昆明市不同深度下湖相泥炭质土压缩特性试验研究

吕庆贤，罗军尧

(昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500)

泥炭质土是由土颗粒、动植物腐殖质、有机质胶体、黏粒团聚体等构成的一种湖相沉积软土。泥炭质土具有超高的含水率、天然孔隙比大、高压缩性、强度较低等工程特性。随着基础设施建设的蓬勃发展，泥炭质土与工程建设愈发密切，出现了不少因泥炭质土工程特性极差造成的工程事故。南昆线曾因在泥炭质土地基上填筑路基造成坍塌而修改路线及改址。在基坑工程中，也出现了许多因泥炭质土强度不足，承载力不够造成了地基不均匀沉降，工程桩因泥炭质土土层发生滑移被剪断[1]。因此，泥炭质土课题也成为了许多学者的热门研究方向。

许多学者对泥炭质土的压缩固结特性进行了研究及分析。桂跃等对高原湖相泥炭质土进行了一系列固结试验，明确了泥炭质土的次固结特性及其机理[2]；丁祖德等对昆明市盆地泥炭质土进行动力学参数试验研究，建立了泥炭质土的动剪切模量比及阻尼比模型[3]；马瑞玲等通过对泥炭质土的基本物理力学试验和蠕变试验说明泥炭质土的有机质含量越高，次固结变形越大[4]；吕岩等通过对草炭土有机质含量和物理力学指标分析表明有机质含量的增加会增大泥炭质土的压缩性，导致固结系数降低[5]；张帆舸等通过室内固结回弹试验对泥炭质土的压缩及回弹变形特征进行了研究，分析了泥炭质土压缩性和回弹性参数的取值范围及变化规律[6]。对于泥炭质土极差的工程特性，也相继出现了许多对泥炭质土地基改良方法研究。陶然等采用水泥固化的化学方法对泥炭质土的压缩模量和固结系数进行研究，发现掺石英砂能提升固化泥炭质土的压缩模量,且石英砂粒径越小,固化土压缩模量增幅越大[7]；阮永芬等采用化学改良的方法改良泥炭质土，发现改良后的土体抗压强度比原状土大，且随着龄期的延长而增大[8]；桂跃等采用微生物技术对泥炭质土进行改良，发现高浓度菌液能加快泥炭质土中有机质的分解[9]。

前期学者研究主要集中在泥炭质土的次固结特性及其机理研究和对泥炭质土地基的不良工程特性进行改良研究。然而，对于不同深度下泥炭质土压缩特性的研究较少。由于沉积环境、沉积年代的不同，导致不同深度存在着不同的泥炭质土土层，它们的物理力学特性都存在着差异，因此，本文对不同深度下泥炭质土的压缩特性进行深入的研究和分析。

1 工程地质背景

1.1 气象条件

研究区位于昆明市官渡区，属于低纬度、高海拔亚热带高原山地季风气候。近年来，平均降水量为1 000 mm，春冬两季降雨量少，月平均气温在6.4 ℃以上，雨水蒸发量大。研究区年均蒸发量1 900～2 100 mm，相对湿度68%，蒸发量占全年的65%左右，降水量较少，为全年降水量的15%左右。夏秋季节雨水充沛，降水量占全年的88%左右，两季降水在空间上分布不均匀。

1.2 地质构造

研究区位于扬子准地台的西南部、滇东台褶带的西缘，昆明台褶束，普渡河断裂的东侧，夹持于普渡河与小江断裂之间，其中，小江断裂为全新世活动断裂，普渡断裂为晚更新世活动断裂。南北向构造为控制性构造，断裂构造较发育。研究区地处昆明断陷盆地的东南部位，地貌上属湖积平原。

1.3 新构造运动

研究区所处区域新构造运动的总特点是大幅度抬升，受南北向主干断裂的复活与控制作用。上新世初期地壳有一次不均匀的上升，使原来准平原抬升并遭到一定的破坏。上新世中、晚期逐渐平静，只是非常缓慢的升降，盆地的沉降速度与堆积速度大体一致。早更新世早期地壳发生了抬升，其特点是继承南北向基底断裂而有不均匀性，使其前期地形高差加大，区域西部滇池盆地在上新世基础上继续下陷，滇池范围逐渐扩大；中后期地壳又变得较稳定，处于相对稳定状态，后期较大盆(谷)地两岸又有一期剥蚀的平缓地形，后来被抬升破坏。滇池在中更新世范围的基础上局部有所扩展，继续沉积河湖相地层，滇池北部相对掀升，南部相对下降，但幅度较小。全新世时期出现普遍上升加剧的趋势，滇池盆地湖面逐渐缩小，多数河流侵蚀下切，晚更新世阶地形成数米高的陡坎，山区河流向源侵蚀强烈，高原面进一步遭受破坏，部分山前出现洪积扇，断裂活动还相伴产生地震和地热活动。

2 试验方案

2.1 泥炭质土中有机质含量的测定

此次试样取自某工程高层建筑泥炭质土地基钻孔土样，取样深度为10～60 m。对于取回的土样分别通过烧失法和土工试验得到基本物理力学参数。烧失法是将烘干土样置于550 ℃高温下灼烧，烧失时间为1 h，然后称量灼烧损失的重量。重复灼烧称量，灼烧至前后两次质量相差小于0.5 mg，记录最终质量，计算得到有机质含量[10]。天然孔隙比是土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比,用来说明土体结构特征的指标。天然孔隙比通过土壤试验的物理指标换算得到，换算公式如下：

e=dsω/Sr

式中，ds表示土粒比重；Sr表示土的饱和度，%；ω表示含水率，%。

分别对6组原状土进行有机质含量烧失试验和基本土工试验，根据《土工试验方法标准》(GBT50123—2019)[11]进行物理力学试验和参数换算得到泥炭质土的基本物理参数，试验结果及参数换算结果见表1。

表1 泥炭质土基本物理参数Tab.1 Basic physical parameters of peaty soil

2.2 不同深度下泥炭质土的压缩试验

固结试验是研究土体压缩性的基本方法，压缩系数是衡量土体的一个重要指标。对于取回的土样进行压缩试验。试验采用WG型双联杠杆固结仪，试样高为2 cm、截面面积为30 cm2，将环刀试样装在双联杠杆固结仪上，分别以50、100、200、300、400 kPa加压，记录不同时间内的压缩量。根据记录数据可以得出泥炭质土的压缩系数，将压力100 kPa与压力200 kPa下的压缩系数α0.1-0.2(1/MPa)作为土体压缩性评价指标。压缩模量也是评价土体压缩性的一个重要指标，用于计算地基的最终沉降量，用土体在固结状态下的应力与应变之比表示。试验最终得到的压缩系数和压缩模量结果见表2。

表2 不同深度泥炭质土的压缩系数与压缩模量Tab.2 Compression coefficient and compression modulus of peaty soil at different depths

3 试验结果分析

3.1 有机质含量对压缩性的影响

为研究泥炭质土中有机质含量对其压缩性的影响，通过对试验结果进行分析，从原状泥炭质土的微观结构入手，分析了泥炭质土的高天然孔隙比间接对泥炭质土压缩性的影响。

图1 泥炭质土微观结构示意图Fig.1 Schematic diagram of microstructure of peaty soil

根据表1试验结果绘制了有机质含量和天然孔隙比的关系图，如图2所示。在图2中，有机质含量的增加，天然孔隙比逐渐增大，呈线性关系。土体中的有机质主要为炭化的腐殖质，具有大量的植物纤维，而植物纤维与土颗粒共同构成了泥炭质土的骨架。有机质的存在架空了土颗粒，增大了土体颗粒之间的孔隙，这些被架空的大孔隙直径一般大于10 um[2]，远大于土颗粒与土颗粒之间的间隙从而导致原状泥炭质土具有很高的孔隙比。因此，有机质含量的增加会增大土颗粒之间的间隙从而增大孔隙比，在泥炭质土压缩后会产生较大的压缩变形量。对于有机质含量较高的泥炭质土，在压缩过程中孔隙比会存在着较大的变化过程，压缩量可以达到试样的3/4[5]。通过上述对试验结果的分析说明有机质含量的增加会影响其压缩特性。

图2 有机质含量与天然孔隙比的关系Fig.2 Relationship between organic matter content and natural pore ratio

在表1中，随着有机质含量的增加，含水率也逐渐增加，据此数据绘制了有机质含量与含水率关系曲线图，如图3所示。在图3中，含水率随有机质含量线性增加，这是因为泥炭质土有机质中主要成分为动植物腐殖质，能吸附大量自由水，具有较好的亲水性。同时炭化腐殖质的存在增大了土颗粒之间的孔隙，存在着大量孔隙水，导致泥炭质土具有很高的含水率(可高达600%[3])。

图3 有机质含量与含水率的关系Fig.3 Relationship between organic matter content and water content

3.2 取样深度和压缩系数的关系

压缩系数往往与沉积环境和沉积年代有关，随着沉积时间的推移，不同深度下的泥炭质土的压缩系数都有所不同。为研究不同深度下的压缩关系，根据表2绘制了取样深度-压缩系数关系图，如图 4 所示。该曲线呈现出“较陡”的趋势，当取样深度为30 m时，曲线斜率减小，走势“平缓”。由此说明30 m以下的泥炭质土已经接近正常固结状态或超固结状态，这与下一节对于40 m以下的泥炭质土固结评价结果一致。而30 m以上的泥炭质土土层可能处于欠固结状态。在30 m以上的上覆泥炭质土土层，压缩系数介于2.5～5.2之间，可压缩性极高，土颗粒之间较为疏松，压缩试验后会出现很大的压缩变形量。在30 m以下的土层，压缩系数急剧减小，压缩系数小于2，相比30 m以上的泥炭质土，30 m以下的泥炭质土的压缩性较低，土颗粒之间较为致密，压缩试验后压缩变形量较小。因此，曲线斜率突然减小，呈现出“较陡”的趋势。压缩试验时，30 m以下泥炭质土的压缩变形量小于30 m 以上的泥炭质土，因此，在自重及上部荷载作用下不均匀沉降大部分将出现在30 m 以上的土层。该曲线呈幂函数关系，采用拟合方程为αv=47.86h-0.97。可据此拟合方程估算更深土层的压缩系数，预测深地层压缩系数。从该曲线可以看出泥炭质土的固结压缩过程受取样深度的影响很大，曲线“较陡”的趋势说明泥炭质土具有超高的压缩性，在工程特性上极易压缩，属于不良地基土。

图4 不同深度下的压缩系数Fig.4 Compressibility at different depths

3.3 取样深度和压缩模量的关系

在工程设计上，压缩模量是一个重要的设计参数，用于计算地基的最终沉降量。为此本节研究了不同深度下压缩模量的变化关系，根据表2数据绘制取样深度-压缩模量关系图，如图5所示。随取样深度的逐渐增加，压缩模量逐渐增大，取样深度和压缩模量为线性关系。在先期自重作用下，随着取样深度的增加，自重越大，深部泥炭质土层压缩后，孔隙比减小。在对原状土进行压缩试验时，越深的土样压缩变形量越小，因此由压缩模量与应力和应变之间的关系ES=σ/ε得出，应变越小，泥炭质土的压缩模量越大，从而说明泥炭质土压缩模量随取样深度增加而线性增加的关系，与图5曲线结果一致。并且说明泥炭质土土层越深，压缩模量相对上部土层越大，在工程特性上深部泥炭质土好于浅部泥炭质土。

图5 不同深度下的压缩模量Fig.5 Compression modulus at different depths

4 泥炭质土土层固结评价

为评价泥炭质土土层的固结情况，此次试验对在40 m深度以下土层中选择了部分土样进行高压-固结试验来测定土的先期固结压力。每一级施加荷载分别为50、100、200、300、400、500、600、800、1 000、1 200、16 00、3 200 kPa，开始施加压力后记录不同时间内的压缩量。先期固结压力根据e-log p曲线采用Casagrande作图法[12]进行求解。压缩指数和压缩系数一样，都是描述土体压缩性的指标。压缩指数值越大，土的压缩性越高。压缩指数小于0.2一般属于低压缩性土，压缩指数大于0.4一般属于高压缩性土[13]。根据试验数据得到最终压缩指数、先期固结压力、超固结比结果及固结评价，见表3。

表3 高压-固结试验结果和评价Tab.3 Results and evaluation of high-pressure consolidation test

G1、G2、G3压缩指数介于0.8～1.0之间，均大于0.4，属于高压缩性土范围。对于40 m以下的深部泥炭质土超固结比均大于1，属于超固结土。超固结泥炭质土一般比欠固结和正常固结泥炭质土的灵敏度更高，结构性更强。在原有结构下，在先期压力之下会表现出土体的原有压缩性，在较强的结构性遭到破坏后(如地震，周围基坑开挖等)，会表现为流塑性，泥炭质土的强度会大打折扣。因此，泥炭质土在工程上为不良地基土。

5 结论

通过对泥炭质土的室内土工试验和试验结果分析，得出以下结论：

1)随着有机质含量增加，天然孔隙比线性增大，天然孔隙比和压缩性有很好的相关性，所以有机质含量的增加会影响其压缩特性。有机质的存在也说明了泥炭质土本身具有大孔隙比，高含水率等物理性质。

2)泥炭质土的取样深度和压缩系数为幂函数关系，曲线呈现出“较陡”的趋势。以30 m为分界，上部土层具有很高的压缩性，下部土层压缩性相对较低。压缩模量随着取样深度的增加而增大，两者为线性增加的关系，下部土层好于上部土层。

3)研究区40 m以下的泥炭质土压缩指数均大于0.4，属于高压缩性土，超固结比大于1，属于超固结土。超固结土的结构性更强，对其扰动之后，原有结构会发生破坏，将出现流塑性。

4)泥炭质土具有高压缩性-超高压缩性，在建筑荷载作用下，地基可能产生不均匀沉降导致地基产生较大变形，因此，不能作为桩端持力层使用。

5)在试验过程及数据整理过程中发现泥炭质土的物理力学性质指标具有较高的离散性，在实际工程中不能仅仅采用平均值来进行工程设计和评价，应采用工程类比法与平均值相结合进行设计。