Experimental study on laws of compression and rebound deformation of peaty soil
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摘要: 通过室内固结回弹试验对泥炭土的压缩及回弹变形特征进行了研究,重点分析了泥炭土压缩性和回弹性参数的取值范围及变化规律。试验结果表明,泥炭土的压缩指数和回弹指数都远大于无机质软土,且随着有机质含量的增大,两者呈明显增大趋势,Cc/Ce的平均值为5.66。在泥炭土的卸载回弹段,各组试样的临界卸荷比约为0.5,大于此值之后,回弹变形明显增长,极限卸荷比为0.9,大于此值后回弹变形发展最为强烈,另外,卸荷比R与回弹率δ之间呈幂函数关系,而与回弹模量Er之间呈线性关系,并给出了相应的拟合关系式,可据此对泥炭土回弹指标进行估算。Abstract: Based on the compression-rebound tests on peaty soil, the basic laws of compression and rebound deformation are studied. Analysis is focused on the range and change regularities of compressibility and resilience parameters of peaty soil. The test results show that the compression and swelling index of peaty soil are far greater than those of inorganic soft soil, and along with the increase of organic matter content, the values of both parameters increase significantly. The ratio of Cc/Ce is 5.66 in average. During the unloading-rebound process, when the unloading ratio is higher than 0.5, the rebound deformation increases obviously, and when higher than 0.9, it increases sharply. Moreover, it is shown that, with a rise of the unloading ratio, the rebound deformation ratio increases as a form of power function and the rebound modulus decreases linearly, in addition, the corresponding fitting relationships are established to estimate the resilience parameters of peaty soil.
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Keywords:
- peaty soil /
- compression /
- rebound /
- organic matter /
- compression-rebound test
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0. 引言
泥炭土是一种富含有机质的特殊软土,是在植被丰富、水量充沛的泥炭地或沼泽环境下各种植物残体分解后缓慢沉积形成的。由于特殊的形成环境与机理,泥炭土组成成分复杂,通常表现出一些特殊的物理力学特征,如土体结构复杂、密度小、孔隙比大、含水率高、压缩性高、剪切强度低等[1],属工程性质极差的特殊土。泥炭土在全球分布十分广泛,总面积达415×104 km2以上,其中中国泥炭土分布面积约为4.2×104 km2[2]。随着中国城市建设的深入,与泥炭土相关的工程问题也逐渐凸显,学者们已针对泥炭土进行了相关研究并取得了一些具有参考价值的成果[3-4]。
卸荷条件下软土的工程性质一直是工程界比较重视的问题,尤其是在城市建设过程中的超深超大基坑、地铁隧道等工程应用越来越多,对软土卸荷回弹问题的研究不断深入。潘林有等[5]从试验出发,对土的卸荷特性进行了研究,提出了一种估算回弹变形量的简易方法。何平等[6]对比了国内外经验关系,给出了上海黏土压缩指数和回弹指数与含水率等物理指标的拟合关系式,并提出了基于初始孔隙率的压缩指数和回弹指数经验关系,为回弹分析提供了新的思路。但对于泥炭土这种特殊土的卸载回弹特性的研究还很少,原因是以往工程都尽量避免将泥炭土作为地基,但在当前的城市发展速度下,该类特殊土的软基问题已无法回避,因此,有必要开展针对泥炭土回弹特性的研究为相关工程的设计和施工提供参考和借鉴。
目前文献中对土体回弹变形规律的研究主要仍是采用室内固结回弹试验,本文通过对昆明滇池地区泥炭土的室内固结回弹试验,分析了其在逐级加卸载条件下的压缩及回弹变形特征,并给出了泥炭土压缩及回弹指标间的一些相关性关系。
1. 土样基本特性
本文试验的泥炭土样取自云南省昆明市城区西南部的滇池地区,取样场地位于滇池北部的草海以东约450 m。采用薄壁取土器（内径96 mm,高20 cm）取样尽量减少扰动,土样取出后马上蜡封防止水分蒸发。
取得的原状泥炭土呈棕褐色或黑色,对土样物理指标的测定主要参考ASTM试验标准中针对泥炭土的相关方法和建议[7]。ASTM标准中,泥炭土含水率试验的烘干温度为110±5℃,有机质含量试验的灼烧温度为440±40℃,其他指标的试验方法与常规无机质黏土基本相同。本文试验的8组试样分别取自4个取样桶,每桶取代表性土样测定物理指标,有机质含量则采用固结试验完成后拆下的完整试样进行测定,以减小因有机质分布不均匀造成的误差。最终得到的原状泥炭土物理指标如表1所示。
表 1 泥炭土原状样物理指标表Table 1. Physical parameters of samples取样桶编号 试样编号 密度/(g·cm-3) 含水率/% 孔隙比 相对质量密度 有机质含量/% ① 1-1 1.01 282 5.45 1.70 62.90 1-2 55.20 ② 2-1 1.18 191 4.10 2.08 38.17 2-2 33.23 ③ 3-1 1.21 183 3.94 2.11 32.23 3-2 36.70 ④ 4-1 1.24 183 3.88 2.13 27.59 4-2 25.87 从表1可以看出,泥炭土具有密度小、含水率高、孔隙比大、有机质含量高的特点,试样1-1的含水率达到282%,孔隙比5.45,有机质含量62.90%,都远远大于常规软土。这种特殊的物理性质必然会造成其力学响应与常规软土有所不同。
2. 试验方法及方案
本文固结试验采用常规WG型单杠杆固结仪,双面排水,砝码手动加载,试验过程中通过位移表读取试样竖向变形,读数精确到0.001 mm。试样为标准尺寸环刀样,直径61.8 mm,高度20 mm。固结试验采用逐级加载的方式,加荷比为1,加载等级依次为12.5,25,50,100,200,400,800 kPa,然后从800 kPa逐级卸载至12.5 kPa,每级荷载持续时间均为1 d。
2. 试验结果分析
2.1 泥炭土压缩和回弹曲线特征
固结试验结果见图1,图中实线为e-lg p曲线,虚线为Cc-lg p曲线（压缩指数与固结压力关系）。从e-lg p曲线可看出,各试样压缩性不同,尤其是1-1和1-2两组有机质含量在55%以上的试样曲线显著高于其它组,说明有机质的存在对泥炭土压缩性影响明显,有机质含量越高,初始孔隙比越大,压缩变形也越大,当固结压力达到50 kPa时,曲线出现拐点,之后线性下降。在卸载回弹段则表现出明显线性特征,随固结压力减小,回弹变形基本呈线性增大的趋势。
从Cc-lg p曲线可看出,逐级加载过程中,试样的压缩指数整体呈先线性增加,200～400 kPa时达到峰值之后缓慢下降的趋势,这是由固结过程中土体结构的逐步破坏造成的[8]。不同有机质含量试样的压缩指数也有明显差异,有机质含量较高的1-1和1-2的压缩指数峰值达到2.29和2.14,有机质含量最小的试样4-2压缩指数峰值也能达到1.58,远大于常规软土。
从上文固结曲线可看出,有机质对泥炭土样的压缩回弹特性影响明显。取压缩指数和回弹指数与有机质含量指标绘于图2,可看出随着有机质含量增大,压缩指数和回弹指数都表现出明显的增大趋势,即有机质含量越高,压缩指数和回弹指数也越大。
压缩指数与回弹指数反映土样压缩和回弹特性,两者比值代表了压缩和回弹间的关系,由何平等[6]的研究,上海正常固结黏土的Cc/Ce值分布为4.8～6.9,平均值为5.8。图3给出了泥炭土压缩指数和回弹指数比值分布,可看出泥炭土的Cc/Ce值分布范围比上海黏土小,为5.40～5.99。图4为不同有机质含量下Cc/Ce值的分布,可看到不同有机质含量试样的Cc/Ce值基本都分布在同一水平线附近,说明有机质含量大小对Cc/Ce值没有显著影响,有机质含量为25.87%试样的比值与有机质含量为62.90%的试样也相差不大。
2.2 泥炭土的回弹参数特征
表征土样回弹变形特征的参数主要包括[5,9]：卸荷比R、回弹率δ、回弹模量Er,
R=（pmax−pi）/pmax, (1) δ=（ei−emin）/emin, (2) Er=pmax−piei−emin×(1+emin)=pmax−pin0δ。 (3) 式中 R为卸荷比或卸荷水平；
pmax 为竖向最大预压荷载；pi为第i级卸载后的上覆荷载；δ为回弹率；emin为最大预压荷载下土样的孔隙比；ei为第i级卸荷后回弹稳定时土样的孔隙比；Er为回弹模量；n0为原位初始荷载下土样的孔隙率,n0=emin/(1+emin) 。（1）卸荷比R与回弹率δ关系
泥炭土各试样回弹阶段不同卸荷比下的回弹率曲线见图5,可看出各组曲线的变化趋势基本一致,随卸荷比增大,回弹率也随之增大,且增大速率逐渐变大。当卸荷比为0.5,即卸载到400 kPa时,各试样回弹率都较小且相差不大,卸荷比大于0.5后,回弹率开始明显增长,因此可将R=0.5认为泥炭土临界卸荷比,且随卸荷比增大,虽然不同试样的回弹率值差异也有所增大,但没有表现出明显与有机质含量的相关性。而当卸荷比大于0.9后,各组试样的回弹率都超过0.1,说明此时回弹已比较强烈,可把R=0.9视为泥炭土回弹变形的极限卸荷比[9],这与余志华等[10]对泥炭土的研究结果也基本符合,当卸荷比接近1时,各组试样的回弹率范围为0.28～0.42,远大于无机软土如淤泥质土（δ在0.05左右）[11]。采用幂函数对各组泥炭土试样的卸荷比-回弹率关系曲线进行拟合,
δ=a+bRc, (4) 式中,a,b,c均为幂函数的参数。
最终拟合结果如表2所示,可以看出,各组试样拟合结果与试验结果一致性都较好,相关系数在0.98以上,而且a,b,c值的变化范围都不大。可以用各组试样在不同卸荷比下的回弹率平均值进行拟合得到泥炭土卸荷比和回弹率之间的经验关系,
δ=0.04497+0.30447×R9.6132。 (5) 表 2 泥炭土δ-R曲线拟合参数表Table 2. Fitting parameters of δ-R curves for peaty soil土样编号 a b c 相关系数R2 1-1 0.04845 0.30226 8.37486 0.98960 1-2 0.03703 0.29715 9.01727 0.98806 2-1 0.05747 0.40530 10.20866 0.98609 2-2 0.04131 0.29090 10.74710 0.98371 3-1 0.03875 0.26465 9.49122 0.98683 3-2 0.04692 0.30464 9.89520 0.98529 4-1 0.04450 0.28606 9.35651 0.98573 4-2 0.04494 0.28772 9.97532 0.98549 在缺乏试验数据的情况下,可根据这个经验关系对泥炭土卸荷条件下的回弹量进行估算。
（2）卸荷比R与回弹模量Er关系
回弹阶段不同卸荷比下试样的回弹模量如图6所示,可以看出各试样回弹模量随卸荷比的不断增大整体呈线性减小趋势,卸荷比R超过临界值0.9后曲线斜率略增大,即回弹模量减小速率变大,回弹变形发展加快,这也与上文回弹率的变化规律一致。有机质含量较低的试样曲线普遍高于含量较高的试样,即有机质含量越高,回弹模量越低,回弹变形也越大。可对卸荷比-回弹模量关系曲线进行线性拟合,
Er=mR+n, (6) 式中,m,n为拟合参数。
最终拟合结果如表3所示,可以看出各组试样的拟合结果与试验结果一致性都较好,但不同试样的m和n值离散性较大,不宜直接取平均值进行关系拟合。
表 3 泥炭土Er-R曲线拟合参数表Table 3. Fitting parameters of Er-R curves for peaty soil土样编号 m n 相关系数R2 1-1 -23.22377 26.92542 0.99261 1-2 -36.80832 40.17938 0.99921 2-1 -27.42758 30.71243 0.99488 2-2 -36.84881 41.07909 0.99559 3-1 -35.79978 40.36811 0.99582 3-2 -31.25467 35.56501 0.99259 4-1 -30.84819 35.23659 0.99352 4-2 -31.32839 35.85499 0.98929 3. 结论
（1）泥炭土压缩指数和回弹指数变化范围分别为1.510～2.288,0.278～0.392。压缩指数与回弹指数的比值Cc/Ce分布范围为5.40～5.99,平均值为5.66。
（2）泥炭土压缩指数和回弹指数都与有机质含量表现出明显相关性,两者均随有机质含量的增大呈增大趋势,但Cc/Ce与有机质含量无关。
（3）泥炭土的临界卸荷比约为0.5,极限卸荷比为0.9。卸荷比R与回弹率δ之间呈幂函数关系,与回弹模量Er之间呈线性关系。
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表 1 泥炭土原状样物理指标表
Table 1 Physical parameters of samples
取样桶编号 试样编号 密度/(g·cm-3) 含水率/% 孔隙比 相对质量密度 有机质含量/% ① 1-1 1.01 282 5.45 1.70 62.90 1-2 55.20 ② 2-1 1.18 191 4.10 2.08 38.17 2-2 33.23 ③ 3-1 1.21 183 3.94 2.11 32.23 3-2 36.70 ④ 4-1 1.24 183 3.88 2.13 27.59 4-2 25.87 
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表 2 泥炭土δ-R曲线拟合参数表
Table 2 Fitting parameters of δ-R curves for peaty soil
土样编号 a b c 相关系数R2 1-1 0.04845 0.30226 8.37486 0.98960 1-2 0.03703 0.29715 9.01727 0.98806 2-1 0.05747 0.40530 10.20866 0.98609 2-2 0.04131 0.29090 10.74710 0.98371 3-1 0.03875 0.26465 9.49122 0.98683 3-2 0.04692 0.30464 9.89520 0.98529 4-1 0.04450 0.28606 9.35651 0.98573 4-2 0.04494 0.28772 9.97532 0.98549
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表 3 泥炭土Er-R曲线拟合参数表
Table 3 Fitting parameters of Er-R curves for peaty soil
土样编号 m n 相关系数R2 1-1 -23.22377 26.92542 0.99261 1-2 -36.80832 40.17938 0.99921 2-1 -27.42758 30.71243 0.99488 2-2 -36.84881 41.07909 0.99559 3-1 -35.79978 40.36811 0.99582 3-2 -31.25467 35.56501 0.99259 4-1 -30.84819 35.23659 0.99352 4-2 -31.32839 35.85499 0.98929
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