiàn)出異常高,并得出有關泥炭土殘余纖維抗剪強度公式;Zhang L.等［8］指出有效應力原理和常用的土力學強度模型,包括Mohr-Coulomb破壞準則與泥炭的機械行為具有足夠高的相關性,總結了纖維泥炭和其他有機土壤的主要本構理論和模型;桂躍等［9］使用了多種剪切方法,包括快剪、慢剪、固結快剪對泥炭土中纖維加筋作用及機理的影響進行了研究,也驗證了直剪試驗對于消除水平纖維的加筋作用的合理性。

本文針對川西高原地區(qū)泥炭土纖維含量對抗剪強度和壓縮性的影響進行了研究,根據(jù)標準一維固結試驗、直剪試驗結果與SEM觀察手段,組合分析了纖維含量對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。所取土樣根據(jù)規(guī)范標準包含了半纖維、高分解泥炭土。在紅原地區(qū)選取典型泥炭土進行現(xiàn)場取樣,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,并及時開展室內(nèi)物理力學特性試驗。在本次試驗研究中選取不同深度、不同纖維含量(Fc)泥炭土來細化各纖維梯度對其工程性質(zhì)的影響,所使用的土樣如圖1所示。根據(jù)泥炭土試驗標準ASTM(D2974-14)［10］,得到所取試樣的物理力學基本性質(zhì)如表1。根據(jù)ASTM(D1977)［11］標準對纖維質(zhì)泥炭土進行分類,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 試驗方法

一維固結壓縮試驗采用杠桿加載固結儀,將高2 cm、截面積 30 cm2進行逐級加載。按照《土工試驗方法標準》每級壓力下固結24 h或1 h,變形量不大于0.01 mm［12］視為穩(wěn)定。

直剪試驗中采用直徑為61.8 mm,高度20 mm的環(huán)刀切取8組原狀土樣,采用四聯(lián)應變控制式直剪儀對進行不固結不排水的快速剪切試驗。分別施加50、100、150、200 kPa的法向應力,選取剪切速度為0.8 mm/min進行剪切試驗。為確保結果的準確性,直剪試驗和一維固結壓縮試驗皆進行平行試驗,試驗結果取平均值。

3 試驗結果與分析

3.1 不同纖維含量泥炭土的固結—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,使得在較小的固結壓力(p)下(0～12.5 kPa)孔隙比大幅度減小,并隨固結壓力的增加遞減幅度變小。L.S.Wong等［13］通過大量固結試驗指出纖維含量較高導致土體結構疏松,使得孔隙比隨纖維含量的增加呈現(xiàn)明顯的增勢。

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。圖3、圖4為在逐級加載下纖維含量與壓縮系數(shù)、壓縮模量的關系曲線,隨著纖維含量的增大,壓縮模量與纖維含量呈負相關,壓縮系數(shù)與纖維含量呈正相關,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。試驗獲得的紅原地區(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 各分級荷載下壓縮系數(shù)與纖維含量的關系曲線Fig.3 The relationship curve between compression coefficient and fiber content under different load classes

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

3.1.3 泥炭土的固結系數(shù)

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

3.2.1 泥炭土的τ-s曲線特征

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

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

3.2.2 泥炭土的抗剪強度與法向應力曲線特征

對4個纖維含量泥炭土進行快剪試驗,按照規(guī)范［14］取剪切位移為6 mm時對應的剪應力為抗剪強度值,繪制不同纖維含量條件下抗剪強度(τf)與法向應力(σ)的關系曲線如圖7,并確定其抗剪強度指標。

從圖7可見,隨著法向應力的增加,各纖維含量的泥炭土抗剪強度增加。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聚體的膠結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致的各向異性對抗剪強度的影響,得出纖維含量對泥炭土的強度能起到增強作用。在相同的法向應力作用下,抗剪強度隨著纖維含量的增大而增大,當纖維含量大于20%時,抗剪強度反而減小,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。這是由于植物纖維架空的土體結構具有更多的孔隙,松散的結構在快剪試驗中沒有被充分壓實,處在未完全固結狀態(tài),植物纖維與土顆粒,土顆粒之間的咬合作用較弱,使得抗剪強度減小。

3.2.3 泥炭土的抗剪強度參數(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,試樣纖維含量達到44%時,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,黏聚力減小幅度較小,而內(nèi)摩擦有較大幅度的增加。當纖維含量大于20%,黏聚力減小幅度較大,內(nèi)摩擦角增大幅度放緩。根據(jù)抗剪強度指標的變化趨勢,隨著纖維含量的增加,泥炭土抵抗剪切作用的強度指標逐漸呈現(xiàn)出由黏聚強度轉化為摩擦強度的趨勢。針對黏聚力、內(nèi)摩擦角和纖維含量的關系,引入2個與纖維含量有關的二元一次方程(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)摩擦角相關系數(shù)較高,有良好的相關性。

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度指標的擬合參數(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 泥炭土微細觀結構對工程特性的影響分析

泥炭土主要由大顆粒(主要為粉粒)、黏粒團聚體、有機質(zhì)膠體及植物纖維殘體構成。張震豪［17］對云南地區(qū)泥炭土進行了大量微觀結構的分析,認為泥炭土中的孔隙結構可以分為礦物顆粒間的孔隙、植物殘體間的孔隙、植物內(nèi)部孔隙以及植物殘體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)組成和微觀結構對其工程特性的影響,選取本文研究的高分解泥炭土與半纖維泥炭土進行電鏡掃描,結果如圖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體非常明顯,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”于礦物顆粒團體,或者“穿過”并“連接”于土顆粒團體。正是這樣的架空結構和植物團聚體內(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構、各類團聚體壓密形成土骨架所需要的法向應力也越高,這也解釋了纖維含量大于20%時其抗剪強度沒有繼續(xù)增大反而減小的現(xiàn)象。這一規(guī)律與已有研究成果結論一致。O’Kelly等［18］認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提供的,這導致土壤的剪切強度降低。隨著纖維含量的增大(大于20%),導致土體結構松散,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,抗剪強度指標中摩擦強度的貢獻要大于黏聚強度的貢獻,使得摩擦強度較高,內(nèi)聚強度較弱。

圖9-B是纖維含量為20%的高分解泥炭土,可見礦物顆粒以團粒狀出現(xiàn),由架空結構形成的大孔隙較少,分布著粒徑<75 μm的粉粒,形成較多礦物顆粒間的孔隙結構。蔣忠信［19］指出,腐殖酸會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)結方式。圖9-B1可明顯發(fā)現(xiàn)礦物顆粒呈現(xiàn)出團粒狀的形貌。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。隨著法向應力增大,土中團聚體逐步壓實,纖維與土顆粒之間的咬合作用提高,使得抗剪強度增大。大顆粒由微小土顆粒團體、有機質(zhì)膠體所包裹(圖9-B2藍色區(qū)域)導致黏聚強度增大,同時產(chǎn)生一定的滑動摩擦。

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”結構［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度較為微弱,抗剪強度主要由逐步壓實后礦物顆粒團體與有機質(zhì)膠體來提供。導致抗剪強度指標中黏聚強度最大,土顆粒間摩擦強度也相對較小。

5 結論

利用固結試驗和剪切試驗對川西高原泥炭質(zhì)土中纖維含量對其力學特征的影響進行了分析,并結合電鏡掃描觀察手段,研究了微觀結構和物質(zhì)組成對其工程特性影響機理,可得出以下結論:

a.一維固結試驗結果表明,土樣的初始孔隙比相差較大,在較小的固結壓力下(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。固結系數(shù)Cv隨著纖維含量的增加而增加,隨著固結壓力的增加,固結系數(shù)呈現(xiàn)大幅度下降至相對平緩的趨勢。

b.抗剪強度試驗表明,施加50～200 kPa法向應力,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度有所增加;纖維泥炭土的抗剪強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度指標逐漸呈現(xiàn)出由黏聚強度轉化為摩擦強度的趨勢。

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