富含有机质泥炭地层的固结理论及沉降机理

Peat is a kind of very special soft soil. Peat is rich in organic matter and biogenic gas like methane could be produced from peat layer. The compression property of peat is differnent from conventional soft soil. There is a rapid and significant deformation at early stage in consolidation and a large secondary settlement could be present for long time. The existence of a large number of organic matter and biogas has a great influence on peat consolidation, which is the natural characteristic and intrinsic property of peat consolidation process. The study on mechanism of peat consolidation at home and abroad is very few, especially is almost blank in China. Based on the natural properties of peat and scientific analysis, the project should study the consolidation theory and settlement mechanism of peat:. a). Based on the describing of organic matter and entrapped biogas composition of peat, proposing a conceptual model of peat with multiphase physical compositons.. b). Study on the solid phase compressibility of peat caused by organic matter, proposing a model of peat solid phase compression.. c). Anaysis on the deformation mechansim of peat with entrapped biogas.. d). Proposing a nonlinear model of hydraulic conductivity of peat.. e). Based on above models, proposing the consolidation theory of peat, coupling of rheological and consolidation theory and long-term settlement mechanism considering the compressibility of solid phase and entrapped gas bubbles.. f). Carrying out a series of laboratory experiments and model tests to verify theoretical models and analyze parametes.

泥炭土是一种非常特殊的软土，泥炭土层富含有机质，有机质易产生甲烷等生物气。泥炭土压缩固结性状与常规软土有很大不同，既有较快速且显著的初期固结变形，又有很大的次固结长期沉降。大量有机质和生物气的存在对泥炭土的压缩固结历程有很大影响，这是影响泥炭土固结性状的自然特性和本质原因。目前国内外对泥炭土固结沉降机理的研究还很少，尤其国内几乎是空白。本项目拟从泥炭土的自然特性出发，基于科学理论分析，从本质上揭示泥炭土的固结理论和沉降机理：1.分析泥炭土有机质存在和生物气封闭气体组成，建立泥炭土的多相物理组成概念模型；2.分析有机质引起的泥炭土固相压缩性，建立泥炭土固相压缩模型；3.分析含封闭气体泥炭土的变形机理；4.建立泥炭土的渗透系数非线性模型；5.基于上述分析，建立考虑含有机质固相压缩和含封闭气体的泥炭土固结理论、流变固结耦合及长期沉降机理；6.开展一系列室内和模型试验，验证理论模型并进行参数分析。

泥炭土，也可以成为有机质软土，属于一种特殊性软土，广布于河流湖泊等富水地区。泥炭土具有特殊的物质组成、微观结构，因此表现出高压缩性、高含水率、变形大且持续时间长、低承载力等工程特点。针对该类特殊性土的物理力学性质、测定方法、理论模型，我国当前规范并未有明确的规定，而在实际工程实践中多沿用矿质软土的相关方法与理论。而因此也产生了一系列的实际工程问题，比如低估实际工程沉降量、真空预压排水固结过程中出水量远大于预测值等。因此，本项目以云南滇池地区泥炭土为主要研究对象，通过一系列的物理性质指标试验、分级固结试验、等应变速率固结试验和应力路径三轴试验，重点研究有机质对泥炭土物理力学特性的影响特征，在此基础上，提出基于四相物质的理论模型。主要结论有：1. 通过大量的物理性质指标试验，建立了富含有机质泥炭土各物理指标间的相关关系；针对含水率测试方法，明确了测试温度、试样质量、烘干时长对测试值的影响特征，进而给出了泥炭土含水率测试方法；基于四相模型推导了固体颗粒比重与有机质含量之间的理论模型，建立了颗粒比重与其他物理性质指标之间的关系；2. 采用可等速率加载的等梯度高级固结仪，进行富含有机质泥炭土的固结试验，明确了有机质对泥炭土压缩变形特性的影响规律，并考虑了分级加载、等应变速率等加载方式对压缩-回弹变形特征的影响；在此基础上，研究压缩固结相关的力学性质指标与有机质含量之间的关系；以四相模型为基础，发展含封闭气泡泥炭土的固结理论，进而提出考虑有机质压缩的四相模型，基于试验数据明确了参数取值范围，给出参数确定的依据；3. 采用应力路径三轴试验装置，完成了一系列的单向剪切、往复荷载下剪切的试验研究，为后期研究有机质对泥炭土抗剪强度特性影响及建立对应的理论模型奠定基础。通过本项目研究，以期为泥炭土相关的规范规程的编写提供数据与理论支撑材料，为我国泥炭土地区的工程建设提供参考、依据及理论基础。