毛天爾， 夏 林

(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢 430070)

鄂北崗地是湖北省主要的膨脹土分布區(qū)域之一。70年代以來(lái)，隨著工程建設(shè)的增加，膨脹土的危害日益顯現(xiàn)，或基礎(chǔ)變形，引起建筑物垮坍，或邊坡失穩(wěn)，引起渠道或結(jié)構(gòu)物破壞，因之造成的經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。為此，我國(guó)學(xué)者尤其是湖北的學(xué)者對(duì)鄂北膨脹土開(kāi)展了深入研究，取得了一些成果。

膨脹土的微組構(gòu)是指土在一定地質(zhì)環(huán)境和條件下，土粒和粒團(tuán)的排列方式，微孔隙與微裂隙的大小、形狀、數(shù)量及其空間分布與棄填情況，接觸與連結(jié)方式等所構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)特征。近年來(lái)，人們愈來(lái)愈重視膨脹土微組構(gòu)的研究，試驗(yàn)研究表明，微組構(gòu)也是決定和影響土質(zhì)的極其重要因素，在土的天然結(jié)構(gòu)不受擾動(dòng)的情況下，膨脹土的膨脹與收縮特性，強(qiáng)度特性以及變形性質(zhì)，在很大程度上取決于膨脹土的原始結(jié)構(gòu)特征。微組構(gòu)一方面反映膨脹土形成條件，另一方面也是決定膨脹土物理力學(xué)以及其它性質(zhì)的重要因素，這是認(rèn)識(shí)膨脹土強(qiáng)度形成的理論基礎(chǔ)[1～7]。本文將以鄂北膨脹土為對(duì)象，從其微組構(gòu)特征的角度，研究微組構(gòu)特征對(duì)膨脹土性質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)概況

取無(wú)污染的結(jié)構(gòu)未受擾動(dòng)的膨脹土樣品約3000 g，試驗(yàn)采用日本生產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)，高真空模式分辨率為3.0 nm，低真空模式分辨率為4.0 nm，放大倍數(shù)18～3×106，圖像種類為二次電子像或背散射電子像。利用SEM研究膨脹土?xí)r，在樣品放入儀器前必須風(fēng)干，切成直徑為20 mm，厚3 mm的土餅，然后再切割成兩部分，以暴露出未受影響的新鮮表面供研究。對(duì)試樣表面進(jìn)行真空離子束濺射噴金鍍膜，然后移至樣品臺(tái)進(jìn)行SEM觀察，對(duì)感興趣的對(duì)象拍攝SEM圖像，并記錄下來(lái)。

2 膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)特征

膨脹土在成土過(guò)程中，由于溫度、濕度和壓密等作用以及由不均勻脹縮效應(yīng)引起的體積變化和土內(nèi)復(fù)雜的物理化學(xué)的一個(gè)力學(xué)效應(yīng)結(jié)果密切相關(guān)[8]。鄂北膨脹土由致密結(jié)構(gòu)面(圖1)和裂隙組合而成的裂隙結(jié)構(gòu)體(圖2)構(gòu)成細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。此外，膨脹土體中產(chǎn)生的不均勻應(yīng)力對(duì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面的形成起主要作用。裂隙結(jié)構(gòu)體中的微裂隙成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，縱橫交錯(cuò)，裂面粗糙。脹縮效應(yīng)所形成的水平應(yīng)力差產(chǎn)生的緩傾角裂隙，裂面具臘狀光澤。

圖1 致密結(jié)構(gòu)

圖2 裂隙結(jié)構(gòu)

細(xì)觀結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng)與其形態(tài)特征密切相關(guān)。裂隙結(jié)構(gòu)面形態(tài)呈不規(guī)則的波狀起伏曲面和平直面。當(dāng)剪切沿波狀起伏曲面發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)就與起伏度的大小有關(guān)。此外，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)強(qiáng)度還與粘土礦物成分、風(fēng)化程度、含水量大小等密切相關(guān)。上述結(jié)構(gòu)面無(wú)論是張開(kāi)還是充填的，都為水分的遷移和濕脹干縮創(chuàng)造了條件，對(duì)路堤和邊坡的穩(wěn)定造成不利影響。

3 膨脹土礦物形態(tài)特征

鄂北膨脹土的礦物形態(tài)各異，粒間孔隙大小不勻。高嶺石呈六方片狀，粒間孔隙為3～20 μm；伊利石呈葉片狀，粒間孔隙為2～10 μm；石英為棱角狀，嵌入到粘土礦物的集合體中；菱面狀的方解石常被粘土礦物所包裹。由于礦物粒間的微孔隙易于吸附和存儲(chǔ)水分，一旦因水侵蝕就會(huì)產(chǎn)生粒間膨脹。膨脹土粘土礦物結(jié)構(gòu)單元是兩層二氧化硅和一層三氧化二鋁組成，因?qū)娱g聯(lián)結(jié)很弱，水分子可滲入層間，生成水夾層，產(chǎn)生晶架結(jié)構(gòu)內(nèi)膨脹，從而可激發(fā)膨脹土頁(yè)巖迅速崩解，成為膨脹土頁(yè)巖潮解的重要形成機(jī)制。

4 膨脹土微組構(gòu)類型

4.1 基本顆粒排列

鄂北膨脹土的基本顆粒排列包括粘土片形狀呈波狀或揉皺狀，并能排列成許多外形。其中，最普遍的是“紊流結(jié)構(gòu)”(圖3)，其結(jié)構(gòu)單元以片狀和扁平狀顆粒為主，含有粒狀顆粒，它們之間形成似山洞小溪流水似的結(jié)構(gòu)。從總體來(lái)看，片狀，扁平狀顆粒有一定的定向趨勢(shì)。包括面-面結(jié)合和邊-邊結(jié)合的粘土磷片，但性質(zhì)上都是致密的和強(qiáng)烈褶皺式揉皺的。

圖3 紊流結(jié)構(gòu)

鄂北膨脹土的顆粒排列也包括粘土片展現(xiàn)出一種以邊-邊結(jié)合和面-面結(jié)合的“層流結(jié)構(gòu)”，即定向排列結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)單元為片狀和疊片狀顆粒。它們以面-面接觸為主構(gòu)成高度定向排列結(jié)構(gòu)(圖4)。在光滑裂隙面上常可見(jiàn)高度定向排列薄層，土體中有時(shí)也可看到這種局部高主向排列結(jié)構(gòu)。以及全部簿片狀線列都展現(xiàn)出在某一優(yōu)勢(shì)方向上，這取決于含有的陽(yáng)離子種類。膨脹易發(fā)生在粘土片間或粘土片內(nèi)和粘土片間，尤其在經(jīng)受過(guò)干濕循壞的干燥土中易發(fā)現(xiàn)。在超固結(jié)膨脹粘土中，常見(jiàn)有水平向的優(yōu)勢(shì)方向，當(dāng)有大的粉粒和砂粒存在時(shí)，則平行化被阻止和減弱，形成擾動(dòng)的層流結(jié)構(gòu)。

圖4 層流結(jié)構(gòu)

鄂北膨脹土的顆粒排列還包括似晶體形粘土鱗片間的互作用，以及膨脹粘土鱗片包被粉砂或砂粒間的互作用(包被顆粒-顆粒排列)，在包被顆粒-顆粒接觸的情況下，膨脹經(jīng)常發(fā)生在接觸點(diǎn)互生的包被層間。在有膠結(jié)物存在時(shí)，形成所謂的膠粘式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)單元可以是單粒體和團(tuán)粒體，也可以是片狀體和疊片體，它們之間可以各種形式接觸，然后，被一層糊狀物包裹，單元體有明確的邊界和清晰的輪廊(圖5)。

圖5 膠結(jié)結(jié)構(gòu)

此外，鄂北膨脹土的顆粒排列可見(jiàn)粒狀堆積結(jié)構(gòu)(圖6)，基本結(jié)構(gòu)單元主要為聚集體和單粒體，它們存在于以高嶺石為主或含石英雜質(zhì)的土中。

圖6 粒狀堆積結(jié)構(gòu)

4.2 顆粒組合

顆粒組合是由各種基本顆粒排列的陣列形成的顆粒組織單元，它包括基質(zhì)、團(tuán)聚體及連結(jié)物?；|(zhì)是一種向三度空間延展的組合根，據(jù)其組分排列可進(jìn)行分類。例如，包括顆粒-顆粒接觸形成顆粒狀基質(zhì)，紊流或?qū)恿髡惩列纬烧惩粱|(zhì)。

團(tuán)聚體實(shí)際上是一種單個(gè)或多顆粒作用的組合，通常由紊流粘土基質(zhì)排列組成，其內(nèi)部可嵌入粉粒、砂粒或較小的團(tuán)聚體。團(tuán)聚體一般呈規(guī)則的或圓形次角形狀，相當(dāng)于砂粒大小。干濕交替是團(tuán)粒發(fā)展的一種可能機(jī)制，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、聯(lián)結(jié)、穩(wěn)定性及團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間伴生孔隙性在收縮和膨脹性狀中具有重要作用。連結(jié)物是一種把粉砂粒、砂粒或團(tuán)聚體連結(jié)式搭接起來(lái)的組合。它包括紊流粘土基質(zhì)排列和膠結(jié)物，一般是碳酸鈣，有時(shí)也可能是其他物質(zhì)。

團(tuán)聚體和連結(jié)物與顆粒-顆粒接觸形成顆粒狀基質(zhì)一樣，都具有壓縮傾向。在較小荷載作用下，隨著水的浸進(jìn)，活性粘土便包圍顆粒，并形成團(tuán)聚體而膨脹，因此保持了穩(wěn)定的全部膨脹。然而，在較大的剪切荷載作用下，隨著水的浸進(jìn)，團(tuán)聚體和連結(jié)物則在包被顆粒接觸點(diǎn)上發(fā)生滑動(dòng)，發(fā)生破裂和粉碎，導(dǎo)致顆粒和組合間孔隙發(fā)生壓縮。

4.3 復(fù)合微組構(gòu)

正如基本顆粒排列結(jié)合成顆粒組合一樣，這些單個(gè)組合則結(jié)合成綜合或復(fù)合微組構(gòu)，復(fù)合微組構(gòu)組織顯露出某些其它特征。從微組構(gòu)特征和定義來(lái)看，對(duì)于大多數(shù)的膨脹土來(lái)說(shuō)，不可能僅有某一種結(jié)構(gòu)特征，而往往是各種結(jié)構(gòu)的綜合，如紊流結(jié)構(gòu)中嵌入粒狀顆粒后則形成了復(fù)式結(jié)構(gòu)。

團(tuán)聚體形狀一般是塊狀的、不規(guī)則的或次棱角狀的，而團(tuán)聚體連接界面可以是部分地或全部地被磨光，孔隙的不連續(xù)性是以貫通組合孔隙的形式出現(xiàn)，其形狀可以是不規(guī)則的，或者是裂隙和層面形式，或者是不規(guī)則定向和散布的波浪面狀孔隙。貫通組合孔隙及團(tuán)塊內(nèi)孔隙，都允許膨脹勢(shì)有一些消耗，以及增加土體的滲透性，因此膨脹率也相應(yīng)增大。

鄂北膨脹土微團(tuán)聚體群排列混亂，受粘粒礦物伊利石的影響，團(tuán)聚體間相嵌較緊密，這種結(jié)構(gòu)反映出土體的工程性質(zhì)相對(duì)較好。但普遍發(fā)育著微孔隙與微裂隙，無(wú)論在顆粒、團(tuán)聚體或顆粒、團(tuán)聚體組合體間，都分布有各種大小不同，形狀各異的微孔隙與微裂隙，尤其是微裂隙，它是構(gòu)成膨脹土特有的微結(jié)構(gòu)特征的重要組成部分。微孔隙與微裂隙的存在有利于水的滲入與排出，為團(tuán)聚體的脹縮創(chuàng)造水分遷移變化的必要條件，這直接影響膨脹土的工程性質(zhì)。

5 改性膨脹土微組構(gòu)特征

為了研究膨脹粘土顆粒與石灰和粉煤灰之間的機(jī)理，將石灰和粉煤灰處理前后的土樣分別進(jìn)行SEM圖像分析。可知石灰和粉煤灰處理前后的土樣的顆粒組合為顆粒-顆粒接觸形成顆粒狀基質(zhì)。它包括顆粒基質(zhì)、團(tuán)聚體及連結(jié)物。沒(méi)有了膨脹土顆粒排列的粘土片形狀呈波狀或揉皺狀，和以片狀和扁平狀顆粒為主形成似山洞小溪流水似的結(jié)構(gòu)。由于石灰對(duì)膨脹粘土顆粒有絮凝作用，使土顆粒的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，減小了粘粒含量，因而也就相應(yīng)減小了土的膨脹與收縮[9](圖7)。粉煤灰對(duì)粘土顆粒也具有一定的絮凝作用，其次粉煤灰自身是一種細(xì)顆粒的無(wú)粘性材料，由于摻入量較大，人為地減小了膨脹土的粘粒含量，因而減小了塑性指數(shù)(圖8)。

(a)

(b)

(c)

(d)圖7 粉煤灰改性膨脹土的微結(jié)構(gòu)

另有學(xué)者利用EDX分析膨脹土顆粒連接點(diǎn)成分，利用X射線能譜技術(shù)測(cè)定膨脹土SEM圖像中任意點(diǎn)的化學(xué)元素組成。結(jié)果顯示，膨脹土的化學(xué)成分含量雖有差異，但主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三種氧化物總量為84.11%。這一現(xiàn)象表明，在粗顆粒中石英礦物相對(duì)富集，而細(xì)小的粘土顆粒中鋁硅酸鹽粘土礦物相對(duì)富集，而膨脹土經(jīng)石灰和粉煤灰改性處理后，增加了膨脹土中的CaO和MgO組分的含量，減小了Na2O和K2O成分含量[10]。這對(duì)解釋石灰和粉煤灰處理膨脹土的機(jī)理也具有重要的意義。

(a)

(b)

(c)

(d)圖8 石灰改性膨脹土的微結(jié)構(gòu)

6 結(jié) 論

利用掃描電子顯微鏡(SEM)研究鄂北膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)形貌。觀察到了微組構(gòu)形式種類和許多組構(gòu)組織等級(jí)，并且顯示出其中每個(gè)涉及膨脹狀態(tài)的意義。提出表征鄂北膨脹土特征的微組構(gòu)類型，揭示了膨脹土微組構(gòu)與工程性狀的關(guān)系和導(dǎo)致膨脹和收縮的內(nèi)在原因，并得到如下結(jié)論：

(1) 已鑒定出鄂北膨脹土多種主要微組構(gòu)形式?；绢w粒排列除具有紊流結(jié)構(gòu)和層流結(jié)構(gòu)外，其微結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)了一定的粒狀堆積結(jié)構(gòu)、膠結(jié)式結(jié)構(gòu)特征。

(2) 鄂北膨脹土微結(jié)構(gòu)單元以顆粒、團(tuán)聚集體單元為主，集結(jié)成堆，片狀、扁平狀顆粒具有一定的定向趨勢(shì)。顆粒組合包括基質(zhì)、團(tuán)聚體及連結(jié)物?；|(zhì)主要包括顆粒—顆粒接觸形成顆粒狀基質(zhì)，紊流或?qū)恿髡惩列纬烧惩粱|(zhì)；連結(jié)物包括紊流粘土基質(zhì)排列和膠結(jié)物，顆粒連結(jié)比較松散，組合間孔隙性比較顯著。

(3) 鄂北膨脹土普遍發(fā)育著微孔隙與微裂隙，孔隙的不連續(xù)性是以貫通組合孔隙的形式出現(xiàn)，微孔隙與微裂隙的存在有利于水的滲入與排出，為團(tuán)聚體的脹縮創(chuàng)造水分遷移變化的必要條件，并直接影響膨脹土的工程性質(zhì)。

(4) 石灰和粉煤灰處理前后，土樣顆粒組合為顆?！w粒接觸形成顆粒狀基質(zhì)。由于石灰和粉煤灰對(duì)膨脹粘土顆粒有絮凝作用，使土顆粒的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，減小了粘粒含量，因而也就相應(yīng)減小了土的膨脹與收縮。此外，粉煤灰自身是一種細(xì)顆粒的無(wú)粘性材料，由于摻入量較大，人為地減小了膨脹土的粘粒含量，因而減小了塑性指數(shù)。

[1]Mitchell J K. Fundamentals of Soil Behavior(Second Edition)[M]. New York: John Wiley and Sons Inc, 1993.

[2]Lamber W T. Structure of compacted clay[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, 1958, 84(SM2): 1-34.

[3]Seed H B, Chan C K. Structure and strength characteristic of compacted clays[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, 1959, 85(SM5): 87-128.

[4]Smart P. Optical microscopy and soil structure[J]. Nature, 1966, 210: 1400-1406.

[5]Morgenstem N R. Tchalenko J S. Microscopic structure in Kaolin subjected to direct shear[J]. Geotechnique, 1967, 17(4): 309-328.

[6]胡瑞林. 粘性土微觀結(jié)構(gòu)定量模型及其工程地質(zhì)特性研究[M].北京: 地質(zhì)出版社, 1995.

[7]施 斌, 李生林. 擊實(shí)膨脹土微結(jié)構(gòu)與工程特征的關(guān)系[J].巖土工程學(xué)報(bào), 1988, 10(6): 80-87.

[8]GB J112-87, 膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程[S].

[9]余湘娟, 王 媛. 摻石灰處理膨脹土路基填料的試驗(yàn)研究[J]. 公路,2000，(1)：13-16.

[10]戴紹斌, 黃 俊, 夏 林. 鄂北膨脹土的礦物組成和化學(xué)成分分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005,(s1):296-299.