合徐高速公路南段膨胀土矿物成分及微结构

合徐高速公路南段膨胀土矿物成分及微结构摘要:本文运用X射线衍射、偏光显微镜、扫描电镜以及化学全分析综合方法，对合徐高速公路南段膨胀土的矿物组分及微结构等方面进行较为深入的研究，探明其特殊的工程性质不仅与膨胀土的矿物组分，阳离子交换量有关，更与其微结构密切相关，特别是其结构联结特征；膨胀土的胀缩特性随着粘土矿物含量的增大，特别是蒙脱石，阳离子交换量能力的增强而增强；土的微结构是控制膨胀土的胀缩性的另一个重要因素，随着粘土基质中的卷曲片状物质的增多而增强，而膨胀土的物理力学性质很大程度上取决于膨胀土粘土颗粒之间的结合连接程度。关键词：膨胀土;胀缩性;微结构;矿物成分;合徐高速公路南段前言合徐高速公路分南北两期修建，其中南段南起肥东，北至蚌埠，沿线所经的肥东、定远、凤阳以及蚌埠四个县市均有膨胀土分布，目前，对沿线各地膨胀土已做了最优掺灰率的研究，并在工程设计和施工中得到应用[1,2]。要全面了解研究区内膨胀土的工程地质性质，还须对其矿物组分以及微结构进行深入研究。本文仅对肥东、定远以及凤阳三地的膨胀土进行研究，进一步探讨膨胀土工程特性的本质特征。地貌、气候条件及膨胀土地层1—第四纪近代堆积物2—第四系下蜀组（含膨胀土）1—第四纪近代堆积物2—第四系下蜀组（含膨胀土）3—第三系戚家桥组、望虎墩组4—白垩系浮山组、朱巷浮山组、朱巷组5—中晚震旦系硅质灰岩6—早震旦系石英岩夹页岩图1合徐高速公路南段地貌及膨胀土分布剖面图Fig.1收稿日期：2004-10-21；修订日期：2004-11-17作者简介：柏立懂(1979–)，男，在读工学硕士研究生，从事岩土工程与测试技术的研究。E-mail：之间，仅在蚌埠－淮南山地海拔相对较高。研究区地处长江、淮河两大水系之间，地形以平原为主，兼有残丘、河间洼地、河漫滩以及较多的人工沟渠。总体上，地势比较平坦，海拔较低，大部分地区处于盆地之内。研究区属亚热带温湿季风气候区，气候温和，雨量适中。多年平均气温为15~17℃，冬季平均气温为-3℃，以12月份和1月份最冷，极低温度可达-20℃，夏季平均气温为34℃左右，以7、8月份为最热，极高可达41℃。冬夏较长，春秋较短，较适合膨胀土的发育生成。区内膨胀土一般分布在Ⅱ级或Ⅱ级以上的阶地、山前丘陵地区，个别分布在Ⅰ级阶地，埋藏较浅，常见于地表。研究区内的膨胀土形成的地质年代大多为第四纪中晚更新世(Q2-3)，地层为下蜀组，其它的地层均未发现有膨胀土的存在。据野外肉眼及偏光显微镜下观察发现研究区内的膨胀土均属于第四纪下蜀组的冲洪积膨胀土。矿物组分及粒度成分特征3.1研究区膨胀土中的矿物成分等为了鉴定膨胀肺土中的矿物成移分，以上X朽射线衍射为主芒，结合偏光显掏微镜、扫描电绞镜以及化学全笔量分析对采自香研究区内的膨龙胀土样做了综愈合鉴定。图2合徐高速公路北段膨胀土X射线衍射谱线Fig.2Diagramsofdiffractionofx-rayofexpansivesoilinM—蒙脱石，图2合徐高速公路北段膨胀土X射线衍射谱线Fig.2Diagramsofdiffractionofx-rayofexpansivesoilinM—蒙脱石，I—伊利石，K—高岭石，Q—石英，F—长石，C—方解石；图中数据单位均为Å乌试验所用议X纯－射线衍射仪纱为葬日本理学电机熔株式会社生产筑的澡D/max-耗rB巧衍射仪，靶：殊CuK弊α池、管电压：企40kv罚、管电流：拉80mA稀、狭缝系统：疑DS惰＝汇SS尚＝耽1殊º彩，设RS拴＝狠0.3mm瘦、步进扫描、响步长：塑0.01们º紫。粘土矿物中晃，蒙脱畏石率“腐M胁”载、伊利呜石制“陕I休”熄和高岭营石鱼“青K县”论分别以嘱1.45nm盆、忧0.999n银m窗和悔0.714n兆m暂附近的衍射峰仆为鉴定依据；副在非粘土矿物嗓中石太英忌“否Q夹”俭，以颈0.426n戴m求和练.0335n呢m挺为其特征衍射湖峰，长包石竞“验F维”施和方解物石浆“居C术”削分别以答0.320n创m俯和夜0.303n瑞m斯附近的衍射峰湾为其特征峰（障部分膨胀土冬X侨射线衍射谱线抗见图谈2痰）。陪众所周知，粘骂土矿物的准确戒定量非常困难括，最大的困难袜就是标准矿物扯的代表性问题屯，不同产地的侨粘性土矿物的肯强度相差很大掩，如蒙脱石的给强度有时可能财会相差几倍，贫甚至更大，且架自然界中也很惹难得到纯净的国蒙脱石。但膨圈胀土中石英含熄量一般比较高谁，且定量也较乱为容易。为此爪，以刚玉为参腔考物质，运用旬K林值法坛[3]企完成石英的定胶量，在此基础拦上，假定石英芒为原膨胀土样巴的参考物质，岔再次运用键K粱值法求出长石叶和方解石的含辫量。根据所用斑仪器雨设备对大量样广品实验测出石清英的冻0.335n吐m焰峰、长石的笋0.320n男m励峰和方解石的存0.303n汉m群峰所对应晶面养权重系数比值予为虑K摸0征.浅335哈:K宾0园.费320柄:K泪0.303怎≈壮1:1.25巡:1.1毅，从而计算出膊长石和方解石跑的相对含量，朋将其和石英的缸含量累加起来要，则粘土矿物尾的总含量就等诚于纯100%确减去长石与方父解石的相对含宵量与石英含量前之和的差值峡。根据试验所诚测出高岭石的筹0.714n祥m挽峰、伊利石的寺0.999n鬼m直峰、蒙脱石的扎1.45nm阶峰的权重系数描比为沈K载0挥.示714婶:K拍0.999烂:K拆1.45链≈昂1.3:2.包95:1扇，最后运用文考献喝[4]描的方法计算出艺各自的含量，艺X变射线衍射半定臭量分析结果见欠表丑1营。很如表宜1证所示，研究区寄内的膨胀土粘累土矿物含量中配，蒙脱石的含拍量变化范围为烧15.5%~梳19.73%织，伊利石为辫28.39%蹈~35.42改%锄，高岭石的含特量最大者为腰10.62%厦，总体含量比赏较低，石英等灭碎屑矿物的含塞量相对比较高蜘，均大于歉36%迎，这也是影响防膨胀土的胀缩旗性的另一个因恢素，膨胀性随桂石英等矿物含贷量的增大，出盾现逐渐递减的炒趋势。旺表肌1寄竞合徐高速公路帆南段膨胀土萍X耳射线衍射半定提量分析成果表距Table呈秋1The护half-贞quant蓬itativ峰e尘XDAre栗sulto绑fexpa钱nsive悟soili若n荐序耻录负摇地点色蒙脱石攀伊利石尊高岭石问石英殿长石幕方解石细凤阳迁1董18.90采31.27旁8.54吓33.20死8.09封0.00茫2朽17.14珠35.42泳8.89刚33.89吨4.65拣0.00诸定远避1回16.74伪28.39则7.03等41.57拳6.27拿0.00谨2防15.50静32.85精7.61煌38.19壤5.84鸣0.00厕肥东歼1陶18.27居33.65飞10.62争31.60锡4.53扭1.33榴2拴19.73丈34.09行10.03泪30.57门4.50悟1.08贸(浓2)威偏光显微镜下仙的中观结构特史征章研究区内膨胀歌土薄片在偏光甘显微镜下观察颂（图歌3诵），发现其砂券粒（＞钻0.05mm君）主要由石英指组成，含少量帐的长石、方解猜石以及云母等京矿物组成，一杏般分散在粘胶岸颗粒构成的基妻质当中，互不苗接触，故而不劳起骨架作用。武此外，粘胶颗盒粒构成的基质款中，还展布一李些裂隙与孔隙充。其中凤阳膨长胀土局部可见小云母的定向排料列，主要是沿材裂隙的延伸方货向展布愿(坟图读3(1))软；而定远膨胀炭土未见云母的咏片状矿物的定映向排列，且裂储隙也相对少见圣，吨但孔隙相对比秧较发育还(粉图同3(2))偏，肥东膨胀土更的粘胶颗粒构婶成定向排列比棍较明显，砂粒劣较少，孔隙和苍裂隙也相对较猎少，同时可见旋一些磨圆度比幸较好的泥块无棚规则分布于基他质中挺(坚图扶3(3))庸。纵观上述分关析，三地膨胀歇土的基质各具炮特点，但又不厨乏共性，粘胶凶颗粒为基质的谋结构特征决定习和影响着图3研究区内膨胀土的中观结构特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)1—凤阳膨胀土，图3研究区内膨胀土的中观结构特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)1—凤阳膨胀土，2—定远膨胀土，3—肥东膨胀土扛(渐3)靠扫描电镜下的错微结构图4研究区内膨胀土的微结构特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－凤阳膨胀土，2－定远膨胀土，2－肥东膨胀土石在高倍数扫描可电镜下观察，兄发现凤阳膨胀放土基质中的粘谣胶颗粒呈叠聚卸体的形式存在及，少见外形呈丑弯曲的片状粘元粒存在，叠聚作体本身叠聚得龟十分紧密，联拆结较强，并具象有定向排列的释特征，微裂隙哭较少，且微孔棕隙也比较小，娃微孔隙呈拉长权形状，长轴方稳向也具有定向脏特征开(化图违4(1))锹；低倍数扫描骆电镜下观察，融发现凤阳膨胀大土基质中发育销一些裂隙和孔屑隙，叠聚体定祥向排列，呈似异层流状微结构以特征。而在高便倍扫描电镜下四观察，发现定民远膨胀土的粘普粒基质被裂隙耕分割成形状各链异的小块，粘节土颗粒以单片与状的形式存在甚，但片状颗粒盯一般呈平片状黄，很少见弯曲卵的单片，少量贤片状颗粒呈稍乓曲，边缘无规修则，结构单元燥体多以微集聚雄体或粘粒片惜呈净“超面－纺面往”食、关“溜面－烘边买”聚形式叠聚构成科，很显然，定树远膨胀土的片层状颗粒相对多银于凤阳膨胀土活，裂隙也明显舰增多，且主要蚂为垂向发育，报裂隙连通性比税较好，叠聚体忽之间的联结程洗度较差飘(煤图丽4(2))乞；低倍数扫描总电镜下观察，却发现叠聚体之记间的展布具有捎一定的定向性堪，土体表面很签不平整，这主保要是由于发育近大量的垂向和薄沿层面方向的彼裂隙所致。与猫上述两地膨胀教土的微结构不默同，肥东膨胀纺土的粘胶基质蜡主要以卷曲的投片状形式存在乐，单片极薄，敢结构单元体之遵间的联结比较呈松散，裂隙相相当发育，具有喜明显的定向排模列特征受(锻图蜡4(3))爸，片状颗粒定钢向排列，具有火层流状微结构您特征。正是这葛种结构特征，图4研究区内膨胀土的微结构特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－凤阳膨胀土，2－定远膨胀土，2－肥东膨胀土吼上述微观结构蜜特征是研究区甲内膨胀土产生街胀缩特性的物抛质基础格架，烦其格架中的裂末隙或孔隙是渗艰水的致良好通道，当类水渗入时，蒙霞脱石和伊利石鞠等粘土矿物组占成结构单元体减粘片吸水膨胀捏，水膜增厚，别反之，失水水辞膜减薄，脱水询收缩。忧(芹4)敬化学全量分析终为检验剂X竖射线衍射半定讲量分析的可靠砍性，进行了化禾学全量分析席(厚表患2)办。表棍2屡中，定远膨胀努土中吃SiO慎2沿的含量（讽69.63割%货）最高，凤阳导膨胀土次之，遍肥东膨胀土最脸小。石英、羽SiO愤2倒含量的变化趋蛇势均为：定远释＞凤阳＞肥东垒；同样肥东膨陶胀土的梁CaO恩含量最高，凤额阳膨胀土和肥成东膨胀土的物割质组分比较接仿近，这在机X奖射线衍射半定暑量分析中都可秩得到证实。说旅明熔X雄射线衍射半定负量分析的结果咐还是可靠的。沿表丙2倚合徐高速公路捧南段膨胀土化鼻学全量分析成础果表己Table2花The礼chemis蚊tryan斯alysis谷resul剪tofe聪xpansi按vesoi休lin荣氧本艰采测地点灯SiO良2蜘Fe扶2牛O穿3知Al姐2呆O廊3启TiO销2吹CaO邻MgO三P吉2抖O桶5疤MnO豆K两2悠O你Na慎2茂O弯FeO翅H黄2艇O粮+帖烧失量平SiO复2恋/R丑2诚O伞3妄SiO蛮2桶/Al要2阶O日3叨凤阳肾67.27朱5.84票15.40盼0.83埋1.18院1.23咽0.033礼0.130距1.83译0.86诊0.061引5.54携5.73资5.968联7.413检定远区69.63聚4.69娇14.19慨0.85丈0.93高1.14遣0.070农0.047席2.05戏1.16吊0.39叹4.90帽5.02队6.876开8.327泳肥东火66.79园5.96昼14.90讯0.77焦1.31届1.25员0.038列0.190讯1.96乱0.90砌0.10动5.82挽5维.54凉6.059经7.607棍3.2织盾粒度成分及阳何离子交换量办如表练3隆所示朵(惧按照《公路土猫工试验规程》衬（诸JTJ051贼－蜂93祥）要求进行仙)牺，三个地区膨下胀土的粉粒含傻量均小于粘粒系含量，属于粘烤土，但粘粒含妙量并不是很大京，基本上只占法总含量的季50%慌左右，甚至更剑低，这就决定言了研究区内的悠膨胀土所具有电的胀缩性比较码弱，即为低膨狂胀土。否表翁3层合徐高速公路阔南段膨胀土的甜某些工程地质络性质埋Table3照Some谦engin堡eering槽prope笼rties减ofexp罩ansive样soil纹in湿渣仰崇成牙地点动粒度就(航mm)逐成分奔%携物理水理性质秘物理力学性质范物理化学性质误胀缩性质疯>0.05葬0.05~0轧.005鹅<0.005马比重上G蚕g/cm菠3良孔隙比悼手e控液限棕叉W顽l滑体按%慕塑限昆W蛛p之%洁塑限指数钩I贺p式压缩系数喉a娘1-2豆MPa秆-1沙压缩模量曾E匆1-2判MPa升粘聚力本剩c丽kP玩a场内摩擦角锄φ喊撕º屿锋阳离子交换量孔(婚CEC)m叫e/桥100g库土测自由膨胀率鸭F合s杯%拘膨胀力库沉P疫e贼kP军a茂凤阳苗11.5孝40.2愿48.3牵2.71孙0.81值43.90醒22.00亲21.90苦0.23扶8.73笨103兼15.0绒20搞.碍6必43.00运40练.00播定远闷13.4虹36.1笑50.5蹲2.74棍0.75对46.70修23.80译22.90用0.25累8.21做109亲18.2街2第6辉.4秧55.00耽55.00催肥东宵11.1号41.3潜47.6召2.74否0.75猎47.70虑23.90倍23.80帝0.26庸7.77验117皱18.4顺30.3付59.00且65.00连土的阳离子交伞换量对膨胀土辩胀缩性以及一芝些物理水理性揪质的影响也不坊容忽视。如表燃3吴所示，不难看凶出研究区内的敲膨胀土的阳离赚子交换量都在萌20me/秧100g等土以上，但最蛾大值仅为押30.3me袭/非100g夸土，因而其液声限以及胀缩性敏都相对比较小塌，其胀缩性均长未达到中等膨范胀土。较3.3伙废膨胀土胀缩性鼠特征逆如表巧3虏所示，研究区锈内的粘土的液讨限均大于怎40%纳，塑性指数也熄均大于程20灯，自由膨胀率轧均大于下40%残以及阳离子交矩换量均在喜20me/筒100g端土以上，均为苹膨胀土。比重淘在栏2.71~削2.74g爹/cm垄3申之间，孔隙比告在砍0.71~0困.81霜之间，而压缩晌系数在宝0.23~袭0.26熔逮MPa醒-1就之间，属中等道压缩性，压缩称模量在督7.77贤飘~8.73押系MPa消之间，其中定春远膨胀土和肥职东膨胀土的粘础聚力以及内摩票擦力比较大，缝凤阳膨胀土的矛较两者小些。降区内膨胀土的两膨胀势不是很烦强，特别是凤受阳膨胀土，自纷由膨胀率仅为惯43%具，膨胀力仅为慈40kPa颜，液限也比较桑低，但定远和栏肥东膨胀土的赵胀缩性相对比脆较强些，但其技自由膨胀率也厘不足俯60%绿。杨尽管该区膨胀家土的胀缩性比压较低，但在这馋些地区修建公舒路和铁路等低蔬负荷的路基工挖程时必须对膨架胀土进行改性葱处理。结论予合徐高速公路喝南段的肥东、熄定远和凤阳三夫地土均为第四寿纪下蜀组（蒙Q锁2-3五）的冲洪积粘付土具有弱的胀钻缩性，属低膨板胀土。挥研究区膨胀土易的粘粒含量较蛋高，自然分散预程度较高，粘袜粒含量在圆47.6%~饼50.5%禁之间，这是膨寇胀土具有胀缩盆性的一个重要松物质基础。慎该区膨胀土粘柄土矿物中以伊任利石、蒙脱石攻为主，并含有贯一定量的高岭核石，它们主要铺赋存于粘胶粒犹组中，而粘胶军粒组重量百分与含量较高，碎险屑矿物主要为睡石英、并有一央定量的长石和灶少革量云母，其中再肥东膨胀土还棕可见很少量的印方解石。碎屑战矿物的含量增谁大将会降低膨材胀土的胀缩性曾，研究区内，疾尽管各地膨胀赢土的蒙脱石含加量都在爸14君％谨-25%菊之间，应属中鸟等膨胀势土，冷而其仅具有低猪等膨胀势。墓微观结构是膨汽胀土胀缩变形辱的结构基础，落也是膨胀土物昆理力学性质不膊同的根本原因妄，膨胀土中的童砂粒矿物含量煌较少，无规则增分布于粘土颗甜粒构成的基质务中，不起骨架该作用，膨胀土静的结构单元体迎多冲以热“条面－哄面花”洽、艇“话面－饲边只”饭叠聚形成的叠逃聚体，局部可刷见独立的卷曲等片状颗粒，具腊有一定的定向唐排列性，发育静良好的层间裂踩隙。其中肥东召膨胀土具有层鼻流状微结构特剩征，其余两地置具有似层流状愈的微结构特征跟。参考文献芦顾中华拿.庙合徐高速公路已沿线地区膨胀讽土最优掺灰率停试验研究嚼[J]培.框岩土工程技粒术氏,2003指,5(5)的:286-秋288卫．呈顾中华霜.算合徐高速公路萍南段膨胀土改导性研究及膨胀蒜土与构造的关梦系刃[D].染合肥堂:驴合肥工业大学啊,2002艰．逆GB5225羡-85.句金属材料定量廊相分迹析躺——在X黑射线衍射妙K弊值法挨[S]躲闵连太轻,宿黄凤贞侮.霉粘土矿物的妈X鬼射线定量研究膏[J].姿水文地质与工彼程地质届,1994志,(4):菠17-20玻．议Themi驼neral稠compos周ition宗andmi业crostr训ucture卧ofex敢pansiv圾esoil宿inso充uthpa脊rtof拘He-Xu富expres寇sway雕Abstra蜘ct统:智Themi蔬neral挣compos博ition液andmi发crostr卡ucture音ofex病pansiv援esoil杆inso份uthpa徒rtof袖He-Xu着expres虑swaya沾restu叛diedm亮ainly思by潮X-ray敏Diffra颠ction叮Analys始is(XD鸣A)销,P按artial宋Micro弓scope,犁Scann文ingEl私ectron勤Micro誓scope行(SEM)揉andC怨hemist晒