蔡 斯, 阮永芬, 李鹏飞, 朱 强, 闫 明
(1. 昆明理工大学建筑工程学院, 云南 昆明 650500; 2. 文山州高级技工学校, 云南 文山 663000;3. 中铁十一局集团城市轨道工程有限公司, 湖北 武 汉430074;4. 中铁十六局集团有限公司北京交通轨道建设工程有限公司, 北京 101100;5. 中铁二十局集团第五工程有限公司, 云南 昆明 650000)
泥炭和泥炭质土是自然界中有机质含量最多的土类[1-2]。不同地区沉积的其形成和发育规律有明显差异[3],因此具有典型的地区特点。其多分布在远离市区的沼泽和森林地区,昆明是下伏此类土的为数不多的城市。近年来,环滇池地区已逐渐成为城市发展的核心区域,这些区域广泛分布着深厚的泥炭质土[4],其上工程已经出现多次事故。
探究泥炭质土抗剪强度来源及演化机理主要从宏观、细观及微观三个角度着手。宏观是从现象到本质,以室内试验为主。王方中[5]用三轴试验分析了西湖泥炭土应力应变关系;桂跃等[6]用直剪试验分析泥炭土抗剪强度特性。细观研究主要从土体中结合水[7-8]对蠕变的影响、矿物成分及有机质对其模型影响[9-10]等方面进行研究。微观研究是以位错理论为基础,观察土体受到压力作用下微结构变化[11-12],分析结构损伤和破坏的物理本质[13],研究剪切强度与微观结构的关系[14-15],微观以定性研究居多,但随着定量技术水平的提高,将微结构与本构研究相结合将是未来研究的重点与热点。
20世纪90年代通过剪切试验建立了土的各种本构模型,虽为土的研究打下了坚实基础,但仅从宏观现象推导的模型普适性较低。另外微观结构与剪切强度变化密切相关,从微观结构去解释土体状态改变和强度变化,对工程实践和认识土体强度变化本质有指导意义。现有研究中对泥炭质土在不同状态下剪切强度微观变化涉及不多且多为定性研究,定量研究程度较低。基于此对同一场地不同埋深的原状泥炭质土进行大量三轴CU试验,深入系统的分析不同埋深处泥炭质土在多级固结压力下,其抗剪强度来源、演化机理及强度参数的空间变异性等,定性和定量分析其强度及微结构变化。
在滇池会展中心100多米的勘察深度范围内,不同埋深处有5层泥炭质土分布,呈灰黑或黑色,强度低,含水率w高,其物理力学性质如表1所列。
表1 土样的物理力学性质
对5层土进行CU试验。试验采用TSZ30-2.0型应变控制式三轴仪。试样高80 mm,直径39.1 mm,采用反压饱和,饱和时间12 h。试验围压为50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800 kPa累计11个压力梯段。土样压缩性较大,常规固结标准固结变形量达0.01 mm/h[16]不易观察,改为观察其排水量,当排水量不大于0.05 mL/h视为固结完成,时间约为1 d。剪切速率为0.08 mm/min,当剪应力有明显峰值时,剪切至轴向应变超过5%终止,无峰值时,轴向应变达15%～20%终止。
将不同埋深的泥炭质土在各级围压下试验后土样进行电镜扫描,将土样取尺寸约为0.5×2.0×2.0 mm薄片置入干燥机中抽真空使其干燥,并对其表面做喷金处理后,进行电镜扫描。
2.1 抗剪强度与应力关系
用Mohr-Coulomb线拟合土体的抗剪强度τf:
τf=c+σtanφ
(1)
式中:c、φ分别为土的黏聚力及内摩擦角。
根据CU试验结果,作出不同埋深的5层土的抗剪强度包线如图1所示。从图1中可看出从低至高围压下的强度包线为折线,若用一条直线进行拟合误差较大,若分3段作应力圆的抗剪强度包线就可近似为直线。如E土样在低围压段50～300 kPa、中围压段400～1 000 kPa、高围压段1 200～1 800 kPa,其他埋深的土层也有类似情况,限于篇幅这里不再一一列出。从图1可看出,A、B、C、D、E层泥炭质土都出现总应力莫尔圆半径有突然增大的现象。如图2(a)中出现在σ3为400～600 kPa时,莫尔圆半径突然增大,即抗剪强度突然增大。查阅资料发现历史应力会影响某些土的抗剪强度[18-19],当σ3大于pc后,土样的c、φ会出现变化,形成2段斜率不同的直线[18]。5层土的pc见表1。对比后可发现除土样A外,其他4层土的莫尔圆半径突然增大时的σ3都小于且接近pc,σ3>pc后就出现莫尔圆半径突然增大现象。试验时围压选择和设定在pc附近未进一步细化,但结合试验结果分析及相关资料[17-18]表明本次试验中莫尔圆半径突然增大现象与盛志强[17]研究结果基本一致,若要得到具体数值需进一步进行深化研究。
图1 土样E全体拟合强度包线Fig.1 Fitting strength envelope of soil sample E
pc并不是影响c、φ变化的唯一因素。Kovalenko等[19]通过试验发现森林泥炭质土(w为440%～445%)和沼泽泥炭质土(w为730%～1 000%)的c、φ转折点应力分别为50 kPa和60 kPa左右;桂跃等[9]通过直剪试验得出泥炭土(w为89%～208%)在快剪时转折点应力为100 kPa,在固结快剪、慢剪时为200 kPa。从表1可看出,不同埋深的5层土的w、e、wu都很高,同一深度不同钻孔取出土样的wu差异大,莫尔圆半径突然增大对应的σ3与pc相差较大。对比分析认为造成转折点变化的主要因素为pc、w、e及wu。但其土样矿物组成、颗粒级配、获得力学特性的试验方法和纤维分解度等因素也会影响转折点处应力的大小,后期将对此进行进一步研究。
2.2 三轴CU试验抗剪强度指标分析
将50～1 800 kPa围压分为50～300 kPa、400～100 kPa、1 200～1 800 kPa三个压力段分别画出抗剪强度线如图2所示,分段拟合三轴CU试验后泥炭质土的抗剪强度指标如表2所列。
分析表2数据可发现,5层土样3个压力段内c随着深度增加而增大,基本呈c3>c2>c1、φ1>φ2>φ3的规律。表明泥炭质土抗剪强度随土体埋深而增大,在不同压力段内泥炭质土的力学性质差异较大。由于泥炭质土的原结构被大量孔隙、有机质及水充填,围压增大其原始结构被破坏,土颗粒间距缩小,摩阻力提高。另外上覆土产生的静压力及地表动荷载作用,使泥炭质土中失去大量腐殖凝胶水和分子水使强度提高。围压增加土样所受的法向应力提高,孔隙水排出,结构变密实,故出现c3>c2>c1。在中围压400～1 000 kPa下土样被压得相对密实,土体密实度改变,摩阻力增大,使得土体的c、φ值增加。在高围压应力下土样被压得很密实,随法向应力增加,摩阻力增幅更大,所以c值增幅更大,而φ3值增幅小。
图2 不同埋深泥炭质土分段强度包线Fig.2 Sectional strength envelope of peat soil with different buried depth
表2 5层土样的抗剪强度指标
2.3 有效应力路径
由图3可看出,同一围压下泥炭质土在弹塑性变形阶段有效应力路径随着主应力的增加而呈线性增大,随着其强度增大逐渐屈服,有效应力发生明显偏转,偏转后的曲线随着围压的增大由弧线逐渐变成线性状态。在低围压50 kPa时,有效应力路径大体呈现弧形增长且路径比较凌乱,因为固结应力小于结构临界应力[21]土样结构变化不大,无规律可循。但围压增大,从200 kPa起,有效应力路径出现明显转折点,最浅层土A表现最明显,不同埋深土的有效应力路径曲线都从凌乱变得有序,围压达1 000～1 800 kPa时,有效应力路径曲线的转折点明显,曲线基本呈“7”字形变化,固结应力增大并大于临界结构应力。土体原结构被破坏再逐渐被压得紧密有序,有效应力路径曲线形体逐渐统一。但最浅土的强度远低于其他土层的。
图3 有效应力路径图Fig.3 Effective stress path diagram
2.4 泥炭质土固结排水特性分析
CU试验中原状土饱和后饱和度达都达94%以上。以土样的固结排水量Δw反映固结过程中体积变化,即结构变化的规律。据其分析土样的固结特性及抗剪强度的变化机理,不同埋深土的Δw与σ3的关系曲线如图4所示。
从图4可看出,随着σ3增大Δw增大土样变密实,抗剪强度提高。Δw随w、e的增大而增大。最浅层土样A的Δw最大,C、D相差不大,最深层土样E的Δw最小,即随埋深及σ3增大土孔隙体积及压缩性逐渐减小。据大孔隙优先破坏原理[20],固结时大孔隙优先被切割压缩为小孔隙,孔隙中自由水被排出。土样A、B在σ3为50～400 kPa和C、D、E在σ3为50～300 kPa时Δw基本呈线性增长,即此压力段内土体中自由水最容易被排出,结构改变最大。当土样A、B的σ3在400～1 200 kPa,C、D、E的σ3在300～1 200 kPa时Δw曲线增幅变缓,土体经固结后结构相对密实,但随σ3增大,排除的水量Δw还有一定提升。当σ3>1 200 kPa,土体结构变得十分密实,排除的水量Δw减小,排水曲线平缓。
图4 固结排水量Δw与围压σ3间关系Fig.4 The relationship between consolidation drainage Δw and confining pressure σ3
3.1 微观结构的定性分析
泥炭质土中孔隙存在的形式可分为三种:团聚体间的架空大孔隙、团聚体内小孔隙、土孔隙与植物残体中孔隙。泥炭质土中的腐殖物质具有较大的表面积和亲水基团,使得腐殖质即黏粒团聚体具有松软、多孔、絮状特性。有机质中的腐殖酸是一种亲水胶体,有强大的吸附能力,单位腐殖酸的持水量是黏土矿物的4～5倍,其最大吸水量可达其自身重量的5倍[19]。泥炭质土的微观结构决定其宏观工程性质。其有机质含量高,孔隙丰富,这是泥炭类土高含水量和高压缩性的重要原因之一。
图5为土样A和E在不同压力下CU试验后的部分SEM照片。
从图5可看出,泥炭质土结构形式可分为三类:絮凝状结构、骨架结构及蜂窝状结构,分别如图5(a)、(b)及(c)所示。CU试验后,随围压增大颗粒间从以边-面排列为主,面-面排列为辅的微团聚体向面-面排列为主,边-面排列为辅转变。大孔隙分布减少,小孔隙分布增多,结构变得十分紧密且均匀。在50 kPa时看到的大孔隙,随σ3的增大,孔隙逐渐消失,结构变密实。在σ3为1 800 kPa的固结压力下,土颗粒凝聚体紧密叠合。在图5(d)和(e)中有未完全分解的藻类植物残骸及植物纤维会在黏土矿物中形成大孔隙结构,高压下结构被破坏重整后挤压得非常密实。如图5(f)所示。
图5 不同压力下土样A、E的SEM照片Fig.5 SEM photos of soil samples A and E under different pressures
3.2 微观结构的定量分析
3.2.1 孔隙面积及分布
单元结构体等面积代换后d的计算如下:
(3)
式中:A为单元结构体的面积;π为圆周率。
用IPP软件对试验后土样A和E在SEM放大2k倍后进行分析,得到不同孔径分布图如图6所示。
从土样孔隙分布来看,孔隙直径集中分布于d<1 μm、d=1～2 μm、d=2～5 μm 3个区间内,其分布总量占孔隙数量90%以上,其余各区间孔隙数量分布呈现递减状。固结过程中,随压力增大,孔隙水被排除,颗粒位置被改变,颗粒间接触面积增大,大孔隙最先被压缩切割向小孔隙转化,小孔隙分布增加,d<1 μm的孔隙随固结应力的增大一直在增加。d=1～2 μm和d=2～5 μm的孔隙数量分布出现明显下降。土样E在1 200 kPa后,大孔隙被分割成小孔隙,d=5～10 μm孔隙数量分布消失。两种土样在d=10～20 μm、d>20 μm的区间内孔隙分布的占比小于2%。随着压力的增大孔隙分布减少,当压力大于1 000 kPa时,土样A和E中d>20 μm的孔隙占比变为0%,在d<1 μm、d=1～2 μm这两个粒径范围内无明显差异,但d>2 μm的土样A 孔隙分布多于E的,在漫长的压力作用下,土样E已部分被压缩固结,而土样A结构仍松散。
图6 不同压力下土样微观结构的孔径分布Fig.6 Pore size distribution in soil microstructure under different pressures
3.2.2 孔隙定向性分布规律
定向频率Fi(α)是观察结构单元体定向角落入某一定向区间的几率,即Fi(α)是在0°～180°范围内第i个区间内孔隙的定向频率。
Fi(α)=(hi/H)×100%
(4)
式中:hi、H分别为定向角落入(i-1,i)的孔隙数和总孔隙数;α为每个区间的角度,α=180°/n。
当Fi(α)<5%时,则说明孔隙的长轴方向在这个区间上的个数分布较少,这一方向在定向频率分布中不占优势;当10%
定向概率熵Hm最早作为统计一个信源平均信息量的指标,后被引入到黏性土的微结构分析中,定向概率熵[15]Hm定义:
(5)
当Hm=1时说明结构单元完全是随机的,出现在任何一个区间的概率都是相等的;当Hm=0是说明结构的单元体具有完全一致的排列性。
土样A和E进行CU试验后定向概率熵Hm如表3所列。
表3 土样A、E不同压力下CU试验的概率熵
从表3可知两个不同深度土样的定向Hm都很高,说明其空间展布性都不是很好。土样A随压力增大定向Hm值呈波动状减小;土样E定向概率熵与压力呈负相关,这说明孔隙随着固结压力增大而逐渐整齐有序,定向性逐渐增强。加压过程中原土样内部结构不断调整,颗粒与孔隙的位置不断调整,土体颗粒由松散变得紧密,结构变得稳定,孔隙随压力的增加定向性增强。土样A和E在不同压力下CU试验后孔隙的定向频率分布图如图7所示。
从图7可见,两种土样孔隙都未出现分布的绝对优势,土样A在600 kPa、800 kPa、1 500 kPa下优势区间较为明显,而其他压强下的方向角区间分布都较弱不占优势。土样E与A相比定向性差,在频率图上方向角分布呈锯齿状。说明埋深对微观结构形状也是有影响的,不仅孔隙的大小随压力的增加变小,而且大体的形状向圆形趋近,孔隙结构的外形更趋于“圆滑”。
图7 不同压力CU试验后孔隙的定向分布频率图Fig.7 Directional distribution frequency diagram of pores after CU test under different pressures
三轴固结不排水剪切试验后土样的孔隙定向性变得更差,因土样在剪切前经固结排水,在固结过程中有效应力的不断改变,使得颗粒间位置及排列的方位不断变化,颗粒间距缩小,土体结构的孔隙被颗粒分割,大小和形状都发生改变。在固结后期土体结构渐渐稳定,土体中的颗粒和孔隙形状及排列也趋于稳定。固结后在剪应力作用下,原有的排列方式被打破,颗粒的排列方式变得更加无序,孔隙定向性降低。在CU试验后孔隙和颗粒的定向性比仅做固结时低。
(1) 一条莫尔-库伦强度包线无法对泥炭质土从50～1 800 kPa的三轴CU试验数据进行拟合,分段拟合所得数据误差更小。随埋深增加泥炭质土力学特性提高,其抗剪强度参数随埋深增加而增大。
(2) 随着围压增大5层不同埋深泥炭质土的有效应力路径曲线由无序的弧线转变为有序的“7”字型,当σ3>300 kPa时有效应力路径线型基本都变为“7”字型。固结排水量随着深度的增加而减小,固结压力小于300 kPa时排水量变化曲线基本呈线性变化,之后排水曲线变缓。
(3) 固结应力增大,土颗粒趋于紧密,当固结应力达到1 800 kPa时,大孔隙已完全消失,土颗粒接触方式由边-面为主转变为面-面为主。
(4) 固结剪切试验后,泥炭质土经历了土颗粒的滑移、挤压、错位后颗粒排序由无序趋向于有序,定向性提高;孔径d=1～5 μm占有孔隙总数85%以上,d<1 μm增加,d=1～2 μm明显减少。
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