泥炭土是一种由有机质团聚体、无机矿物及植物残根等组成的特殊土。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粘结并不断积累，最终形成的混合土体^[1]具有孔隙比大、含水率高、压缩性大、有机质含量高的特点, 主要分布在中国、加拿大、俄罗斯、美国等国家。中国昆明地区由于多次围海造田运动，造成泥炭质土深、浅均有分布，在埋深70 m范围内一般都有3~5层分布，对昆明地区而言它是一种广泛分布的重要地层^[2]，其对昆明地区的建筑、铁路、公路、市政及水利工程的建设造成很大影响。

针对泥炭质土强度特性的研究，国内外均有一些研究成果^[3-10]，但多数是从原状土的基本物理参数、压缩及改良方法等特性进行研究。涉及到原状土与重塑泥炭质土的力学特性对比及固结状态对其强度特性的影响，中国却鲜有报道。Zhang^[10]在相同有效围压下，对饱和纤维泥炭土的原状土和重塑土进行三轴固结排水试验，研究了纤维结构对力学效应的影响；Cola^[12]对意大利正常和超固结泥炭土的力学特性进行研究，结果表明泥炭土结构破坏后重组不能达到原结构的强度；Wahab^[13]对重塑泥炭土进行不同粒径和预固结压力三轴试验，结果表明同一预固结压力下，粒径2.36 mm的强度指标大于粒径为1 mm的强度指标；Azhar^[14]用3.35 mm筛子筛分后制成的重塑泥炭土，在100 kPa压力预固结后，原状泥炭土黏聚力为10 kPa，摩擦角为16°，重塑泥炭土黏聚力为21 kPa，摩擦角为41°，相比之下，重塑土具有更高的强度；Mesri^[15]对马来西亚3个地区的重塑和原状泥炭土进行固结不排水试验，发现初始孔隙比、预应力、含水率和尺寸等因素会影响泥炭土的抗剪强度参数值大小；熊恩来^[16]对云南泥炭质土进行不固结不排水试验和固结不排水试验，得到泥炭质土内摩擦角为10°~15°，黏聚力为5~25 kPa，并得到不同围压下应力-应变关系及其破坏形态；吕岩^[17]对吉林草炭土的原状土与重塑土的力学性质进行对比试验，分析2种土样的结构特性并用神经网络模拟草炭土的结构模型。

综上所述，不同试验因素的改变对原状土及重塑土强度的影响是不同的，且各类土受其影响也不尽相同^[18-20]。昆明地区由于其特殊的自然地理和气候条件，泥炭质土形成了独特的结构，特别表现在土的强度特性呈现出很大的差异，致使不同固结状态的泥炭质土、原状土与重塑土间力学特性差异很大。且昆明地区大部分发生工程事故的地下工程都与该层土有关，故开展泥炭质土非线性强度试验研究，分析其强度特征及强度渐进演变过程尤为重要。现以昆明地区的泥炭质土作为研究对象，采用不同埋深的原状土及重塑土在不同围压下进行三轴固结不排水试验，依据试验对泥炭质土的非线性强度力学特性进行分析，以期对泥炭质土场地上的工程建设提供一定的指导。

土样取自昆明地区，钻孔近70 m深度范围内共分布有5层泥炭质土，采用薄壁取土器钻孔，对不同埋深的泥炭质土取原状土样，重塑土用同批原状土扰动后进行压制。具体方法为：将饱和器筒洗净晾干，在其内壁涂一薄层凡士林，将浸泡水后的透水石和滤纸依次放入饱和器底座内；然后将制备好的原状土样称重后碾碎，碾碎后的土样分为3~5份，依次分层装入饱和器内；用击锤击打使其接触密实，用刮土刀修平超出饱和器顶部的试样，在试样顶部放上滤纸和透水石，并旋紧撑杆螺母。由于泥炭质土的空间变异性大，即使同一土层物理性质也会有一定差异，测其各层原状和重塑泥炭质土的物理力学指标如表 1所示。

所取原状土样均位于地下水位线以下，为确保试样饱和，又对其进行抽气饱和。试样直径为39.1 mm，高为80.0 mm。对原状土与重塑土样进行三轴固结不排水试验，试验围压为100，200，300，400 kPa，待孔压消失程度达95%, 即视为固结稳定。由于泥炭质土较软，固结过程中为确保剪切时轴向加压, 需随时调整，剪切速率为0.08 mm/min。试验终止条件为：当剪应力有明显峰值时，取峰值点作为破坏点；当剪应力无峰值时，轴向应变达15%时为破坏点。

不同埋深和围压下原状土和重塑泥炭质土固结不排水试验的偏应力-应变关系曲线如图 1所示。图中空心标识表示原状土，实心标识表示重塑土。

图 1 不同埋深和围压下原状土和重塑泥炭质土偏应力-应变关系曲线 Fig. 1 Deviational stress-strain relation curves of undisturbed soil and remolded peaty soil at different burial depths and confining pressures

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由图 1可见，泥炭质土在相同应力增量下引起的应变增量不同，应力-应变关系曲线呈明显的非线性。大部分土样均在轴向应变未达到15%前出现应力峰值，原状土的应力-应变关系曲线随围压和埋深的增加由弱硬化逐渐转化为软化，大部分不同埋深处的重塑土在不同围压下均呈现为弱硬化。图 1(a)中，相同应变条件下围压400 kPa时的强度均小于300 kPa时的强度。这是因为埋深较浅时，泥炭质土分解度较低，土中纤维含量较高，随着固结围压的增加，泥炭质土中大量的纤维残体与土颗粒胶结成为一个整体，形成天然的加筋作用，增强了泥炭质土的结构性，提高了抗剪切能力。

对图 1(a)中1^#土试验后的土样进行电镜扫描，结果如图 2所示。泥炭质土中的纤维和植物残骸形成的大孔隙结构，在高固结围压下被重整，具体表现为小颗粒填充到大孔隙中，在大颗粒和植物残骸中起连接作用，使得大孔隙被分隔压缩转化为若干个小孔隙。泥炭质土中有机质主要是由腐质物质和纤维共同组成，二者的密度和相对密度均比泥炭质土小，随着纤维含量增加，其天然密度和相对密度随之减小，因此由表 1中可看出泥炭质土的密度随其深度增加而增加。

图 2 不同围压下1#土的SEM图 Fig. 2 SEM images of soil No.1 under different confining pressures

图选项

由图 1可见，不同围压及埋深下重塑土应力-应变关系抗剪应力峰值大于原状土的峰值，即重塑比原状泥炭质土表现出更好的强度特性，这与Azhar^[14]的研究结论一致。这是因为重塑泥炭质土制备过程中，对其碾碎时改变了泥炭质土的颗粒形状，进而改变了泥炭质土的初始孔隙，即在碾碎过程中由于外力作用使土颗粒中的部分大孔隙消散，孔隙比减小，土颗粒变得密实，孔隙比越大，土样的抗剪强度越小。同时由于重组过程中纤维含量发生改变，土样被压实，土壤强度也受到了影响。通过试验^[21]发现，土壤中纤维含量的增加将影响其孔隙率进而改变其抗剪强度。Wong^[22]指出，土壤颗粒的大小和形状、排列和颗粒之间的作用力是决定强度、渗透性和压缩性等特性值的因素。因此，泥炭质土的颗粒大小可以影响其含水量、孔隙率和纤维含量，从而影响剪切强度特性^[23-25]。

土应力-应变曲线上的最大剪应力峰值强度记为q_f，达到峰值后的稳定强度视为残余强度。将残余强度与峰值强度的比值定义为残余强度比，记作q_w。原状土与重塑土的峰值强度与围压关系曲线如图 3所示。原状土与重塑土的残余强度比与围压关系曲线如图 4所示。

图 3 峰值强度与围压的关系 Fig. 3 Relation between peak strength and confining pressure

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图 4 残余强度比与围压关系 Fig. 4 Relation between residual strength ratio and confining pressure

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由图 3可见，原状土和重塑土的抗剪强度峰值均随围压的增大而增大，除图 3(b)中重塑土在300 kPa和400 kPa时出现S4^#的峰值强度高于S5^#外，其他土层的峰值强度均随围压的增加而增加，这说明了围压对峰值强度的影响要高于埋深。在相同围压和埋深的条件下，重塑土的峰值强度大于原状土。由图 3(a)可见，随着围压的增大原状土残余强度比均降低，随着围压增大，3^#土层残余强度比降低幅度最大；由图 3(b)可见，重塑土的残余强度比随围压的增加基本保持不变。这说明随埋深和围压的增加，原状土曲线形态由硬化转为弱化的趋势逐渐明显，而重塑土曲线形态基本保持为弱硬化型。

2，4, 5这3层原状土和重塑土样的有效应力路径曲线如图 5所示，图中CSL为临界状态。

图 5 3层土的有效应力路径 Fig. 5 Effective stress paths of soil with 3 layers

图选项

根据文献[26], 在p′－q′有效应力路径平面上绘制出强度包络线，强度参数可由强度包络线求得，强度包络线方程为：

(1)

式中，b为截距；M为斜率; α为直线与x轴的夹角。

内摩擦角φ和黏聚力c分别为：

(2)

(3)

在三轴空间中，广义胡克定律的表达式为：

(4)

(5)

式中，Δε_r和Δσ_r为侧向的应变和应力方向的增量；Δε_a和Δσ_a分别为轴向应变和应力增量；μ为泊松比；E为弹性模量。

饱和泥炭质土在不排水条件下的体积应变ε_v为0，即ε_v=ε_a+2ε_r=0，因此有μ=0.5，将其代入式(4)，割线模量E_sec为：

(6)

式中Δq为剪应力增量。

在大量的有限元分析软件中，割线模量E_sec都是一个非常重要的参数，随应变的发展, E_sec的变化规律在土体静力学研究分析中有着举足轻重的意义。影响E_sec的主要因素包括应力历史、加载速率、土体塑性指数等^[27]，而扰动和未扰动的因素对E_sec的影响却较少。

由图 1可见，原状土与重塑土的应力-应变关系曲线是非线性的。割线模量E_sec为土体法向偏应力和对应的轴向应变之比。随着应变增大，割线模量E_sec不断减小，这种现象常用损伤模量来描述。根据图 1可计算出不同围压下割线模量随应变的关系，其中弹性模量E_max为计算出的最大割线模量。部分土层原状土和重塑土在不同围压下的割线模量和应变关系如图 6所示。

图 6 割线模量与应变关系 Fig. 6 Relation between secant modulus and strain

图选项

由图 6可见，围压越大，原状土与重塑土的割线模量E_sec越大，随着应变增加，E_sec在不断减小。在相同应变的条件下，E_sec基本随围压的增大而增大，不同围压间的E_sec差值随应变的增加在不断减小。

岩土材料常用的强度准则为摩尔-库伦强度准则。根据摩尔-库伦强度准则画出的强度包络线为一条直线，即强度参数为定值，但大量学者经过试验验证，岩土材料在不同状态下的内摩擦角和黏聚力是不尽相同的。假定每种应力状态都具有不同的强度平衡状态^[26]，可根据有效应力路径曲线计算不同状态下的泥炭质土黏聚力和内摩擦角的发挥程度。有效内摩擦角φ′和黏聚力c分别为：

(7)

(8)

式中，α为任何状态下的拟合直线倾斜角；d为任意状态下拟合直线的截距。

以4^#层原状土和重塑土在100 kPa时的试验数据分析泥炭质土原状土和重塑土在剪切过程中黏聚力和内摩擦角的发挥程度。其原状土和重塑土内摩擦角及黏聚力随应变变化规律如图 7所示。

图 7 原状土和重塑土内摩擦角及黏聚力随应变变化规律 Fig. 7 Internal friction angle and cohesive force of undisturbed soil and remolded soil varying with strain

图选项

由图 7可见，泥炭质土的原状土和重塑土的强度参数变化与各自应力-应变状态相对应。黏聚力最初随应变的增大而增大，到达最大值后随应变的增加逐渐减小。在各个应力状态下，原状土的黏聚力均大于重塑土的黏聚力，因原状泥炭质土中纤维残体与土颗粒间独特的结构，该结构在一定程度上增加了土样的强度。重塑泥炭土在制作过程中孔隙比减小，土颗粒形成团聚体，导致重塑土的内摩擦角大于原状土内摩擦角。内摩擦角始终随应变的增大而增大。在应变小于5%前，内摩擦角随应变的增加先迅速增加，随后缓慢增大。总体上看，在剪切初期，黏聚力起主要作用；在剪切后期，黏聚力逐渐减小，最终由内摩擦角起主要作用。

根据对昆明地区不同埋深原状土和重塑泥炭质土进行不同固结围压下的不排水剪切试验的应力-应变曲线非线性分析，得出结论如下。

(1) 原状土和重塑泥炭质土应力-应变关系非线性明显，原状土在低围压下曲线形态大部分呈应变硬化，曲线形态随围压增大逐渐转化为弱软化，而重塑泥炭质土基本保持为弱硬化型。

(2) 泥炭质土中纤维含量、分解度、初始孔隙的大小均会影响其抗剪强度特性。重塑泥炭土强度高于原状土，随埋深和围压的增加，二者抗剪强度也随之增加。

(3) 剪切过程中，割线模量不断减小。原状土和重塑泥炭质土最大割线模量，峰值强度均随围压和埋深的增大而增大，重塑土最大割线模量随围压的增大，增长速率更大。

(4) 泥炭质土中纤维残体与土颗粒间的加筋作用使得原状泥炭质土的黏聚力大于重塑土的黏聚力。内摩擦角和黏聚力随应变增加时的变化规律不同。从二者的发挥程度上看，在剪切初期，黏聚力起主要作用；在剪切后期，内摩擦角起主要作用。