有机质对软土次固结特性的影响机制研究*

2022-05-11贺建清陈立国胡惠华陈秋南

工程地质学报 2022年2期

贺建清王朦陈立国胡惠华陈秋南

(①湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室，湘潭 411201，中国)(②中南大学土木建筑学院，长沙 410075，中国)(③湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙 410007，中国)(④湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410200，中国)

0 引言

湖相地区软土往往是在静水和缓慢水流中经过生化作用而形成的，一般具有有机质含量高、天然含水量变化幅度大等特征(杨可铭，1981)。流变特性是土体基本特性之一，由于有机质的存在，软土地基在长期荷载作用下，易产生次固结变形。近年来，由次固结引起的工后沉降问题日益突出，给软土地区经济发展和城市建设带来严重影响，对于有机质含量较高的软土地基，由于次固结引起的工后沉降不容忽视(高彦斌等，2004；刘忠玉等，2019；孙萍萍等，2020)。因此，研究有机质对湖相软土次固结特性的影响对确保湖区软土工程的安全营运和控制工后沉降具有重要的现实意义。

目前，有机质对软土流变性质影响的研究主要集中两个方面：一是对高有机含量泥炭土的次固结特性进行研究，如蒋忠信(1994)、桂跃(2015)提出泥炭土的次固结特性符合太沙基理论，其影响因素的分析可参照一般软土的研究方法；Badv et al.(2012)研究发现有机质含量不同的泥炭土，固结压力在12.5～200 kPa范围内，其次固结系数Cα随固结压力的增大而增大；Santagata et al.(2008)通过高有机质泥炭土与非有机质土的室内试验对比发现高有机质泥炭土压缩蠕变更为显著；冯瑞玲等(2019)通过对有机质含量不同的泥炭土进行一维蠕变试验，发现泥炭土的有机质含量越高，次固结变形量越大，强泥炭土的次固结沉降速率与先期固结压力有关。二是从细观的角度进行软土流变的初步探讨，谷任国(2009b)采用改进的直剪蠕变仪对不同含量有机质的软土试样进行剪切蠕变试验，提出有机质通过吸附于土颗粒表面的结合水影响土的流变性质，其中强结合水是土体产生流变的主要因素，弱结合水则是相对次要因素；Ou et al.(2017)提出了改进的西元模型，其拟合结果表明有机质含量是影响软土蠕变的重要因素，且有机质含量与流变模型的参数具有良好的相关性。至于有机质对软土次固结特性的影响机制的研究鲜有涉及。

本文拟在已有研究成果的基础上，对不同有机质含量重塑软土试样进行一维固结蠕变试验，采用容量法测定其吸附结合水含量，根据一维固结蠕变试验结果分析有机质含量对软土次固结特性的影响，确定吸附结合水含量与有机质含量的关系，分析软土的蠕变特征，探究有机质对软土次固结特性的影响机制。

1 试验研究方案

1.1 试样制备

试验软土取自洞庭湖区南益高速公路地表以下21.1～23.5 m处，系砂纹淤泥质土，其矿物组成中，占比例最大的为石英，其次为白云母，此外还有少量的绿泥石，有机质含量约为3%。其基本物理性质指标见表1。

表1 土样基本物理力学性质指标

制样步骤如下：

(1)将取得的原状土风干、研磨过0.05 mm筛，加水搅拌均匀。

(2)研磨泥炭土，过0.05 m筛，泥炭土为长白山天然泥炭土，购自吉林省敦化市大桥裕家炭地，有机质含量>70%。

(3)测定试验用土含水量，按设计掺量将泥炭土掺入软土中，充分拌匀，全面保证有机质与黏土颗粒之间的相互作用(熊毅，1979)。

(4)将高度2 cm，截面积30 cm2的环刀压入预制有机质土，削平环刀两端，称重。共切取6组有机质含量不同的土样(含1组重塑天然土样)，每组2个土样，2个土样质量相差不超过1 g。

(5)将有机质土样置于20 ℃恒温环境中养护7 d后进行固结蠕变试验。针对人工配制而成的有机质土，如果养护时间超7 d时，那么有机质与土颗粒反应已经较为充分，配制而成的有机质土的各项物理力学性质已经基本稳定(姜爽，2015；李高山等，2019)。

1.2 试验仪器及方法

固结试验仪器采用WG型单杠杆固结仪进行，固结过程中保持试样双面排水。

饱和试样，采用不卸载的方式，从小到大逐级加荷至12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1600 kPa、3200 kPa。每级荷载维持7 d。每级荷载施加后，前24 h内参照《土工试验方法标准》(GB/T 50213-2019)(中华人民共和国国家标准编写组，2019)测读百分表，24 h后每隔24 h测读一次直至固结蠕变试验结束。

1.3 有机质含量测定

将已完成固结蠕变试验的试样烘干、研磨过0.05 mm筛，参照《土工试验方法标准》(GB/T 50213-2019)(中华人民共和国国家标准编写组，2019)，采用重铬酸钾容量法对试样中的有机质含量进行测定。表2为土样通过试验测得的有机质含量，其中1#组为重塑天然土样，表中OMC代表土中的有机质含量。

表2 试验土样有机质含量

1.4 吸附结合水含量测定

1.4.1 测量方法及原理

试验采用容量法。试验原理：将已完成固结蠕变试验的试样烘干过筛后，倒入装有一定量水的特制容量瓶中，由于自由重力水的密度小于吸附结合水的密度，当黏土吸附结合水慢慢形成时，瓶中水的体积必定会缩小。通过对瓶中水体积的变化量进行量测，再通过下式计算吸附结合水含量(李文平等，1995)。

(1)

(2)

(3)

1.4.2 试验操作步骤

(1)将玻璃质容量瓶、漏斗等置于125 ℃的环境中烘干并进行冷却，并将有机质含量不同的土样分别进行研磨并过0.05 mm筛，整个试验中需要确保水体和试验室恒温，且不受其他热源、冷源影响。

(2)取30 g研磨后的试验土样和适量水注入容量瓶中，对容量瓶进行振荡，使土样浸泡均匀和排出土样内部的气体，使用滴管滴定后用带微孔塞子塞好瓶口。因水中化学成分对黏性土吸附结合水含量大小有一定影响，为了使试验结果更接近工程实际，本文试验采用自来水，而不是蒸馏水(李文平等，1995)。

(3)增做“瓶加水”的对比试验，主要目的是对温度及可能蒸发的水分进行校正。

(4)当试样每浸泡24 h内需要进行1～2次轻微振荡，从而加快土粒的分散和气泡的排出(吴凤彩，1984)。

(5)每天定时量测容量瓶中水体积减少量ΔVtj和室温。量测容量瓶中水体积减少量ΔVtj的方法：先使用胶头滴管吸水至最大量程位置，再往其中滴水直至容量瓶液面最低凹面处与容量瓶刻度线保持水平，此时ΔVtj为胶头滴管滴入水中的水量。

(6)重复以上4～5步骤，并记录容量瓶中水的体变ΔVtj，待水位稳定2～3 d后观测结束。

吸附结合水形成过程见图1，因变化规律几乎一致，受篇幅限制，只列举1#组土样(重塑天然土)、3#组土样(人工有机质土)吸附结合水的形成过程。如图1所示，有机质干黏性土在浸泡条件下，因每个土样的分散和排气速度不尽相同，每个土样吸附水分的快慢也不完全相同，但最终吸附结合水含量趋于稳定。不同有机质含量黏土的吸附结合水含量列于表3。图1、表3显示，土中有机质含量越高，吸附结合水含量越大。

表3 试验土样的吸附结合水含量

图1 吸附结合水的形成过程

以有机质含量OMC为横坐标，吸附结合水含量Wg为纵坐标，绘制吸附结合水含量Wg与有机质含量OMC的关系曲线，如图2所示，土中的有机质含量OMC越高，其吸附结合水含量Wg越大，吸附结合水含量Wg与有机质含量OMC呈线性递增关系，相关系数超过0.9，相关性较好，可用式(4)拟合：

图2 试样吸附结合水含量Wg与有机质含量OMC的关系

(4)

式中：α、β为拟合参数。

2 固结蠕变试验结果分析

2.1 软土蠕变特征分析

图3为通过一维固结蠕变试验得到的土样的e-lgt关系曲线，因变化规律几乎一致，受篇幅限制，只列举1#组土样(重塑天然土)、3#组土样(人工有机质土)的e-lgt关系曲线。图3显示，在第1、2级荷载作用下，曲线近似呈直线，主、次固结界限模糊，与余湘娟等(2007)、邵光辉等(2008)的研究结论一致。随着荷载的增加，曲线曲率缓慢增加，主、次固结的区别越来越明显，可以明显地观察到曲线上的反弯点；整条曲线形状的走势基本没有发生变化，大致呈等间距平行，荷载的变化对主、次固结界限的划分基本没有影响，未出现高固结压力下曲线间距变密，主、次固结界限模糊，曲线近似成直线的现象(周秋娟等，2006；冯志刚等，2009；倪静等，2019)。之所以出现上述情况的原因主要是受以下3个方面因素的影响：

图3 e-lg t曲线

(1)虽然土体在重塑过程中，结构受到破坏，强度极度降低，但因为在20 ℃恒温环境中养护了7 d，养护后土颗粒和水分子进行了重新分布，土体结构发生了变化，整个土样的强度有了一定程度的恢复。因为第1、2级荷载小于恢复后的结构强度，类似处于超固结状态。不言而喻，主、次固结变形量较小，曲线自然近似呈直线，主、次固结界限模糊。

(2)因为是重塑土，尚未完成固结，虽然在试验过程中因土的触变性恢复了部分强度，但结构强度很低。试验过程中，随着荷载的增加，施加在土体上的应力大于恢复后结构强度时，土体结构遭到破坏，产生进一步固结压密。

(3)土样的压缩系数a=1.02 MPa-1，大于0.5 MPa-1，属高压缩性土，高有机质泥炭土的加入，土样的压缩性更大；由于软土透水性较差，随着荷载的增加，软土被进一步挤密，导致土颗粒间孔隙水的消散更加缓慢。因此，土体固结的过程主要由剪应力产生，因静水压力而产生的体积应变很小，不会由于累加荷载的增大，主、次固结的分界逐渐模糊。

2.2 有机质含量对软土次固结系数的影响

根据一维固结蠕变试验得到的e-lgt关系曲线，采用式(6)计算次固结系数Cα

(5)

式中：Δes为次固结阶段孔隙比的变化量；t1为主固结完成时间(min)；t2为次压缩量计算时间(min)。目前，国内对次固结系数的测定时间没有明确的要求，参照英国标准《土木工程用土壤的测试方法》(BS 1377-5：1990)(British Standard Institution, 1990)对次固结系数的测定时间的规定，取t1为1440 min(1d)；t2为10 080 min(7d)。

不同有机质含量和固结压力p下土样的次固结系数Cα关系曲线见图4。由图4中12个试样的次固结系数Cα与固结压力p的关系曲线可以得到一个共同的规律：当固结压力p=100 kPa时，次固结系数Cα存在一个最大值，固结压力p超过800 kPa，次固结系数Cα趋近于一不变的常数。从图4中可以看出，当固结压力p小于100 kPa时，次固结系数Cα随着固结压力p的增大而逐渐增加，这是因为土体在20 ℃恒温环境中养护了7 d，养护后土颗粒和水分子进行了重新分布，土颗粒之间形成了新的结构，随着固结压力的增加，土的结构逐渐被破坏，土颗粒周围结合水膜蠕变能力增强，次固结系数Cα相应增大。当固结压力p大于100 kPa，随着荷载的增加和土颗粒的压密，土颗粒周围的结合水膜会越来越薄，土颗粒的蠕变能力逐渐变弱，次固结系数逐渐减小。此结论与余湘娟等(2007)、Kapustin et al.(2017)的研究一致。

图4 次固结系数Cα与固结压力p的关系

图5为不同固结压力下次固结系数Cα与有机质含量OMC的关系散点图。从图5不难看出，固结压力p分别为12.5 kPa和25 kPa时，次固结系数Cα随着有机质含量OMC增加逐渐增大，达到一峰值后逐渐减小，可能是因为土样在重塑过程中，土体颗粒和水分子重新分布，导致土体结构发生变化，土样的强度有了一定程度的恢复，具有一定的结构强度。土样中有机质含量不同，恢复后的结构强度也不同，因为第1、2级荷载较小，小于恢复后的结构强度，类似处于超固结状态，次固结系数Cα与超固结程度有关。当固结压力p≥50 kPa时，随着土中有机质含量OMC增加，次固结系数Cα呈明显增加的趋势，在高应力水平下表现尤为明显。这是因为有机质含量OMC增加，吸附结合水含量增大，结合水膜变厚，土的蠕变能力增加，导致次固结系数Cα增大。

图5 次固结系数Cα与有机质含量OMC的关系

2.3 有机质含量对软土次固结特性影响机制的探讨

按传统土力学的定义，饱和的软土是固体颗粒和水构成的二相体。固体部分是含有有机质的矿物质组成，固体部分构成了土的骨架，土骨架之间是相互贯通的孔隙，完全被水充满。土颗粒的表面被有机质包裹，有机质里的羧基(-COOH)和羟基(-OH)的H解离会使土颗粒板面带聚集负电荷，进而吸附孔隙水成为结合水(谷任国，2009a)，其他学者的试验表明有机质含量越多，吸附的结合水越多(图6)。同时，有机质会和水产生相互作用变成了胶体，如水溶胶、固溶胶等，它们通常吸附在土颗粒表面。为了解释土体具有的流变特性，British Standard Institution(1990)、袁杰等(2014)提出将土颗粒表面的结合水和胶体等称为流变相物质。有鉴于此，本文将饱和软土由传统土力学定义的二相体系如图6所示看作三相体系。图6为参照胡桂衔(2013)绘制的饱和软土的三相物质模型图。

图6 饱和软土的三相物质模型

有机质对饱和软土次固结特性的影响机制包括3个方面：首先是胶体和吸附水膜将土颗粒相互联结起来，随着有机质的增加，土样中的强结合水和胶体随之增加，更多的土颗粒数被流变相的物质联结，所以固体颗粒间蠕动阻力减小，蠕变速率增大，次固结系数提高。其次是吸附水膜和胶体等这些流变相物质不同于液相物质，在土颗粒之间能传递剪力，通过流变相物质联结的土颗粒易产生相对滑移或转动，土中有机质含量增加，其强结合水和胶体含量相应增加，随着流变相物质的增加，其包裹的土颗粒更加容易产生相对滑移或转动，土体的次固结特性增强；最后流变相物质是属于一种类固体，力学性质方面介于流体和固体之间，物理性质方面其本身具有流体的流动性和固体的变形特性，具有明显的蠕变特性；有机质含量大，流变相物质体积相应增大，整个土体随着流变相物质的增加整体性质将会表现出更明显的次固结特性。