超高含水率泥炭土力學特性的試驗研究

孫 壯，王 榮，林立宏，徐立新，史江偉

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.浙江臺州市沿海高速公路有限公司，浙江 臺州 318000；3.中國公路工程咨詢集團有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000；4.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024）

泥炭土是由有機殘體、腐殖質和礦物質組成的高有機質含量特殊土，是工程性質極差的土。泥炭土分布廣泛，覆蓋了陸地表面的5%～8%，其中38%的泥炭土分布在東南亞地區。馬來西亞的泥炭土面積約占國家陸地面積的14%[1]。

泥炭土力學特性主要受含水率、有機質含量和pH值等因素的影響。HOBBS[2]發現低分解度的纖維狀泥炭土比分解度高的非晶質泥炭土的含水率更高。泥炭土的pH值與腐殖質化程度有關，腐殖質化程度越高的泥炭土酸性越弱。LEA等[3]發現泥炭土的pH值介于4～7；ANDRIESSE[4]發現泥炭土中存在黃鐵礦物時，pH值低于2。水泥固化泥炭土時，有機酸會阻礙鈣的結晶，導致固化土強度降低[5-6]。鄧侖昆等[7]發現泥炭土的天然密度、飽和度、塑性指數、有機質含量等參數能較好地符合正態分布。KOLAY等[8]發現馬來西亞馬當、巴生和吉隆坡泥炭土的物理特性指標差異明顯，含水率、有機質含量和pH值分別介于159%～538%、43%～94%和3.8～6.0。

本文依托馬來西亞沙撈越第二干線項目，分析泥炭土厚度、含水率、有機質含量的分布規律。開展室內試驗研究了原狀和重塑泥炭土的力學特性，明確了控制固化泥炭土強度的主要影響因素。

1 原狀泥炭土物理力學性質分析研究

1.1 泥炭土厚度分布規律

馬來西亞沙撈越項目位于馬來西亞東島沙撈越州西南部。為獲取沙撈越地區泥炭土厚度的分布規律，對128個鉆孔數據進行分析，具體如圖1所示。泥炭土厚度為小于等于1 m、1～3 m、3～5 m、5～7 m和大于7 m的占比分別為4.6%、31.3%、48.1%、14.5%和1.5%。沙撈越第二干道項目泥炭土的厚度主要介于1～5 m，占總數的79.4%。

圖1 沙撈越地區泥炭土厚度分布規律

1.2 泥炭土含水率分布規律

泥炭土含水率分布規律如圖2所示。泥炭土含水率的最大值和最小值之間差距較大，表明泥炭土含水率的離散性很大。泥炭土深度為小于等于1 m、1～2 m、2～3 m、3～4 m、4～5 m和大于5 m時，平均含水率分別為715%、1 076%、922%、813%、742%和402%。深度低于5 m的泥炭土平均含水率大于700%。

圖2 不同深度下泥炭土含水率

1.3 泥炭土有機質含量分布規律

泥炭土有機質含量隨深度的分布規律如圖3所示。泥炭土有機質含量分布比較離散，最大值、最小值之間差距明顯。泥炭土深度為小于等于1 m、1～2 m、2～3 m、3～4 m、4～5 m和大于5 m時，平均有機質含量分別為88.1%、88.8%、77.9%、69.4%、67.9%和55.3%。泥炭土深度從1 m增加到5 m后，平均有機質含量降幅明顯，達到了32.8%。然而，深度大于5 m時，平均有機質含量依然大于50%，屬于超高有機質含量的泥炭土。沙撈越第二干線項目的泥炭土富含植物根系，腐爛時會降低土體pH值，呈酸性介質。相比于無機土，有機質土的酸性介質會阻礙水泥的水化反應和水泥凝膠的形成。因此，需要開展系統的室內配比試驗，尋求適用于高有機質含量泥炭土的固化劑，進而獲取高有機質含量泥炭土的固化劑的配合比體系。

圖3 不同深度下泥炭土有機質含量

1.4 原狀泥炭土無側限抗壓強度

原狀、重塑泥炭土不排水強度與含水率的關系如圖4所示。泥炭土強度呈現出一定的離散性，但隨著泥炭土含水率的增加，不排水強度呈現出逐步遞減的趨勢。原狀泥炭土的含水率大于1 000%時，依然存在一定的抗剪強度，表明原狀土存在結構性。重塑泥炭土的含水率大于500%時，不排水強度不大于3 kPa，強度極低。原狀、重塑泥炭土平均不排水強度分別為8.2 kPa和2.2 kPa。很明顯，泥炭土完全重塑后強度降幅明顯，表明此地區泥炭土的結構性較強。無論是原狀還是重塑泥炭土，不排水強度與含水率之間均呈現出對數關系。

圖4 沙撈越地區原狀泥炭土不排水強度與含水率的關系

1.5 原狀泥炭土靈敏度分布規律

泥炭土靈敏度的統計結果如圖5所示。泥炭土的最大、最小和平均靈敏度分別為13.6、1.6和4.9。90%和55%測點的土體靈敏度大于2和4，屬于中靈敏度泥炭土（24）。因此，此地區泥炭土為中高靈敏度土。

圖5 沙撈越地區泥炭土靈敏度分布規律

2 超高含水率泥炭土固化特性研究

為了提高泥炭土地基的承載力，開展固化試驗研究。泥炭土有機質含量為80%，pH值為5.5，含水率為400%～800%，水泥摻量為10%～30%。

固化泥炭土的無側限抗壓強度如圖6所示。從圖6中發現，養護齡期從7 d增加到28 d后，固化泥炭土的無側限抗壓強度增幅不明顯，為10.5%～37.5%。表明超高含水率泥炭土的固化強度主要取決于7 d齡期強度。當含水率從800%降低到400%時，28 d齡期固化泥炭土強度增幅明顯，達到72.1%～92.1%。

圖6 固化泥炭土的無側限抗壓強度

水泥摻量增加后，水化反應能產生大量的水泥凝膠，連接泥炭土顆粒，增強土體強度。水泥摻量從10%增加到30%后，28 d齡期固化土的強度增加了4.1～4.7倍。因此，影響固化泥炭土的無側限抗壓強度的因素依次為水泥摻量、含水率和齡期。

基于浙江省《公路軟土地基路堤設計規范》[9]，道路工程要求室內水泥固化土的28 d無側限抗壓強度大于300 kPa。基于不同含水率和水泥摻量的固化土強度，利用線性差值推求各含水率下的最低水泥摻量。泥炭土含水率為400%、600%和800%時，達到300 kPa的水泥摻量分別為250 kg/m3、300 kg/m3和380 kg/m3。

3 結論

基于現場勘察和室內試驗，研究了沙撈越地區原狀、重塑泥炭的力學特性。得出結論如下。

泥炭土厚度主要介于1～5 m，此厚度范圍內平均含水率大于700%，屬于超高含水率泥炭土。泥炭土深度從1 m增至5 m后，平均有機質含量降幅高達32.8%。深度大于5 m后，平均有機質含量依然大于50%，屬于超高有機質土。泥炭土結構性強，90%測點的靈敏度大于2，屬于中—高靈敏度土。原狀、重塑泥炭土的不排水強度與含水率之間均呈現出對數關系。養護齡期7 d增至28 d后，固化泥炭土的無側限抗壓強度增幅僅為10.5%～37.5%。含水率從800%降至400%或者水泥摻量從10%增至30%后，固化土壓強度的增幅高于72.1%和410%。影響固化土強度的因素依次為水泥摻量、含水率和養護齡期。為了滿足路基固化土的強度要求，含水率為400%、600%和800%泥炭土固化的水泥摻量分別為250 kg/m3、300 kg/m3和380 kg/m3。