超高含水率泥炭土力学特性的试验研究
2022-05-27林立宏徐立新史江伟
孙 壮，王 荣，林立宏，徐立新，史江伟
（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.浙江台州市沿海高速公路有限公司，浙江 台州 318000；3.中国公路工程咨询集团有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000；4.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210024）
泥炭土是由有机残体、腐殖质和矿物质组成的高有机质含量特殊土，是工程性质极差的土。泥炭土分布广泛，覆盖了陆地表面的5%～8%，其中38%的泥炭土分布在东南亚地区。马来西亚的泥炭土面积约占国家陆地面积的14%[1]。
泥炭土力学特性主要受含水率、有机质含量和pH值等因素的影响。HOBBS[2]发现低分解度的纤维状泥炭土比分解度高的非晶质泥炭土的含水率更高。泥炭土的pH值与腐殖质化程度有关，腐殖质化程度越高的泥炭土酸性越弱。LEA等[3]发现泥炭土的pH值介于4～7；ANDRIESSE[4]发现泥炭土中存在黄铁矿物时，pH值低于2。水泥固化泥炭土时，有机酸会阻碍钙的结晶，导致固化土强度降低[5-6]。邓仑昆等[7]发现泥炭土的天然密度、饱和度、塑性指数、有机质含量等参数能较好地符合正态分布。KOLAY等[8]发现马来西亚马当、巴生和吉隆坡泥炭土的物理特性指标差异明显，含水率、有机质含量和pH值分别介于159%～538%、43%～94%和3.8～6.0。
本文依托马来西亚沙捞越第二干线项目，分析泥炭土厚度、含水率、有机质含量的分布规律。开展室内试验研究了原状和重塑泥炭土的力学特性，明确了控制固化泥炭土强度的主要影响因素。
1 原状泥炭土物理力学性质分析研究
1.1 泥炭土厚度分布规律
马来西亚沙捞越项目位于马来西亚东岛沙捞越州西南部。为获取沙捞越地区泥炭土厚度的分布规律，对128个钻孔数据进行分析，具体如图1所示。泥炭土厚度为小于等于1 m、1～3 m、3～5 m、5～7 m和大于7 m的占比分别为4.6%、31.3%、48.1%、14.5%和1.5%。沙捞越第二干道项目泥炭土的厚度主要介于1～5 m，占总数的79.4%。
图1 沙捞越地区泥炭土厚度分布规律
1.2 泥炭土含水率分布规律
泥炭土含水率分布规律如图2所示。泥炭土含水率的最大值和最小值之间差距较大，表明泥炭土含水率的离散性很大。泥炭土深度为小于等于1 m、1～2 m、2～3 m、3～4 m、4～5 m和大于5 m时，平均含水率分别为715%、1 076%、922%、813%、742%和402%。深度低于5 m的泥炭土平均含水率大于700%。
图2 不同深度下泥炭土含水率
1.3 泥炭土有机质含量分布规律
泥炭土有机质含量随深度的分布规律如图3所示。泥炭土有机质含量分布比较离散，最大值、最小值之间差距明显。泥炭土深度为小于等于1 m、1～2 m、2～3 m、3～4 m、4～5 m和大于5 m时，平均有机质含量分别为88.1%、88.8%、77.9%、69.4%、67.9%和55.3%。泥炭土深度从1 m增加到5 m后，平均有机质含量降幅明显，达到了32.8%。然而，深度大于5 m时，平均有机质含量依然大于50%，属于超高有机质含量的泥炭土。沙捞越第二干线项目的泥炭土富含植物根系，腐烂时会降低土体pH值，呈酸性介质。相比于无机土，有机质土的酸性介质会阻碍水泥的水化反应和水泥凝胶的形成。因此，需要开展系统的室内配比试验，寻求适用于高有机质含量泥炭土的固化剂，进而获取高有机质含量泥炭土的固化剂的配合比体系。
图3 不同深度下泥炭土有机质含量
1.4 原状泥炭土无侧限抗压强度
原状、重塑泥炭土不排水强度与含水率的关系如图4所示。泥炭土强度呈现出一定的离散性，但随着泥炭土含水率的增加，不排水强度呈现出逐步递减的趋势。原状泥炭土的含水率大于1 000%时，依然存在一定的抗剪强度，表明原状土存在结构性。重塑泥炭土的含水率大于500%时，不排水强度不大于3 kPa，强度极低。原状、重塑泥炭土平均不排水强度分别为8.2 kPa和2.2 kPa。很明显，泥炭土完全重塑后强度降幅明显，表明此地区泥炭土的结构性较强。无论是原状还是重塑泥炭土，不排水强度与含水率之间均呈现出对数关系。
图4 沙捞越地区原状泥炭土不排水强度与含水率的关系
1.5 原状泥炭土灵敏度分布规律
泥炭土灵敏度的统计结果如图5所示。泥炭土的最大、最小和平均灵敏度分别为13.6、1.6和4.9。90%和55%测点的土体灵敏度大于2和4，属于中灵敏度泥炭土（2
图5 沙捞越地区泥炭土灵敏度分布规律
2 超高含水率泥炭土固化特性研究
为了提高泥炭土地基的承载力，开展固化试验研究。泥炭土有机质含量为80%，pH值为5.5，含水率为400%～800%，水泥掺量为10%～30%。
固化泥炭土的无侧限抗压强度如图6所示。从图6中发现，养护龄期从7 d增加到28 d后，固化泥炭土的无侧限抗压强度增幅不明显，为10.5%～37.5%。表明超高含水率泥炭土的固化强度主要取决于7 d龄期强度。当含水率从800%降低到400%时，28 d龄期固化泥炭土强度增幅明显，达到72.1%～92.1%。
图6 固化泥炭土的无侧限抗压强度
水泥掺量增加后，水化反应能产生大量的水泥凝胶，连接泥炭土颗粒，增强土体强度。水泥掺量从10%增加到30%后，28 d龄期固化土的强度增加了4.1～4.7倍。因此，影响固化泥炭土的无侧限抗压强度的因素依次为水泥掺量、含水率和龄期。
基于浙江省《公路软土地基路堤设计规范》[9]，道路工程要求室内水泥固化土的28 d无侧限抗压强度大于300 kPa。基于不同含水率和水泥掺量的固化土强度，利用线性差值推求各含水率下的最低水泥掺量。泥炭土含水率为400%、600%和800%时，达到300 kPa的水泥掺量分别为250 kg/m3、300 kg/m3和380 kg/m3。
3 结论
基于现场勘察和室内试验，研究了沙捞越地区原状、重塑泥炭的力学特性。得出结论如下。
泥炭土厚度主要介于1～5 m，此厚度范围内平均含水率大于700%，属于超高含水率泥炭土。泥炭土深度从1 m增至5 m后，平均有机质含量降幅高达32.8%。深度大于5 m后，平均有机质含量依然大于50%，属于超高有机质土。泥炭土结构性强，90%测点的灵敏度大于2，属于中—高灵敏度土。原状、重塑泥炭土的不排水强度与含水率之间均呈现出对数关系。养护龄期7 d增至28 d后，固化泥炭土的无侧限抗压强度增幅仅为10.5%～37.5%。含水率从800%降至400%或者水泥掺量从10%增至30%后，固化土压强度的增幅高于72.1%和410%。影响固化土强度的因素依次为水泥掺量、含水率和养护龄期。为了满足路基固化土的强度要求，含水率为400%、600%和800%泥炭土固化的水泥掺量分别为250 kg/m3、300 kg/m3和380 kg/m3。
