濕陷性粉質(zhì)黏土的組成成分及細(xì)觀(guān)特征

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

濕陷性粉質(zhì)黏土環(huán)境穩(wěn)定性差，遇水軟化，壓縮性顯著增大，易引起路基沉降[1-2]。隨著科技的發(fā)展，掃描電子顯微鏡以及各類(lèi)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)被應(yīng)用于土的濕陷性研究，使?jié)裣輽C(jī)理的研究由宏觀(guān)走向微觀(guān)[3-4]。文獻(xiàn)[5-7]采用電子顯微鏡等技術(shù)研究了中國(guó)西北地區(qū)濕陷性黃土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為骨架顆粒礦物的接觸形態(tài)、膠結(jié)物的連接形態(tài)與膠結(jié)程度、孔隙特征是決定黃土工程性質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)特征，黃土的濕陷破壞主要是土中骨架顆粒膠結(jié)的破壞；黃土中的膠結(jié)物主要是以碳酸鈣以及伊利石為主的黏土礦物，其次是其他水溶鹽和腐殖質(zhì)，微晶粒狀碳酸鹽類(lèi)與細(xì)粒膠結(jié)物呈薄膜狀黏附在骨架顆粒表面，起膠結(jié)作用，是構(gòu)成黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要組成部分。文獻(xiàn)[8-9]研究認(rèn)為黃土的物理力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，且與黃土自身的組成成分、結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。文獻(xiàn)[10]結(jié)合掃描電鏡分析了黃土濕陷過(guò)程中各組成單元微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化，引入方向性孔隙度函數(shù)，認(rèn)為黃土的濕陷變形過(guò)程就是土體由初始穩(wěn)態(tài)到非穩(wěn)態(tài)再至穩(wěn)態(tài)的變化過(guò)程，在此過(guò)程中土的孔隙結(jié)構(gòu)系數(shù)由小到大再變小。文獻(xiàn)[11]提出了利用立體測(cè)量技術(shù)描述孔隙分布方向性的思路并給出了一套利用掃描電鏡來(lái)確定方向性孔隙比的計(jì)算方法，通過(guò)推導(dǎo)可以分析不同方向上的孔隙度，得出方向性孔隙度函數(shù)，從而評(píng)價(jià)孔隙度變化。文獻(xiàn)[12]通過(guò)分析粒度和礦物成分研究了黃土的黏土礦物成分及其分級(jí)荷載下的微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，研究表明棕紅黏土和褐黃粉土在粒度組成上差異很大，黃土在壓力作用下的微結(jié)構(gòu)變化主要體現(xiàn)在棕紅黏土內(nèi)，由原集粒支架中孔半膠結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ｈ偳缎】啄z結(jié)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，土的濕陷過(guò)程是骨架顆粒重分布的過(guò)程，濕陷性機(jī)理在于其特殊礦物成分和獨(dú)特的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。本文以東北地區(qū)的濕陷性粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，通過(guò)X衍射礦物試驗(yàn)以及掃描電鏡進(jìn)行試驗(yàn)，分析其礦物組成成分以及浸水后結(jié)構(gòu)變化特征，從而得出粉質(zhì)黏土濕陷性成因。

1 濕陷性粉質(zhì)黏土礦物組成成分分析

通過(guò)開(kāi)挖探井取得原狀地基表層粉質(zhì)黏土試樣進(jìn)行雙線(xiàn)法濕陷性試驗(yàn)，共分為18組，得到粉質(zhì)黏土的濕陷系數(shù)(見(jiàn)表1)。按照TB 10038—2012《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》中室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)濕陷程度進(jìn)行判斷，共有14組濕陷系數(shù)δ>0.015，具有輕微至強(qiáng)烈濕陷性，具有濕陷性的粉質(zhì)黏土平均濕陷系數(shù)為0.042。

表1 粉質(zhì)黏土濕陷性

該地區(qū)地基粉質(zhì)黏土普遍具有濕陷性，通過(guò)X衍射礦物分析試驗(yàn)以及易溶鹽、難溶鹽、有機(jī)質(zhì)試驗(yàn)分析其礦物組成。

1.1 X衍射礦物分析

X光衍射(X-Ray Diffraction)分析是依據(jù)不同礦物晶體X光射線(xiàn)衍射的不同強(qiáng)度和角度鑒別晶體礦物的方法。將粉質(zhì)黏土樣品粉碎至粒徑小于1 mm，采用水懸浮液分離方法或離心分離方法分別提取粒徑小于10 μm和小于2 μm的黏土礦物樣品。粒徑小于10 μm 的黏土礦物樣品用于測(cè)定黏土礦物在原巖中的相對(duì)含量；粒徑小于2 μm的黏土礦物樣品用于測(cè)定各種黏土礦物種類(lèi)的相對(duì)含量。將所要分析的各常見(jiàn)非黏土礦物含量與黏土礦物總量加在一起作為100%來(lái)計(jì)算，得到各礦物晶體的相對(duì)含量。

X衍射共分析3處不同位置的探井不同深度的粉質(zhì)黏土試樣，共6組。X衍射礦物晶體分析結(jié)果見(jiàn)表2。不同位置以及深度處粉質(zhì)黏土試樣成分基本接近，粉質(zhì)黏土中礦物成分主要為石英(35%～66%)、斜長(zhǎng)石(12%～29%)、微斜長(zhǎng)石(7%～8%)，同時(shí)含有方解石(4%～8%)、蒙脫石(8%～15%)和少量伊利石(2%～5%)。

1.2 鹽類(lèi)以及有機(jī)質(zhì)分析

表2 X衍射礦物晶體分析結(jié)果

表3 鹽類(lèi)以及有機(jī)質(zhì)含量

1.3 組成成分對(duì)比分析

該地區(qū)濕陷性粉質(zhì)黏土與我國(guó)西北地區(qū)常見(jiàn)濕陷性黃土組成成分見(jiàn)表4?？芍瑬|北地區(qū)濕陷性粉質(zhì)黏土主要粗顆粒成分為石英和長(zhǎng)石，與常見(jiàn)濕陷性黃土粗顆粒礦物成分相似，而粉質(zhì)黏土細(xì)顆粒礦物成分為蒙脫石，常見(jiàn)的濕陷性黃土細(xì)顆粒礦物成分為伊利石。同時(shí)，粉質(zhì)黏土中易溶鹽含量總體相對(duì)于濕陷性黃土要低，難溶鹽CaCO3含量約為11%～17%,與濕陷性黃土中的CaCO3含量相近。

表4 各類(lèi)濕陷性土組成成分

2 濕陷性粉質(zhì)黏土細(xì)觀(guān)形貌分析

圖1 濕陷性粉質(zhì)黏土掃描電鏡細(xì)觀(guān)形貌圖像

通過(guò)帶有EDS(Energy Dispersive Spectrometer)X光微區(qū)分析功能的掃描電鏡對(duì)比天然狀態(tài)下試樣與在一定壓力下浸水后的試樣細(xì)觀(guān)形貌。浸水后試樣采用浸水快速固結(jié)的方法對(duì)試樣進(jìn)行前期處理，40 ℃烘干24 h，用斜口鉗取直徑約8 mm、高度約5 mm小試塊放入掃描電鏡試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。粉質(zhì)黏土掃描電鏡細(xì)觀(guān)形貌圖像見(jiàn)圖1，分別從單個(gè)顆粒尺寸(約20 μm)和土體整體表觀(guān)尺寸(約200 μm)2種維度對(duì)浸水前后粉質(zhì)黏土細(xì)觀(guān)形貌進(jìn)行分析。圖1(a)中原狀粉質(zhì)黏土顆粒表面有絮狀包裹物，而圖1(b)中粉質(zhì)黏土顆粒表面較為光滑，浸水后絮狀包裹物有明顯的脫落現(xiàn)象，同時(shí)在土樣表觀(guān)尺寸狀態(tài)下也能觀(guān)察到類(lèi)似的現(xiàn)象。粉質(zhì)黏土在水和一定壓力作用下，起骨架顆粒膠結(jié)作用的結(jié)構(gòu)遇水發(fā)生部分分解，導(dǎo)致膠結(jié)物脫落，從而在很大程度上喪失其膠結(jié)功能，使得骨架顆粒脫離約束而重新排列，宏觀(guān)上表現(xiàn)為濕陷特性。

3 濕陷性粉質(zhì)黏土微區(qū)元素分析

借助掃描電鏡附帶的EDS系統(tǒng)可以對(duì)一定區(qū)域的元素構(gòu)成進(jìn)行分析，借由此方法對(duì)粉質(zhì)黏土掃描電鏡圖像中的膠結(jié)物和顆粒進(jìn)行微區(qū)元素分析，見(jiàn)圖2。圖2(a)中區(qū)域1為明顯絮狀包裹物膠結(jié)區(qū)域，區(qū)域2為顆粒區(qū)域。

圖2 濕陷性粉質(zhì)黏土微區(qū)成分分析圖像

膠結(jié)物和顆粒的元素成分分析結(jié)果見(jiàn)表5。微區(qū)元素分析對(duì)于氧以前的原子序數(shù)較小的元素測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，分析結(jié)果中只顯示原子序數(shù)在O之后的元素。

表5 濕陷性粉質(zhì)黏土不同區(qū)域元素成分分析結(jié)果

由表5可知，膠結(jié)物中主要元素為O,Al,Si,Ca，結(jié)合粉質(zhì)黏土的礦物成分進(jìn)行分析，膠結(jié)物主要為碳酸鈣與蒙脫石相互膠結(jié)的鈣質(zhì)絮狀物；而土顆粒的主要元素為O,Na,Al,Si，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物，膠結(jié)物中鈣元素明顯高于顆粒處。粉質(zhì)黏土中起膠結(jié)作用的是碳酸鈣與蒙脫石相互膠結(jié)的鈣質(zhì)絮狀物，浸水后脫落導(dǎo)致顆粒間膠結(jié)程度減弱，顆粒重分布導(dǎo)致濕陷性變形。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)濕陷性粉質(zhì)黏土組成成分、細(xì)觀(guān)形貌以及微區(qū)成分的分析，得到主要結(jié)論如下：

1)濕陷性粉質(zhì)黏土主要粗顆粒成分為石英和長(zhǎng)石，主要細(xì)顆粒成分為蒙脫石，易溶鹽含量極少，含有一定的難溶鹽碳酸鈣，具有與濕陷性黃土類(lèi)似的礦物成分組成。

2)膠結(jié)物中鈣元素明顯高于顆粒處，顆粒間膠結(jié)物是碳酸鈣與蒙脫石互相膠結(jié)的鈣質(zhì)絮狀包裹物。

3)粉質(zhì)黏土的膠結(jié)強(qiáng)度受制于顆粒間膠結(jié)的絮狀包裹物，浸水后一定壓力下絮狀包裹物剝落導(dǎo)致土骨架間膠結(jié)程度降低，膠結(jié)強(qiáng)度減弱，使得骨架顆粒脫離約束而重新排列，宏觀(guān)上呈現(xiàn)出濕陷變形的特性。