有机质入侵后土体压缩性状试验研究

潘雪敏　尹春雷　王立娜　李茂林　杨必进

摘要：为了模拟不同种类有机质入侵红黏土对土体物理力学特性的影响，在红黏土中添加腐殖酸、富里酸、腐殖酸钾3种外掺有机质配制得到了不同种类和含量的人工有机质土，并进行了液、塑限对比试验;然后，对红黏土和重塑有机质土进行室内侧限压缩对比试验，分析了有机质含量、有机质种类、初始含水率对有机质土体压缩性状的影响。试验结果表明：随着有机质含量的增加，土体比重减小，腐殖酸土液、塑限下降，富里酸土和腐殖酸鉀土液、塑限均呈现上升趋势;当养护龄期一定时，有机质含量升高，土颗粒团聚性增强，土体的孔隙率增加，压缩性增强;有机质含量一定时，土体压缩性排序为富里酸土>腐殖酸钾土>腐殖酸土，且初始含水率高的有机质土体压缩性始终大于初始含水率较低的土体。土体压缩性与有机质种类及含量密切相关，研究结果可为后续有机质土改良与计算地基沉降和稳定性评价提供参考依据。

关键词：岩土力学;有机质;含水率;养护龄期;压缩性状

中图分类号：TU443文献标识码：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

有机质土在自然界中广泛存在，在工程建设过程中，承载主体的软土层因为有机质含量过高，会呈现出大孔隙比、低密度、高压缩性、低强度等工程性质，导致地基承载力低，变形大等问题，从而影响工程质量[1-3]。

目前，关于有机质对土体工程性质影响方面的研究已经有很多。有机质土中有机质的组成复杂，根据有机质对酸碱溶解度不同，分为了腐殖酸、富里酸、胡敏素3类[4]。为了探究有机质性质对水泥固结土壤的影响，TREMBLAY等[5]在两种不同的土壤中分别加入13种有机质进行试验，结果发现强酸类化合物（如腐殖酸、醋酸等）由于孔隙溶液pH值低导致固结过程无效，对土体强度产生了负面影响;徐日庆等[6]对单掺水泥固化与水泥添加固化剂XGL2005复合固化有机质土进行了无侧限抗压强度对比试验，发现固化剂XGL2005可有效消除有机质的不利影响，显著增强水泥固化有机质土的效果;赵笛等[7]通过实验得出富里酸通过阻碍水化反应从而影响固化淤泥强度的形成这一结论;林琳等[8]在黑土中添加腐殖酸，探究了有机质含量、含水率、黏粒三因素交互作用对黑土压缩性的影响;MESRI等[9]及姜爽等[10]对有机质土进行室内固结压缩试验发现有机质含量越高的土体压缩指数越大。综上所述，考虑单一有机质及有机质含量对土体力学特性研究方面成果积累较多，然而不同种类和含量的有机污染物对于土体压缩性状的影响规律的系统研究并不多见。

基于此，本文对比选择了腐殖酸、富里酸、腐殖酸钾作为有机质与红黏土混合，制备成不同含量的有机质土体，进行室内压缩固结试验，再与非有机质土压缩试验数据进行比较，明确了3种有机质在不同含量和不同初始含水率的情况下对土体压缩性状的影响。

1试验

1.1试验用土

本试验选取云南省昆明市盘龙区的天然黏土作为试验土样，取土深度为2.5 m，颜色为棕红色，试验用土的基本物理性质见表1。根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）[11]，采用标准比重瓶法测定比重Gs为2.82，土体塑限用搓条法测定为26%，液限用碟式液限仪测定为51%。在试验用土中加入质量分数为30%的过氧化氢溶液（该黏土中的有机质含量较小，加入过氧化氢溶液是为了防止影响试验结果）[12]，然后再通过人工添加有机质的方式进行制样。图1是基于卡氏塑限图所做的试验用土的塑性图，从图中可以看出，试验用土塑性指数位于A线以上，液限位于B线右侧，属于高液限黏土。

1.2试验用有机质

1.2.1有机质选用

试验外掺有机质选择腐殖酸、富里酸、腐殖酸钾3种（均由商业购买获得），各有机质基本参数见表2。

腐殖酸为黑色粉末，部分溶于水，可溶于碱，遇酸沉淀;富里酸为褐黄色粉末，遇水成黑色的溶液，溶于碱，遇酸不沉淀;腐殖酸钾为黑色细颗粒，可与水相融[1]。

1.2.2有机质土制备

为了探究不同有机质含量对土体压缩性状的影响，本次试验中配置的有机质土的目标质量分数依次为0%，5%，10%，15%，20%。通过查阅资料，人工制备有机质土的制备过程如下[12-13]。

1）将试验用土置于（100±2） ℃烘箱里24 h烘干，烘干的土样捣碎过2 mm筛，密封备用。

2）根据配合比配置人工有机质土，腐殖酸微溶于水，故直接将称量好的腐殖酸与土混合，再加入蒸馏水搅拌均匀;富里酸和腐殖酸钾先与水混合，待充分溶解后缓慢多次加入土中。

3）重塑有机质土养护时间超过7 d后，土体的物理性质趋于稳定，可有效减少实验误差 [14]。将配置好的有机质土在20 ℃环境下分别进行养护7 d和14 d。

1.3试验仪器与试验方案

本次试验使用的仪器为南京土壤仪器厂有限公司的GZQ-1型全自动气压固结仪，采用快速固结的方式，测定在不同载荷和有侧限的条件下土体的压缩性能，多级加载荷载施加顺序为0，12.5，25，50，100，200，400，800，1 600 kPa。将养护好的有机质土开展一维压缩试验，试验方案如表3所示。

2试验结果及分析

许多学者通过人工配置有机质土研究了有机质含量对土体物理性质的影响，发现天然有机质土中随着有机质含量的上升，土体比重呈下降趋势，液、塑限则呈现上升趋势[15-16]。为了探究有机质种类与含量对于有机质土物理性质的影响，将腐殖酸、富里酸、腐殖酸钾3种外掺有机质人工配置成不同含量有机质土，养护7 d后进行土体比重、界限含水率等物理性质试验。

图2、图3分别是腐殖酸、富里酸、腐殖酸钾配置有机质土液、塑限与有机质含量（用烧失量（LOI）质量分数表示，下同）关系图，试验结果发现，随着腐殖酸有机质含量的增加，红黏土土体比重和液限均呈现下降的趋势，但土体塑限值并没有太大的改变;当土中添加富里酸和腐殖酸钾时，随着有机质含量的增加，土体比重减小，液、塑限均大幅提升。有机质质量分数为20%时，富里酸有机质土液限值由51%上升为90%，塑限值由26%升到44%，但腐殖酸钾的增加幅度明显大于富里酸，液限值由51%升到120%，塑限值由26%升到74%。

2.1不同含量有机质对土体压缩性状的影响

根据土力学原理可知，土体的压缩是土中孔隙体积减小的一个过程，随着竖向有效应力的增加，土体孔隙比逐渐减小直至稳定。李学等[17]认为有机质对土体起到保水作用，有机质中的亲水胶体因其極强的吸水能力与黏土颗粒连结，形成稳定的团絮状结构。图4 a）—f）分别是添加不同含量（富里酸、腐殖酸钾、腐殖酸）外掺有机质养护7 d和14 d后土体的e-log σ曲线。由图4中可看出有机质含量高的土体的压缩曲线具有明显的拐点，且曲线高于有机质含量低的压缩曲线。

图4 a）—b）是添加不同含量富里酸外掺有机质后土体的e-log σ曲线，养护龄期一定时，随着土体中有机质含量的增加，土体的压缩性逐渐增大;同时，随着养护龄期的增加，各种类有机质的压缩性状也有了明显变化，当养护龄期为14 d时，20%有机质含量的曲线远远高于其他曲线，这是因为随着养护龄期的增加，有机质吸附土颗粒表面的结合水趋于稳定，造成土颗粒团聚性增强，土体的孔隙率增加，压缩性增强。

图4 c）—d）是添加不同含量腐殖酸钾外掺有机质后土体的e-log σ曲线，可得出与富里酸一样的结论，土体压缩性与有机质含量和养护龄期密切相关，但压缩现象没有富里酸明显。

图4 e）—f）是添加不同含量腐殖酸外掺有机质后土体的e-log σ曲线，与富里酸和腐殖酸钾的规律基本一致，但是在腐殖酸中，养护龄期对有机质土的影响较小，土是一种三相体，有机质更多地是通过影响土体的物理性状进而对土体的力学性状造成影响，所有反应都脱离不了土壤中的水分，腐殖酸无法和孔隙液进行相融，对土体的物理性状影响远不如前两者，故随着有机质的增加，腐殖酸有机质土的压缩性增加得不太明显。

黄烁菡等[18]通过对底泥的压缩实验发现底泥中有机质含量增加，底泥的液限和比重发生变化，压缩指数逐渐升高。从图4 a）—4 f）中可以看出，不管是可溶有机质还是不可溶有机质，有机质含量对土体的压缩性状都有一定规律的影响，有机质含量高的土体压缩曲线高于有机质含量低的压缩曲线，换言之，有机质含量高的土体，压缩性较高，且随着养护龄期的增加，土体的物理性质趋于稳定，有机质与土体黏粒之间的吸附越来越紧密。

图5 a）—b）分别是添加不同种类外掺有机质后土体的e-log σ曲线，结合图像分析，当有机质质量分数均为10%时，土体压缩性排序为富里酸>腐殖酸钾>腐殖酸，有机质质量分数为20%时也可以得出相同的结论。对比2个图，腐殖酸有机质土的曲线斜率较小，没有较为明显的拐点，腐殖酸孔隙比差值由原先质量分数10%有机质的0.122变为了质量分数20%的0.129，差值为0.007，无较大变化;将其与富里酸比较，富里酸曲线斜率较大，经过压缩后，富里酸孔隙比差值由原先质量分数10%有机质的0309变为了质量分数20%的0.418，差值为0.109。由0.007到0.109，二者在质量分数10%～20%有机质时孔隙比差值相差将近15倍，而腐殖酸钾居中。这也从侧面证实了不同种类有机质的确对土体的压缩性状有所影响。就所选取的3种有机质而言，得出溶于水有机质土体压缩性大于微溶于水有机质土体压缩性这一结论。

2.2不同初始含水率对土体压缩性状的影响

高盼等[19]用单向固结仪对初始含水量不同的重塑软黏土开展单向压缩试验，发现初始含水量在2.0倍液限范围内可对重塑土力学性能产生影响。图6 a）—b）分别是不同初始含水率下添加腐殖酸和腐殖酸钾外掺有机质后土体的e-log σ曲线。从图6 a）—b）中均可观察到初始含水率高的土体的压缩曲线高于初始含水率较低的压缩曲线，随着竖向固结压力的增加，差距逐渐减小，压缩性随着初始含水率的增加而增加。

2.3不同有机质含量对土体压缩系数的影响

图7是富里酸有机质含量与压缩系数关系拟合曲线，采用指数函数对有机质含量与压縮系数关系进行回归分析，含水率为38%的试样随有机质含量变化的回归方程为y=0.64e-049，相关系数为0.999 94，含水率为26.1%的试样随有机质含量变化的回归方程为y=0.009e +0.07，相关系数为0.952 59。从图中变化趋势可看出，38%含水率的土体压缩系数增加明显，而2.61%含水率的土体在有机质质量分数超过10%时压缩系数才有了较明显的变化。

3结语

本文通过选取3种外掺有机质，就有机质入侵红黏土对土体压缩性状的影响进行了研究，发现其压缩性状与有机质土初始含水率、有机质种类及有机质含量密切相关。主要结论如下。

1）随着土中有机质含量的增加，重塑土的比重减小，腐殖酸土的液限降低，塑限无较大改变，而富里酸和腐殖酸钾液塑限值均增大。

2）在养护龄期与初始含水率一定时，人为增加土体中有机质含量，发现土体压缩性与土体中有机质含量有关。有机质含量上升，土体中孔隙比增大，土体压缩性增强。

3）向土中添加3种不同种类有机质，发现有机质种类对土体压缩特性的影响不同，添加腐殖酸时，曲线较为平缓且层次分明，土体压缩特性几乎没有变化。添加富里酸时影响最大，腐殖酸钾次之，且随着有机质含量的增加，该现象更加明显。

4）与无机质土类似，重塑有机质土初始含水率增大，土体孔隙比越大，可压缩性越强。

本文通过侧限压缩试验研究了有机质对红黏土物理力学性能的影响，但并未就其特点提出有效的改良措施，在接下来的研究中，可借助扫描电镜和原子力显微镜对不同养护龄期下不同有机质掺量的红黏土内部孔隙结构进行研究并提出合理的改良方案和工程控制措施。

参考文献/References：

[1]SANTAGATA M，BOBET A，JOHNSTON C T，et alOne-dimensional compression behavior of a soil with high organic matter content[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，134（1）：1-13.

[2]姜荣剑软土地基对隧道工程产生的危害及处理措施[J].中国高新科技，2020（2）：117-118JIANG RongjianHarm of soft soil foundation to tunnel engineering and treatment measures[J].China High and New Technology，2020（2）：117-118.

[3]尹鹏程软土地基的危害及其处理[J].广西质量监督导报，2008（10）：44-45.

[4]WEIL R R，BRADY N CThe Nature and Properties of Soils[M]. New York：Macmillan Company，1960.

[5]TREMBLAY H，DUCHESNE J，LOCAT J，et alInfluence of the nature of organic compounds on fine soil stabilization with cement[J].Canadian Geotechnical Journal，2002，39（3）：535-546.

[6]徐日庆，郭印，刘增永人工制备有机质固化土力学特性试验研究[J].浙江大学学报（工学版），2007（1）：109-113XU Riqing，GUO Yin，LIU ZengyongExperimental study on mechanical properties of stabilized artificial organic soil[J].Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2007（1）：109-113.

[7]趙笛，朱先杰，侯志强，等疏浚淤泥有机质含量及其对固化淤泥强度的影响[J].河南科学，2019，37（10）：1634-1639ZHAO Di，ZHU Xianjie，HOU Zhiqiang，et alThe contents of organic matter in dredged silt and its effect on the strength of solidified silt[J].Henan Science，2019，37（10）：1634-1639.

[8]林琳，韩少杰，王恩姮有机质与黏粒含量对黑土压缩-回弹特性的影响[J].土壤学报，2016，53（5）：1138-1147LIN Lin，HAN Shaojie，WANG EnhengEffect of organic matter and clay content on compression-rebound characteristics of black soil[J].Acta Pedologica Sinica，2016，53（5）：1138-1147.

[9]MESRI G，STARK T D，AJLOUNI M A，et al Secondary compression of peat with or without surcharging[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123（5）：411-421.

[10]姜爽，黄晓波，王乔淮河入江水道崇湾段特殊软土重塑土压缩特性[J].三峡大学学报（自然科学版），2016，38（2）：24-28JIANG Shuang，HUANG Xiaobo，WANG QiaoCompression behavior of soft clays at Chongwan section of Huaihe-Changjiang waterway[J] Journal of China Three Gorges University（Natural Sciences），2016，38（2）：24-28.

[11]GB/T 50123—2019，土工试验方法标准[S].

[12]HONG Zhenchun，YIN Jie，CUI Yujun，et alCompression behaviour of reconstituted soils at high initial water contents[J].Géotechnique，2010，60（9）：691-700.

[13]ADEJUMO T E Effect of organic content on compaction and consolidation characteristics of Lagos organic clay[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2012，17：2201-2211.

[14]nor YUNUS Z M，WANATOWSKI D，STACE R Effect of humic acid on physical and engineering properties of lime-treated organic clay[C].//IccmeVenice：[sn]，2011：1-3.

[15]梁煌超有机质孔隙液对土体物理力学性状影响试验研究[D].福州：福州大学，2018LIANG HuangchaoExperimental Study on Influence of Organic Matter Pore Fluid on Physical and Mechanical Properties of Soil[D]. Fuzhou：Fuzhou University，2018

[16]李皎有机质含量对土体物理力学性质的影响[J].中国水运（下半月），2017，17（2）：102-103.

[17]李学，刘治清，宋晶，等有机质在吹填淤泥固结中的微宏观特征[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2017，47（10）：28-35LI Xue，LIU Zhiqing，SONG Jing，et alMicro-macro characteristics of organic matters in dredger fill consolidation[J].Periodical of Ocean University of China，2017，47（10）：28-35.

[18]黄烁菡，王婧，牟聪，等高含水率有机质河道底泥压缩性状试验研究[J].土木与环境工程学报（中英文），2019，41（5）：35-41HUANG Shuohan，WANG Jing，MOU Cong，et alOne-dimensional compression behavior of reconstituted river sediments with organic matter[J].Journal of Civil and Environmental Engineering，2019，41（5）：35-41.

[19]高盼，陈波，胡云世，等制样含水量对软黏土力学特性影响的试验研究[J].实验力学，2017，32（3）：423-430GAO Pan，CHEN Bo，HU Yunshi，et alExperimental study of the impact of water content in slurry sample on mechanical behavior of remolded soft clay[J].Journal of Experimental Mechanics，2017，32（3）：423-430.