含有機質粉質粘土的壓縮試驗與性狀分析

楊磊 趙金勇 蔣剛

南京工業大學土木工程學院，江蘇南京  210009

    有機質土通常被定義為有機物灼燒含量在5％。l0％之間的土，E．M．謝爾蓋耶夫研究指出，有機物腐殖質的特點是親水性強，容水性高，可塑性強，透水性低和壓縮性強等，巖土中含有即使是少量的有機物，其性質也會發生根本變化。有機質能進入土結構中的層間孔隙內而造成土體膨脹，從而導致土的剪切強度和滲透性降低，有機質的含量越高影響越大。土中有機質主要為纖維素和腐殖質，其存在使土體的壓縮性變大，對強度也有影響。盡管有很多學者針對有機質土的物理力學性質進行了研究，但是有機質對土體壓縮性的影響，至今還缺少系統的研究Ⅲ。本文主要是通過室內試驗研究有機質土的壓縮一回彈再壓縮變形特性。 

1、土樣的基本物理力學性質

  本次試驗土樣取自南京河西地區，呈灰黑色、味臭，從外觀上粗略判斷其含有機質。根據篩分法和比重計法顆分試驗，土樣粒徑分布曲線如圖1：

    由圖l可以看出該土樣的粒徑主要分布在0.0015 mm-～0.07mm之間，該土樣主要以粉粒為主。各試樣的不均勻系數cu和曲率系數cc見表1，由于該土樣粒徑小于0.005mm的顆粒含量超過全重的l0％，根據<巖土工程勘察規范>(GB500212001)，本試驗中的土定名為有機質粉質粘土。

    該土樣的物理力學性質指標如表2所示，其中有機質含量測定的方法是采用重鉻酸鉀容量法，此方法適用于有機質含量不超過15～20％的土。

    從表2中可以看出，該土樣天然含水率很高，最高已超過60％，孔隙比e≥1.39，液限WL>40％，0,1—2≥1.26MPa-1 Es≤2.17 MPa，對比南京地區粉質粘土的一般物理力學性質指標如表3所示，有機質土的含水率w、孔隙比e較南京地區一般粉質粘土大50％以上，壓縮系數a大1倍，說明該土樣屬于高孔隙比、高液限、高壓縮性土，在荷重作用下容易產生很大的變形沉降。

    由表2看出，隨著土樣中有機質含量的增大，其含水率、孔隙比、液塑限、壓縮性逐漸增大，其變化規律如圖2所示。根據表2、表3土體號數對比和圖2有機質含量影響，可見有機質對土樣的物理力學性質有很大影響，主要是因為有機質能進入土結構中的層間空隙內而造成土體膨脹，從而導致土的剪切強度和滲透性降低，壓縮性增大，有機質的含量越高，對土體性質的影響越大。

2、土樣的壓縮試驗

    2.1土樣的制備和試驗步驟

    利用上述有機質土，共制備了4個試樣，進行壓縮一回彈再壓縮試驗。試驗時用環刀切取試樣，直徑為61.8mm，高為20mm。試驗在標準固結儀上進行，采用應力控制加載方式，多級加載。試驗方案設計如下：

    采用飽和土樣進行試驗，第一步施加的各級壓力等級為：25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。施加每一級壓力后按1s、5s、10s、30s、60s、24h讀數；第二步逐級卸載至0；第三步從25kPa逐級加至800kPa，每級壓力施加時間為24h。

    2.2試驗的數據處理和曲線分析

    壓縮一回彈再壓縮試驗結束后，對數據進行處理，可得到壓縮系數、壓縮模量、回彈指數等土樣力學指標，另外通過對數據進行分析整理繪出e—P曲線、e—lgp線。壓縮系數、壓縮模量等數據如表4所示：

    從表4可以看出，3個試樣的壓縮系數、壓縮模量和回彈指數等變形特性指標變化幅度較小，屬于同一類土。壓縮系數a1-2≥1.26MPa壓縮模量Es≤2.17 MPa，壓縮指數c。值也均大于0.4，說明該土樣為高壓縮性土，其工程性質比較差，這主要是因為土中有機質主要為纖維素和腐殖質，呈絮狀物，使土體變得松散，壓縮性大大增加C8是有側限條件下土樣受壓再卸載所表現出的體積變化的一個指數，基本上為壓縮指數的1/10。

    在對有機質土樣進行室內壓縮一回彈再壓縮試驗后，繪出土樣的壓縮一回彈再壓縮e—P曲線和e-LgP曲線：本次試驗采用的是重塑土，土樣原有結構特征已破壞，如圖3所示，土樣的壓縮一回彈再壓縮e-LOGP曲線幾乎為一直線，表現為典型的重塑土壓縮曲線特征。

    從圖3可見4個試樣壓縮一回彈再壓縮曲線基本一致，該類有機質土在加壓100kPa～300kPa之間時，壓縮曲線很陡即壓縮系數a值變化很大，壓力由400kPa逐級卸載至0，土樣發生回彈，土樣膨脹，孔隙比增大，卸載后的回彈曲線并不沿壓縮曲線回升，而是平緩得多，即回彈指數c。值相對壓縮指數c。值要小的多，說明土樣在卸載后，變形不能全部恢復，其中殘余變形很大，占壓縮量的78.9％。87.9％，而回彈變形僅占殘余變形的l/5左右。試驗表明．土樣的殘余變形比回彈變形大得多。壓力由0再逐級加載至800kPa，再壓縮曲線大致循回彈曲線，直到接近初始壓縮曲線，才又循其方向發展。

    土樣中含有機質具有很強的膠體特性和親水性，由于試驗中采取的是飽和土樣，所以在壓力較小時，土樣孔隙比e大，土樣的含水率很大，其中含有的有機質使土粒結合水膜劇烈增厚，削弱土的粒間連結，使土樣強度降低．壓縮性大；隨著壓力的逐級增加，土樣的孔隙比減小，含水率也逐漸減小，這時有機質對土樣起到了較強的粒間連結作用。土樣的強度增大，其壓縮性逐漸變小。

3、結論

    由于土在鉆探、取樣、運輸、制備土樣和試驗過程中或多或少地會受到擾動，擾動愈大，曲線的位置就愈低。通過對有機粉質粘土進行各項室內試驗，得出一系列的數據。并加以分析解釋，得到以下結論：

    (1)與一般粉質粘土相比，有機質土的含水率塒、孔隙比e、壓縮系數a都遠大于南京地區一般粉質粘土，且隨著土樣中有機質含量的增大，其含水率、孔隙比、液塑限、壓縮性逐漸增大。

    (2)采取有機質土進行壓縮一回彈再壓縮試驗研究，土樣的殘余變形比回彈變形大得多。

    (3)加載初期，土樣的含水率大時，有機質使土粒結合水膜劇烈增厚，削弱土的粒間連結，使土樣強度降低，壓縮性很大，隨著壓力的逐級增加，土樣的孔隙比減小，含水率也逐漸減小，這時有機質對土樣起到了較強的粒問連結作用，土樣的強度增大，其壓縮性逐漸變小。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)