陶 然，王 榮，范衍琦，董俊全，史江偉

(1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027;2.江蘇省水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究所，揚州 225000; 3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024)

0 引 言

泥炭土具有高含水率、高有機質(zhì)含量、大孔隙比和低剪切強度等特點。因此，道路工程或港口工程遇到泥炭土地基時，需要采用化學(xué)固化、換填、復(fù)合地基等地基處理方式來提升地基的承載力和抵抗變形能力。

為了解決泥炭土地基變形過大的問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了泥炭土固結(jié)壓縮特性研究。呂巖等[1]發(fā)現(xiàn)泥炭土有機質(zhì)含量增加后，壓縮系數(shù)不斷增加，而固結(jié)系數(shù)不斷減??；Ajlouni等[2]和Lea等[3]發(fā)現(xiàn)固結(jié)壓力增加后泥炭土固結(jié)系數(shù)先快速減小后趨于穩(wěn)定；李育紅等[4]發(fā)現(xiàn)泥炭土固結(jié)系數(shù)與壓力呈冪函數(shù)關(guān)系；王竟宇等[5]發(fā)現(xiàn)較低固結(jié)壓力下原狀、重塑泥炭土的固結(jié)系數(shù)與有機質(zhì)分解度密切相關(guān)。桂躍等[6]揭示了微生物分解及其各向異性對泥炭土固結(jié)特性、滲透性的影響規(guī)律。

基于石灰固化有機質(zhì)黏土的試驗數(shù)據(jù)，Sakr等[7]發(fā)現(xiàn)摻石灰能顯著降低固化土的壓縮指數(shù)。Mathiluxsan等[8]發(fā)現(xiàn)摻10%(質(zhì)量分數(shù))的粉煤灰和級配良好的砂后，固化土壓縮指數(shù)快速下降且固化后次固結(jié)消失。Paul等[9]發(fā)現(xiàn)水泥固化泥炭土的壓縮指數(shù)隨水泥摻量和齡期的增加而減小，表明水泥凝膠填充了泥炭土孔隙。Bobet等[10]研究了養(yǎng)護齡期對水泥固化有機質(zhì)土壓縮特性的影響，發(fā)現(xiàn)固化土的最佳養(yǎng)護齡期為14 d。Hayashi等[11]研究了真空固結(jié)法對泥炭土二次固結(jié)的影響，發(fā)現(xiàn)改良后泥炭土二次固結(jié)系數(shù)為未經(jīng)改良的30%～50%。

隨著“一帶一路”國家戰(zhàn)略實施，中國工程建設(shè)“走”向東南亞地區(qū)。此地區(qū)泥炭土的含水率為159%～638%，有機質(zhì)含量為43%～94%(質(zhì)量分數(shù))，pH值為3.8～6.0[12]?，F(xiàn)有研究針對低含水率泥炭土的固結(jié)壓縮特性和高含水率下水泥固化泥炭土的固結(jié)壓縮特性的研究較少。本文依托于馬來西亞沙撈越第二干道項目(位于馬來西亞東島沙撈越州西南部)，其道路工程設(shè)計時速100 km/h，工后7年沉降不超過25 cm。場地范圍內(nèi)主要包括泥炭、泥炭質(zhì)土、淤泥、粉細砂層。泥炭、泥炭質(zhì)土和黏土的累計厚度普遍介于15～25 m。場地泥炭土的含水率介于400%～1 000%，有機質(zhì)含量介于40%～95%。通過開展單向固結(jié)試驗，研究沙撈越第二干道項目泥炭土的含水率、有機質(zhì)含量、pH值、養(yǎng)護齡期、水泥摻量和摻料粒徑對水泥固化泥炭土壓縮模量和固結(jié)系數(shù)的影響，建立固化泥炭土壓縮模量、固結(jié)系數(shù)與各參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，可為類似的地基工程提供指導(dǎo)。

1 單向固結(jié)試驗

1.1 試驗方案

根據(jù)前人的研究：Kolay等[12]和李琴等[13]發(fā)現(xiàn)水泥為固化泥炭土的最優(yōu)固化劑；粉煤灰和高爐礦渣能提升固化土的強度，但固化效果明顯低于水泥[12,14]；俞家人等[15]發(fā)現(xiàn)水玻璃對軟土固化效果優(yōu)于水泥，但固化成本很高，不適用于大面積的軟土固化。因此，選擇水泥作為超高含水率泥炭土的固化劑。

固化泥炭土試驗方案見表1。為了涵蓋沙撈越第二干道項目泥炭土的物理指標，初始含水率為300%、400%和600%，有機質(zhì)含量為40%、60%、80%，pH值為3.5、5.5和7.0。水泥摻量(水泥重量與濕土重量的百分比)為10%、20%、30%，養(yǎng)護齡期為7 d、14 d和28 d。

表1 固化泥炭土的試驗方案Table 1 Test plan of peat solidification

超高含水率泥炭土的孔隙比很大，直接固化需要摻入大量的水泥才能獲得較高的壓縮模量。因此，開展摻料固化的單向固結(jié)試驗，利用摻料填充泥炭土孔隙，達到降低水泥用量的目的。試驗選取的摻料為石英砂，砂摻量為20%。相同的石英砂摻量下，顆粒粒徑越小，顆粒數(shù)目越多。為了研究顆粒粒徑對固化效果的影響，設(shè)計了三組顆粒直徑，即<0.5 mm、0.5～1 mm和>1 mm。

1.2 試驗土樣

1.2.1 泥炭土

圖1 試驗采用的泥炭土Fig.1 Peat used in the test

沙撈越地區(qū)泥炭富含植物根系，厚度普遍在3 m以上，最深可達11 m。試驗采用的泥炭土形貌如圖1所示，此泥炭土屬于低分解度(H2～3)、低含水率(B2)、高纖維含量(F3)、極微量粗纖維(R0)和木質(zhì)殘余(W0)的泥炭土(H2～3B2F3R0W0)。泥炭土的初始有機質(zhì)含量為94.3%，pH值為5.5，呈弱酸性。

1.2.2 高嶺土

向初始有機質(zhì)含量為94.3%的泥炭土中加入水洗高嶺土，分別配置有機質(zhì)含量為40%、60%和80%的試樣。相比于混合黏土，水洗高嶺土的成分更加簡單且土質(zhì)更加均勻，能夠減少黏土礦物成分對試驗結(jié)果的影響。水洗高嶺土的化學(xué)成分見表2。

表2 高嶺土的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of kaolin

1.3 試樣制備

(1)按設(shè)計的初始含水率、有機質(zhì)含量、pH值和石英砂摻量，將泥炭土、高嶺土、石英砂拌和均勻。利用NaOH和HNO3溶液配制pH值分別為3.5、5.5和7.0的試樣。將配置好的泥炭土裝入密封袋中悶料3 d，確保水分均勻分布。

(2)按設(shè)計的水泥摻量，將水泥均勻拌入泥炭土中。為了確保制樣的均勻性，分三次將泥炭土倒入直徑為61.8 mm、高度為40 mm的養(yǎng)護模具中。

(3)制備的泥炭土試樣放入恒溫(20±2) ℃、恒濕(95±2)%的標準箱養(yǎng)護，分別養(yǎng)護至7 d、14 d和28 d，脫模后制成直徑為61.8 mm、高度為20 mm的環(huán)刀樣，并測定其密度、含水率和土粒比重。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化泥炭土的壓縮模量

2.1.1 養(yǎng)護齡期和固化劑摻量的影響

圖2為泥炭土初始含水率為400%、有機質(zhì)含量為40%時不同養(yǎng)護齡期和水泥摻量的固化泥炭土壓縮曲線。養(yǎng)護齡期越大，固化土初始孔隙比越小，表明水泥水化產(chǎn)生的凝膠填充了泥炭土孔隙。水泥摻量為10%時，養(yǎng)護齡期從7 d增至28 d后固化土初始孔隙比(e)由5.40降低到4.94，見圖2(a)。相同齡期下，水泥摻量越大，養(yǎng)護后初始孔隙比越小。水泥摻量從10%增至30%后，養(yǎng)護7 d后固化土初始孔隙比從5.40降低到3.20，降幅明顯。

從圖2可以看出，水泥摻量為10%時，豎向荷載加至100 kPa時試樣產(chǎn)生了屈服。表明水泥摻量較小時，泥炭土孔隙比有所降低，但未形成明顯降低土體壓縮性的連續(xù)結(jié)構(gòu)，高含水率泥炭土的固化效果不明顯?；趬嚎s試驗曲線的割線斜率，計算豎向應(yīng)力介于100～200 kPa之間的固化土壓縮模量。水泥摻量增至20%后，14 d和28 d齡期的固化土壓縮模量(Es1-2)分別為2.33 MPa和5.32 MPa。水泥摻量為30%時，7 d、14 d和28 d齡期的固化土壓縮模量(Es1-2)分別為5.99 MPa、8.16 MPa和9.63 MPa。養(yǎng)護齡期或水泥摻量增加后，固化土壓縮模量增幅明顯。水泥摻量為20%和30%時，28 d齡期的固化土壓縮系數(shù)分別為0.9 MPa-1和0.4 MPa-1，從高壓縮性土變?yōu)橹械葔嚎s性土。

圖2 不同齡期和水泥摻量下固化泥炭土e-p曲線Fig.2 e-p curves of solidified peat soil under different curing time and cement content

2.1.2 初始含水率的影響

圖3為泥炭土有機質(zhì)含量為60%、水泥摻量為30%、養(yǎng)護齡期為28 d時不同初始含水率的固化泥炭土壓縮曲線。泥炭土初始含水率從300%增至600%后，固化土承受的最大上覆壓力從800 kPa降低至400 kPa。初始含水率為300%、400%和600%時，固化泥炭土的孔隙比分別為3.14、3.66和4.19，壓縮模量(Es1-2)分別為10.30 MPa、7.65 MPa和2.30 MPa。泥炭土初始含水率越大，固化后孔隙比越高，土體壓縮模量越小。初始含水率從600%降至300%后，固化泥炭土的壓縮模量增加了3.5倍。表明泥炭土初始含水率是控制壓縮性的重要指標，降低含水率能明顯提升固化泥炭土的壓縮模量。

2.1.3 有機質(zhì)含量的影響

圖4為不同泥炭土初始含水率為400%、水泥摻量為30%、養(yǎng)護齡期為28 d時有機質(zhì)含量的固化泥炭土壓縮曲線。泥炭土的有機質(zhì)含量越高，固化后孔隙比越大，壓縮模量越小，越容易被壓縮。有機質(zhì)含量為40%和60%的固化泥炭土壓縮曲線明顯緩于有機質(zhì)含量為80%的工況。有機質(zhì)含量為40%、60%和80%時，固化土的孔隙比分別為2.96、3.66和3.88，壓縮模量分別為9.63 MPa、7.65 MPa和4.79 MPa。泥炭土有機質(zhì)含量從40%增至80%后，固化土壓縮模量降低了50%。呂巖等[1]發(fā)現(xiàn)草炭土有機質(zhì)含量從43.65%增至85.36%后，壓縮指數(shù)從1.236增至2.605，增幅高達52.5%。即草炭土有機質(zhì)量增加后，壓縮性明顯提高，這與本文固化土壓縮模量的變化規(guī)律一致。

圖3 不同含水率下固化泥炭土e-p曲線Fig.3 e-p curves of solidified peat soil under different moisture content

圖4 不同有機質(zhì)含量下固化泥炭土e-p曲線Fig.4 e-p curves of solidified peat soil under different organic matter content

2.1.4 pH值的影響

圖5為泥炭土初始含水率為400%，有機質(zhì)含量為60%、水泥摻量30%、養(yǎng)護齡期為28 d時不同pH值的固化泥炭土壓縮曲線。泥炭土pH值為3.5、5.4和7.0時，固化后初始孔隙比分別為3.88、3.66和3.46，壓縮模量分別為6.82 MPa、7.65 MPa和8.10 MPa。泥炭土pH值越小，H+離子濃度越高，阻礙水泥水化反應(yīng)和抑制水泥凝膠生成的能力越強，宏觀上表現(xiàn)出較小的壓縮模量。當泥炭土pH值從7.0降至3.5后，固化土壓縮模量降低了15.8%。

2.1.5 砂摻料粒徑的影響

圖6為泥炭土初始含水率為600%、有機質(zhì)含量為60%、水泥摻量為30%、養(yǎng)護齡期為28 d時不同石英砂粒徑的固化土壓縮曲線。摻入20%石英砂后，固化泥炭土的初始孔隙比降幅明顯，從無摻料的 4.19降至摻料固化的2.66～2.97。表明石英砂能有效填充泥炭土纖維間孔隙，水化產(chǎn)物更容易附著于泥炭土顆粒和石英砂上，降低固化土孔隙比。相同石英砂摻量下，顆粒粒徑越小對應(yīng)的顆粒數(shù)目越多，越能有效地填充泥炭土孔隙，固化土的初始孔隙比越小。

未摻入石英砂的固化土壓縮模量(Es1-2)為2.30 MPa；摻入粒徑為0.5～1 mm和<0.5 mm的石英砂后，固化土壓縮模量(Es1-2)分別為2.43 MPa和3.61 MPa。相比于無摻料固化的工況，摻入粒徑0.5～1 mm和<0.5 mm的石英砂后固化土壓縮模量增幅分別為5.6%和57%。石英砂粒徑越小，壓縮模量增幅越大。

圖5 不同pH值下固化泥炭土e-p曲線Fig.5 e-p curves of solidified peat soil under different pH values

圖6 不同石英砂粒徑下固化泥炭土e-p曲線Fig.6 e-p curves of solidified peat soil with different sand admixture particle size

圖7 孔隙比與壓縮模量的關(guān)系Fig.7 Relationship between void ratio and compressive modulus

2.1.6 壓縮模量與孔隙比的關(guān)系

固化土壓縮模量與含水率、水泥摻量、有機質(zhì)含量和養(yǎng)護齡期密切相關(guān)?？紫侗饶懿蹲讲煌蛩貙袒嗵客翂嚎s特性的影響。因此，建立28 d齡期固化土壓縮模量(Es1-2)與孔隙比(此圖中e為100 kPa上覆壓力下固化土孔隙比)的對應(yīng)關(guān)系，見圖7。隨著泥炭土固化后孔隙比的增加，固化土壓縮模量快遞降低。壓縮模量與孔隙比為冪函數(shù)關(guān)系，利用公式(1)擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.915。

y=-0.02e(x/0.49)+10.84

(1)

2.2 固化泥炭土的固結(jié)系數(shù)

采用Sing等[16]建議的時間平方根圖解法確定固化泥炭土的固結(jié)系數(shù)(Cv)?；谀臣壓奢d的土體沉降與時間平方根(S(t)～t0.5)關(guān)系曲線，土體固結(jié)系數(shù)為：

Cv=0.848H2/t90

(2)

式中：Cv為固結(jié)系數(shù),cm2·s-1；H為最大排水距離，cm；t90為達到90%固結(jié)度所需的時間，s。

2.2.1 養(yǎng)護齡期和固化劑摻量的影響

圖8為不同齡期和水泥摻量下固化泥炭土固結(jié)系數(shù)。由圖8(a)可知，豎向壓力為12.5 kPa時，三個齡期的固化土固結(jié)系數(shù)相差不大。豎向壓力增至25 kPa時，7 d齡期試樣的固結(jié)系數(shù)迅速下降，而14 d、28 d齡期試樣的固結(jié)系數(shù)降幅為4%左右。水泥摻量較低時，7 d齡期固化強度很低，固結(jié)系數(shù)對豎向荷載較為敏感。豎向荷載增加后，土體易于壓縮，孔隙比和固結(jié)系數(shù)顯著降低。養(yǎng)護齡期越長，試樣強度越高。豎向荷載增加至50 kPa以上，14 d和28 d齡期固化土的固結(jié)系數(shù)快速降低。

圖8 不同齡期和水泥摻量下固化泥炭土固結(jié)系數(shù)Fig.8 Consolidation coefficient of solidified peat soil under different ages and cement content

由圖8(b)可以看出，固結(jié)系數(shù)快速變化的應(yīng)力區(qū)間為50～100 kPa，200 kPa后變化速率趨于平緩。由圖8(c)可以看出，當水泥摻量為30%時，固結(jié)系數(shù)快速下降的應(yīng)力區(qū)間為100～200 kPa。隨著水泥摻量增加，固化泥炭土強度逐漸增長，固結(jié)系數(shù)快速下降的豎向應(yīng)力區(qū)逐步后移。采用公式(3)擬合固化土28 d齡期的固結(jié)系數(shù)與豎向應(yīng)力：

y=Ae(-x/t)+y0

(3)

式中：參數(shù)A、t和y0為擬合參數(shù)。水泥摻量為20%和30%時，擬合的相關(guān)系數(shù)分別為0.988和0.994，表明冪函數(shù)能很好地描述固結(jié)系數(shù)與豎向應(yīng)力的關(guān)系。Bobet等[10]亦發(fā)現(xiàn)原狀、重塑泥炭土固結(jié)系數(shù)與豎向壓力呈冪函數(shù)關(guān)系。

2.2.2 含水率和有機質(zhì)含量的影響

圖9為不同含水率的固化土固結(jié)系數(shù)與豎向壓力的關(guān)系曲線。隨著含水率的增加，相同豎向應(yīng)力下固化泥炭土的固結(jié)系數(shù)不斷減小。圖10為不同有機質(zhì)含量下固化泥炭土固結(jié)系數(shù)，可以看出有機質(zhì)含量為40%和60%時，固結(jié)系數(shù)相差不大。有機質(zhì)含量增至80%時，低豎向應(yīng)力下固結(jié)系數(shù)降幅明顯小于其他兩個工況，但高豎向壓力(600 kPa)下三個工況的固結(jié)系數(shù)接近。泥炭土的初始含水率為300%、400%和600%時，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.959、0.991和0.999；有機質(zhì)含量為40%、60%和80%時，擬合

圖9 不同含水率下固化泥炭土固結(jié)系數(shù)Fig.9 Consolidation coefficient of solidified peat soil under different water content

圖10 不同有機質(zhì)含量下固化泥炭土固結(jié)系數(shù)Fig.10 Consolidation coefficient of solidified peat soil under different organic matter content

曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.994、0.991和0.997。再次表明冪函數(shù)能很好地描述固化土固結(jié)系數(shù)與豎向壓力的關(guān)系。

2.3 電鏡掃描及機理分析

圖11為pH值為3.5和7.0的固化泥炭土電鏡掃描結(jié)果。泥炭土為纖維狀長條形顆粒，高嶺土顆粒呈書頁狀、蠕蟲狀或手風琴狀。水泥固化主要通過水化生成水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)提高土體強度和壓縮模量。C-S-H凝膠呈樹枝分叉狀高速生長，附著在顆粒表面形成網(wǎng)狀形貌的產(chǎn)物，在顆粒間形成近球狀產(chǎn)物。C-S-H凝膠生成的熱力學(xué)方程式為：

(4)

圖11 不同pH值下固化泥炭土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of solidified peat under different pH values

泥炭土pH值越小，即土中H+濃度越高，越容易中和土中的OH-。OH-離子濃度控制了C-S-H凝膠的形成，進而影響水泥固化土強度和壓縮模量。泥炭土pH值從7.0降至3.5時，顆粒表面和顆粒間C-S-H凝膠數(shù)目明顯降低，宏觀表現(xiàn)出較低的強度和壓縮模量。隨著水泥摻量、養(yǎng)護齡期的增長，水泥水化反應(yīng)不斷加強，生成更多的C-S-H凝膠。因此，水泥摻量越高或養(yǎng)護齡期越長，固化泥炭土宏觀表現(xiàn)出較高的強度和壓縮模量。

泥炭土有機質(zhì)含量越高，纖維狀長條形顆粒越多。C-S-H凝膠主要附著在強度較低的纖維狀顆粒，宏觀上便表現(xiàn)出較低的強度和壓縮模量。泥炭土有機質(zhì)含量降低后，高嶺土顆粒逐漸增加。C-S-H凝膠附著在強度較高的高嶺土顆粒周圍，宏觀上便表現(xiàn)出較高的強度和壓縮模量。摻入石英砂后，小粒徑的石英砂能有效地填充顆粒間孔隙，與原土體顆粒形成更多的接觸結(jié)點。水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠更易于附著在土顆粒和石英砂周圍，進而提高摻料固化土體的強度和壓縮模量。

3 結(jié) 論

通過開展系統(tǒng)的單向固結(jié)試驗，研究了含水率、有機質(zhì)含量、pH值和摻料粒徑對水泥固化泥炭土壓縮模量和固結(jié)系數(shù)的影響規(guī)律?；谑覂?nèi)試驗結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)隨著水泥摻量和養(yǎng)護齡期的增加，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠不斷增長，固化土壓縮模量隨之增長。水泥摻量從20%增至30%后，含水率為400%的泥炭土從高壓縮性土固化成中等壓縮性土。

(2)泥炭土初始含水率從600%降至300%后，固化土壓縮模量增加了3.5倍。表明含水率是控制固化泥炭土壓縮性的重要指標，降低含水率可明顯提升固化泥炭土的壓縮模量。

(3)泥炭土有機質(zhì)含量從40%增至80%時，固化土壓縮模量降低了50%。泥炭土pH值從7.0降至3.5時，高濃度的H+阻礙水泥水化反應(yīng)，導(dǎo)致固化土壓縮模量降低了15.8%。

(4)固化泥炭土的壓縮模量和固結(jié)系數(shù)受含水率、水泥摻量影響最大，有機質(zhì)含量和齡期次之，pH值影響最小。利用孔隙比綜合反映不同因素對固化泥炭土壓縮模量的影響，建立了固化泥炭土壓縮模量與孔隙比、固結(jié)系數(shù)與豎向應(yīng)力的冪函數(shù)關(guān)系。

(5)摻石英砂固化能提升水泥固化泥炭土的壓縮模量，且石英砂粒徑越小，壓縮模量增幅越大。相比于無摻料固化的工況，摻入粒徑0.5～1 mm和<0.5 mm的石英砂后固化土壓縮模量增幅分別為5.6%和57%。