川西高原不同纤维含量泥炭质土工程特性研究

范荣全,王红梅,常朝凯,曾文慧,罗 毅,焦一飞,张文涛

(1.国网四川省电力公司 经济技术研究院,成都 610041;2.国网四川省电力公司,成都 610041;3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

泥炭土是在缺氧情况下,大量分解不充分的植物残体积累所形成的土壤,主要是由有机残体(以植物残体为主)、腐殖质和矿物质3种物质成分组成的。本次研究的泥炭土试样来自四川红原县。据统计,红原县境内泥炭土储量约1.6×109m3［1］。

研究表明,泥炭土的强度受腐殖化程度(纤维含量)的影响强烈［2-3］。纤维间宏观上存在相对较大的孔隙,即使适度施加负荷,也会随着水的排出而产生较大的变形。在微观层面上,纤维和其他植物物质堆叠成中空的穿孔细胞结构,从而提高其持水能力,并且它通常表现出低剪切强度及极高的压缩性。国内外大多数学者从纤维含量方面研究了泥炭土的工程性质。G.Mesri等［4］发现泥炭土在长时间加载条件下,残余纤维的滑动将其重新排列以形成更致密的基质,从而影响各种固结参数;韩伶敏等［5］以吉林敦化市江源镇典型季冻区泥炭土为研究对象,提出纤维含量越高,压缩性越强,两者呈正相关性的规律,得出该地区泥炭土固结系数Cv范围为(1.00～8.39)×10-3cm-2/s;冯瑞玲等［6］对高分解度泥炭土进行固结压缩试验研究,有机质含量较高的泥炭土主固结时间较短,受固结压力的影响较小,并呈现出较为明显的蠕变性;M.T.Hendry等［7］认为纤维的存在引起的不排水剪切强度c′和φ′的值各不相同,通过不排水三轴测试分析了高纤维泥炭土的剪切强度特性,表明它们的行为本质上是摩擦性的,尽管具有一些小的内聚力值,但是纤维泥炭内摩擦角总是表现出异常高,并得出有关泥炭土残余纤维抗剪强度公式;Zhang L.等［8］指出有效应力原理和常用的土力学强度模型,包括Mohr-Coulomb破坏准则与泥炭的机械行为具有足够高的相关性,总结了纤维泥炭和其他有机土壤的主要本构理论和模型;桂跃等［9］使用了多种剪切方法,包括快剪、慢剪、固结快剪对泥炭土中纤维加筋作用及机理的影响进行了研究,也验证了直剪试验对于消除水平纤维的加筋作用的合理性。

本文针对川西高原地区泥炭土纤维含量对抗剪强度和压缩性的影响进行了研究,根据标准一维固结试验、直剪试验结果与SEM观察手段,组合分析了纤维含量对泥炭土工程特性的影响规律。

1 泥炭土的基本性质

四川阿坝藏族羌族自治州红原县地处川西高原,区内以富营养的草本泥炭沼泽为主,泥炭层累积厚度在2 m左右,并且邻近若尔盖(我国典型泥炭聚集区之一),具有相似的区域条件,泥炭土形成特征代表性强。所取土样根据规范标准包含了半纤维、高分解泥炭土。在红原地区选取典型泥炭土进行现场取样,采用圆柱取样器(直径10 cm,高20 cm)垂直取土,得到典型区域不同深度的泥炭土试样,使用保鲜膜密封,并及时开展室内物理力学特性试验。在本次试验研究中选取不同深度、不同纤维含量(Fc)泥炭土来细化各纤维梯度对其工程性质的影响,所使用的土样如图1所示。根据泥炭土试验标准ASTM(D2974-14)［10］,得到所取试样的物理力学基本性质如表1。根据ASTM(D1977)［11］标准对纤维质泥炭土进行分类,其中33%

图1 不同纤维含量的泥炭土土样特征Fig.1 Characteristics of peat soil samples with different fiber content

表1 试样的基本性质Table 1 Basic properties of the specimen

2 试验方法

一维固结压缩试验采用杠杆加载固结仪,将高2 cm、截面积 30 cm2进行逐级加载。按照《土工试验方法标准》每级压力下固结24 h或1 h,变形量不大于0.01 mm［12］视为稳定。

直剪试验中采用直径为61.8 mm,高度20 mm的环刀切取8组原状土样,采用四联应变控制式直剪仪对进行不固结不排水的快速剪切试验。分别施加50、100、150、200 kPa的法向应力,选取剪切速度为0.8 mm/min进行剪切试验。为确保结果的准确性,直剪试验和一维固结压缩试验皆进行平行试验,试验结果取平均值。

3 试验结果与分析

3.1 不同纤维含量泥炭土的固结—压缩特征

3.1.1 泥炭土e-lgp曲线特征

完成的四川红原4种纤维含量泥炭土试样的e-lgp曲线如图2。各组e-lgp曲线形态大致相同,纤维含量较高的泥炭土,土样的初始孔隙比(e)较大。较高孔隙比试样,使得在较小的固结压力(p)下(0～12.5 kPa)孔隙比大幅度减小,并随固结压力的增加递减幅度变小。L.S.Wong等［13］通过大量固结试验指出纤维含量较高导致土体结构疏松,使得孔隙比随纤维含量的增加呈现明显的增势。

图2 不同纤维含量泥炭土的e-lg p曲线Fig.2 The e-lg p curve of peat soil with different fiber content

3.1.2 泥炭土的压缩特性

压缩模量(Es)和压缩系数是判定土体压缩性的重要指标。图3、图4为在逐级加载下纤维含量与压缩系数、压缩模量的关系曲线,随着纤维含量的增大,压缩模量与纤维含量呈负相关,压缩系数与纤维含量呈正相关,即纤维含量增大,压缩模量减小,压缩系数增大,土体压缩性越强。试验获得的红原地区泥炭土样的压缩系数av1-2为 0.68～1.79 MPa-1,压缩模量Es1-2为1.14～4.15 MPa,属于高压缩性土［12］。

图3 各分级荷载下压缩系数与纤维含量的关系曲线Fig.3 The relationship curve between compression coefficient and fiber content under different load classes

图4 各分级荷载下压缩模量与纤维含量的关系曲线Fig.4 Relationship curve of compressive modulus and fiber content under each load class

3.1.3 泥炭土的固结系数

根据规范［14］,按照时间平方根法得出各纤维含量土样在不同荷载下的固结系数(Cv)如图5所示。各纤维含量泥炭土曲线走势大致相同,纤维含量越高,固结系数越大。各纤维含量试样固结系数随着固结压力的增加呈下降趋势。由于高纤维含量试样中的架空孔隙,施加小于200 kPa的固结压力使得固结系数大幅度下降,并随着纤维含量的减小,下降幅度减小。在固结压力大于200 kPa时,各纤维含量的试样固结系数趋于平缓。

图5 不同纤维含量试样Cv-p曲线Fig.5 The Cv-p curve of samples with different fiber content

3.2 不同纤维含量泥炭土的抗剪强度特征

3.2.1 泥炭土的τ-s曲线特征

根据直剪试验结果绘制不同纤维含量泥炭土的τ-s曲线如图6所示。各纤维含量剪应力(τ)与剪切位移(s)关系曲线均呈现为应变硬化型,无明显的峰值强度,以塑性破坏为主。高分解泥炭质土(纤维含量11%～20%)剪应力要略高于纤维泥炭质土(纤维含量34%～44%),随着法向应力的增加,土体密实程度的提高,纤维泥炭土与高分解度泥炭土的剪应力均有所增加。

图6 不同纤维含量下泥炭土剪应力与剪切位移关系Fig.6 Relationship between shear stress and shear displacement of peat soil with different fiber content

3.2.2 泥炭土的抗剪强度与法向应力曲线特征

对4个纤维含量泥炭土进行快剪试验,按照规范［14］取剪切位移为6 mm时对应的剪应力为抗剪强度值,绘制不同纤维含量条件下抗剪强度(τf)与法向应力(σ)的关系曲线如图7,并确定其抗剪强度指标。

从图7可见,随着法向应力的增加,各纤维含量的泥炭土抗剪强度增加。徐燕等［15］指出植物纤维与土颗粒之间的拉拔作用和土体中团聚体的胶结作用共同抵抗剪切作用;桂跃等［16］研究了由于纤维分布所导致的各向异性对抗剪强度的影响,得出纤维含量对泥炭土的强度能起到增强作用。在相同的法向应力作用下,抗剪强度随着纤维含量的增大而增大,当纤维含量大于20%时,抗剪强度反而减小,并没有随着纤维含量的增加而增加,整体呈现出先增大后减小的趋势。这是由于植物纤维架空的土体结构具有更多的孔隙,松散的结构在快剪试验中没有被充分压实,处在未完全固结状态,植物纤维与土颗粒,土颗粒之间的咬合作用较弱,使得抗剪强度减小。

3.2.3 泥炭土的抗剪强度参数特征

图8是泥炭土黏聚力(cq)、内摩擦角(φq)与纤维量的拟合曲线图,试样纤维含量达到44%时,黏聚力从最初13.71 kPa下降到4.61 kPa,内摩擦角从8.53°增加到11.9°。纤维含量小于20%时,黏聚力减小幅度较小,而内摩擦有较大幅度的增加。当纤维含量大于20%,黏聚力减小幅度较大,内摩擦角增大幅度放缓。根据抗剪强度指标的变化趋势,随着纤维含量的增加,泥炭土抵抗剪切作用的强度指标逐渐呈现出由黏聚强度转化为摩擦强度的趋势。针对黏聚力、内摩擦角和纤维含量的关系,引入2个与纤维含量有关的二元一次方程(1)、(2)。拟合参数如表2所示,拟合系数均在0.97以上,纤维含量与黏聚力、内摩擦角相关系数较高,有良好的相关性。

图8 泥炭土黏聚力、内摩擦角与纤维含量的拟合曲线Fig.8 Fitting curve of cohesion,friction angle and fiber content of peat soil

表2 不同纤维含量下泥炭土抗剪强度指标的拟合参数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表示内摩擦角(°);Fc表示纤维含量(%);a、b表示纤维含量影响的回归系数;k表示综合回归系数。

4 泥炭土微细观结构对工程特性的影响分析

泥炭土主要由大颗粒(主要为粉粒)、黏粒团聚体、有机质胶体及植物纤维残体构成。张震豪［17］对云南地区泥炭土进行了大量微观结构的分析,认为泥炭土中的孔隙结构可以分为矿物颗粒间的孔隙、植物残体间的孔隙、植物内部孔隙以及植物残体和矿物颗粒间的孔隙。采用SEM观察手段从微观角度分析其特殊的物质组成和微观结构对其工程特性的影响,选取本文研究的高分解泥炭土与半纤维泥炭土进行电镜扫描,结果如图9所示。

图9-A1可见,纤维含量较高的土样分布的植物纤维残体非常明显,具有较大的架空孔隙,土颗粒、植物纤维排列松散,从红色局部放大区域(图9-A2)可知,呈现出植物纤维“缠绕”于矿物颗粒团体,或者“穿过”并“连接”于土颗粒团体。正是这样的架空结构和植物团聚体内部所形成的大孔隙,使得半纤维泥炭土压缩变形显著,土体中大孔隙的架空结构、各类团聚体压密形成土骨架所需要的法向应力也越高,这也解释了纤维含量大于20%时其抗剪强度没有继续增大反而减小的现象。这一规律与已有研究成果结论一致。O’Kelly等［18］认为与矿物土壤中的纯摩擦接触不同,泥炭土中纤维之间的连接是通过蜂窝连接和纤维缠结提供的,这导致土壤的剪切强度降低。随着纤维含量的增大(大于20%),导致土体结构松散,大量的纤维在土颗粒间相互缠绕,植物纤维与土颗粒的拉拔作用产生一定的加筋效果,抗剪强度指标中摩擦强度的贡献要大于黏聚强度的贡献,使得摩擦强度较高,内聚强度较弱。

图9-B是纤维含量为20%的高分解泥炭土,可见矿物颗粒以团粒状出现,由架空结构形成的大孔隙较少,分布着粒径<75 μm的粉粒,形成较多矿物颗粒间的孔隙结构。蒋忠信［19］指出,腐殖酸会通过吸附和包裹在矿物颗粒的形式,改变泥炭土中矿物颗粒间的联结方式。图9-B1可明显发现矿物颗粒呈现出团粒状的形貌。由于以矿物颗粒间的孔隙居多,其压缩性要弱于半纤维泥炭土。随着法向应力增大,土中团聚体逐步压实,纤维与土颗粒之间的咬合作用提高,使得抗剪强度增大。大颗粒由微小土颗粒团体、有机质胶体所包裹(图9-B2蓝色区域)导致黏聚强度增大,同时产生一定的滑动摩擦。

图9-C1中,纤维含量低使得土体质地均匀,矿物颗粒以更微小的团粒状出现,矿物颗粒间呈现较多的微小孔隙。表现为富含微小孔隙的“海绵状”结构［19］。黄色区域放大如图9-C2,颗粒间的微小孔隙使得这类土样的中压缩性最弱。与纤维泥炭土相比,高分解泥炭土(Fc=11%)中残余纤维的所提供的抗剪强度较为微弱,抗剪强度主要由逐步压实后矿物颗粒团体与有机质胶体来提供。导致抗剪强度指标中黏聚强度最大,土颗粒间摩擦强度也相对较小。

5 结论

利用固结试验和剪切试验对川西高原泥炭质土中纤维含量对其力学特征的影响进行了分析,并结合电镜扫描观察手段,研究了微观结构和物质组成对其工程特性影响机理,可得出以下结论:

a.一维固结试验结果表明,土样的初始孔隙比相差较大,在较小的固结压力下(0～12.5 kPa)孔隙比大幅度减小;随着纤维含量的增加,压缩系数增大,压缩模量减小,压缩性越强。固结系数Cv随着纤维含量的增加而增加,随着固结压力的增加,固结系数呈现大幅度下降至相对平缓的趋势。

b.抗剪强度试验表明,施加50～200 kPa法向应力,质地较为均匀的高分解度泥炭土,随着纤维含量的增加其抗剪强度有所增加;纤维泥炭土的抗剪强度随纤维含量的增加而减小。随着纤维含量的增加,泥炭土土体抵抗剪切作用的强度指标逐渐呈现出由黏聚强度转化为摩擦强度的趋势。

c.从微观角度上,植物纤维间的架空结构和纤维团聚体所构成的大孔隙是半纤维泥炭土压缩性强于高分解泥炭土的主要因素。高分解泥炭土是由土颗粒、有机质胶体和微弱的残余纤维加筋效果共同提供剪切强度,而半纤维泥炭土是由土颗粒团聚体、有机质胶体和纤维缠绕而形成的团聚体共同提供剪切强度。随着纤维含量的提高,泥炭土中团聚体有无纤维缠绕聚集形成的特殊结构是半纤维泥炭土与高分解泥炭土抗剪强度差异的重要影响条件。