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高分解度泥炭土工程特性及其地基處理典型案例

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作者:桂躍
出版社:科學出版社出版時間:2022-04-01
開本: 16開 頁數: 101
本類榜單:建筑銷量榜
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高分解度泥炭土工程特性及其地基處理典型案例 版權信息

  • ISBN:9787030646774
  • 條形碼:9787030646774 ; 978-7-03-064677-4
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

高分解度泥炭土工程特性及其地基處理典型案例 內容簡介

高分解度泥炭土又稱為無定形泥炭土,是有機質主要組分為腐殖物質的泥炭土。它在斯里蘭卡、印尼、馬來西亞等南亞、東南亞國家廣泛分布,我國南方地區也較為常見。昆明和大理市是我國為數不多的市區下伏深厚泥炭土的城市。由于特殊的地理位置和高原氣候,環滇池、洱海區域屬古代大片湖沼區,泥炭土層深厚。隨著城市開發建設力度加大,諸如城中村改造、滇池下穿隧道、繞城高速等重大工程在建或擬建,越來越多地碰到泥炭土等軟土軟基問題。本書重點介紹環滇池及洱海區域的高分解度泥炭土工程特性,主要內容包括泥炭土物理力學性質統計指標特點及相關性分析、一維固結及次固結特性、滲透特性及直剪抗剪強度特性,以及斯里蘭卡高速公路建設中成功運用砂樁、碎石樁、塑料排水板聯合超載預壓處理深厚泥炭土路基的珍貴案例。 本書是一部介紹高分解度泥炭土工程性質研究領域新成果的專著,可供勘察、巖土設計及施工相關專業的研究人員參考使用。

高分解度泥炭土工程特性及其地基處理典型案例 目錄

目錄
**章 緒論 1
1.1 研究目的與意義 1
1.2 泥炭土的工程性質研究現狀 2
1.2.1 泥炭土的物理性質研究現狀 2
1.2.2 泥炭土滲透特性研究現狀 3
1.2.3 泥炭土各向異性特性研究現狀 5
1.3 泥炭土地基處理研究現狀 8
第二章 滇池泥炭土物理力學指標統計特性研究 9
2.1 引言 9
2.2 滇池泥炭土時空分布特征 9
2.3 滇池泥炭土樣本搜集 10
2.4 滇池泥炭土埋深及厚度變化規律 11
2.5 物理力學指標統計量特征 11
2.6 物理力學指標間相關性分析 12
2.7 有機質含量及組分特征對泥炭土物理力學指標的影響 14
2.7.1 泥炭土有機質組分特征及分類 14
2.7.2 有機質含量及其組分特征對泥炭土物理指標的影響 15
2.7.3 有機質含量對滇池泥炭土力學指標的影響 16
2.8 本章小結 17
第三章 高分解度泥炭土固結系數變化規律實驗研究 18
3.1 概述 18
3.2 土的基本特性 18
3.3 實驗方案 19
3.4 實驗結果與分析 21
3.4.1 土樣狀態對泥炭土一維固結系數影響分析 21
3.4.2 加荷比對泥炭土一維固結系數的影響分析 22
3.4.3 加載方式對泥炭土一維固結系數影響分析 23
3.4.4 超載預壓對泥炭土固結系數的影響分析 24
3.4.5 荷載作用下泥炭土壓縮及滲透特性變化規律 24
3.5 機理分析與探討 26
3.5.1 天然狀態泥炭質土孔隙類型及分布掃描分析 26
3.5.2 泥炭質土固結變形微結構模型 26
3.6 本章小結 27
第四章 高分解度泥炭土次固結特性及機理分析 29
4.1 概述 29
4.2 土的基本特性 29
4.3 實驗方案 30
4.4 實驗結果及分析 31
4.4.1 前期固結壓力的確定 31
4.4.2 泥炭質土一維固結蠕變時程曲線特征 32
4.4.3 固結壓力p對次固結系數Cα的影響 34
4.5 泥炭質土次固結特性機理分析 36
4.6 Cα與Cc的關系 38
4.7 本章小結 38
第五章 軸向卸荷條件下泥炭土回彈變形實驗研究 40
5.1 概述 40
5.2 取樣及其基本特性 41
5.3 實驗方法及方案 41
5.3.1 分級卸荷條件下泥炭質土回彈實驗 41
5.3.2 完全卸荷條件下泥炭質土回彈蠕變實驗 41
5.4 實驗結果與分析 41
5.4.1 分級卸荷條件下泥炭質土回彈變形特性 42
5.4.2 完全卸荷條件下泥炭質土回彈變形特性 44
5.5 機理分析與探討 46
5.6 本章小結 49
第六章 高分解度泥炭土工程性質原生各向異性初探 50
6.1 概述 50
6.2 取樣與實驗方案 50
6.2.1 土樣采集與分類 50
6.2.2 實驗方案 51
6.3 實驗結果分析 52
6.3.1 固結變形各向異性特性分析 52
6.3.2 抗剪強度各向異性特性分析 54
6.3.3 滲透特性各向異性分析 58
6.4 機理分析與討論 59
6.5 本章小結 61
第七章 高分解度泥炭土直剪抗剪強度特性及機理分析 62
7.1 概述 62
7.2 土樣的基本性質及分類 62
7.3 實驗方法 64
7.4 實驗結果與分析 65
7.4.1 剪應力-剪切位移關系 65
7.4.2 剪切強度-法向應力關系 66
7.4.3 剪切強度包線 68
7.4.4 直剪抗剪強度指標分析 69
7.5 機理分析與探討 70
7.5.1 泥炭土固結變形特性分析 70
7.5.2 泥炭土壓縮-剪切微結構模型 71
7.5.3 關于抗剪強度包線轉折點對應法向應力σs的討論 73
7.6 本章小結 73
第八章 高分解度泥炭土滲透特性研究及機理分析 75
8.1 概述 75
8.2 土樣基本性質及其分類 75
8.3 實驗方法 77
8.4 實驗結果與分析 78
8.4.1 加載時長與滲透系數關系 78
8.4.2 壓縮過程中固結應力與滲透系數關系 79
8.4.3 高原湖相泥炭土滲透模型研究 80
8.4.4 高原湖相泥炭土滲透參數研究 83
8.5 泥炭土滲透特性機理分析 84
8.6 本章小結 86
第九章 斯里蘭卡高速公路項目泥炭土地基處理 87
9.1 工程概況 87
9.2 工程與水文地質條件 88
9.2.1 地形地貌 88
9.2.2 地層結構特征 88
9.2.3 氣象與水文特征 89
9.3 泥炭土地基處理 89
9.3.1 軟基處理概述 89
9.3.2 塑料排水板軟基處理 90
9.3.3 砂(碎石)樁軟基處理 91
9.3.4 預制方樁軟基處理 91
9.4 預壓沉降位移監測 92
9.5 典型斷面地基處理效果 93
參考文獻 95
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高分解度泥炭土工程特性及其地基處理典型案例 節選

**章 緒論 1.1 研究目的與意義 泥炭土(泥炭和泥炭質土)是由無機礦物質土顆粒、腐殖質以及殘余纖維等組成的特殊土[1],是濕地沼澤中死亡的水生植物殘體在適宜的氣候及地形條件下,經過微生物分解形成腐殖質,腐殖質將未分解的植物根莖與土壤無機礦物黏結并不斷積累,*終形成的混合土體。據統計,泥炭土在全世界59個國家和地區有分布,分布統計詳見圖1.1,總面積超過415.3×104km2,我國泥炭土的分布面積約4.2×104km2[2],主要分布于我國東北及西南地區,集中且埋藏淺。泥炭土儲量超過108t的地區有四川、云南、吉林及西藏等10省(區、市),共占據全國總量的92%。 圖1.1 全球泥炭土分布面積圖[2] 因植物殘體種類、環境溫度及分解度的差異,不同地區泥炭土差別較大[3-7]。通常,形成歷史較短的泥炭土,一般纖維含量較多;隨著分解度的增大,泥炭土中纖維狀結構逐漸消失,取而代之的是由腐殖質膠體等組成的致密結構,其化學組分也隨之發生變化。對泥炭土進行分類,有助于對地區性泥炭土物理化學特性進行精確的描述。 按照不同的分類標準,泥炭土可以劃分為不同的種類。美國材料與測試協會(American Society for Testing and Materials,ASTM)根據纖維含量、灰分含量、酸度三個指標將泥炭土劃分為不同組別(表1.1)。除此之外,另一個應用較廣的是馮 波斯特分類系統(Von Post Classification System)[6],該系統基于泥炭土的物理化學特性,根據泥炭土的物質組成、有機質分解度以及顏色進行分類。 表1.1 ASTM泥炭土劃分標準 由于特殊的地理位置和高原氣候,云南省有108個縣揭露泥炭土[8]。我國泥炭土大都分布在遠離市區的沼澤和森林地區,和人類工程活動關聯不多。昆明和大理市是為數不多的市區下伏深厚泥炭土的城市。由于特殊的地理位置和高原氣候,環滇池、洱海區域屬古代大片湖沼區,泥炭土土層廣泛分布。云南省泥炭資源量全國排名第二,以草本泥炭為主,有機質含量中—高(21%~85%)、分解度中—高、纖維含量23%~46%,局部90%以上[9]。環滇池、洱海地區是昆明和大理市城市發展的核心區域。2000年以來,城市開發建設力度加大,諸如城中村改造、軌道交通、滇池下穿隧道、繞城高速等重大工程已建、在建或擬建,使得對泥炭土工程性質的認識研究有更高的要求。 1.2 泥炭土的工程性質研究現狀 1.2.1 泥炭土的物理性質研究現狀 從土的工程特性角度看,泥炭土具有有機質含量高、天然含水率高、天然孔隙比大、天然密度小、土顆粒相對密度小、壓縮性顯著、抗剪強度低的特點。Ajlouni[10]曾測得泥炭土的含水率高達2000%,而普通黏土卻罕有超過200%的。密度是物質本身固有的屬性。通過采集泥炭土樣本,Huat[11]獲得馬來西亞泥炭土天然密度介于0.83~1.15 g/cm3,泥炭土的天然密度極低。礦物質成分越少,則天然密度越小。Ajlouni[10]獲得了泥炭土的相對密度的分布介于1.3~1.8,相對密度的特點與天然密度類似,與分解度及礦物質含量有關,具有正相關性,與有機質含量的關系則為負相關性。由孔隙比特性可直觀認識泥炭土與一般軟土的差異,Hanrahan[12]得出泥炭土的孔隙比變化范圍為5~15,而纖維質泥炭土的孔隙比高達25。泥炭土具有較高的孔隙比,這決定了其具有高壓縮性;孔隙體積大也增加了孔隙連通性,這也決定了纖維質泥炭土具有強透水性[13]。Hobbs[14]指出,對泥炭土的全面描述除了顏色、腐殖化程度、含水率等,還應納入有機質含量指標。實際上,有機質的變化直接影響了泥炭土物質組成、土體結構及所有物理力學指標特性。Huat[11]指出有機成分的腐化含量可改變其抗剪強度、壓縮性及滲透性。Oades[15]也曾指出具有較高比表面積及表面電荷聚集的腐殖質對土體的理化特性有重要影響。谷任國和房營光[16]通過直剪蠕變儀對有機質及黏土礦物的研究認為,微小的有機質顆粒能吸附大量的表面電荷,這就使得土團聚顆粒的雙電層增厚,尤其增加了強結合水含量。有研究認為[17],增加1%的有機質含量,相當于黏粒含量增加1.5%。劉飛等[18]對吉林敦化的高有機質土進行的分解程度測試、固結變形特性及滲透性實驗研究表明,有機質分解程度直接影響了土體結構性及壓縮特性。 1.2.2 泥炭土滲透特性研究現狀 Hemond和Goldman[19]、Ingram等[20]、Rycroft等[21]、Romanov[22]等的研究表明,達西定律僅適用于一些淺層以及低分解度泥炭土,他們分析了兩種可能導致深層泥炭土偏離達西定律的原因:**種,泥炭土結構在滲透水頭下保持不變,而水流速度v隨水力梯度i或者水頭高度h非線性變化;第二種,深層泥炭土結構隨著水力梯度i或者水頭高度h非線性變化,從而導致其偏離達西定律。 由于泥炭土特殊的結構以及超大的孔隙比,對于泥炭土滲透系數是否存在以及其測量方法在學術界還存在一些爭議,但是許多學者還是利用傳統測試方法對泥炭土的滲透特性進行了研究。Chason和Siegel[23]通過查閱文獻所得的泥炭土滲透系數的變化范圍如圖1.2所示。從圖1.2中可以看到,泥炭土的滲透系數k變化范圍為10-1~10-7cm/s,集中分布在10-3~10-5cm/s。 圖1.2 泥炭土現場實驗與室內實驗測定滲透系數變化圖[23] Rycroft等[21]搜集了6個不同課題組對不同分解度的泥炭土滲透系數的測定結果,并在馮 波斯特分類系統下,對不同分解度級別的泥炭土滲透系數分布進行分析,結果顯示泥炭土滲透系數k隨著分解度的增加而減小。大多數完全分解的泥炭土滲透系數值往往處于*低值,而含大量莎草及蘆葦的纖維泥炭土的滲透系數k較高。不同的滲透系數對應泥炭土不同的分解度。 Boelter[24]通過對明尼蘇達州沼澤泥炭土進行滲透實驗,發現泥炭土滲透系數k與纖維含量以及天然重度之間存在對數線性關系。k隨纖維含量以及天然重度γ增大而增大,其對數線性相關性系數R2=0.54。k值變化范圍為從高分解度泥炭土的10-5cm/s到纖維泥炭土的10-2cm/s。 在對泥炭土滲透性各向異性的研究上,早期人們一般認為水平向滲透系數要大于豎直向滲透系數,主要原因就是泥炭土中植物殘體的排列方向只允許水平向的水流擁有更大的速度;然而Weaver和Speir[25]在對沼澤泥炭土的研究中發現其豎向滲透系數值是水平向滲透系數的3倍;Boelter[26]在他的實驗研究中發現泥炭土水平向滲透系數k與豎直向滲透系數(表1.2)并沒有顯示出較大的差別。O'Kelly[27]對愛爾蘭原狀泥炭土樣等滲透系數進行了一維固結下的變化規律研究,并對比了滲透系數原位實驗與室內測試結果的差異,結果表明,愛爾蘭泥炭土初始滲透系數為10-7~10-8cm/s,原位測試滲透系數較室內實驗大1~2個量級。 表1.2 不同泥炭土滲透系數隨測試方法及滲透流向變化表[26] 此外Lefebvre等[28]利用滲壓儀,采用變水頭法測定了加拿大2個不同場地泥炭土的滲透系數,并分析了壓縮過程中孔隙比與滲透系數的關系,得出了不同場地的滲透指數變化情況。 Mesri和Ajlouni[2]通過統計前人文獻,總結歸納了纖維泥炭土的e-lgk模型,得出了滲透指數Ck與初始孔隙比e0的關系,并指出纖維泥炭土結構的各向異性導致滲透系數的各向異性,橫向初始滲透系數kh0有可能比豎向初始滲透系數kv0大10倍。 Hayashi等[29]通過對日本4個不同產地泥炭土進行現場滲透實驗及室內實驗,分析認為日本泥炭土滲透指數與初始孔隙比的關系為:Ck=0.12e0+0.85。水平向滲透指數Ckh與豎向滲透指數Ckv值為0.8~1.2。 在我國,徐燕[30]對吉林地區草炭土進行室內滲透實驗,對草炭土在不同固結壓力下滲透系數的變化規律進行了討論。張揚[31]通過大量室內實驗對昆明滇池泥炭土的滲透特性及本構模型進行了研究。 目前學術界普遍認為土體滲透系數影響因素有兩個方面:土顆粒骨架狀態和流體性質[32]。對泥炭土而言,其有機質含量及分解度不同會導致物理力學性質上的極大差異。綜合國內外對泥炭土滲透特性的研究進展來看,目前的成果主要集中在對纖維泥炭土的討論和研究上,對于高原湖相泥炭土這種分解度較高的泥炭土一直缺乏綜合性的滲透實驗分析研究。 1.2.3 泥炭土各向異性特性研究現狀 泥炭土中有機物質主要包括腐殖質、未分解和半分解的殘余纖維及微生物體。腐殖質是一類組成和結構都很復雜的天然高分子聚合物,其主體是各種腐殖酸及其與金屬離子相結合的鹽類。通常情況下,腐殖質在土壤中較少有游離狀態存在,大部分與礦物質土顆粒(尤其是黏粒)通過范德華力、氫鍵、靜電吸附、陽離子鍵橋等交互作用形成團聚體,即腐殖質-礦質復合體,這些復合體是土體的核心組成單元[33,34],腐殖質-礦質復合體中的微孔隙和復合體之間的大孔隙形成泥炭土特殊的雙層孔隙結構。殘余纖維是未分解及部分分解的植物殘體,其長度從微米至數厘米不等。據現場觀測及實驗室電鏡掃描等微觀分析[35,36],天然狀態下泥炭土中殘余纖維多數在水平沉積層面中分布,隨機交織成網狀,垂直方向沒有明顯的層理(圖1.3),這是沉積過程中受到重力作用及固結過程中的大變形所致。 圖1.3 Middleton泥炭土電鏡掃描圖[36] 土作為一種非連續摩擦型散粒體工程材料,除表現非線性、非彈性、壓硬性、剪脹性、應力-應變與應力歷史和應力路徑相關性等諸多特性外,還特別表現出原狀土的原生各向異性及復雜應力狀態下的應力各向異性[37]。 天然沉積土具有各向異性現象被人們所熟知,泥炭土的各向異性也已為眾多學者證實。*具代表性的是日本的Yamaguchi等[38]采用常規三軸固結儀對水平和垂直方向取樣的Ohmiya泥炭土進行等向固結實驗,結果如圖1.4所示。如果是各向同性材料,則軸向應變εv和體應變v滿足v=3εv線性關系。但實驗結果表明水平向泥炭土樣數據分布在直線以下,垂直向土樣在直線以上,均未與v=3εv線重合,說明該泥炭土各向異性顯著。 隨著經濟發展,涉及泥炭土的工程活動越來越多,一系列工程問題,如滑坡、基坑失穩,房屋、道路不均勻沉降等出現,有的還和泥炭土的各向異性有關。例如:加拿大某泥炭土路基段鐵路出軌事故[39],經調查,泥炭土層承受上覆土壓力及列車動載,不等向應力促使原狀土中殘余纖維逐步錯位,當剪切面和纖維分布面接近平行時,路基剪切失穩(圖1.5)。某種意義上來說,該事故和泥炭土應力誘發各向異性有關。另外,路基橫剖面內部土體實際受力狀態是各不相同的,應力的主軸方向并非總是垂直[圖1.6(a)];而沿路基縱剖面方向更加復雜,土單元體的應力狀態隨列車的相對位置而改變。車輪接近時,單元體中大主應力方向和水平方向有一定角度;列車在土單元頂部時,大主應力方向為垂直,相對位置較遠時,土體單元中的大主應力方向甚至接近水平,即列車荷載作用將引起土單元體中主應力軸發生連續循環旋轉,這容易誘發泥炭土應力各向異性。 圖1.4 等向固結下Ohmiya泥炭土體應變v與軸向應變εv的關系 圖1.5 剪切過程中泥炭土殘余纖維分布演變過程[39] 圖1.6 泥炭土殘余纖維優勢分布方向和空間主應力方向的關系[40]

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