本文是一篇土木工程论文，本文根据草炭土的力学特性的研究现状与工程需要，以吉林省敦化地区的草炭土为研究对象，基于实验室动三轴系统的循环加载试验分析其动加载条件下的力学特性与植物纤维含量间的关系。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
草炭土是一类富含植物纤维以及有机质的腐殖质土的总称。草炭土中的植物纤维主要来源于未完全分解的植物的根系、茎、叶脉，有机质则来源于完全分解后的植物残体，并与土颗粒胶结在一起形成团聚体。草炭土的形成需要独特的气候与水文环境，中国的东北、西藏、新疆等严寒地区，在富水的地势低洼处，广泛分布着草炭土。以中国东北为例，东北境内平原广布，盆地发育。气候上，夏季充沛的降雨促进了盆地内死亡植物的残体的堆积，到了冬季，漫长的严寒下微生物活性降低，大量的植物残体在水中未得到充分的腐烂，相较容易形成草炭土。
由于植物残体处于完全分解与未完全分解共存的状态，草炭土具有高含水率，高有机质，高渗透率，高孔隙率，高压缩性等的特殊性质，这些性质使得草炭土表现出不良的工程地质。修筑在草炭土分布区的道路路基、工程建筑地基的基底易被挤压引起侧向隆起或剪裂挤出，产生沉陷现象，道路路基甚至出现了滑塌等破坏情况。因此，在以往的工程建设中会避开草炭土的分布区来确保工程设施的稳定性。然而，随着东北老工业基地线路建设数量的与日俱增，近年来，一些工程设施不得不建立在草炭土分布区，如高速公路、高速铁路、草炭土湿地公园的景观设施等。为了减轻这些工程设施的维护成本，保障当地居民的出行、生活安全，有关草炭土分布区的工程安全问题逐渐得到重视。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 草炭土的力学性质
在查阅了大量的文献资料后，就草炭土的力学性质而言，目前国内外的研究主要集中在基于三轴剪切试验的结果进行分析。吕岩[1]基于三轴固结不排水试验，分析了草炭土的原状样与重塑样在不同分解度下圧缩（偏应力-应变）曲线的变化，发现草炭土试样的偏应力随分解度的增加呈现降低的现象。这被解释为分解度较低时，草炭土内部的植物残体较多以植物纤维的形式存在，形成了天然的加筋层，宏观上提高了试样的强度。同时通过对比分析原状样与重塑样的偏应力及孔隙水压力大小证明了原状样的结构性优于重塑样。这一现象被解释为扰动后的草炭土，纤维状的植物残体与土基质间的紧密结合被打破，造成结构强度的降低。苏占东[2]基于三轴固结排水压缩试验，分析了围压不变轴压增加、围压增加轴压增加、围压减小轴压增加三种应力路径下偏应力-应变、体应力-体应变等曲线的特征，研究结果表明三种应力路径下的草炭土的抗剪切变形能力分别受到了有机质的吸水能力，植物纤维的拉张作用等影响，侧面体现了草炭土的强度特性与分解度的关系。研究指出，纤维状的植物残体的存在与土基质联结形成整体，呈现出较好的“加筋”效应。张晗[3]基于三轴固结排水试验数据提出了适合草炭土应力应变规律的修正邓肯张模型。试验数据中的偏应力-应变曲线表明草炭土试样在压缩过程（应变0%-30%）中没有明显的屈服强度，呈现应变硬化的趋势。压缩后的土样表现为密实状态，体积减缩。胡天明[4]制备了不同纤维含量的草炭土原状样与重塑样，分别进行室内直剪试验与三轴固结不排水试验。试验结果表明，在快剪与固结快剪试验中，植物纤维与土颗粒之间形成的加筋效果并不明显；而在固结不排水三轴试验中纤维状的植物残体显现出的天然加筋结构提升了草炭土试样的整体强度。随着纤维含量的增加，草炭土的原状样与重塑样的偏应力均有所增加，且应变硬化现象愈发明显。Tang等[5]基于常规三轴的试验数据确定了草炭土的邓肯-张模型与多重势面模型的适用范围。Lv等[6]进行了三类草炭土的常规三轴压缩试验，分别分析了分解度、有机质含量、围压和轴压增长的应力路径三种因素对草炭土的应力-应变特性的影响。文中还构建并验证了草炭土的本构模型来揭示草炭土在常规三轴压缩下的内部力学机理。
第2章 草炭土的基本性质与动力学特性研究
2.1 研究区概况
用于本研究的草炭土样品采集自吉林省敦化市江源镇南侧，位于草炭土路基区公路建设的试验工程段，起止里程为K1+300 - K2+520，属于二级公路。取样点地理位置如图2.1。该草炭土分布区周围线路工程密集，路基受循环荷载作用的影响显著，与附近地区对比发现其具有典型的代表性意义。
根据查阅的水文地质资料及现场勘探表明，敦化地区属于牡丹江流域的盆地，区内平原广布。自全新世以来敦化地区的新构造运动以下沉为主，使得研究区内形成较多低洼的湖泊，而正是这些繁杂的低洼湖泊为草炭土的形成创造了地质条件。此外，敦化市位于高纬度地区，气候类型为寒温带湿润大陆性季风气候，年降水量位于600 mm ~ 800 mm之间，雨量充沛。年平均气温较低，大约在2 ~ 3 ℃之间，且夏季气温大部分位于20 ~ 30 ℃之间，持续时间较短，冬季平均气温大部分位于-20 ~ 0 ℃，持续时间较长，表现出典型的季冻区特征，为草炭土的形成创造了湿生环境。
因此，夏季丰富的水源促使沼泽植物藓根大量生长，而显著的“隔板”效应促使洼地产生大面积积水[57]，形成的缺氧环境使得死亡的植物残体无法充分分解。加之漫长而严寒的冬季下微生物活性很低，大量未被完全分解的植物残体进一步沉积，造就了敦化市江源镇区草炭土的发育生长。
2.2 草炭土的基本性质
大部分草炭土中植物纤维与腐殖质的形成是由于植物的残体在水面以下的缺氧环境中无法充分腐烂，经过一段时间的沉积堆积而成。因而草炭土的基本性质具有分层性，受到其埋藏深度的影响。
为了获取未受扰动的草炭土试样，试验坑被开挖至地下1.5 m左右的深度，用内径为0.1 m的PVC圆筒推切草炭土并将其包裹后取出（图2.2）。将取出的样品用黑色塑料袋与胶带进行二次密封处理，并标记土样编号，直接运送至实验室进行冷藏。冷藏期间保证冷藏室温度为3 ~ 5℃，防止样品中的植物纤维取出后再度被微生物分解。
本次研究选取的草炭土试样位于1.05 ~ 1.20 m 深度内，自上而下分为8层土样，基于室内基础试验获得该深度范围内土样的土粒密度、植物纤维的密度、孔隙率、有机质含量、分解度、植物纤维含量的分布范围。实验室中，土粒密度、植物纤维的密度、孔隙率依据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）[58]进行测定，有机质含量依据《ASTM D2974-14》[59]采用烧矢量法进行测定，植物纤维含量依据《ASTM D1997-13》[60]采用水洗法进行测定。
第3章 草炭土离散单元模型的建立 ...................... 23
3.1 颗粒流离散单元法的基本理论 ......................... 23
3.2 颗粒流离散单元模型的基本组成 ...................... 24
第4章 不同波形的多级循环加载下草炭土的宏观力学行为 ............ 43
4.1 多级循环加载试验波形的选取 ........................ 43
4.2 基于离散单元法的草炭土多级循环加载试验模拟流程 ............ 44
第5章 不同波形的多级循环加载下草炭土的细观力学响应 ............ 67
5.1 不同波形加载下试样内部能量的演化分析 .................... 67
5.2 不同波形加载下试样内部配位数的演化分析 ................. 70
第5章 不同波形的多级循环加载下草炭土的细观力学响应
图5.1（a）显示了草炭土试样中植物纤维内部的粘结应变能在经历10级加载（100次循环）的多级循环加载过程中的演变。可以看出，植物纤维中的粘结应变能随着循环次数的增加而单调增加，这意味着草炭土试样在遭受往复压缩的过程中，植物纤维内部另一种形式存储的能量也在增加。离散元模型中，摩擦能的耗散主要由系统内所有元素接触界面上的滑动引起的。图5.1（b）展示了三种波形的循环加载过程中草炭土试样与纯土试样内部摩擦耗散能的演变。可以看出，整体上草炭土试样与纯土试样中的摩擦能耗散量随着循环次数的增加而增加。在方波的加载下，无论是草炭土还是纯土，试样中的摩擦能耗散量大于其他两种波形，且三角波的加载下试样的摩擦能耗散量是最低的。此外，还可以看出动态加载下草炭土中的摩擦耗散能低于纯土中的摩擦耗散能，这是由于草炭土内部植物纤维的抗拔性使得纤维与土基质界面的摩擦力主要以静摩擦力为主，减少了接触界面上由于滑移而带来的摩擦损耗。图5.1（c）和（d）分别显示了5 Hz的加载频率下草炭土试样与纯土试样中的动能演变，可以看出三种波形加载下无论是草炭土试样还是纯土试样，每个循环内的动能峰值都随着循环次数的增加，即随着应力振幅的增加而增加。每当进入下一级加载时，这种动能峰值增加的形式表现为先阶梯式的递增，之后动能峰值在每一级加载内略有回落。这是由于每当进入下一级加载，应力幅值瞬间上升，每一级的循环初期与后期相比，试样由于局部颗粒的惯性被加载板压缩的程度更大，后期在相同的应力幅值下试样被加载板压缩的程度趋于稳定，因此试样中的动能峰值逐渐下降直至稳定下来。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本文根据草炭土的力学特性的研究现状与工程需要，以吉林省敦化地区的草炭土为研究对象，基于实验室动三轴系统的循环加载试验分析其动加载条件下的力学特性与植物纤维含量间的关系。采用颗粒流离散单元法，构建了草炭土的离散单元模型，并基于试验数据分别完成了植物纤维与土颗粒的细观力学参数的标定。通过建立的草炭土离散单元模型，分析了其在不同波形的多级循环荷载作用下的宏观力学特
