昆明泥炭土压缩指标与基本物理指标相关性研究

摘要：泥炭土作为一种对建筑物沉降有着重要影响的特殊土，其压缩指标是影响工程安全的关键指标。对昆明地区勘察数据中的压缩系数和压缩指数进行了回归分析，并建立了回归模型，开展了昆明地区4个不同场地泥炭土一维固结试验，基于试验结果和国内外类似经验公式验证了回归模型的适用性。结果表明：压缩系数α1-2、压缩指数Cc与天然含水率ω0、初始孔隙比e0具有高度相关线性关系，其中压缩指数与初始孔隙比的关系为Cc=0.15e0-0.17；回归模型与试验结果及国内外类似经验公式有较好的一致性。

关键词：压缩指数,昆明泥炭土,泥炭土,物理指标,线性关系

泥炭土是一种昆明地区典型的软土，具有天然含水率高、天然重度小、孔隙比大、压缩性和有机质含量高等特点[1]，在外荷载作用下压缩明显，稳定性差，容易引起建筑物沉降变形。其中，压缩系数和压缩指数是表征土体变形的2个重要指标（压缩指标），通常需要通过室内固结试验获得。不同地点的泥炭土各物理力学性质差异较大，影响试验结果的因素多，因而很难对土的压缩指标和物理指标的关系进行严格的理论分析。现有的取样技术无法做到完全保持其纤维不偏离原来的位置，在取样时也无法避免水从取样器中漏出，此外，对原状泥炭土进行试验的成本较高。目前，学者们通过数理统计的方法对各指标间的相互关系和分布规律进行了研究，归纳出了符合实际工程的数学模型，在实际中得到了较好的应用。

国内有许多学者采用了不同的统计或试验方法对滇池泥炭土进行了研究与总结。刘伟等[2]依据安嵩线草海段的隧道工程对第2层泥炭土的特性进行了研究；徐其富等[1]对昆明7个典型场地的泥炭土进行了统计分析，并深入分析了滇池泥炭土的有机质含量、纤维含量与物理力学指标之间的关系；桂跃等[3]通过一维固结试验探讨了固结系数受加荷方式、固结压力、加荷比、取样深度和预压荷载等因素影响的程度；丁祖德等[4]以昆明轨道交通的钻孔资料为基础，建立了指标间的数学回归方程，给出了针对这组地质勘察数据的压缩系数与各物理指标的关系；张蕾等[5]基于31个有泥炭土的地质勘察报告，对昆明5个区域内各物理指标随埋置深度变化的情况进行了研究。

综上所述发现，虽然针对昆明泥炭土的统计分析和相关固结试验很多，但没有结合试验和工程经验给出压缩指标相关关系的研究。基于此，本文整理昆明地区10个典型地质勘察报告中泥炭土的物理力学指标，并对这些数据中的压缩系数和压缩指数与其他物理指标进行回归分析，总结压缩指标与天然含水率、初始孔隙比之间的经验模型，将此经验关系与国内外学者总结的泥炭土的关系作对比。然后，从昆明地区4个有泥炭土的工程取得原状土样，进行一维固结试验并计算压缩指标，结合其他文献中的试验数据，对比经验关系得出的预测值和实际值，验证压缩指数与天然含水率、初始孔隙比之间的经验关系的可靠性，以期为工程的初步设计和小规模建设项目提供可以使用的压缩指数的经验关系，并用此关系来获得压缩指数的初步估计值以进行沉降分析。

1、泥炭土土性指标的统计分析

1.1 泥炭土物理力学指标的统计

昆明泥炭土主要分布于第四系湖沼相沉积层（Q4l+h）和第四系冲湖积层（Q4al+l）中，分布很广，但厚度和层数各区有差异。根据昆明地区10个典型工程泥炭土的相关数据，统计昆明地区泥炭土的主要物理力学指标，见表1。

从表1中的统计结果可以看出，昆明地区的泥炭土具有以下特征：(1)泥炭土的饱和度分布区间为77.50%～100.00%，平均值为93.60%，变异系数仅为0.04；重度分布区间为9.21～19.00 kN/m3，平均值为13.05 kN/m3，变异系数仅为0.14。这2个指标的变异系数相对较小，因此，用概率方法计算地基的变形时，可不考虑二者变异性的影响，另外，初始孔隙比的影响也不明显。其他指标的变异系数一般都大于0.50，对指标的取值已有较明显的影响，会导致计算结果产生较大偏差。(2)泥炭土的抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角）的变异系数分别为0.48和0.45，在用概率方法计算地基的承载力和稳定性时必须考虑土的力学指标变异性的影响。(3)泥炭土的天然含水率极高，比普通的淤泥和淤泥质土更高，但现场依然能取块样，原因是部分泥炭土的纤维和有机质含量较高，这使得泥炭土在超高天然含水率下依然可以保持完整的形状。(4)有机质含量分布区间为2.10%～96.30%，平均值为24.40%，由此可知，不同场地有机质含量差异较大。现场取样发现，有机质含量空间变异性较大，因为昆明泥炭土是在不同的地质年代形成的不同埋深的土层，其有机质含量与受当时的气候条件影响的水生植物的丰富程度有关[6]。(5)所有指标中压缩系数的变异系数最大（1.07），原因是泥炭土属于高压缩性土，压缩系数往往随含水率、孔隙比、有机质含量的变化而变化。

表1 主要物理力学指标

1.2 泥炭土压缩系数与物理指标的相互关系

实际工程中经常希望通过容易测定的物理指标估算力学性质指标中一些重要参数，因此，在样本容量足够的情况下，可以用数理统计的方法建立昆明泥炭土主要物理指标与压缩系数的相关关系。以压缩系数α1-2为因变量，对勘察数据进行整理后绘制出压缩系数α1-2与各主要物理指标的散点图，并拟合相关关系，供工程应用参考。

图1总结了压缩系数与天然含水率、初始孔隙比、重度、有机质含量、塑限和液限的关系曲线。从图1(a)～(c）可以看出：压缩系数随天然含水率和初始孔隙比的增大而增大，随重度的增大而减小；压缩系数与天然含水率和初始孔隙比具有很强的相关性，线性拟合优度都在0.830以上。因为孔隙比是土体孔隙总体积与固体颗粒总体积之比，反映土体的密实程度；而天然含水率较高的土体，在固结过程中随着孔隙水压力消散排出较多水量，导致原来充满水的空隙被挤压，其压缩性必然较高。由图1(d)～(f）可知：压缩系数与有机质含量、塑限、液限均为线性正相关，但压缩系数与三者的相关度均较低。因此，采用物理指标估算压缩系数时，应当选择天然含水率和初始孔隙比。

1.3 泥炭土压缩指数与物理指标的相互关系

压缩指数Cc是评价软土变形特性的一个关键参数，也是软土地基压缩变形计算的一个重要指标。查阅国内外文献发现，该指标与土的物理指标（天然含水率、初始孔隙比、液限等）有一定的相关性，具体关系式见表2。对勘察数据中的压缩指数与各物理指标进行相关性分析发现，压缩指数与天然含水率和初始孔隙比的相关性最高，将结果与表2中的关系式进行对比，如图2所示。图2中的编号与表2中各关系式的编号一一对应。从图2可以看出：压缩指数随天然含水率和初始孔隙比的增大而增大，且与初始孔隙比的相关性更好（R2=0.712）；昆明泥炭土的拟合关系与其他文献的拟合结果差异不大。从图2(a）拟合的结果来看，压缩指数与天然含水率的拟合优度为0.647，与文献[12]所得关系存在差异，主要原因是本次拟合数据来自不同的地质勘察报告，天然含水率的范围更广。图2中天然含水率小于100%的数据与已有文献拟合关系的差异较大，原因是国外很多数据来源于沼泽泥炭土，其天然含水率的范围主要集中在400%～1 300%，昆明泥炭土天然含水率低于此区间。从图2(b）可以看出：压缩系数与初始孔隙比相关性很高，数据点分布在较为狭窄的条带上，拟合关系与文献[12]十分接近，说明压缩指数可以通过初始孔隙比的简单线性回归模型来合理地近似。

图1 压缩系数与物理指标的关系曲线

2、昆明泥炭土的固结试验

2.1 土样基本特性

本文试验的泥炭土土样取自云南省昆明市4个不同位置，前3个场地的浅层泥炭土采用直径为100 mm、长度为250 mm的薄壁取土器取得，最后1个则采用地质钻机钻取，土样取出后用保鲜膜反复包裹后存放于圆柱状铁桶中，以减少对土样的扰动。土样物理指标的测定主要参考《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019)[14]，泥炭土含水率试验的烘干温度为65℃，有机质含量试验的灼烧温度为440℃。泥炭土原状土样物理指标见表3。

表2 世界各地泥炭土的压缩指数与物理指标的拟合方程

图2 压缩指数与物理指标的关系曲线  

表3 泥炭土原状土样物理指标

2.2 试验方法

固结试验采用高为20 mm、直径为61.8 mm的环刀样，经过抽气饱和后在南京土壤仪器厂的GZQ-1型全自动气压固结仪上进行一维固结试验。试验采用逐级等比加载方式，加载比为1，加荷等级依次为12.5、25……1 600 kPa，然后逐级卸载直到25 kPa，每级荷载固结24 h。固结试验过程如图3所示。

图3 固结试验过程

2.3 试验结果

图4为各地土样在对数坐标下的e-lg p曲线。由图4可知：场地一土体初始孔隙比和压缩变形最大；曲线在1 600 kPa压力下无回弹，此现象与文献[15]中的泥炭土相同。根据图4中曲线加载直线段的斜率，得到一维固结试验下的压缩指数Cc，该压缩指数明显大于文献[16,17,18]中软弱黏土的压缩指数（0.130～0.503），泥炭土的压缩性比黏土高。由e-lg p曲线可看出，前3个场地的压缩曲线在100 kPa附近就进入明显的直线段，说明土体中孔隙水排出，大孔隙逐步缩小，土团聚体之间的水膜和有机质胶结作用力被克服，土团聚体相对位置开始不断调整并被挤压[19]，土体明显被压缩。另外，前3个场地的泥炭土层压缩性明显高于场地四，因为前3个场地取土深度较浅，其有机质含量明显较高而分解度较低。

图4 e-lg p曲线

2.4 预测结果的对比分析

根据前文所述，昆明泥炭土的压缩系数、压缩指数与天然含水率、初始孔隙比之间存在线性关系。为了验证预测结果的可靠性，将预测值除以实测值，如果比值等于或接近1说明预测结果较为可靠。现将本次试验结果和文献数据[12,20]与拟合关系计算结果做对比，结果见表4。从表4可以看出：(1)本文列出的压缩系数与天然含水率、初始孔隙比的关系式，虽然拟合优度很高，但是在预测压缩系数时，存在较大误差，说明宏观的力学性质与土体孔隙分布存在联系[21]，且与孔隙的分布维度、大小等关系密切，需要进一步对孔隙的微观结构进行分析。预测值与实测值之比分别为0.90～3.46和0.39～2.19,α1-2=1.475e0-2.149的预测值更接近实测值。(2)由本文总结的压缩指数与天然含水率的关系式计算的压缩指数与试验得到的结果差异较小，预测值与实测值之比为0.74～1.45，只有2个点超过1.30，但此关系式是依据含水率低于200%的数据拟合得到的，对于含水率较高的土体，其准确性需要参考更多数据样本。(3) Cc=0.51e0-0.17预测值的压缩指数精确度最高，预测值与实测值之比为0.87～1.23，在表1中泥炭土初始孔隙比的分布范围（0.77～10.28）内具均有很高的准确度，只有1个点的比值超过1.20。

3、结论

1）泥炭土饱和度和重度的变异系数仅为0.04和0.14，指标的相对离散程度较小，稳定性较高，因此，用概率方法计算指标时可以不考虑其变异性。昆明泥炭土的力学指标变异系数大，不宜在用概率方法计算地基的变形时采用。

2）回归分析得到昆明泥炭土压缩系数与物理指标相互关系的经验公式，该地区泥炭土的压缩系数与天然含水率和初始孔隙比有很强的相关性，与液限、塑限和有机质含量的相关性较弱。

3）通过勘察数据拟合的泥炭土压缩指数与天然含水率、初始孔隙比的经验关系与其他地区类似，关系式为：Cc=0.007 7ω0+0.126,R2=0.647;Cc=0.51e0-0.17,R2=0.712。其中通过初始孔隙比估算压缩指数的关系式在整个孔隙比分布范围内均具有较高的准确度，在工程初步设计阶段可以通过此经验关系估算压缩指数，进而计算沉降。

表4 预测值与实测值对比

参考文献:

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