第一章 绪论
1.1 研究目的与意义
泥炭土(泥炭和泥炭质土)是由无机矿物质土颗粒、腐殖质以及残余纤维等组成的特殊土[1]，是湿地沼泽中死亡的水生植物残体在适宜的气候及地形条件下，经过微生物分解形成腐殖质，腐殖质将未分解的植物根茎与土壤无机矿物黏结并不断积累，最终形成的混合土体。据统计，泥炭土在全世界59个国家和地区有分布，分布统计详见图1.1，总面积超过415.3×104km2，我国泥炭土的分布面积约4.2×104km2[2]，主要分布于我国东北及西南地区，集中且埋藏浅。泥炭土储量超过108t的地区有四川、云南、吉林及西藏等10省(区、市)，共占据全国总量的92%。
图1.1 全球泥炭土分布面积图[2]
因植物残体种类、环境温度及分解度的差异，不同地区泥炭土差别较大[3-7]。通常，形成历史较短的泥炭土，一般纤维含量较多；随着分解度的增大，泥炭土中纤维状结构逐渐消失，取而代之的是由腐殖质胶体等组成的致密结构，其化学组分也随之发生变化。对泥炭土进行分类，有助于对地区性泥炭土物理化学特性进行精确的描述。
按照不同的分类标准，泥炭土可以划分为不同的种类。美国材料与测试协会(American Society for Testing and Materials，ASTM)根据纤维含量、灰分含量、酸度三个指标将泥炭土划分为不同组别(表1.1)。除此之外，另一个应用较广的是冯 波斯特分类系统(Von Post Classification System)[6]，该系统基于泥炭土的物理化学特性，根据泥炭土的物质组成、有机质分解度以及颜色进行分类。
表1.1 ASTM泥炭土划分标准
由于特殊的地理位置和高原气候，云南省有108个县揭露泥炭土[8]。我国泥炭土大都分布在远离市区的沼泽和森林地区，和人类工程活动关联不多。昆明和大理市是为数不多的市区下伏深厚泥炭土的城市。由于特殊的地理位置和高原气候，环滇池、洱海区域属古代大片湖沼区，泥炭土土层广泛分布。云南省泥炭资源量全国排名第二，以草本泥炭为主，有机质含量中—高(21%～85%)、分解度中—高、纤维含量23%～46%，局部90%以上[9]。环滇池、洱海地区是昆明和大理市城市发展的核心区域。2000年以来，城市开发建设力度加大，诸如城中村改造、轨道交通、滇池下穿隧道、绕城高速等重大工程已建、在建或拟建，使得对泥炭土工程性质的认识研究有更高的要求。
1.2 泥炭土的工程性质研究现状
1.2.1 泥炭土的物理性质研究现状
从土的工程特性角度看，泥炭土具有有机质含量高、天然含水率高、天然孔隙比大、天然密度小、土颗粒相对密度小、压缩性显著、抗剪强度低的特点。Ajlouni[10]曾测得泥炭土的含水率高达2000%，而普通黏土却罕有超过200%的。密度是物质本身固有的属性。通过采集泥炭土样本，Huat[11]获得马来西亚泥炭土天然密度介于0.83～1.15 g/cm3，泥炭土的天然密度极低。矿物质成分越少，则天然密度越小。Ajlouni[10]获得了泥炭土的相对密度的分布介于1.3～1.8，相对密度的特点与天然密度类似，与分解度及矿物质含量有关，具有正相关性，与有机质含量的关系则为负相关性。由孔隙比特性可直观认识泥炭土与一般软土的差异，Hanrahan[12]得出泥炭土的孔隙比变化范围为5～15，而纤维质泥炭土的孔隙比高达25。泥炭土具有较高的孔隙比，这决定了其具有高压缩性；孔隙体积大也增加了孔隙连通性，这也决定了纤维质泥炭土具有强透水性[13]。Hobbs[14]指出，对泥炭土的全面描述除了颜色、腐殖化程度、含水率等，还应纳入有机质含量指标。实际上，有机质的变化直接影响了泥炭土物质组成、土体结构及所有物理力学指标特性。Huat[11]指出有机成分的腐化含量可改变其抗剪强度、压缩性及渗透性。Oades[15]也曾指出具有较高比表面积及表面电荷聚集的腐殖质对土体的理化特性有重要影响。谷任国和房营光[16]通过直剪蠕变仪对有机质及黏土矿物的研究认为，微小的有机质颗粒能吸附大量的表面电荷，这就使得土团聚颗粒的双电层增厚，尤其增加了强结合水含量。有研究认为[17]，增加1%的有机质含量，相当于黏粒含量增加1.5%。刘飞等[18]对吉林敦化的高有机质土进行的分解程度测试、固结变形特性及渗透性实验研究表明，有机质分解程度直接影响了土体结构性及压缩特性。
1.2.2 泥炭土渗透特性研究现状
Hemond和Goldman[19]、Ingram等[20]、Rycroft等[21]、Romanov[22]等的研究表明，达西定律仅适用于一些浅层以及低分解度泥炭土，他们分析了两种可能导致深层泥炭土偏离达西定律的原因：第一种，泥炭土结构在渗透水头下保持不变，而水流速度v随水力梯度i或者水头高度h非线性变化；第二种，深层泥炭土结构随着水力梯度i或者水头高度h非线性变化，从而导致其偏离达西定律。
由于泥炭土特殊的结构以及超大的孔隙比，对于泥炭土渗透系数是否存在以及其测量方法在学术界还存在一些争议，但是许多学者还是利用传统测试方法对泥炭土的渗透特性进行了研究。Chason和Siegel[23]通过查阅文献所得的泥炭土渗透系数的变化范围如图1.2所示。从图1.2中可以看到，泥炭土的渗透系数k变化范围为10-1～10-7cm/s，集中分布在10-3～10-5cm/s。
图1.2 泥炭土现场实验与室内实验测定渗透系数变化图[23]
Rycroft等[21]搜集了6个不同课题组对不同分解度的泥炭土渗透系数的测定结果，并在冯 波斯特分类系统下，对不同分解度级别的泥炭土渗透系数分布进行分析，结果显示泥炭土渗透系数k随着分解度的增加而减小。大多数完全分解的泥炭土渗透系数值往往处于最低值，而含大量莎草及芦苇的纤维泥炭土的渗透系数k较高。不同的渗透系数对应泥炭土不同的分解度。
Boelter[24]通过对明尼苏达州沼泽泥炭土进行渗透实验，发现泥炭土渗透系数k与纤维含量以及天然重度之间存在对数线性关系。k随纤维含量以及天然重度γ增大而增大，其对数线性相关性系数R2=0.54。k值变化范围为从高分解度泥炭土的10-5cm/s到纤维泥炭土的10-2cm/s。
在对泥炭土渗透性各向异性的研究上，早期人们一般认为水平向渗透系数要大于竖直向渗透系数，主要原因就是泥炭土中植物残体的排列方向只允许水平向的水流拥有更大的速度；然而Weaver和Speir[25]在对沼泽泥炭土的研究中发现其竖向渗透系数值是水平向渗透系数的3倍；Boelter[26]在他的实验研究中发现泥炭土水平向渗透系数k与竖直向渗透系数(表1.2)并没有显示出较大的差别。O'Kelly[27]对爱尔兰原状泥炭土样等渗透系数进行了一维固结下的变化规律研究，并对比了渗透系数原位实验与室内测试结果的差异，结果表明，爱尔兰泥炭土初始渗透系数为10-7～10-8cm/s，原位测试渗透系数较室内实验大1～2个量级。
表1.2 不同泥炭土渗透系数随测试方法及渗透流向变化表[26]
此外Lefebvre等[28]利用渗压仪，采用变水头法测定了加拿大2个不同场地泥炭土的渗透系数，并分析了压缩过程中孔隙比与渗透系数的关系，得出了不同场地的渗透指数变化情况。
Mesri和Ajlouni[2]通过统计前人文献，总结归纳了纤维泥炭土的e-lgk模型，得出了渗透指数Ck与初始孔隙比e0的关系，并指出纤维泥炭土结构的各向异性导致渗透系数的各向异性，横向初始渗透系数kh0有可能比竖向初始渗透系数kv0大10倍。
Hayashi等[29]通过对日本4个不同产地泥炭土进行现场渗透实验及室内实验，分析认为日本泥炭土渗透指数与初始孔隙比的关系为：Ck=0.12e0+0.85。水平向渗透指数Ckh与竖向渗透指数Ckv值为0.8～1.2。
在我国，徐燕[30]对吉林地区草炭土进行室内渗透实验，对草炭土在不同固结压力下渗透系数的变化规律进行了讨论。张扬[31]通过大量室内实验对昆明滇池泥炭土的渗透特性及本构模型进行了研究。
目前学术界普遍认为土体渗透系数影响因素有两个方面：土颗粒骨架状态和流体性质[32]。对泥炭土而言，其有机质含量及分解度不同会导致物理力学性质上的极大差异。综合国内外对泥炭土渗透特性的研究进展来看，目前的成果主要集中在对纤维泥炭土的讨论和研究上，对于高原湖相泥炭土这种分解度较高的泥炭土一直缺乏综合性的渗透实验分析研究。
1.2.3 泥炭土各向异性特性研究现状
泥炭土中有机物质主要包括腐殖质、未分解和半分解的残余纤维及微生物体。腐殖质是一类组成和结构都很复杂的天然高分子聚合物，其主体是各种腐殖酸及其与金属离子相结合的盐类。通常情况下，腐殖质在土壤中较少有游离状态存在，大部分与矿物质土颗粒(尤其是黏粒)通过范德华力、氢键、静电吸附、阳离子键桥等交互作用形成团聚体，即腐殖质-矿质复合体，这些复合体是土体的核心组成单元[33，34]，腐殖质-矿质复合体中的微孔隙和复合体之间的大孔隙形成泥炭土特殊的双层孔隙结构。残余纤维是未分解及部分分解的植物残体，其长度从微米至数厘米不等。据现场观测及实验室电镜扫描等微观分析[35，36]，天然状态下泥炭土中残余纤维多数在水平沉积层面中分布，随机交织成网状，垂直方向没有明显的层理(图1.3)，这是沉积过程中受到重力作用及固结过程中的大变形所致。
图1.3 Middleton泥炭土电镜扫描图[36]
土作为一种非连续摩擦型散粒体工程材料，除表现非线性、非弹性、压硬性、剪胀性、应力-应变与应力历史和应力路径相关性等诸多特性外，还特别表现出原状土的原生各向异性及复杂应力状态下的应力各向异性[37]。
天然沉积土具有各向异性现象被人们所熟知，泥炭土的各向异性也已为众多学者证实。最具代表性的是日本的Yamaguchi等[38]采用常规三轴固结仪对水平和垂直方向取样的Ohmiya泥炭土进行等向固结实验，结果如图1.4所示。如果是各向同性材料，则轴向应变εv和体应变v满足v=3εv线性关系。但实验结果表明水平向泥炭土样数据分布在直线以下，垂直向土样在直线以上，均未与v=3εv线重合，说明该泥炭土各向异性显著。
随着经济发展，涉及泥炭土的工程活动越来越多，一系列工程问题，如滑坡、基坑失稳，房屋、道路不均匀沉降等出现，有的还和泥炭土的各向异性有关。例如：加拿大某泥炭土路基段铁路出轨事故[39]，经调查，泥炭土层承受上覆土压力及列车动载，不等向应力促使原状土中残余纤维逐步错位，当剪切面和纤维分布面接近平行时，路基剪切失稳(图1.5)。某种意义上来说，该事故和泥炭土应力诱发各向异性有关。另外，路基横剖面内部土体实际受力状态是各不相同的，应力的主轴方向并非总是垂直[图1.6(a)]；而沿路基纵剖面方向更加复杂，土单元体的应力状态随列车的相对位置而改变。车轮接近时，单元体中大主应力方向和水平方向有一定角度；列车在土单元顶部时，大主应力方向为垂直，相对位置较远时，土体单元中的大主应力方向甚至接近水平，即列车荷载作用将引起土单元体中主应力轴发生连续循环旋转，这容易诱发泥炭土应力各向异性。
图1.4 等向固结下Ohmiya泥炭土体应变v与轴向应变εv的关系
图1.5 剪切过程中泥炭土残余纤维分布演变过程[39]
图1.6 泥炭土残余纤维优势分布方向和空间主应力方向的关系[40]
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