有機(jī)質(zhì)含量對(duì)滇池重塑泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響

朱云強(qiáng)， 屈俊童*， 季東， 張翔， 許有濤， 崔茂俊

(1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院， 昆明 650504； 2.中建八局第四建設(shè)有限公司， 青島 266100)

昆明滇池流域廣泛分布著泥炭質(zhì)土層，泥炭質(zhì)土具有的壓縮性高、強(qiáng)度低及次固結(jié)變形量大等特點(diǎn)，隨著昆明經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，給該地區(qū)的相關(guān)工程建設(shè)帶來了諸多困難。由于我國(guó)西南地區(qū)地震頻發(fā)，加之長(zhǎng)期的交通荷載作用，建設(shè)在未經(jīng)處理的泥炭質(zhì)土上的公路、鐵路等交通設(shè)施容易產(chǎn)生較大的變形，甚至發(fā)生破壞。因此，研究泥炭質(zhì)土在循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力特性具有重要的工程意[1]。

土體在承受動(dòng)荷載作用時(shí)，其動(dòng)力特性變化會(huì)經(jīng)過三個(gè)階段，包括振動(dòng)壓密階段、振動(dòng)剪切階段和振動(dòng)破壞階段。對(duì)于工程建設(shè)來說，振動(dòng)破壞段是無法容許的，土的動(dòng)強(qiáng)度即是指作用的動(dòng)應(yīng)力能夠引起土在破壞意義上的動(dòng)變形或土在極限平衡件下的動(dòng)孔壓[2]。目前中外學(xué)者對(duì)泥炭土或軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度特進(jìn)行了一定的研究。Chen等[3]通過循環(huán)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了杭州灣原狀結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)粘土在不同振動(dòng)頻率下的孔隙壓力、應(yīng)變和動(dòng)強(qiáng)度的發(fā)展，結(jié)果表明存在臨界循環(huán)應(yīng)力比，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比未達(dá)到該值時(shí)，頻率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度無影響，當(dāng)超過時(shí)，頻率越高，動(dòng)強(qiáng)度越大，但隨著頻率的增加，頻率對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響會(huì)逐漸減小。Azhar等[4]對(duì)柔佛州的重塑泥炭質(zhì)土和原狀泥炭質(zhì)土分別進(jìn)行了動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果是重塑泥炭質(zhì)土不僅強(qiáng)度要大于原狀泥炭質(zhì)土，并且動(dòng)黏聚力和動(dòng)內(nèi)摩擦角也更大。Zolkefle等[5]研究了柔佛州泥炭質(zhì)土的動(dòng)變形特性，認(rèn)為隨著振動(dòng)頻率和有效應(yīng)力的增加，泥炭質(zhì)土的剪切模量在增大。Kishida等[6]對(duì)高有機(jī)質(zhì)土進(jìn)行了循環(huán)三軸、共振柱等試驗(yàn)，對(duì)固結(jié)應(yīng)力、有機(jī)質(zhì)含量和加載歷史等變量進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為固結(jié)壓力和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)泥炭土的動(dòng)力學(xué)特性有較大影響。劉偉等[7]對(duì)安嵩線草海段泥炭質(zhì)土的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明其動(dòng)強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，隨著振次的增加動(dòng)強(qiáng)度呈線性降低。李懿等[8]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了洞庭湖砂紋淤泥質(zhì)土，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)黏聚力與固結(jié)壓力、頻率呈正相關(guān)性，破壞振次呈負(fù)相關(guān)性，動(dòng)內(nèi)摩擦角變化規(guī)律相似，但受固結(jié)壓力和頻率的影響較小。陳穎平[9]對(duì)杭州黏土在7種不同固結(jié)壓力作用下進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，經(jīng)過分析得出固結(jié)壓力會(huì)對(duì)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成不同程度的影響，動(dòng)應(yīng)力幅值越低則這個(gè)影響也越明顯。

研究表明，泥炭質(zhì)土中有機(jī)質(zhì)成分對(duì)于其物理力學(xué)性質(zhì)有重要影響[10]，但目前關(guān)于泥炭質(zhì)土中有機(jī)質(zhì)成分對(duì)其動(dòng)強(qiáng)度的研究還比較少見。為此，以昆明滇池重塑泥炭質(zhì)土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究不同有機(jī)質(zhì)含量、固結(jié)壓力及加載頻率條件下得到的昆明重塑泥炭質(zhì)土動(dòng)剪應(yīng)力和破壞振次的關(guān)系曲線，分析不同試驗(yàn)條件對(duì)于動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，即動(dòng)黏聚力cd、動(dòng)內(nèi)摩擦角φd的影響，為泥炭質(zhì)土的進(jìn)一步研究和相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)使用的試驗(yàn)設(shè)備是英國(guó)GDS設(shè)備儀器有限公司生產(chǎn)的動(dòng)三軸儀，型號(hào)DYNTTS(以下簡(jiǎn)稱GDS動(dòng)三軸儀)，采用其中的動(dòng)力模塊。試驗(yàn)的土樣取自昆明巫家壩地區(qū)某基坑內(nèi)，基坑深度為 4～15 m，為保證所取土樣的有機(jī)質(zhì)含量有所差異，分別于基坑不同區(qū)域和不同深度進(jìn)行取樣，原狀泥炭質(zhì)土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)由該基坑的地勘報(bào)告提供，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定

有機(jī)質(zhì)的測(cè)定方法包括目視比色法、光度比色法、質(zhì)量法(灼失量法)、容量法(重鉻酸鉀容量法)和雙氧水氧化法等。由于灼失量法經(jīng)濟(jì)、快捷、有效，測(cè)定結(jié)果可信度較高，因此采用灼失量法測(cè)定土樣有機(jī)質(zhì)含量。

測(cè)定過程為：先將取回的五袋土樣充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，于每袋土樣中取兩份試樣，分別放入稱量盒中，稱量盒加濕土的質(zhì)量。之后將盒至于烘箱內(nèi)在65～70 ℃的恒溫下烘至恒量后，放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱量盒加干土質(zhì)量。再將烘干土樣放在橡皮板上用木槌碾散，用四分法選取代表性試樣，將試樣通過孔徑0.5 mm的篩，然后將篩后樣品充分?jǐn)嚢杈鶆?，分別稱取3.000～5.000 g放入瓷坩堝中，置于高溫爐內(nèi)再 550 ℃下燒灼至恒量后，置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱其質(zhì)量。所有稱量過程均準(zhǔn)確至0.001 g，灼燒兩次前后的稱重之差即是有機(jī)質(zhì)含量，其測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表1 原狀泥炭質(zhì)土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 泥炭質(zhì)土燒失量測(cè)定結(jié)果

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)[11]中有機(jī)質(zhì)土的分類，本次所取土樣中 PS-1至PS-5號(hào)土均屬于泥炭質(zhì)土。其中PS-3號(hào)為強(qiáng)泥炭質(zhì)土，PS-5號(hào)為中泥炭質(zhì)土，PS-1、2、4號(hào)土均為弱泥炭質(zhì)土。由于PS-4號(hào)土的有機(jī)質(zhì)含量最低，且與PS-3號(hào)土和PS-5號(hào)土差值較大，較具代表性，故本次試驗(yàn)采用PS-3號(hào)、PS-4號(hào)和PS-5號(hào)土進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 樣品制備

首先進(jìn)行試樣的制備，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[12]，從巫家壩取回的PS-3號(hào)、PS-4號(hào)和PS-5號(hào)土中取足夠試驗(yàn)用量的泥炭質(zhì)土，將試驗(yàn)土樣烘干后，經(jīng)木錘碾散過5 mm的篩，過篩土樣均勻鋪在搪瓷盤中，用噴壺將適量的水噴灑在土樣上拌勻并濕潤(rùn)24 h。根據(jù)分層擊實(shí)法將土樣制成尺寸為直徑 50 mm、高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，對(duì)試樣的成型時(shí)間須控制在25 min之內(nèi)。

在土樣制成后采用真空抽氣飽和法對(duì)土樣進(jìn)行飽和。先將試樣置于真空缸內(nèi)抽氣，使真空表接近-100 kPa后保持1 h以上。然后打開進(jìn)水閥，使無氣水進(jìn)入真空缸，在注水過程中保持真空表數(shù)值保持不變，待水淹沒試樣后關(guān)閉進(jìn)水閥并停止抽氣。最后關(guān)閉抽氣閥，將導(dǎo)水管提出水面置于空氣中，打開進(jìn)水閥令空氣進(jìn)入真空缸，最后靜置24 h完成對(duì)試樣的前期飽和處理。一般來說對(duì)于黏性土僅用真空飽和法不能達(dá)到很高的飽和度，所以將試樣裝入GDS動(dòng)三軸儀后，進(jìn)行B值檢測(cè)來判定土樣是否飽和，當(dāng)B值≥0.95時(shí)，可以認(rèn)為土樣飽和。當(dāng)B值小于0.95時(shí)對(duì)土樣進(jìn)行反壓飽和，直到B值大于0.95。

飽和完成后對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)。采用高級(jí)加載模塊對(duì)已經(jīng)飽和的土樣施加預(yù)定的固結(jié)壓力，對(duì)試樣固結(jié)的時(shí)間不少于24 h。設(shè)置固結(jié)壓力為50、100、150 kPa，且都為等壓固結(jié)。固結(jié)過程中觀察反壓體積隨時(shí)間變化曲線，當(dāng)反壓體積保持不變時(shí)可以認(rèn)為試樣固結(jié)完成。之后可按照試驗(yàn)方案進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。

1.2.3 試驗(yàn)參數(shù)的選取

動(dòng)力試驗(yàn)參數(shù)的選取對(duì)土動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果有直接影響，本次試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)選取如下。

(1)有機(jī)質(zhì)含量：本次試驗(yàn)采用較具代表性的PS-3號(hào)、PS-4號(hào)和PS-5號(hào)土進(jìn)行試驗(yàn)。即有機(jī)質(zhì)含量ωu為12.5%、25.3%、42.1%。

(2)固結(jié)比：實(shí)際工況中，等壓固結(jié)的情況基本不會(huì)出現(xiàn)，但由于三軸試驗(yàn)中最大加載數(shù)值和試驗(yàn)可操作性等方面等壓固結(jié)均優(yōu)于偏壓固結(jié)，本次試驗(yàn)均采用等壓固結(jié)，即固結(jié)比kc=1。

(3)振動(dòng)頻率：由于低頻振動(dòng)對(duì)建筑工程中的作用影響非常大，且根據(jù)相關(guān)的地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[13]，地鐵管線下的地基土在地鐵列車經(jīng)過時(shí)，土體產(chǎn)生低頻的范圍在0.4～0.6 Hz，因此本次試驗(yàn)主要考慮低頻振動(dòng)，采用的振動(dòng)頻率為0.5、1.0、1.5 Hz。

(4)振動(dòng)波形：在動(dòng)三軸試驗(yàn)中可以選擇正弦波、三角波、矩形波等，由于正弦波能較好地模擬地震波并且操作簡(jiǎn)便，故采用正弦波波形。

(5)動(dòng)應(yīng)力幅值：以前期進(jìn)行的靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為參考，選取范圍為各個(gè)固結(jié)壓力0.3～0.9倍的靜強(qiáng)度，并根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況調(diào)整，固結(jié)壓力每增加一級(jí)，動(dòng)應(yīng)力幅值應(yīng)相應(yīng)提高10%～30%，并使破壞振次較為均勻分布在1～1 000次。

(6)試驗(yàn)終止條件：通常將土體被破壞作為試驗(yàn)的終止條件，因此需要確定土體的破壞標(biāo)準(zhǔn)才能夠合理化地研究試驗(yàn)結(jié)果。由于本次試驗(yàn)所用的重塑飽和泥炭質(zhì)土具有很低的滲透性和很強(qiáng)的黏滯作用，孔隙水壓力難以準(zhǔn)確測(cè)量，所以孔壓標(biāo)準(zhǔn)和極限平衡標(biāo)準(zhǔn)不適于本次試驗(yàn)，而屈服標(biāo)準(zhǔn)較適用于非飽和土。對(duì)于黏性土一般可采用指定應(yīng)變的方法作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，即應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于其中的飽和黏性土，一般在軸向動(dòng)應(yīng)變達(dá)到2.5%～10%選取，故選取累計(jì)軸向應(yīng)變達(dá)到10%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

本次試驗(yàn)設(shè)置的固結(jié)壓力為50、100、150 kPa，選擇不排水條件，即固結(jié)不排水試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表3所示，其中編號(hào)4～12組試驗(yàn)有機(jī)質(zhì)含量均為25.3%。

表3 重塑泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)方案

1.2.4 試驗(yàn)步驟

使用動(dòng)力加載模塊進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。在施加動(dòng)荷載之前需要對(duì)試樣進(jìn)行剛度估計(jì)，剛度估計(jì)決定了荷載能否以合適的正弦波方式加載到試樣上，反映在試樣上即是試樣承受荷載時(shí)，能否產(chǎn)生適中的抵抗變形的能力。通過一定的方法選擇合適的土體剛度后，需要設(shè)置振幅，振幅可以通過動(dòng)應(yīng)力幅值進(jìn)行換算。下一步分別設(shè)置總循環(huán)次數(shù)、每次循環(huán)保存的數(shù)據(jù)點(diǎn)和累計(jì)應(yīng)變極限等條件，在設(shè)置結(jié)束后即可開始循環(huán)動(dòng)荷載試驗(yàn)。

2 泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度曲線分析

本次試驗(yàn)每種試驗(yàn)情況采用3個(gè)點(diǎn)，并且各個(gè)點(diǎn)均勻分布在1～1 000循環(huán)次數(shù)內(nèi)。由動(dòng)強(qiáng)度定義可知，土的動(dòng)強(qiáng)度和其循環(huán)荷載次數(shù)密切相關(guān)，一般常用動(dòng)應(yīng)力σd或動(dòng)剪應(yīng)力τd與破壞振次Nf的曲線，即σd-Nf或τd-Nf來表現(xiàn)土受到動(dòng)荷載的變化規(guī)律。另外，動(dòng)應(yīng)力比Rf=σd/2σ3c，即動(dòng)應(yīng)力σd的1/2與固結(jié)壓力σ3c的比值，也可用來表現(xiàn)動(dòng)強(qiáng)度。本次試驗(yàn)采用τd-Nf和Rf-Nf曲線進(jìn)行分析。

2.1 不同固結(jié)壓力對(duì)動(dòng)強(qiáng)度曲線的影響

飽和重塑泥炭質(zhì)土在25.3%有機(jī)質(zhì)含量下，相同振動(dòng)頻率控制條件下的τd-Nf與Rf-Nf定量關(guān)系曲線如圖1～圖3所示。

圖1 0.5 Hz條件下不同固結(jié)壓力的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.1 The dynamic strength curve of different consolidation pressures at 0.5 Hz

圖2 1.0 Hz條件下不同固結(jié)壓力的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.2 Dynamic strength curves of different consolidation pressures at 1.0 Hz

圖3 1.5 Hz條件下不同固結(jié)壓力的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.3 Dynamic strength curves of different consolidation pressures at 1.5 Hz

從圖1(a)、圖2(a)、圖3(a)的τd-Nf關(guān)系曲線可以看出，各個(gè)振動(dòng)頻率控制條件下的動(dòng)剪應(yīng)力τd均表現(xiàn)出隨著固結(jié)壓力σ3c增大而增大的趨勢(shì)，即試樣在更大固結(jié)壓力下強(qiáng)度更高。根據(jù)有效應(yīng)力原理，固結(jié)壓力越大，有效應(yīng)力也就越大。由于泥炭質(zhì)土中含有有機(jī)質(zhì)、膠體狀態(tài)的礦物顆粒和腐殖質(zhì)等構(gòu)成的疏松海綿結(jié)構(gòu)和架空結(jié)構(gòu)，而固結(jié)壓力的壓密作用會(huì)使這些有機(jī)質(zhì)、膠體狀態(tài)的礦物顆粒和土顆粒之間的吸引力和膠結(jié)作用增強(qiáng)，故這些結(jié)構(gòu)中空隙被壓縮并結(jié)合的更加緊密，使土體抵抗變形和破壞的能力更強(qiáng)。此外還可發(fā)現(xiàn)，三種固結(jié)壓力曲線之間的距離近似相等，每增加50 kPa，動(dòng)應(yīng)力大概增加4～7 kPa。但隨著破壞振次的增大，3種固結(jié)壓力曲線尾部有收斂的趨勢(shì)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，每種圍壓情況下動(dòng)強(qiáng)度曲線均應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定值，即極限最小循環(huán)強(qiáng)度，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力足夠小，小于該值時(shí)，此時(shí)試樣將不受荷載循環(huán)次數(shù)的影響，無論循環(huán)加載多少次，試樣均處于彈性狀態(tài)，產(chǎn)生的塑性變形也很小，遠(yuǎn)達(dá)不到破壞時(shí)的應(yīng)變。

從圖1(b)、圖2(b)、圖3(b)的Rf-Nf關(guān)系曲線中可以看出：動(dòng)應(yīng)力比Rf隨著固結(jié)壓力σ3c的增大而減小，這和τd-Nf曲線表現(xiàn)的規(guī)律較為不同。但在各個(gè)振動(dòng)頻率條件下100 kPa和150 kPa時(shí)的動(dòng)應(yīng)力比相差較小，尤其是振動(dòng)頻率為0.5 Hz時(shí)，這兩條動(dòng)應(yīng)力比曲線有部分近乎重疊在一起。當(dāng)固結(jié)壓力一定時(shí)，若動(dòng)應(yīng)力較小，因?yàn)橥馏w本身存在著一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需要較多循環(huán)次數(shù)才會(huì)使試樣產(chǎn)生較為明顯的塑性變形，此時(shí)土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度才會(huì)產(chǎn)生較大的衰減。但當(dāng)動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)，土體的結(jié)構(gòu)會(huì)很快遭到破壞，使得應(yīng)變迅速增加，在較小的循環(huán)次數(shù)小就會(huì)達(dá)到破壞條件。反映在Rf-Nf曲線上就是，低固結(jié)壓力條件下的試樣需要更大的動(dòng)應(yīng)力比使土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，從而使試樣產(chǎn)生較大塑性變形，直至達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。而高固結(jié)壓力的條件下，若仍保持高動(dòng)應(yīng)力比，則土體結(jié)構(gòu)很難承受住，會(huì)迅速變形破壞，故較低的動(dòng)應(yīng)力比可以達(dá)到較好的效果，使試樣的破壞次數(shù)均勻分布在1～1 000次的范圍內(nèi)。

2.2 不同振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度曲線的影響

飽和重塑泥炭質(zhì)土在25.3%有機(jī)質(zhì)含量下，不同振動(dòng)頻率控制條件下的τd-Nf與Rf-Nf定量關(guān)系曲線如圖4～圖6所示。

圖4 50 kPa固結(jié)壓力條件下不同頻率的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.4 Dynamic strength curves of different frequencies under the condition of 50 kPa consolidation pressure

圖5 100 kPa固結(jié)壓力條件下不同頻率的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.5 Dynamic strength curves of different frequencies under the condition of 100 kPa consolidationpressure

圖6 150 kPa固結(jié)壓力條件下不同頻率的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.6 Dynamic strength curves of different frequencies under the condition of 150 kPa consolidation pressure

由圖4～圖6可以看出，τd-Nf與Rf-Nf曲線的變化基本相似，在各個(gè)不同固結(jié)壓力控制條件下，隨著荷載振動(dòng)頻率的升高，整體上重塑泥炭質(zhì)土體的動(dòng)剪應(yīng)力也在增大。但是這3種頻率時(shí)的動(dòng)剪應(yīng)力差別并不是非常明顯，并且這3種頻率曲線之間的間距沒有明顯的規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，5 Hz以內(nèi)的振動(dòng)頻率對(duì)泥炭質(zhì)土的動(dòng)彈性模量影響較小，因此加載頻率對(duì)于土體的動(dòng)變形影響不明顯。當(dāng)加載頻率越低，試樣的受荷時(shí)間相對(duì)越久，從而土體更易破壞土體中的孔隙水壓力有充足的時(shí)間上升和擴(kuò)散，土體的有效應(yīng)力隨之降低，故使土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，此時(shí)泥炭質(zhì)土的塑性變形越大，土體更容易破壞。本次試驗(yàn)主要選取了3個(gè)較低頻率，所以整體來看對(duì)于泥炭質(zhì)土的動(dòng)強(qiáng)度影響較小。

2.3 不同有機(jī)質(zhì)含量對(duì)動(dòng)強(qiáng)度曲線的影響

飽和重塑泥炭質(zhì)土在不同有機(jī)質(zhì)含量下，相同固結(jié)壓力控制條件下的τd-Nf與Rf-Nf定量關(guān)系曲線如圖7～圖9所示。

圖7 50 kPa固結(jié)壓力條件下不同有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.7 Dynamic strength curve of different organic matter content under the condition of 50 kPa consolidation pressure

圖8 100 kPa固結(jié)壓力條件下不同有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.8 Dynamic strength curve of different organic matter content under the condition of 100 kPa consolidation pressure

圖9 150 kPa固結(jié)壓力條件下不同有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.9 Dynamic strength curve of different organic matter content under the condition of 150 kPa consolidation pressure

圖7～圖9中，τd-Nf與Rf-Nf曲線的變化基本相似，可以看出，在各個(gè)固結(jié)壓力條件下，有機(jī)質(zhì)的含量越高，所對(duì)應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)力也就越大。仔細(xì)觀察這3種不同有機(jī)質(zhì)含量的曲線之間的間距，也會(huì)發(fā)現(xiàn)略有不同。42.1%有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)強(qiáng)度曲線與25.3%有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)強(qiáng)度曲線間距略大于25.3%有機(jī)質(zhì)含量與12.5%有機(jī)質(zhì)含量的間距。Rf-Nf曲線的變化規(guī)律也類似。泥炭土的主要成分包括礦物顆粒、腐殖質(zhì)-黏粒團(tuán)聚體及碳化植物纖維殘?bào)w[15]。其中腐殖質(zhì)是土中有機(jī)質(zhì)的主要組成部分，由于腐殖質(zhì)具有強(qiáng)大的吸水特性[16]，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大，在循環(huán)荷載作用過程中腐殖質(zhì)、礦物膠體和土顆粒之間相互咬合，膠結(jié)作用增強(qiáng)，土顆粒之間的結(jié)合水相連結(jié)力加強(qiáng)，對(duì)循環(huán)荷載拉壓過程中起到阻滯的作用，致使土體抵抗變形和破壞的能力更加顯著，所以高有機(jī)質(zhì)含量的試樣相對(duì)于低有機(jī)質(zhì)含量的試樣動(dòng)剪應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力比更大，動(dòng)強(qiáng)度曲線的位置也就更高。

3 不同試驗(yàn)條件對(duì)泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，摩爾-庫倫公式同樣適用于土體動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算，即

τd=cd+σtanφd

(1)

式(1)中：cd、φd分別為動(dòng)黏聚力和動(dòng)摩擦角。

根據(jù)Seed[18]效振次簡(jiǎn)化方法，地震級(jí)數(shù)和土的循環(huán)荷載次數(shù)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如表4所示。為了考慮循環(huán)振次對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，綜合考慮選擇振動(dòng)次數(shù)相差較大(Nf=5、12、30)，來模擬地震5.5～6、7.0、8.0級(jí)的地震對(duì)土體的作用。

表4 地震級(jí)數(shù)及循環(huán)荷載對(duì)應(yīng)表

對(duì)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cd和φd，需要畫出不同試驗(yàn)條件下各個(gè)振次的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。根據(jù)動(dòng)強(qiáng)度曲線繪制3個(gè)不同固結(jié)壓力下的動(dòng)應(yīng)力莫爾圓，然后做出3個(gè)圓的公切線，即可得到不同試驗(yàn)條件下各個(gè)振次的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。之后可求出動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，進(jìn)一步分析不同試驗(yàn)條件對(duì)cd、φd值產(chǎn)生的具體影響。以cd、φd值為縱坐標(biāo)，相關(guān)試驗(yàn)控制條件為橫坐標(biāo)，繪制其變化曲線，如圖10～圖12所示。

圖10 不同有機(jī)質(zhì)含量對(duì)重塑泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的影響Fig.10 Influence of different organic matter content on the dynamic strength index of remolded peaty soil

圖11 不同振動(dòng)頻率對(duì)重塑泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的影響Fig.11 Influence of different vibration frequencies on the dynamic strength index of remolded peaty soil

圖12 不同循環(huán)振次對(duì)重塑泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的影響Fig.12 Influence of different cycles of vibration on the dynamic strength index of remolded peaty soil

3.1 不同有機(jī)質(zhì)含量對(duì)動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

由圖10可以看出，3種不同的循環(huán)振次Nf下動(dòng)黏聚力cd均隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大，并且增大的趨勢(shì)也都較為相同。分析原因是由于有機(jī)質(zhì)含量越高，其土體中含有的有機(jī)質(zhì)膠體、黏粒和腐殖質(zhì)也就越多，動(dòng)黏聚力正是由這些有機(jī)質(zhì)膠體和黏粒間的膠結(jié)作用產(chǎn)生的，而腐殖質(zhì)則可以使這種有機(jī)-無機(jī)復(fù)合膠體相互作用增強(qiáng)。另外，由于土體中含有大量未分解完全的植物殘?bào)w，這些植物殘?bào)w與土中顆粒交錯(cuò)亂織在一起，形成一種似黏聚力[10]，提高了抗拉拔能力。故隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，黏聚力相應(yīng)增大。

動(dòng)內(nèi)摩擦角φd也隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大。從數(shù)值上看，有機(jī)質(zhì)含量從12.5%增加到42.1%，動(dòng)內(nèi)摩擦角增加了2°，并且有機(jī)質(zhì)含量間隔越大提升的幅度也就越明顯。其原因與動(dòng)黏聚力cd較為類似，但是動(dòng)內(nèi)摩擦角更多是物理層面的作用，即隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大，有大量未分解完全的植物殘?bào)w與土顆粒間相互錯(cuò)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦及凹凸面間的鑲嵌作用較僅是土顆粒與土顆粒之間的摩擦作用更加明顯，也就造成了有機(jī)質(zhì)含量越大，動(dòng)內(nèi)摩擦角也就越大。

3.2 不同振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

從圖11可知，3種不同的循環(huán)振次Nf下動(dòng)黏聚力cd均是隨著頻率的增大而增大。從動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的數(shù)值變化來看，頻率從0.5 Hz增加到1.5 Hz，動(dòng)黏聚力cd增加了2～2.5 kPa，可以看出荷載頻率對(duì)泥炭質(zhì)土的影響要比有機(jī)質(zhì)含量的較小。低頻荷載作用在土體時(shí)，土體有充分的時(shí)間變形，在較少的振次下被振松，土顆粒和有機(jī)質(zhì)膠體礦物之間的咬合、聯(lián)結(jié)作用減小，動(dòng)黏聚力cd下降。反之高頻的荷載振動(dòng)作用時(shí)，每個(gè)振次中荷載加載在土體上的時(shí)間較短，需要在土體在更多的振次下才能達(dá)到低頻率較小振次下的效果，即土體來不及在該頻率的動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生較大的變形，依然保持較為密實(shí)的狀態(tài)，故與低頻振次相比，高頻振次下的動(dòng)黏聚力cd更大一些。

3種不同的循環(huán)振次Nf下動(dòng)內(nèi)摩擦角φd曲線并不統(tǒng)一，當(dāng)循環(huán)振次Nf=5時(shí)動(dòng)內(nèi)摩擦角φd是隨著頻率增大而增大的，但當(dāng)Nf=12時(shí)的動(dòng)內(nèi)摩擦角φd是先增大而后卻降低，當(dāng)Nf=30時(shí)的動(dòng)內(nèi)摩擦角φd基本保持不變后略有升高。從動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的數(shù)值變化來看，循環(huán)振次Nf=5時(shí)，頻率從0.5 Hz增加到1.5 Hz，動(dòng)內(nèi)摩擦角φd增加了約1°，而循環(huán)振次Nf=12和Nf=30時(shí)，頻率從0.5 Hz增加到1.5 Hz，動(dòng)內(nèi)摩擦角φd僅增加了約0.2°，可以說基本保持不變，整體來說振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)內(nèi)摩擦角φd的影響并不明顯。

3.3 不同循環(huán)振次對(duì)動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

由圖12可以看出，5種不同的控制條件下的動(dòng)黏聚力cd均是隨著循環(huán)振次Nf的增大而減小，并且減小趨勢(shì)整體上較為相似。從動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值變化來看，在不同控制條件下，當(dāng)循環(huán)振次Nf=5增加至Nf=30時(shí)，動(dòng)黏聚力下降了1.6～2.6 kPa。分析原因是一開始當(dāng)循環(huán)振次Nf較小時(shí)，在動(dòng)荷載的影響下，土體有被壓縮的趨勢(shì)，土中孔隙被壓密，這就使動(dòng)黏聚力cd剛開始處于一個(gè)較高的水平。隨著循環(huán)振次的增加，孔隙水壓力逐漸上升和擴(kuò)散，有效應(yīng)力減小，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度漸漸下降。此時(shí)土體變得松散，使土顆粒之間或膠體礦物顆粒之間包裹的水膜咬合、聯(lián)結(jié)能力下降，導(dǎo)致動(dòng)黏聚力cd逐漸下降。如果循環(huán)振次Nf繼續(xù)增加，土顆粒和膠體礦物顆粒在經(jīng)過較多次的荷載作用后會(huì)重新排列，進(jìn)而會(huì)進(jìn)入一個(gè)較為平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)的動(dòng)黏聚力cd下降將逐漸變得平緩，最后會(huì)趨于穩(wěn)定。

循環(huán)振次Nf對(duì)動(dòng)內(nèi)摩擦角φd和動(dòng)黏聚力cd的曲線影響比較相似。但循環(huán)振次Nf為5～12時(shí)動(dòng)內(nèi)摩擦角φd的減小幅度要大于Nf為21～30。從數(shù)值上看，不同控制條件下從循環(huán)振次Nf為5～30下降了1.3°～2.0°。這是因?yàn)楫?dāng)循環(huán)振次Nf較小時(shí)，土體被壓縮導(dǎo)致土顆粒和土顆粒之間、土顆粒和膠體礦物顆粒之間接觸面積更大也更加緊密，摩擦和咬合力增大，所以動(dòng)內(nèi)摩擦角φd也較大。隨著循環(huán)振次的增加，土體進(jìn)入振動(dòng)破壞階段，使土變得松散，隨著孔隙水壓力的上升和擴(kuò)散，在土顆粒和土顆?；蚰z體礦物顆粒之間包裹了一層較厚的水膜，增強(qiáng)了潤(rùn)滑作用，摩擦作用減弱，使得動(dòng)內(nèi)摩擦角φd逐漸下降。

4 結(jié)論

對(duì)滇池飽和重塑泥炭質(zhì)土進(jìn)行了動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量和振動(dòng)頻率固定的情況下，隨著固結(jié)壓力的增大，重塑泥炭質(zhì)土的動(dòng)剪應(yīng)力τd也在增大，動(dòng)應(yīng)力比Rf卻在減?。划?dāng)有機(jī)質(zhì)含量和固結(jié)壓力固定的情況下，動(dòng)剪應(yīng)力τd和動(dòng)應(yīng)力比Rf整體上是隨著振動(dòng)頻率的增大在增大；當(dāng)振動(dòng)頻率和固結(jié)壓力固定的情況下，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大，動(dòng)剪應(yīng)力τd和動(dòng)應(yīng)力比Rf也增大，并且有機(jī)質(zhì)含量25.3%～42.1%，增加幅度明顯大于有機(jī)質(zhì)含量12.5%～25.3%。

(2)有機(jī)質(zhì)含量對(duì)重塑泥炭質(zhì)土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)曲線的影響比其他試驗(yàn)控制條件明顯，呈正相關(guān)性。說明有機(jī)質(zhì)含量是影響重塑飽和泥炭質(zhì)土動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。這主要是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)本身有較強(qiáng)的膠結(jié)作用，大量有機(jī)質(zhì)也增加了有機(jī)質(zhì)、土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)，使動(dòng)黏聚力得到提升，并且由此形成的空間結(jié)構(gòu)增加了土體內(nèi)部的摩擦作用，導(dǎo)致動(dòng)摩擦角也有在增加。

(3)重塑泥炭質(zhì)土的動(dòng)強(qiáng)度振動(dòng)頻率的影響較小，且規(guī)律不明顯。動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd總體上隨振動(dòng)頻率的增加而增大，但增加幅度較小。因?yàn)楦哳l的荷載振動(dòng)會(huì)使土體來不及發(fā)生變形，依然保持較為密實(shí)的狀態(tài)，土體間仍然有較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)和摩擦，故高頻振次下的動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd更大一些。

(4)當(dāng)循環(huán)振次較小時(shí)，重塑飽和泥炭質(zhì)土動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd都較大，但隨著循環(huán)振次的增加都出現(xiàn)明顯減小。這是由于剛開始施加循環(huán)荷載時(shí)，土體會(huì)被壓密，土體動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd處于較高水平，隨著循環(huán)振次增加，土體被振動(dòng)破壞，土變得松散，土顆粒之間、膠體礦物顆粒之間以及互相之間的聯(lián)結(jié)變?nèi)?，?dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd發(fā)生較大的下降。