合徐高速公路南段膨脹土礦物成分及微結(jié)構(gòu)

合徐高速公路南段膨脹土礦物成分及微結(jié)構(gòu)摘要:本文運用X射線衍射、偏光顯微鏡、掃描電鏡以及化學全分析綜合方法，對合徐高速公路南段膨脹土的礦物組分及微結(jié)構(gòu)等方面進行較為深入的研究，探明其特殊的工程性質(zhì)不僅與膨脹土的礦物組分，陽離子交換量有關，更與其微結(jié)構(gòu)密切相關，特別是其結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)特征；膨脹土的脹縮特性隨著粘土礦物含量的增大，特別是蒙脫石，陽離子交換量能力的增強而增強；土的微結(jié)構(gòu)是控制膨脹土的脹縮性的另一個重要因素，隨著粘土基質(zhì)中的卷曲片狀物質(zhì)的增多而增強，而膨脹土的物理力學性質(zhì)很大程度上取決于膨脹土粘土顆粒之間的結(jié)合連接程度。關鍵詞：膨脹土;脹縮性;微結(jié)構(gòu);礦物成分;合徐高速公路南段前言合徐高速公路分南北兩期修建，其中南段南起肥東，北至蚌埠，沿線所經(jīng)的肥東、定遠、鳳陽以及蚌埠四個縣市均有膨脹土分布，目前，對沿線各地膨脹土已做了最優(yōu)摻灰率的研究，并在工程設計和施工中得到應用[1,2]。要全面了解研究區(qū)內(nèi)膨脹土的工程地質(zhì)性質(zhì)，還須對其礦物組分以及微結(jié)構(gòu)進行深入研究。本文僅對肥東、定遠以及鳳陽三地的膨脹土進行研究，進一步探討膨脹土工程特性的本質(zhì)特征。地貌、氣候條件及膨脹土地層1—第四紀近代堆積物2—第四系下蜀組（含膨脹土）1—第四紀近代堆積物2—第四系下蜀組（含膨脹土）3—第三系戚家橋組、望虎墩組4—白堊系浮山組、朱巷浮山組、朱巷組5—中晚震旦系硅質(zhì)灰?guī)r6—早震旦系石英巖夾頁巖圖1合徐高速公路南段地貌及膨脹土分布剖面圖Fig.1收稿日期：2004-10-21；修訂日期：2004-11-17作者簡介：柏立懂(1979–)，男，在讀工學碩士研究生，從事巖土工程與測試技術(shù)的研究。E-mail：之間，僅在蚌埠－淮南山地海拔相對較高。研究區(qū)地處長江、淮河兩大水系之間，地形以平原為主，兼有殘丘、河間洼地、河漫灘以及較多的人工溝渠?？傮w上，地勢比較平坦，海拔較低，大部分地區(qū)處于盆地之內(nèi)。研究區(qū)屬亞熱帶溫濕季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量適中。多年平均氣溫為15~17℃，冬季平均氣溫為-3℃，以12月份和1月份最冷，極低溫度可達-20℃，夏季平均氣溫為34℃左右，以7、8月份為最熱，極高可達41℃。冬夏較長，春秋較短，較適合膨脹土的發(fā)育生成。區(qū)內(nèi)膨脹土一般分布在Ⅱ級或Ⅱ級以上的階地、山前丘陵地區(qū)，個別分布在Ⅰ級階地，埋藏較淺，常見于地表。研究區(qū)內(nèi)的膨脹土形成的地質(zhì)年代大多為第四紀中晚更新世(Q2-3)，地層為下蜀組，其它的地層均未發(fā)現(xiàn)有膨脹土的存在。據(jù)野外肉眼及偏光顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的膨脹土均屬于第四紀下蜀組的沖洪積膨脹土。礦物組分及粒度成分特征3.1研究區(qū)膨脹土中的礦物成分等為了鑒定膨脹肺土中的礦物成移分，以上X朽射線衍射為主芒，結(jié)合偏光顯掏微鏡、掃描電絞鏡以及化學全筆量分析對采自香研究區(qū)內(nèi)的膨龍脹土樣做了綜愈合鑒定。圖2合徐高速公路北段膨脹土X射線衍射譜線Fig.2Diagramsofdiffractionofx-rayofexpansivesoilinM—蒙脫石，圖2合徐高速公路北段膨脹土X射線衍射譜線Fig.2Diagramsofdiffractionofx-rayofexpansivesoilinM—蒙脫石，I—伊利石，K—高嶺石，Q—石英，F(xiàn)—長石，C—方解石；圖中數(shù)據(jù)單位均為?烏試驗所用議X純－射線衍射儀紗為葬日本理學電機熔株式會社生產(chǎn)筑的澡D/max-耗rB巧衍射儀，靶：殊CuK弊α池、管電壓：企40kv罰、管電流：拉80mA稀、狹縫系統(tǒng)：疑DS惰＝匯SS尚＝耽1殊o彩，設RS拴＝狠0.3mm瘦、步進掃描、響步長：塑0.01們o紫。粘土礦物中晃，蒙脫畏石率“腐M脅”載、伊利嗚石制“陜I休”熄和高嶺營石魚“青K縣”論分別以囑1.45nm盆、憂0.999n銀m窗和悔0.714n兆m暫附近的衍射峰仆為鑒定依據(jù)；副在非粘土礦物嗓中石太英忌“否Q夾”儉，以頸0.426n戴m求和練.0335n呢m挺為其特征衍射湖峰，長包石競“驗F維”施和方解物石漿“居C術(shù)”削分別以答0.320n創(chuàng)m俯和夜0.303n瑞m斯附近的衍射峰灣為其特征峰（障部分膨脹土冬X僑射線衍射譜線抗見圖談2痰）。陪眾所周知，粘罵土礦物的準確戒定量非常困難括，最大的困難襪就是標準礦物扯的代表性問題屯，不同產(chǎn)地的僑粘性土礦物的肯強度相差很大掩，如蒙脫石的給強度有時可能財會相差幾倍，貧甚至更大，且架自然界中也很惹難得到純凈的國蒙脫石。但膨圈脹土中石英含熄量一般比較高誰，且定量也較亂為容易。為此爪，以剛玉為參腔考物質(zhì)，運用旬K林值法壇[3]企完成石英的定膠量，在此基礎攔上，假定石英芒為原膨脹土樣巴的參考物質(zhì)，岔再次運用鍵K粱值法求出長石葉和方解石的含辮量。根據(jù)所用斑儀器雨設備對大量樣廣品實驗測出石清英的凍0.335n吐m焰峰、長石的筍0.320n男m勵峰和方解石的存0.303n漢m群峰所對應晶面養(yǎng)權(quán)重系數(shù)比值予為慮K摸0征.淺335哈:K賓0園.費320柄:K淚0.303怎≈壯1:1.25巡:1.1毅，從而計算出膊長石和方解石跑的相對含量，朋將其和石英的缸含量累加起來要，則粘土礦物尾的總含量就等誠于純100%確減去長石與方父解石的相對含宵量與石英含量前之和的差值峽。根據(jù)試驗所誠測出高嶺石的籌0.714n祥m挽峰、伊利石的寺0.999n鬼m直峰、蒙脫石的扎1.45nm階峰的權(quán)重系數(shù)描比為沈K載0揮.示714嬸:K拍0.999爛:K拆1.45鏈≈昂1.3:2.包95:1扇，最后運用文考獻喝[4]描的方法計算出藝各自的含量，藝X變射線衍射半定臭量分析結(jié)果見欠表丑1營。很如表宜1證所示，研究區(qū)寄內(nèi)的膨脹土粘累土礦物含量中配，蒙脫石的含拍量變化范圍為燒15.5%~梳19.73%織，伊利石為辮28.39%蹈~35.42改%鋤，高嶺石的含特量最大者為腰10.62%廈，總體含量比賞較低，石英等滅碎屑礦物的含塞量相對比較高蜘，均大于歉36%迎，這也是影響防膨脹土的脹縮旗性的另一個因恢素，膨脹性隨桂石英等礦物含貸量的增大，出盾現(xiàn)逐漸遞減的炒趨勢。旺表肌1寄競合徐高速公路帆南段膨脹土萍X耳射線衍射半定提量分析成果表距Table呈秋1The護half-貞quant蓬itativ峰e塵XDAre栗sulto綁fexpa錢nsive悟soili若n薦序恥錄負搖地點色蒙脫石攀伊利石尊高嶺石問石英殿長石幕方解石細鳳陽遷1董18.90采31.27旁8.54嚇33.20死8.09封0.00茫2朽17.14珠35.42泳8.89剛33.89噸4.65揀0.00諸定遠避1回16.74偽28.39則7.03等41.57拳6.27拿0.00謹2防15.50靜32.85精7.61煌38.19壤5.84鳴0.00廁肥東殲1陶18.27居33.65飛10.62爭31.60錫4.53扭1.33榴2拴19.73丈34.09行10.03淚30.57門4.50悟1.08貿(mào)(濃2)威偏光顯微鏡下仙的中觀結(jié)構(gòu)特史征章研究區(qū)內(nèi)膨脹歌土薄片在偏光甘顯微鏡下觀察頌（圖歌3誦），發(fā)現(xiàn)其砂券粒（＞鉆0.05mm君）主要由石英指組成，含少量帳的長石、方解猜石以及云母等京礦物組成，一杏般分散在粘膠岸顆粒構(gòu)成的基妻質(zhì)當中，互不苗接觸，故而不勞起骨架作用。武此外，粘膠顆盒粒構(gòu)成的基質(zhì)款中，還展布一李些裂隙與孔隙充。其中鳳陽膨長脹土局部可見小云母的定向排料列，主要是沿材裂隙的延伸方貨向展布愿(墳圖讀3(1))軟；而定遠膨脹炭土未見云母的詠片狀礦物的定映向排列，且裂儲隙也相對少見圣，噸但孔隙相對比秧較發(fā)育還(粉圖同3(2))偏，肥東膨脹土更的粘膠顆粒構(gòu)嬸成定向排列比棍較明顯，砂粒劣較少，孔隙和蒼裂隙也相對較獵少，同時可見旋一些磨圓度比幸較好的泥塊無棚規(guī)則分布于基他質(zhì)中挺(堅圖扶3(3))庸。縱觀上述分關析，三地膨脹歇土的基質(zhì)各具炮特點，但又不廚乏共性，粘膠兇顆粒為基質(zhì)的謀結(jié)構(gòu)特征決定習和影響著圖3研究區(qū)內(nèi)膨脹土的中觀結(jié)構(gòu)特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)1—鳳陽膨脹土，圖3研究區(qū)內(nèi)膨脹土的中觀結(jié)構(gòu)特征(+)Fig.3Moderatestructureofexpansivesoilinresearchregion(+)1—鳳陽膨脹土，2—定遠膨脹土，3—肥東膨脹土扛(漸3)靠掃描電鏡下的錯微結(jié)構(gòu)圖4研究區(qū)內(nèi)膨脹土的微結(jié)構(gòu)特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－鳳陽膨脹土，2－定遠膨脹土，2－肥東膨脹土石在高倍數(shù)掃描可電鏡下觀察，兄發(fā)現(xiàn)鳳陽膨脹放土基質(zhì)中的粘謠膠顆粒呈疊聚卸體的形式存在及，少見外形呈丑彎曲的片狀粘元粒存在，疊聚作體本身疊聚得龜十分緊密，聯(lián)拆結(jié)較強，并具象有定向排列的釋特征，微裂隙哭較少，且微孔棕隙也比較小，娃微孔隙呈拉長權(quán)形狀，長軸方穩(wěn)向也具有定向臟特征開(化圖違4(1))鍬；低倍數(shù)掃描駱電鏡下觀察，融發(fā)現(xiàn)鳳陽膨脹大土基質(zhì)中發(fā)育銷一些裂隙和孔屑隙，疊聚體定祥向排列，呈似異層流狀微結(jié)構(gòu)以特征。而在高便倍掃描電鏡下四觀察，發(fā)現(xiàn)定民遠膨脹土的粘普?；|(zhì)被裂隙耕分割成形狀各鏈異的小塊，粘節(jié)土顆粒以單片與狀的形式存在甚，但片狀顆粒盯一般呈平片狀黃，很少見彎曲卵的單片，少量賢片狀顆粒呈稍乓曲，邊緣無規(guī)修則，結(jié)構(gòu)單元燥體多以微集聚雄體或粘粒片惜呈凈“超面－紡面往”食、關“溜面－烘邊買”聚形式疊聚構(gòu)成科，很顯然，定樹遠膨脹土的片層狀顆粒相對多銀于鳳陽膨脹土活，裂隙也明顯艦增多，且主要螞為垂向發(fā)育，報裂隙連通性比稅較好，疊聚體忽之間的聯(lián)結(jié)程洗度較差飄(煤圖麗4(2))乞；低倍數(shù)掃描總電鏡下觀察，卻發(fā)現(xiàn)疊聚體之記間的展布具有捎一定的定向性堪，土體表面很簽不平整，這主保要是由于發(fā)育近大量的垂向和薄沿層面方向的彼裂隙所致。與貓上述兩地膨脹教土的微結(jié)構(gòu)不默同，肥東膨脹紡土的粘膠基質(zhì)蠟主要以卷曲的投片狀形式存在樂，單片極薄，敢結(jié)構(gòu)單元體之遵間的聯(lián)結(jié)比較呈松散，裂隙相相當發(fā)育，具有喜明顯的定向排模列特征受(鍛圖蠟4(3))爸，片狀顆粒定鋼向排列，具有火層流狀微結(jié)構(gòu)您特征。正是這葛種結(jié)構(gòu)特征，圖4研究區(qū)內(nèi)膨脹土的微結(jié)構(gòu)特征Fig.4Microstructureofexpansivesoilinresearchregion1－鳳陽膨脹土，2－定遠膨脹土，2－肥東膨脹土吼上述微觀結(jié)構(gòu)蜜特征是研究區(qū)甲內(nèi)膨脹土產(chǎn)生街脹縮特性的物拋質(zhì)基礎格架，煩其格架中的裂末隙或孔隙是滲艱水的致良好通道，當類水滲入時，蒙霞脫石和伊利石鞠等粘土礦物組占成結(jié)構(gòu)單元體減粘片吸水膨脹捏，水膜增厚，別反之，失水水辭膜減薄，脫水詢收縮。憂(芹4)敬化學全量分析終為檢驗劑X豎射線衍射半定講量分析的可靠砍性，進行了化禾學全量分析席(厚表患2)辦。表棍2屢中，定遠膨脹努土中吃SiO慎2沿的含量（諷69.63割%貨）最高，鳳陽導膨脹土次之，遍肥東膨脹土最臉小。石英、羽SiO憤2倒含量的變化趨蛇勢均為：定遠釋＞鳳陽＞肥東壘；同樣肥東膨陶脹土的梁CaO恩含量最高，鳳額陽膨脹土和肥成東膨脹土的物割質(zhì)組分比較接仿近，這在機X獎射線衍射半定暑量分析中都可秩得到證實。說旅明熔X雄射線衍射半定負量分析的結(jié)果咐還是可靠的。沿表丙2倚合徐高速公路捧南段膨脹土化鼻學全量分析成礎果表己Table2花The禮chemis蚊tryan斯alysis谷resul剪tofe聰xpansi按vesoi休lin榮氧本艱采測地點燈SiO良2蜘Fe扶2牛O穿3知Al姐2呆O廊3啟TiO銷2吹CaO鄰MgO三P吉2抖O桶5疤MnO豆K兩2悠O你Na慎2茂O彎FeO翅H黃2艇O糧+帖燒失量平SiO復2戀/R丑2誠O傘3妄SiO蠻2桶/Al要2階O日3叨鳳陽腎67.27朱5.84票15.40盼0.83埋1.18院1.23咽0.033禮0.130距1.83譯0.86診0.061引5.54攜5.73資5.968聯(lián)7.413檢定遠區(qū)69.63聚4.69嬌14.19慨0.85丈0.93高1.14遣0.070農(nóng)0.047席2.05戲1.16吊0.39嘆4.90帽5.02隊6.876開8.327泳肥東火66.79園5.96晝14.90訊0.77焦1.31屆1.25員0.038列0.190訊1.96亂0.90砌0.10動5.82挽5維.54涼6.059經(jīng)7.607棍3.2織盾粒度成分及陽何離子交換量辦如表練3隆所示朵(懼按照《公路土貓工試驗規(guī)程》襯（諸JTJ051賊－蜂93祥）要求進行仙)犧，三個地區(qū)膨下脹土的粉粒含傻量均小于粘粒系含量，屬于粘烤土，但粘粒含妙量并不是很大京，基本上只占法總含量的季50%慌左右，甚至更劍低，這就決定言了研究區(qū)內(nèi)的悠膨脹土所具有電的脹縮性比較碼弱，即為低膨狂脹土。否表翁3層合徐高速公路闊南段膨脹土的甜某些工程地質(zhì)絡性質(zhì)埋Table3照Some謙engin堡eering槽prope籠rties減ofexp罩ansive樣soil紋in濕渣仰崇成牙地點動粒度就(航mm)逐成分奔%攜物理水理性質(zhì)秘物理力學性質(zhì)范物理化學性質(zhì)誤脹縮性質(zhì)瘋>0.05葬0.05~0軋.005鵝<0.005馬比重上G蠶g/cm菠3良孔隙比悼手e控液限棕叉W頑l滑體按%慕塑限昆W蛛p之%潔塑限指數(shù)鉤I賀p式壓縮系數(shù)喉a娘1-2豆MPa稈-1沙壓縮模量曾E匆1-2判MPa升粘聚力本剩c麗kP玩a場內(nèi)摩擦角鋤φ喊撕o嶼鋒陽離子交換量孔(婚CEC)m叫e/橋100g庫土測自由膨脹率鴨F合s杯%拘膨脹力庫沉P疫e賊kP軍a茂鳳陽苗11.5孝40.2愿48.3牽2.71孫0.81值43.90醒22.00親21.90苦0.23扶8.73笨103兼15.0絨20搞.礙6必43.00運40練.00播定遠悶13.4虹36.1笑50.5蹲2.74棍0.75對46.70修23.80譯22.90用0.25累8.21做109親18.2街2第6輝.4秧55.00耽55.00催肥東宵11.1號41.3潛47.6召2.74否0.75獵47.70慮23.90倍23.80帝0.26庸7.77驗117皺18.4順30.3付59.00且65.00連土的陽離子交傘換量對膨脹土辯脹縮性以及一芝些物理水理性揪質(zhì)的影響也不坊容忽視。如表燃3吳所示，不難看兇出研究區(qū)內(nèi)的敲膨脹土的陽離賺子交換量都在萌20me/秧100g等土以上，但最蛾大值僅為押30.3me襲/非100g夸土，因而其液聲限以及脹縮性敏都相對比較小塌，其脹縮性均長未達到中等膨范脹土。較3.3伙廢膨脹土脹縮性鼠特征逆如表巧3虜所示，研究區(qū)銹內(nèi)的粘土的液討限均大于怎40%納，塑性指數(shù)也熄均大于程20燈，自由膨脹率軋均大于下40%殘以及陽離子交矩換量均在喜20me/筒100g端土以上，均為蘋膨脹土。比重淘在欄2.71~削2.74g爹/cm壟3申之間，孔隙比告在砍0.71~0困.81霜之間，而壓縮晌系數(shù)在寶0.23~襲0.26熔逮MPa醒-1就之間，屬中等道壓縮性，壓縮稱模量在督7.77賢飄~8.73押系MPa消之間，其中定春遠膨脹土和肥職東膨脹土的粘礎聚力以及內(nèi)摩票擦力比較大，縫鳳陽膨脹土的矛較兩者小些。降區(qū)內(nèi)膨脹土的兩膨脹勢不是很煩強，特別是鳳受陽膨脹土，自紛由膨脹率僅為慣43%具，膨脹力僅為慈40kPa顏，液限也比較桑低，但定遠和欄肥東膨脹土的趙脹縮性相對比脆較強些，但其技自由膨脹率也厘不足俯60%綠。楊盡管該區(qū)膨脹家土的脹縮性比壓較低，但在這饞些地區(qū)修建公舒路和鐵路等低蔬負荷的路基工挖程時必須對膨架脹土進行改性蔥處理。結(jié)論予合徐高速公路喝南段的肥東、熄定遠和鳳陽三夫地土均為第四壽紀下蜀組（蒙Q鎖2-3五）的沖洪積粘付土具有弱的脹鉆縮性，屬低膨板脹土。揮研究區(qū)膨脹土易的粘粒含量較蛋高，自然分散預程度較高，粘襪粒含量在圓47.6%~餅50.5%禁之間，這是膨寇脹土具有脹縮盆性的一個重要松物質(zhì)基礎。慎該區(qū)膨脹土粘柄土礦物中以伊任利石、蒙脫石攻為主，并含有貫一定量的高嶺核石，它們主要鋪賦存于粘膠粒猶組中，而粘膠軍粒組重量百分與含量較高，碎險屑礦物主要為睡石英、并有一央定量的長石和灶少革量云母，其中再肥東膨脹土還棕可見很少量的印方解石。碎屑戰(zhàn)礦物的含量增誰大將會降低膨材脹土的脹縮性曾，研究區(qū)內(nèi)，疾盡管各地膨脹贏土的蒙脫石含加量都在爸14君％謹-25%菊之間，應屬中鳥等膨脹勢土，冷而其僅具有低豬等膨脹勢。墓微觀結(jié)構(gòu)是膨汽脹土脹縮變形辱的結(jié)構(gòu)基礎，落也是膨脹土物昆理力學性質(zhì)不膊同的根本原因妄，膨脹土中的童砂粒礦物含量煌較少，無規(guī)則增分布于粘土顆甜粒構(gòu)成的基質(zhì)務中，不起骨架該作用，膨脹土靜的結(jié)構(gòu)單元體迎多沖以熱“條面－哄面花”洽、艇“話面－飼邊只”飯疊聚形成的疊逃聚體，局部可刷見獨立的卷曲等片狀顆粒，具臘有一定的定向唐排列性，發(fā)育靜良好的層間裂踩隙。其中肥東召膨脹土具有層鼻流狀微結(jié)構(gòu)特剩征，其余兩地置具有似層流狀愈的微結(jié)構(gòu)特征跟。參考文獻蘆顧中華拿.廟合徐高速公路已沿線地區(qū)膨脹諷土最優(yōu)摻灰率停試驗研究嚼[J]培.框巖土工程技粒術(shù)氏,2003指,5(5)的:286-秋288衛(wèi)．呈顧中華霜.算合徐高速公路萍南段膨脹土改導性研究及膨脹蒜土與構(gòu)造的關夢系刃[D].染合肥堂:驢合肥工業(yè)大學啊,2002艱．逆GB5225羨-85.句金屬材料定量廊相分跡析躺——在X黑射線衍射妙K弊值法挨[S]躲閔連太輕,宿黃鳳貞侮.霉粘土礦物的媽X鬼射線定量研究膏[J].姿水文地質(zhì)與工彼程地質(zhì)屆,1994志,(4):菠17-20玻．議Themi駝neral稠compos周ition宗andmi業(yè)crostr訓ucture臥ofex敢pansiv圾esoil宿inso充uthpa脊rtof拘He-Xu富expres寇sway雕Abstra蜘ct統(tǒng):智Themi蔬neral掙compos博ition液andmi發(fā)crostr卡ucture音ofex病pansiv援esoil桿inso份uthpa徒rtof袖He-Xu著expres慮swaya沾restu叛diedm亮ainly思by潮X-ray敏Diffra顛ction叮Analys始is(XD鳴A)銷,P按artial宋Micro弓scope,犁Scann文ingEl私ectron勤Micro誓scope行(SEM)揉andC怨hemist曬