含有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)粘土的壓縮試驗(yàn)與性狀分析

楊磊 趙金勇 蔣剛

南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京  210009

    有機(jī)質(zhì)土通常被定義為有機(jī)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(jī)物腐殖質(zhì)的特點(diǎn)是親水性強(qiáng)，容水性高，可塑性強(qiáng)，透水性低和壓縮性強(qiáng)等，巖土中含有即使是少量的有機(jī)物，其性質(zhì)也會(huì)發(fā)生根本變化。有機(jī)質(zhì)能進(jìn)入土結(jié)構(gòu)中的層間孔隙內(nèi)而造成土體膨脹，從而導(dǎo)致土的剪切強(qiáng)度和滲透性降低，有機(jī)質(zhì)的含量越高影響越大。土中有機(jī)質(zhì)主要為纖維素和腐殖質(zhì)，其存在使土體的壓縮性變大，對(duì)強(qiáng)度也有影響。盡管有很多學(xué)者針對(duì)有機(jī)質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，但是有機(jī)質(zhì)對(duì)土體壓縮性的影響，至今還缺少系統(tǒng)的研究Ⅲ。本文主要是通過室內(nèi)試驗(yàn)研究有機(jī)質(zhì)土的壓縮一回彈再壓縮變形特性。 

1、土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)

  本次試驗(yàn)土樣取自南京河西地區(qū)，呈灰黑色、味臭，從外觀上粗略判斷其含有機(jī)質(zhì)。根據(jù)篩分法和比重計(jì)法顆分試驗(yàn)，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(shù)cu和曲率系數(shù)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(jù)<巖土工程勘察規(guī)范>(GB500212001)，本試驗(yàn)中的土定名為有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)粘土。

    該土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示，其中有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定的方法是采用重鉻酸鉀容量法，此方法適用于有機(jī)質(zhì)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(duì)比南京地區(qū)粉質(zhì)粘土的一般物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表3所示，有機(jī)質(zhì)土的含水率w、孔隙比e較南京地區(qū)一般粉質(zhì)粘土大50％以上，壓縮系數(shù)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(chǎn)生很大的變形沉降。

    由表2看出，隨著土樣中有機(jī)質(zhì)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(guī)律如圖2所示。根據(jù)表2、表3土體號(hào)數(shù)對(duì)比和圖2有機(jī)質(zhì)含量影響，可見有機(jī)質(zhì)對(duì)土樣的物理力學(xué)性質(zhì)有很大影響，主要是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)能進(jìn)入土結(jié)構(gòu)中的層間空隙內(nèi)而造成土體膨脹，從而導(dǎo)致土的剪切強(qiáng)度和滲透性降低，壓縮性增大，有機(jī)質(zhì)的含量越高，對(duì)土體性質(zhì)的影響越大。

2、土樣的壓縮試驗(yàn)

    2.1土樣的制備和試驗(yàn)步驟

    利用上述有機(jī)質(zhì)土，共制備了4個(gè)試樣，進(jìn)行壓縮一回彈再壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)用環(huán)刀切取試樣，直徑為61.8mm，高為20mm。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀上進(jìn)行，采用應(yīng)力控制加載方式，多級(jí)加載。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：

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

    2.2試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和曲線分析

    壓縮一回彈再壓縮試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到壓縮系數(shù)、壓縮模量、回彈指數(shù)等土樣力學(xué)指標(biāo)，另外通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理繪出e—P曲線、e—lgp線。壓縮系數(shù)、壓縮模量等數(shù)據(jù)如表4所示：

    從表4可以看出，3個(gè)試樣的壓縮系數(shù)、壓縮模量和回彈指數(shù)等變形特性指標(biāo)變化幅度較小，屬于同一類土。壓縮系數(shù)a1-2≥1.26MPa壓縮模量Es≤2.17 MPa，壓縮指數(shù)c。值也均大于0.4，說明該土樣為高壓縮性土，其工程性質(zhì)比較差，這主要是因?yàn)橥林杏袡C(jī)質(zhì)主要為纖維素和腐殖質(zhì)，呈絮狀物，使土體變得松散，壓縮性大大增加C8是有側(cè)限條件下土樣受壓再卸載所表現(xiàn)出的體積變化的一個(gè)指數(shù)，基本上為壓縮指數(shù)的1/10。

    在對(duì)有機(jī)質(zhì)土樣進(jìn)行室內(nèi)壓縮一回彈再壓縮試驗(yàn)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(yàn)采用的是重塑土，土樣原有結(jié)構(gòu)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(xiàn)為典型的重塑土壓縮曲線特征。

    從圖3可見4個(gè)試樣壓縮一回彈再壓縮曲線基本一致，該類有機(jī)質(zhì)土在加壓100kPa～300kPa之間時(shí)，壓縮曲線很陡即壓縮系數(shù)a值變化很大，壓力由400kPa逐級(jí)卸載至0，土樣發(fā)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(shù)c。值相對(duì)壓縮指數(shù)c。值要小的多，說明土樣在卸載后，變形不能全部恢復(fù)，其中殘余變形很大，占?jí)嚎s量的78.9％。87.9％，而回彈變形僅占?xì)堄嘧冃蔚?/span>l/5左右。試驗(yàn)表明．土樣的殘余變形比回彈變形大得多。壓力由0再逐級(jí)加載至800kPa，再壓縮曲線大致循回彈曲線，直到接近初始?jí)嚎s曲線，才又循其方向發(fā)展。

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

3、結(jié)論

    由于土在鉆探、取樣、運(yùn)輸、制備土樣和試驗(yàn)過程中或多或少地會(huì)受到擾動(dòng)，擾動(dòng)愈大，曲線的位置就愈低。通過對(duì)有機(jī)粉質(zhì)粘土進(jìn)行各項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)，得出一系列的數(shù)據(jù)。并加以分析解釋，得到以下結(jié)論：

    (1)與一般粉質(zhì)粘土相比，有機(jī)質(zhì)土的含水率塒、孔隙比e、壓縮系數(shù)a都遠(yuǎn)大于南京地區(qū)一般粉質(zhì)粘土，且隨著土樣中有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)土進(jìn)行壓縮一回彈再壓縮試驗(yàn)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(shí)，有機(jī)質(zhì)使土粒結(jié)合水膜劇烈增厚，削弱土的粒間連結(jié)，使土樣強(qiáng)度降低，壓縮性很大，隨著壓力的逐級(jí)增加，土樣的孔隙比減小，含水率也逐漸減小，這時(shí)有機(jī)質(zhì)對(duì)土樣起到了較強(qiáng)的粒問連結(jié)作用，土樣的強(qiáng)度增大，其壓縮性逐漸變小。

參考文獻(xiàn)

【1】洪毓康．土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)【M】．北京：人民交通出版社．l987．

【2】[蘇]E．M．謝爾蓋耶夫．工程巖土學(xué)【M】．北京：地質(zhì)出版社．l990．

【3】李廣信．高等土力學(xué)【M】．清華大學(xué)出版社．

【4】周g,9，蔡升華．南京某電廠巖土工程分析與評(píng)價(jià)【J】．電力勘察，1995，8(4)：24～28．

【5】中華人民共和國(guó)水利部．GB／T 50123 1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S】．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社．1999．

【6】李生林，秦素娟，韓愛民．軟土中的蛋白質(zhì)總量及其工程意義【J】．巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16(6)：56—63．

【7】閻明禮．地基處理技術(shù)【M】．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社．1996

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)