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,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,我國學(xué)者尤其是湖北的學(xué)者對鄂北膨脹土開展了深入研究,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,人們愈來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象,從其微組構(gòu)特征的角度,研究微組構(gòu)特征對膨脹土性質(zhì)的影響。
取無污染的結(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,對感興趣的對象拍攝SEM圖像,并記錄下來。
膨脹土在成土過程中,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)面無論是張開還是充填的,都為水分的遷移和濕脹干縮創(chuàng)造了條件,對路堤和邊坡的穩(wěn)定造成不利影響。
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)膨脹土頁巖迅速崩解,成為膨脹土頁巖潮解的重要形成機(jī)制。
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)。從總體來看,片狀,扁平狀顆粒有一定的定向趨勢。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)勢方向上,這取決于含有的陽離子種類。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,常見有水平向的優(yōu)勢方向,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)
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?;蜉^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。
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)特征和定義來看,對于大多數(shù)的膨脹土來說,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)相對較好。但普遍發(fā)育著微孔隙與微裂隙,無論在顆粒、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)。
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??芍液头勖夯姨幚砬昂蟮耐翗拥念w粒組合為顆粒-顆粒接觸形成顆粒狀基質(zhì)。它包括顆?;|(zhì)、團(tuán)聚體及連結(jié)物。沒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富集,而細(xì)小的粘土顆粒中鋁硅酸鹽粘土礦物相對富集,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)
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。顆粒組合包括基質(zhì)、團(tuán)聚體及連結(jié)物?;|(zhì)主要包括顆?!w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)。
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