季冻区草炭土工程特性分析

摘 要： 草炭土不良地段的路基路面经常出现冻胀、翻浆、不均匀沉陷等病害隐患，通过对草炭土工程特性的研究与分析提出经济可行、合理可靠的设计处理措施。

关键词： 草炭土； 工程特性； 压缩系数； 抗剪强度

中图分类号： U416.1 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2010）08-0132-03

一、前言

吉林至珲春高速公路是同江至三亚国家主干线的支线，是我省通往东部山区的主要通道，该公路地处我省的东部山区，路线主要在长白山及其支脉、龙岗山脉、老爷岭等山地通过，属于冰冻季风大陆性山地气候。沿江河流域分布的河谷和盆地，面积较大，为二、三级阶地及河漫滩，地势起伏较大，地质条件复杂，水源充足，土壤肥沃，复杂的自然环境形成了该地区特有的土壤类型。不仅有广泛的地带性森林土壤，而且草甸土、沼泽土、泥炭土等湿地带状性土壤占有相当的面积，尤其草炭土约占全省总面积的1％。因此水文地质不良地段占相当的比重，导致软弱草炭土段路基路面存在不均匀沉陷、开裂、冻胀和翻浆等病害和隐患。草炭土主要是指地面低洼、降水充足，地下水位高及喜水植物生长茂密，表层以下有在缺氧条件下死亡了的不能充分腐烂的植物，形成有机质含量高，孔率比大、压缩性很大，含有复杂的纤维和木质残余物以及分解度较低，且有一定厚度的泥炭层一类的泥沼。故草炭土路基的稳定性和变形问题较为突出。

为解决上述问题，在敦化－延吉段、江密峰至黄松甸段及国道302线等路段进行了试验研究。试验的最终目的是：对全线的草炭土路基提出不同情况下所对应采取的经济合理的处理方法和对策。为掌握试验路段的地质情况，需了解主要土层的分布及各土层的物理力学特性。本次试验共进行了钻孔原位测试孔及原状取土孔。原位测试主要包括十字板测试、孔压静力触探及孔压消散试验。本文仅对所取的原状土的室内试验结果进行分析。

二、草炭土的土层分布及取样

（一）草炭土的土层分布

在初步设计、施工图设计及试验研究阶段，对路线所经过的草炭土地段进行了详细勘探工作，对草炭土的土层分布已有了一定的了解，一般情况为：

10－30cm为草根层

30－70cm为泥炭层，棕色，遇空气变黑，有弹性

70－100cm为泥炭层，棕色，遇空气变黑，稍有弹性，泥炭呈微层状

100－160cm，泥炭呈层状分布有灌木根

160－200cm，泥炭中含泥质较多，稍有塑性，部分路段层位较厚，厚的路段可达3米以上。

草炭土下层多为透水的低液限粘土或淤泥质土，形成蓄水封层，成为排水不良、泄水不畅的蝶状洼地，长期积水，为草炭土的形成提供了条件。

（二）取样分布情况

为获得准确的物理力学性指标，这次以薄壁活塞取土器钻取原状土样，以此减少对土样的扰动程度。取土器直接安装在钻头上，取出土样后立即封存。取样分布情况见下表：

三、室内理化及力学性试验

为客观认识草炭土的工程特性、掌握其力学及物理性质、分析其设计参数，针对草炭土的特点，进行了必要的理化及力学性试验，为设计方案提供所需的基础资料。

（一）草炭土的理化试验

对草炭土我们进行了含水量、天然密度、土粒比重、液塑限物理指标的直接测定。通过计算求得孔隙比、干密度、饱和度、塑性指数、液性指数等指标。试验结果见表1。

从表1中可以看出0－100cm层含水量在(100~500)％之间，孔隙比在5~10之间，液塑限非常高，塑性指数在70~400之间,天然含水量小于液限，而天然密度基本都小于1。说明此层都是由一些腐植的杂草，树叶、树根、木本残留物等长期积累腐烂形成。100－300cm层含水量在(25~70)％之间。孔隙比在1左右基本都大于1，塑性指数在9－84之间，液性指数基本大于0.75，说明草炭土呈软塑和流塑状态。从试样的直观看是灰色淤泥性质的泥炭土，部分含有淤砂。

对草炭土的化学性质进行了有机质、烧失量、酸碱度指标的测定，试验结果见表2。

从表2中可以看出0－100cm范围内，有机质含量大，在（18~50）％之间，烧失量在（18~75）％之间。100－300cm范围内，有机质含量小，在（1~5）％之间，烧失量在（4~64）％之间。酸碱度PH值都小于7，呈碱性。

由以上试验结果可以看出，草炭土基本处于软塑或流塑状态和饱和状态，孔隙率较高，自上而下略有降低，有机质含量高，烧失量较大，说明草炭土形成的年代不长，稳定性较差，在工程上应采取一定的技术措施，降低泥炭化速度，提高路基的稳定性。

（二）草炭土的力学性试验

针对草炭土的力学性能，我们进行了压缩、直剪、三轴、无侧限抗压强度试验，得出固结系数、压缩系数、压缩模量、内聚力(c)、摩擦角(φ)，有效内聚力(c′)、有效摩擦角(φ′)孔隙压力系数，无侧限抗压强度指标值，试验结果见表3。

1. 草炭土的压缩性

草炭土的孔隙率较大，强度较低，压缩系数高。从压缩系数值上看0-100cm层在2-10MPa-1之间，呈高压缩性，100-300cm层在0.25-1.8MPa-1之间，属中等和高压缩性。相对草炭土的压缩模量值较小，0-100cm范围内数值为0.6-2.3MPa之间，100-300cm范围内数值为1.5-7.7MPa之间。

压缩性主要表现在压缩系数a的大小，试验求得的a值是在100KPa~200KPa荷载作用下的数值。下面是草炭土、软土、粘土三种土的压缩曲线(e-p曲线)。

从草炭土的e-p曲线a）图可以看出e的变化值较大，从5.502减小到4.802即减小了e ＝0.70，而从软土的e-p曲线b)图可以看出e变化值较小，从1.137减小到1.048即减小了e＝0.089，从粘性土的e-p曲线c)图中可以看出e变化值很小，从0.761减小到0.745，减小了e＝0.016。每一级荷载的变化0-50、50-100、200-300等都是这个规律，草炭土最大，软土次之，粘土很小，这就说明草炭土的压缩性比其它的软土、粘土都要高。

从固结系数Cv值可以看出0-100cm范围内固结系数值较大均匀，一般在3-7m2/s之间，而100－300cm范围内，固结系数值不均匀无规律在0.3-14m2/s之间，变化幅度较大。

2. 草炭土的抗剪强度

抗剪强度的库仑定律公式S=C+δtanφ或S=C′+δ′tanφ′。式中的内聚力（C），内摩擦角（φ）以及有效内聚力（C′），有效内摩擦角（φ′）值，通过二种试验四种方法进行对比试验测得，即直剪试验和三轴试验。直剪试验中的快剪方法对应三轴试验中的不固结不排水法；固结快剪方法对应固结不排水法。从四种方法测得的结果上看C值比较小在0.6-70MPa之间，内摩擦角φ值稍大一些一般在10-30度之间。从试验的数据上看，三轴试验测得的数据比较接近实际，直剪仪做剪切试验，由于受仪器结构的限制无法控制试样的排水条件，而三轴仪不仅能够控制排水，能够准确的测定总抗剪强度参数C、φ值，还能够测得孔隙水压力系数、土的有效抗剪强度参数C＇、φ＇值。所以推荐采用三轴试验法测得C、φ值。下面是草炭土三轴试验所得抗剪强度参数包络图：a）不固结不排水法；b）固结不排水法。

3. 草炭土无侧限抗压强度

对14组试件进行试验，结果在7-50KPa之间强度比较低。

四、草炭土的工程特性分析

从草炭土的物理力学性指标数据以及取样情况上分析草炭土具有以下工程特点：

①含水量高，孔隙比大。天然含水量在30-350%范围内，孔隙比基本大于1，0-100cm以内值大于5。说明浅层持水量比较大，土中孔隙与固体体积相同甚至超过至达到5倍之多。在施工中应作好有效的排水措施，排出草炭土的水分，减少路基的冻害，提高草炭土密实度和路基的稳定性。

②呈流塑或软塑状态。塑性指数液性指数都比较大，塑性指数达300之多，液性指数也在0.75以上。

③压缩性高。压缩系数一般都超过0.5MPa-1，最大达10 MPa-1，属高压缩性土。在试验过程中有的土样固结压缩到300KPa时，就超出百分表的量程范围，无法试验，说明沉降量较大。

④抗剪强度低。不固结不排水抗剪强度一般在3－45KPa之间, 固结不排水抗剪强度一般在10-70KPa之间。从试验结果上看，通过固结预压后，抗剪强度有较大的提高，因此应采取固结预压的方案，提高其有效强度，控制路基的填筑时间，保证路基的稳定性。

⑤不均匀性。草炭土具有微细有和高分散的颗粒组成，平面分布上有所差异，垂直方向上具有明显分选性，从取样的情况上可直接看出，易产生不均匀沉降。

五、草炭土不良地段预防治理措施

通过对草炭土的理化力学性能试验及地质勘探分析草炭土具有：含水量高、孔隙比大、有机质含量高、压缩性高、抗剪强度低，以及不均匀性等工程特性，加上东北季节性冰冻地区的特有气候条件，易使公路产生冻胀、翻浆、不均匀沉降等病害与隐患。针对这些病害与隐患，在路基设计中，合理确定路基高度，分期填筑，使草炭土充分固结。采用设置砂垫层、固结预压、排除路基内的水份，合理确定施工工期；设置反压护坡道；降低草炭土泥炭化的速度，增加路基的稳定性；路基采用透水性良好的材料填筑，隔断地表水及毛细水对路基的作用，保证路面的强度和稳定性，为提高路基的整体性、减少不均匀沉降，设置一定的土工格栅等方法，确保草炭土路基的稳定性和耐久性。

参考文献：

［1］ 工程地质手册（第三版）[M].中国建筑工业出版社，1990.

［2］ 张喜发.岩土工程勘察与评介[M].吉林科学技术出版社.

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