黃娟，宋銀濤，袁鐵映，丁祖德，雷明鋒，肖國慶

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙，410083；3.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明，650500)

泥炭質(zhì)土是一種工程性質(zhì)極差的特殊軟土，在云南昆明地區(qū)分布較為廣泛。由于昆明城市建設(shè)發(fā)展的需求，越來越多的高鐵、地鐵線路將不可避免地穿越泥炭質(zhì)土層，如昆明地鐵2 號(hào)線、3號(hào)線部分區(qū)間以及5號(hào)線全線區(qū)間隧道，穿越泥炭質(zhì)土層的隧線比高達(dá)69%。因泥炭質(zhì)土具有強(qiáng)度低、孔隙率大、壓縮性高的特點(diǎn)，其在動(dòng)荷載長期作用下的累積變形問題尤為突出。

近十幾年來，國內(nèi)外學(xué)者在土體累積變形方面進(jìn)行了大量研究。SHI 等[1]針對(duì)富水泥巖進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了富水泥巖累積變形臨界應(yīng)力范圍。XIAO 等[2-4]對(duì)飽和重塑黃土、凍土以及富水泥巖進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了動(dòng)應(yīng)力幅值、頻率、圍壓等因素對(duì)地基土累積變形特性的影響。閆春嶺等[5-12]對(duì)紅黏土、飽和黏性土和粉土進(jìn)行了相似研究，分析了其累積變形曲線的變化特性。除此之外，MONISMITH等[13]針對(duì)鐵路路基，提出了關(guān)于軟黏土的累積變形冪函數(shù)模型。莊心善等[14]通過GDS 對(duì)弱膨脹土進(jìn)行室內(nèi)動(dòng)荷載加載，提出了弱膨脹土的累積變形預(yù)測模型。

以上研究主要集中于凍土、紅黏土和弱膨脹土的累積變形特性，關(guān)于炭質(zhì)泥土的研究較少。雖然泥炭質(zhì)土對(duì)地基、地下工程的不利影響已引起人們的重視，但目前國內(nèi)外對(duì)泥炭質(zhì)土的研究仍側(cè)重于其物理力學(xué)性質(zhì)、地基處理和動(dòng)強(qiáng)度等方面[15-18]，關(guān)于泥炭質(zhì)土層隧道的列車運(yùn)營沉降分析也主要是基于常規(guī)的數(shù)值模擬[19-20]。CHEN等[21]對(duì)泥炭有機(jī)土進(jìn)行不排水循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)，簡要論述了永久軸向變形與循環(huán)次數(shù)、靜偏應(yīng)力和圍壓的相關(guān)性。陳成等[22]結(jié)合土體累積變形經(jīng)驗(yàn)公式模型，提出了累積變形簡化計(jì)算方法。但現(xiàn)有的研究成果還遠(yuǎn)不能反映泥炭質(zhì)土地鐵隧道的發(fā)展趨勢，有必要對(duì)循環(huán)荷載下泥炭質(zhì)的累積變形規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究。

以昆明泥炭質(zhì)土為研究對(duì)象，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)探究其在不同動(dòng)應(yīng)力幅值、固結(jié)比、圍壓、加載頻率下的累積變形發(fā)展規(guī)律，基于試驗(yàn)結(jié)果提出相應(yīng)累積變形預(yù)測模型，并比較分析泥炭質(zhì)土與其他土的累積變形特性，以期為今后泥炭質(zhì)土地下工程的建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)用土取自云南省昆明市西山區(qū)草海片區(qū)工程場地。參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[23]，在該區(qū)域6.0～6.2 m深度處采用原狀土法現(xiàn)場取樣。其基本物理力學(xué)指標(biāo)為：土體密度ρ=1.199 g/cm3，土粒密度ρs=2.68 g/cm3，含水率ω=176.26%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)wu=40%。試驗(yàn)采用原狀土切削制樣，樣品是直徑為39 mm、高為80 mm的圓柱體。切削完成后將土體進(jìn)行真空負(fù)壓飽和，確保土體飽和度大于98%，制樣完成后使土體保持浸沒狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載條件

試驗(yàn)采用DDS-70型微機(jī)控制電磁式振動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，由空氣壓縮機(jī)提供靜壓力，通過電磁激振系統(tǒng)施加動(dòng)荷載。首先將飽和完成的試樣放入壓力室，對(duì)其施加設(shè)定的圍壓和軸壓進(jìn)行排水固結(jié)，固結(jié)時(shí)間至少24 h，直至超孔隙水壓完全消散。然后，在不排水條件下施加設(shè)定的循環(huán)動(dòng)荷載，動(dòng)荷載波形為正弦波。當(dāng)試驗(yàn)循環(huán)加載次數(shù)達(dá)到設(shè)定的2 000 次或樣品累積應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，試驗(yàn)終止。

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)主要研究動(dòng)應(yīng)力幅值、固結(jié)比、圍壓和加載頻率4個(gè)影響因素。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)、加載條件和即有研究成果，試驗(yàn)時(shí)動(dòng)應(yīng)力幅值取為20、30、40、50 和60 kPa，圍壓取為50、80、100 和200 kPa，固結(jié)比取為1.0、1.25、1.5和1.75，加載頻率取1、2、3 和5 Hz。試驗(yàn)工況及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)方案及相關(guān)參數(shù)Table 1 Test plans and related parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)累積變形的影響

不同動(dòng)應(yīng)力條件下(Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖1所示。由圖1可知：動(dòng)應(yīng)力幅值越大，泥炭質(zhì)土的累積變形越大，且發(fā)展越快；動(dòng)力應(yīng)幅對(duì)泥巖質(zhì)土的累積變形發(fā)展模式影響極為顯著。在低動(dòng)應(yīng)力幅值下(動(dòng)應(yīng)力σd=20～40 kPa)，泥炭質(zhì)土的累積變形在前200 振次就基本趨于穩(wěn)定，總的累積應(yīng)變很小(累積應(yīng)變?yōu)?.4%～1.2%)，累積變形曲線近似為平直線；在中動(dòng)應(yīng)力幅值下(σd=50 kPa)，泥炭質(zhì)土的初期累積變形隨振次增長明顯，后期累積變形增長速率逐漸減小，累積變形量以極小的增量保持緩慢增長，最終趨于穩(wěn)定(累積應(yīng)變?yōu)?.40%)，累積變形曲線表現(xiàn)為收斂的對(duì)數(shù)函數(shù)曲線；在高動(dòng)應(yīng)力幅值下(σd=60 kPa)，泥炭質(zhì)土的累積變形隨振次持續(xù)呈非線性增大，當(dāng)振次到達(dá)1 000次時(shí)，累積變形速率急劇增大，試樣中部逐漸鼓出，最終失去承載能力，累積變形曲線近似為三次冪函數(shù)發(fā)散曲線。泥炭質(zhì)土的初期變形主是因土體孔隙被壓縮而產(chǎn)生的塑性變形，由于泥炭質(zhì)土的高壓縮性，此階段的累積變形增長速率較一般軟黏土的增長速率快；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值較低時(shí)，土體的后期變形以彈性變形為主，累積變形增速減緩，甚至當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值極低時(shí)，累積變形基本不增長；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值較大時(shí)，土體的后期變形仍以塑性變形為主，累積變形不斷增長；在高動(dòng)應(yīng)力往復(fù)作用下，土體孔隙體積在被完全壓縮之后，土體顆粒發(fā)生破壞并重新排列。

圖1 不同動(dòng)應(yīng)力σd下的累積變形曲線Fig.1 Cumulative deformation curves with different dynamic stress conditions

2.2 固結(jié)比對(duì)累積變形的影響

不同固結(jié)比下(σd=60 kPa)泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖2所示。由圖2可知：在相同動(dòng)應(yīng)力幅值作用下，不同固結(jié)比的泥炭質(zhì)土累積變形曲線呈現(xiàn)出2 種差異化的發(fā)展變化模式。當(dāng)固結(jié)比Kc≤1.50時(shí)，泥炭質(zhì)土的累積變形呈發(fā)散型，且固結(jié)比越大，土體累積變形發(fā)展越快。因?yàn)楫?dāng)圍壓一定時(shí)，固結(jié)比越大意味著軸向靜偏應(yīng)力越大，巖土體內(nèi)部損傷會(huì)加劇[24]，所以土體的塑性變形更容易發(fā)展、累積。當(dāng)固結(jié)比Kc＞1.50時(shí)，泥炭質(zhì)土的累積變形呈收斂型。黃娟等[18]的研究表明，當(dāng)固結(jié)比增大到一定程度(Kc＞1.50)時(shí)，泥炭質(zhì)土的動(dòng)強(qiáng)度顯著提高。圖2 中Kc=1.75 的累積變形曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槭諗啃?，可能是在較高固結(jié)比條件下土樣臨界動(dòng)強(qiáng)度提升所致。

圖2 不同固結(jié)比Kc下的累積變形曲線Fig.2 Cumulative deformation curves with different consolidation ratios

事實(shí)上，固結(jié)比對(duì)土體累積變形的影響相當(dāng)復(fù)雜。閆春嶺等[7]的動(dòng)三軸試驗(yàn)表明，砂質(zhì)粉土的累積變形隨固結(jié)比Kc的增大而增大；莊心善等[12]的動(dòng)三軸試驗(yàn)表明，當(dāng)1＜Kc≤1.5 時(shí)，弱膨脹土的累積變形隨固結(jié)比增大而減小，當(dāng)Kc＞1.5 后，累積變形卻大幅增大。固結(jié)比對(duì)土體的累積變形既要考慮靜偏應(yīng)力對(duì)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有損傷作用，也要考慮靜偏應(yīng)力有壓密土體提升其強(qiáng)度的作用。

2.3 圍壓對(duì)累積變形的影響

在不同圍壓下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖3所示。由圖3可知：圍壓越大，泥炭質(zhì)土的累積變形越小。土樣總累積變形的57%～79%都是在加載初期完成的，不同圍壓下土樣累積變形的差異也基本在加載初期產(chǎn)生。在后續(xù)加載過程中，各圍壓的土樣累積變形增幅接近。這主要是因?yàn)楫?dāng)固結(jié)比一定時(shí)，圍壓越大，軸向壓力越大，土樣壓密程度越高，動(dòng)強(qiáng)度越大，土體彈性性能則越強(qiáng)，土體產(chǎn)生的可恢復(fù)彈性變形相應(yīng)越小。當(dāng)經(jīng)歷一定次數(shù)的循環(huán)加載后，各圍壓下土體的密實(shí)差異逐漸減小，圍壓對(duì)試樣后期累積變形的影響隨之減小。

圖3 不同圍壓σ3下泥炭質(zhì)土的累積變形曲線Fig.3 Cumulative deformation curves of peaty soil with different confining pressures

2.4 加載頻率對(duì)累積變形的影響

在不同加載頻率下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖4 所示。由圖4 可知：在不同加載頻率下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形呈現(xiàn)的總體變化規(guī)律與上述不同圍壓下的變化規(guī)律類似。加載頻率越低，荷載變化速度越慢，在相同振次下土樣受荷時(shí)間越長，因此，土樣變形發(fā)展越充分，相應(yīng)的累積變形就越大。這與許多學(xué)者在其他巖、土樣試驗(yàn)中得到的規(guī)律一致。加載頻率對(duì)泥炭質(zhì)土累積變形的影響程度是分頻段的，1～2 Hz 和3～5 Hz 各為一個(gè)影響頻段。在同一影響頻段內(nèi)，各加載頻率下泥炭質(zhì)土的累積變形曲線發(fā)展規(guī)律趨勢一致。

圖4 不同加載頻率f下的累積變形曲線Fig.4 Cumulative deformation curves with different frequency conditions

綜上分析可知：動(dòng)應(yīng)力幅值和固結(jié)比對(duì)泥炭質(zhì)土累積變形發(fā)展形態(tài)影響最為顯著；圍壓對(duì)其影響程度次之；加載頻率對(duì)其影響較小。

2.5 泥炭質(zhì)土累積變形發(fā)展模式的判定條件

如前所述，不同動(dòng)應(yīng)力幅值下泥炭質(zhì)土的累積變形發(fā)展規(guī)律總體上與一般軟黏土的累積變形發(fā)展規(guī)律類似，可分為破壞型累積變形和穩(wěn)定型累積變形。破壞型累積變形曲線如圖5(a)所示。累積變形曲線表現(xiàn)為以三次冪函數(shù)形式發(fā)散增大，對(duì)應(yīng)的加載條件如下：Kc≤1.50，且σd≥60 kPa。穩(wěn)定型累積變形曲線如圖5(b)所示，累積變形曲線表現(xiàn)為對(duì)數(shù)函數(shù)形式收斂或近似平直線收斂，對(duì)應(yīng)的加載條件分別為Kc=1.75，且σd=60 kPa 或σd≤40 kPa。由圖5可知：泥炭質(zhì)土的累積變形發(fā)展模式由動(dòng)應(yīng)力幅值和固結(jié)比共同決定，是外部動(dòng)荷載和地基土靜偏應(yīng)力水平的綜合反映。對(duì)于下臥土層為泥炭質(zhì)土的地鐵工程，為保證其長期服役性能，應(yīng)避免使下臥泥炭質(zhì)土處于不利的受力狀態(tài)，即Kc≤1.50，且σd≥60 kPa。

圖5 泥炭質(zhì)土累積變形曲線類型Fig.5 Type of cumulative deformation curves of peat soil

3 與其他土累積變形曲線特征的對(duì)比

為進(jìn)一步深入分析泥炭質(zhì)土與其他土累積變形特性曲線的差異性，將文獻(xiàn)中上海砂質(zhì)粉土[7]、貴陽紅黏土[8]以及合肥弱膨脹土[12]的累積變形曲線與本試驗(yàn)相關(guān)曲線繪制于同一橫坐標(biāo)系下，如圖6所示。

圖6 不同土累積變形εp-N變化曲線對(duì)比Fig.6 Comparisons of cumulative deformation εp-N variation curves of different soil samples

由圖6(a)和(b)可知：動(dòng)應(yīng)力幅值無論是對(duì)泥炭質(zhì)土還是其他土，影響都很顯著。但同樣在等壓固結(jié)條件下，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd從40 kPa 增大到60 kPa時(shí)，泥炭質(zhì)土的累積變形趨勢由穩(wěn)定型發(fā)展為破壞型。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd分別為70.8 kPa 和150 kPa 時(shí)，紅黏土和弱膨脹土累積變形依舊處于穩(wěn)定收斂狀態(tài)。這表明泥炭質(zhì)土達(dá)到累積變形破壞時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)比弱膨脹土和紅黏土的臨界應(yīng)力小，更具易發(fā)性和突發(fā)性。

由圖6(c)和(d)可知：圍壓對(duì)泥炭質(zhì)土和弱膨脹土累積變形的影響規(guī)律相近，均隨圍壓增大而減小。當(dāng)圍壓σ3從50 kPa增大到100 kPa時(shí)，泥炭質(zhì)土累積變形降低約24%，弱膨脹土降低了約45%。相比而言，圍壓對(duì)泥炭質(zhì)土累積變形的影響程度要低于對(duì)弱膨脹土累積變形的影響程度。而且圍壓對(duì)泥炭質(zhì)土的影響主要表現(xiàn)在加載初期階段，這主要與泥炭質(zhì)土高壓縮性有關(guān)。值得一提的是，對(duì)于下穿泥炭質(zhì)土的地鐵工程，應(yīng)更加注重控制中淺層泥炭質(zhì)土的累積變形。

由圖6(e)和(f)可知：加載頻率對(duì)泥炭質(zhì)土和砂質(zhì)粉土累積變形的影響規(guī)律總體一致，即加載頻率越小，土樣累積變形越大。但兩者對(duì)加載頻率的敏感頻域不同，泥炭質(zhì)土受加載頻率變化波動(dòng)較大的頻率為2～3 Hz，砂質(zhì)粉土相應(yīng)的頻率為0.5～1.5 Hz。當(dāng)加載頻率從3 Hz降低到2 Hz時(shí)，泥炭質(zhì)土的累積變形增大了50%，當(dāng)加載頻率從1.5 Hz降低到0.5 Hz時(shí)，砂質(zhì)粉土的累積變形增大了1 倍多。從加載頻率對(duì)累積變形的影響幅度來看，泥炭質(zhì)土受加載頻率的影響要小于砂質(zhì)粉土受加載頻率的影響。對(duì)于下穿泥炭質(zhì)土的地鐵工程，要密切關(guān)注低頻(f≤2 Hz)振動(dòng)下的長期變形發(fā)展。

4 結(jié)論

1) 隨著動(dòng)應(yīng)力的增大，泥炭質(zhì)土累積變形不斷增大，累積變形曲線最終由收斂穩(wěn)定型轉(zhuǎn)為發(fā)散破壞型。在高動(dòng)應(yīng)力(σd=60 kPa)條件下，當(dāng)Kc≤1.50 時(shí)，累積變形曲線為發(fā)散型，且固結(jié)比越大，累積變形發(fā)展越快；當(dāng)Kc＞1.50時(shí)，累積變形曲線轉(zhuǎn)為收斂型。泥炭質(zhì)土累積變形發(fā)展模式主要由動(dòng)應(yīng)力幅值和固結(jié)比決定，是外部動(dòng)荷載和靜偏應(yīng)力的綜合反映。

2) 隨著圍壓和加載頻率的增大，泥炭質(zhì)土累積變形減小。不同圍壓下土樣累積變形的差異主要形成于加載初期。當(dāng)經(jīng)歷一定次數(shù)的循環(huán)加載后，各圍壓下土體的密實(shí)差異逐漸減小，圍壓對(duì)累積變形的影響隨之下降。加載頻率對(duì)泥炭質(zhì)土累積變形的影響程度是分頻段的，1～2 Hz 和3～5 Hz各為一個(gè)影響頻段。

3) 當(dāng)Kc≤1.50，且σd≥60 kPa時(shí)，泥炭質(zhì)土發(fā)生累積變形破壞，累積變形隨振次近似呈三次冪函數(shù)關(guān)系發(fā)散增長。對(duì)于下穿泥炭質(zhì)土的地鐵工程，要密切關(guān)注低頻(f≤2 Hz)振動(dòng)下、中淺層泥炭質(zhì)土的長期變形發(fā)展，避免累積變形破壞條件的形成。

4) 與弱膨脹土、紅黏土等相比，泥炭質(zhì)土的初期累積變形增長速度更快，且達(dá)到累積變形破壞時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力小得多，泥炭質(zhì)土的累積變形破壞更具易發(fā)性和突發(fā)性。