有机质含量对软土的物理性质影响分析

有机质含量对软土的物理性质影响分析

董继庆1施虹2杨怡昱3谭英4李涛5

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摘 要：软土是工程中较为重要的土壤类型之一，其工程性质受多种因素的影响，其中有机质含量是一个重要的因素。有机质是指土壤中由植物或动物残体分解而来的有机物质，可以提供养分，改善土壤结构。软土中的有机质含量对土壤物理性质有着很大的影响。首先，有机质含量高的软土具有较好的膨胀性和收缩性，可避免土体因湿润和干燥而引起的体积变化和破坏。高有机质含量的软土还具有较好的可塑性和可压缩性，可被轻松挖掘和压实，适用于一些基础施工和地基处理。软土中的有机质含量是决定其物理、力学性质的主要因素。通过对软土有机质含量和物理参数的测定和研究，揭示了密度、含水率、孔隙比等与有机质含量变化的相关关系。研究结果表明：密度随有机质含量的升高呈对数曲线降低，含水率和孔隙比随有机质含量的升高呈指数增大，比重随有机质含量的升高而线性降低。

关键词：有机质含量；软土；物理性质；相关关系。

0 引言

软土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、透水性差等特点，其勘察和处理是影响工程质量的关键因素，关乎人民生命财产安全。而有机质含量是影响软土物理力学性质的主要因素。因此，深入研究有机质含量与土体的各项物理性质指标的相关关系具有重要的理论和工程实践意义。

楼希华等对土工试验中不同有机质含量测定方法进行了对比研究，探讨了重铬酸钾法和烧失量法的测试差异[1]。牟春梅、李佰峰研究分析了有机质含量对软土力学性质的影响，阐明了软土中有机质含量与力学参数之间的关系[2]。吕岩等分析探讨了不同有机质含量下草炭土物理力学指标的差异[3]。谷任国等研究了有机质及黏土矿物对软土流变性质的影响[4]。

本文在以上研究的基础上，对土的有机质含量、含水率、密度等物理性质进行了试验研究，讨论了有机质含量与软土的物理性质之间的关系，分析了有机质含量对软土物理性质的影响，为工程建设提供一定的理论依据。                     

1 概况

1.1 试验

本试验样本来自昆明不同场地的软土。初判有机质含量，依据《土工试验方法标准》( GB/T 50123-2019)和《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）分别采用重铬酸钾容量法和烧失量法测定土的有机质含量。依据《土工试验方法标准》( GB/T 50123-2019)，测定土的常规物理性质指标。其中，密度由环刀法测得，含水率由烘干法测得，比重采用比重瓶法测得，孔隙比经计算所得。共收集试验数据500余个。剔除异常值后，根据有机质含量对土进行分类：5%≤Wu≤10%为有机质土；10%u≤60%为泥炭质土；60%u为泥炭。统计样本物理性质指标见表1。由表1可看出，同一类土的物理性质变化范围还是比较大的。

表1 统计样本物理性质指标

1.2  物理性质指标与有机质含量的关系式

本文采用图表分析法，以有机质含量为横坐标，分别以密度、含水率、比重、孔隙比为纵坐标，建立各物理性质指标与有机质含量的相关关系。在利用回归模型进行预测时，需要对回归系数、回归方程进行检验，以判定预测模型的合理性和适用性。检验方法有方差分析、相关检验、t检验等。这些检验效果是相同的，在一般情况下，选择其中一种检验即可。本文选用方差分析，以可决系数R²来综合评价回归模型对样本观测值拟合优度的度量指标。可决系数R²越大，模型拟合优度越好，模型越能能很好的表达点之间的关系，反之可决系数小，说明模型对样本观测值的拟合程度越差。R²介于0-1之间，通常认为超过0.8，则模型的拟合优度比较高。

2 试验结果分析

根据软土的有机质含量及相应的物理性质指标，通过图表分析法，得到图1(a)、(b)、(c)、(d)所示的各物理性质指标与有机质含量的关系曲线，具体相关关系见表2。由表2可看出，有机质含量与含水率、孔隙比呈指数相关，与比重呈线性相关，与密度呈对数曲线相关。密度、含水率、比重的可决系数均大于0.8，模型能较好的表达点之间的关系。比重的可决系数相对较小，为0.7890，说明模型的拟合优度相对较差。

表2 软土的物理性质指标与有机质含量的相关关系表

图1 密度—有机质含量关系

图2  含水率—有机质含量关系

图3 比重—有机质含量关系

图4 孔隙比—有机质含量关系

（1）由图1（a）和图（c）可看出，随着软土有机质含量的增大，土的密度和比重都减小。这是因为有机质多存在于未腐烂的植物根系中，成分为腐殖质和腐殖酸，其密度和比重均小于土颗粒密度和比重。因此随着土中有机质含量的增加，其密度减小，比重减小。

（2）由图（b）可看出，随着有机质含量的增加，软土的含水率也相应增加。土中的水包括结合水和自由水。土中所含结合水的多少与土颗粒吸附水的能力大小密切相关。土颗粒越细，比表面积越大，土粒表面结合水越多。有资料显示[5]，土体中每增加1%的有机质，相当于增加1.5%的黏粒含量，而黏粒具有很强的吸附能力。因此有机质含量的增加相当于黏粒含量的增加，使土粒表面结合水增加。另一方面，土中的有机质多以腐殖酸形式存在，腐殖酸含有羧基（-C00H）和羟基(-OH)，这会使得土粒表面带上负电荷，增强对水的吸附能力，也会使含水率增加。

（3）据图（d）所示，孔隙比随有机质含量的增大而减小。土中有机质多以腐殖质存在于植物纤维中，植物纤维的存在改变了土的结构，使得孔隙比增大。

3 结论

随着有机质含量的增加，软土的密度和比重降低，含水率和孔隙比增加。其中，有机质含量与含水率、孔隙比呈指数曲线相关，与比重呈线性相关，与密度呈对数曲线相关。有机质含量对软土的渗透性和承载性也有影响。有机质含量较高的软土通常具有较差的渗透性，这是因为有机物质可以填塞土壤孔隙，在某种程度上限制了水分的渗透。在承载性方面，增加有机质含量可以降低软土的承载力，这是因为有机质颗粒通常比无机质颗粒的直径小，且具有较弱的结构和连贯性。有机质含量对软土的抗剪性和抗冲刷性也有影响，有机质含量高的软土可能会导致较低的剪切强度和较高的土体塑性变形，这是因为有机质可以削弱土颗粒之间的黏聚力。有机质含量高的软土也容易被冲刷或侵蚀，这是因为有机质通常比无机质颗粒更轻、更小、更易被冲刷。

综上所述，有机质含量是影响软土物理性质的一个重要因素，在土工工程中，需要注意软土中有机质的含量和其对工程性质的影响，采取相应的措施，确保工程项目的成功实施和可持续发展。

参考文献：

[1]楼希华，毛晓慧，陈秀云. 土工试验中有机质含量测定方法对比研究[J].混凝土，2011，                     11:103-106                       

[2]牟春梅，李佰锋. 有机质含量对软土力学性质影响效应分析[J] .水文地质工程地质，2008，                       35（3）：42-46

[3]吕岩，佴磊，徐燕等. 有机质对草炭土物理力学性质影响的机理分析[J].岩土工程学报，2011，33（4）：655-660.

[4]谷任国，房营光.有机质和黏土矿物对软土流变性质影响的对比试验研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2008，36（10）:31-36.

[5]唐大维，刘佑荣等.工程岩土学[M].地质出版社，199