有機質入侵后土體壓縮性狀試驗研究

潘雪敏　尹春雷　王立娜　李茂林　楊必進

摘要：為了模擬不同種類有機質入侵紅黏土對土體物理力學特性的影響，在紅黏土中添加腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀3種外摻有機質配制得到了不同種類和含量的人工有機質土，并進行了液、塑限對比試驗;然后，對紅黏土和重塑有機質土進行室內側限壓縮對比試驗，分析了有機質含量、有機質種類、初始含水率對有機質土體壓縮性狀的影響。試驗結果表明：隨著有機質含量的增加，土體比重減小，腐殖酸土液、塑限下降，富里酸土和腐殖酸鉀土液、塑限均呈現上升趨勢;當養護齡期一定時，有機質含量升高，土顆粒團聚性增強，土體的孔隙率增加，壓縮性增強;有機質含量一定時，土體壓縮性排序為富里酸土>腐殖酸鉀土>腐殖酸土，且初始含水率高的有機質土體壓縮性始終大于初始含水率較低的土體。土體壓縮性與有機質種類及含量密切相關，研究結果可為后續有機質土改良與計算地基沉降和穩定性評價提供參考依據。

關鍵詞：巖土力學;有機質;含水率;養護齡期;壓縮性狀

中圖分類號：TU443文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02008

Experimental study on soil compression properties after organic matter invasion

PAN Xuemin，YIN Chunlei，WANG Lina，LI Maolin，YANG Bijin

（School of Architecture Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201，China）

Abstract：In order to simulate the influence of different kinds of organic matter invading red clay on the physical and mechanical properties of soil，three kinds organic matter of humic acid，fulvic acid and potassium humate were added into the red clay to prepare artificial organic soil with different contents，and the liquid-plastic limit comparative test was carried outThen，the effects of organic matter content，organic matter type and initial moisture content on the compression properties of organic soil were analyzed by indoor closed compression test of red clay soil and remodeled organic soilThe experiment results show that with the increase of organic matter content，the proportion of soil decreases，the liquid limit of humus soil decreases，and the liquid-plastic limit of fulvic acid soil and potassium humus soil shows an upward trendWhen the curing age is fixed，with the content of organic matter increases，the agglomeration of soil particles，the porosity of soil and the compressibility of soil increaseWhen the content of organic matter is constant，the soil compressibility ranking is fulvic acid soil > potassium humate soil > humate soil，and the compressibility of organic soil with high initial water content is always greater than that of soil with low initial water contentThe soil compressibility is closely related to the type and content of organic matterThe research results can provide reference for the subsequent improvement of organic soil，calculation of foundation settlement and evaluation of its stability

Keywords：geotechnical mechanics;organic matter;moisture content;curing age;compression properties

有機質土在自然界中廣泛存在，在工程建設過程中，承載主體的軟土層因為有機質含量過高，會呈現出大孔隙比、低密度、高壓縮性、低強度等工程性質，導致地基承載力低，變形大等問題，從而影響工程質量[1-3]。

目前，關于有機質對土體工程性質影響方面的研究已經有很多。有機質土中有機質的組成復雜，根據有機質對酸堿溶解度不同，分為了腐殖酸、富里酸、胡敏素3類[4]。為了探究有機質性質對水泥固結土壤的影響，TREMBLAY等[5]在兩種不同的土壤中分別加入13種有機質進行試驗，結果發現強酸類化合物（如腐殖酸、醋酸等）由于孔隙溶液pH值低導致固結過程無效，對土體強度產生了負面影響;徐日慶等[6]對單摻水泥固化與水泥添加固化劑XGL2005復合固化有機質土進行了無側限抗壓強度對比試驗，發現固化劑XGL2005可有效消除有機質的不利影響，顯著增強水泥固化有機質土的效果;趙笛等[7]通過實驗得出富里酸通過阻礙水化反應從而影響固化淤泥強度的形成這一結論;林琳等[8]在黑土中添加腐殖酸，探究了有機質含量、含水率、黏粒三因素交互作用對黑土壓縮性的影響;MESRI等[9]及姜爽等[10]對有機質土進行室內固結壓縮試驗發現有機質含量越高的土體壓縮指數越大。綜上所述，考慮單一有機質及有機質含量對土體力學特性研究方面成果積累較多，然而不同種類和含量的有機污染物對于土體壓縮性狀的影響規律的系統研究并不多見。

基于此，本文對比選擇了腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀作為有機質與紅黏土混合，制備成不同含量的有機質土體，進行室內壓縮固結試驗，再與非有機質土壓縮試驗數據進行比較，明確了3種有機質在不同含量和不同初始含水率的情況下對土體壓縮性狀的影響。

1試驗

1.1試驗用土

本試驗選取云南省昆明市盤龍區的天然黏土作為試驗土樣，取土深度為2.5 m，顏色為棕紅色，試驗用土的基本物理性質見表1。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）[11]，采用標準比重瓶法測定比重Gs為2.82，土體塑限用搓條法測定為26%，液限用碟式液限儀測定為51%。在試驗用土中加入質量分數為30%的過氧化氫溶液（該黏土中的有機質含量較小，加入過氧化氫溶液是為了防止影響試驗結果）[12]，然后再通過人工添加有機質的方式進行制樣。圖1是基于卡氏塑限圖所做的試驗用土的塑性圖，從圖中可以看出，試驗用土塑性指數位于A線以上，液限位于B線右側，屬于高液限黏土。

1.2試驗用有機質

1.2.1有機質選用

試驗外摻有機質選擇腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀3種（均由商業購買獲得），各有機質基本參數見表2。

腐殖酸為黑色粉末，部分溶于水，可溶于堿，遇酸沉淀;富里酸為褐黃色粉末，遇水成黑色的溶液，溶于堿，遇酸不沉淀;腐殖酸鉀為黑色細顆粒，可與水相融[1]。

1.2.2有機質土制備

為了探究不同有機質含量對土體壓縮性狀的影響，本次試驗中配置的有機質土的目標質量分數依次為0%，5%，10%，15%，20%。通過查閱資料，人工制備有機質土的制備過程如下[12-13]。

1）將試驗用土置于（100±2） ℃烘箱里24 h烘干，烘干的土樣搗碎過2 mm篩，密封備用。

2）根據配合比配置人工有機質土，腐殖酸微溶于水，故直接將稱量好的腐殖酸與土混合，再加入蒸餾水攪拌均勻;富里酸和腐殖酸鉀先與水混合，待充分溶解后緩慢多次加入土中。

3）重塑有機質土養護時間超過7 d后，土體的物理性質趨于穩定，可有效減少實驗誤差 [14]。將配置好的有機質土在20 ℃環境下分別進行養護7 d和14 d。

1.3試驗儀器與試驗方案

本次試驗使用的儀器為南京土壤儀器廠有限公司的GZQ-1型全自動氣壓固結儀，采用快速固結的方式，測定在不同載荷和有側限的條件下土體的壓縮性能，多級加載荷載施加順序為0，12.5，25，50，100，200，400，800，1 600 kPa。將養護好的有機質土開展一維壓縮試驗，試驗方案如表3所示。

2試驗結果及分析

許多學者通過人工配置有機質土研究了有機質含量對土體物理性質的影響，發現天然有機質土中隨著有機質含量的上升，土體比重呈下降趨勢，液、塑限則呈現上升趨勢[15-16]。為了探究有機質種類與含量對于有機質土物理性質的影響，將腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀3種外摻有機質人工配置成不同含量有機質土，養護7 d后進行土體比重、界限含水率等物理性質試驗。

圖2、圖3分別是腐殖酸、富里酸、腐殖酸鉀配置有機質土液、塑限與有機質含量（用燒失量（LOI）質量分數表示，下同）關系圖，試驗結果發現，隨著腐殖酸有機質含量的增加，紅黏土土體比重和液限均呈現下降的趨勢，但土體塑限值并沒有太大的改變;當土中添加富里酸和腐殖酸鉀時，隨著有機質含量的增加，土體比重減小，液、塑限均大幅提升。有機質質量分數為20%時，富里酸有機質土液限值由51%上升為90%，塑限值由26%升到44%，但腐殖酸鉀的增加幅度明顯大于富里酸，液限值由51%升到120%，塑限值由26%升到74%。

2.1不同含量有機質對土體壓縮性狀的影響

根據土力學原理可知，土體的壓縮是土中孔隙體積減小的一個過程，隨著豎向有效應力的增加，土體孔隙比逐漸減小直至穩定。李學等[17]認為有機質對土體起到保水作用，有機質中的親水膠體因其極強的吸水能力與黏土顆粒連結，形成穩定的團絮狀結構。圖4 a）—f）分別是添加不同含量（富里酸、腐殖酸鉀、腐殖酸）外摻有機質養護7 d和14 d后土體的e-log σ曲線。由圖4中可看出有機質含量高的土體的壓縮曲線具有明顯的拐點，且曲線高于有機質含量低的壓縮曲線。

圖4 a）—b）是添加不同含量富里酸外摻有機質后土體的e-log σ曲線，養護齡期一定時，隨著土體中有機質含量的增加，土體的壓縮性逐漸增大;同時，隨著養護齡期的增加，各種類有機質的壓縮性狀也有了明顯變化，當養護齡期為14 d時，20%有機質含量的曲線遠遠高于其他曲線，這是因為隨著養護齡期的增加，有機質吸附土顆粒表面的結合水趨于穩定，造成土顆粒團聚性增強，土體的孔隙率增加，壓縮性增強。

圖4 c）—d）是添加不同含量腐殖酸鉀外摻有機質后土體的e-log σ曲線，可得出與富里酸一樣的結論，土體壓縮性與有機質含量和養護齡期密切相關，但壓縮現象沒有富里酸明顯。

圖4 e）—f）是添加不同含量腐殖酸外摻有機質后土體的e-log σ曲線，與富里酸和腐殖酸鉀的規律基本一致，但是在腐殖酸中，養護齡期對有機質土的影響較小，土是一種三相體，有機質更多地是通過影響土體的物理性狀進而對土體的力學性狀造成影響，所有反應都脫離不了土壤中的水分，腐殖酸無法和孔隙液進行相融，對土體的物理性狀影響遠不如前兩者，故隨著有機質的增加，腐殖酸有機質土的壓縮性增加得不太明顯。

黃爍菡等[18]通過對底泥的壓縮實驗發現底泥中有機質含量增加，底泥的液限和比重發生變化，壓縮指數逐漸升高。從圖4 a）—4 f）中可以看出，不管是可溶有機質還是不可溶有機質，有機質含量對土體的壓縮性狀都有一定規律的影響，有機質含量高的土體壓縮曲線高于有機質含量低的壓縮曲線，換言之，有機質含量高的土體，壓縮性較高，且隨著養護齡期的增加，土體的物理性質趨于穩定，有機質與土體黏粒之間的吸附越來越緊密。

圖5 a）—b）分別是添加不同種類外摻有機質后土體的e-log σ曲線，結合圖像分析，當有機質質量分數均為10%時，土體壓縮性排序為富里酸>腐殖酸鉀>腐殖酸，有機質質量分數為20%時也可以得出相同的結論。對比2個圖，腐殖酸有機質土的曲線斜率較小，沒有較為明顯的拐點，腐殖酸孔隙比差值由原先質量分數10%有機質的0.122變為了質量分數20%的0.129，差值為0.007，無較大變化;將其與富里酸比較，富里酸曲線斜率較大，經過壓縮后，富里酸孔隙比差值由原先質量分數10%有機質的0309變為了質量分數20%的0.418，差值為0.109。由0.007到0.109，二者在質量分數10%～20%有機質時孔隙比差值相差將近15倍，而腐殖酸鉀居中。這也從側面證實了不同種類有機質的確對土體的壓縮性狀有所影響。就所選取的3種有機質而言，得出溶于水有機質土體壓縮性大于微溶于水有機質土體壓縮性這一結論。

2.2不同初始含水率對土體壓縮性狀的影響

高盼等[19]用單向固結儀對初始含水量不同的重塑軟黏土開展單向壓縮試驗，發現初始含水量在2.0倍液限范圍內可對重塑土力學性能產生影響。圖6 a）—b）分別是不同初始含水率下添加腐殖酸和腐殖酸鉀外摻有機質后土體的e-log σ曲線。從圖6 a）—b）中均可觀察到初始含水率高的土體的壓縮曲線高于初始含水率較低的壓縮曲線，隨著豎向固結壓力的增加，差距逐漸減小，壓縮性隨著初始含水率的增加而增加。

2.3不同有機質含量對土體壓縮系數的影響

圖7是富里酸有機質含量與壓縮系數關系擬合曲線，采用指數函數對有機質含量與壓縮系數關系進行回歸分析，含水率為38%的試樣隨有機質含量變化的回歸方程為y=0.64e-049，相關系數為0.999 94，含水率為26.1%的試樣隨有機質含量變化的回歸方程為y=0.009e +0.07，相關系數為0.952 59。從圖中變化趨勢可看出，38%含水率的土體壓縮系數增加明顯，而2.61%含水率的土體在有機質質量分數超過10%時壓縮系數才有了較明顯的變化。

3結語

本文通過選取3種外摻有機質，就有機質入侵紅黏土對土體壓縮性狀的影響進行了研究，發現其壓縮性狀與有機質土初始含水率、有機質種類及有機質含量密切相關。主要結論如下。

1）隨著土中有機質含量的增加，重塑土的比重減小，腐殖酸土的液限降低，塑限無較大改變，而富里酸和腐殖酸鉀液塑限值均增大。

2）在養護齡期與初始含水率一定時，人為增加土體中有機質含量，發現土體壓縮性與土體中有機質含量有關。有機質含量上升，土體中孔隙比增大，土體壓縮性增強。

3）向土中添加3種不同種類有機質，發現有機質種類對土體壓縮特性的影響不同，添加腐殖酸時，曲線較為平緩且層次分明，土體壓縮特性幾乎沒有變化。添加富里酸時影響最大，腐殖酸鉀次之，且隨著有機質含量的增加，該現象更加明顯。

4）與無機質土類似，重塑有機質土初始含水率增大，土體孔隙比越大，可壓縮性越強。

本文通過側限壓縮試驗研究了有機質對紅黏土物理力學性能的影響，但并未就其特點提出有效的改良措施，在接下來的研究中，可借助掃描電鏡和原子力顯微鏡對不同養護齡期下不同有機質摻量的紅黏土內部孔隙結構進行研究并提出合理的改良方案和工程控制措施。

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