喬少南 王家鼎 王 飛 張登飛

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系大陸動力學(xué)國家重點實驗室,西安710000)

在實際工程中常遇到顏色迥異的第三系黏土,工程界將此類黏土統(tǒng)稱為雜色黏土.例如,山西某盆地邊緣丘陵地帶,廣泛分布有紫褐、灰綠、灰褐等顏色的黏土,如圖1所示為在鐵路沿線開挖護(hù)坡灰綠色與褐色互層黏土裸露地表.該雜色黏土是由河湖相沉積而成,顆粒分布均勻致密、滲透性極弱,為較好的隔水層；開挖暴露后不久便會發(fā)生風(fēng)化剝落,長久的干濕循環(huán)作用,發(fā)生軟化.因其特殊的工程性質(zhì),雜色黏土與砂層不整合接觸面附近發(fā)生滑坡.在鐵路修建工程中,如圖2所示,灰褐色黏土在護(hù)坡作用下,仍舊發(fā)生二次滑塌.

圖1灰綠色與褐色黏土

圖2灰褐色黏土裸露引發(fā)二次滑塌

該雜色黏土屬于硬質(zhì)黏土,目前對硬質(zhì)黏土已取得了較為豐富的研究.如陳留鳳,彭華[1]通過硬黏土的干濕循環(huán)試驗,發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)對硬黏土的土水特征曲線有影響,但對基質(zhì)吸力變化梯度的影響不明顯；卞夏,丁建文,史劍[2]在考慮超固結(jié)比的影響下,基于硬黏土應(yīng)力靈敏度與重塑孔隙指數(shù)呈線性關(guān)系,提出了屈服后硬黏土的壓縮變形模型；劉銳,鄭洪波[3]通過對硬黏土進(jìn)行系統(tǒng)的粒度分析,推斷該硬質(zhì)黏土沉積環(huán)境為河湖相.滲透系數(shù)是黏土的一項重要參數(shù)指標(biāo),與分層沉積土中地下水狀態(tài)及邊坡穩(wěn)定性等密切相關(guān).

本文針對某鐵路建設(shè)遇到的工程問題,在工程現(xiàn)場采取雜色黏土土樣,進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗、礦物X-衍射與電鏡掃描試驗.利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對雜色黏土的礦物成份、自由膨脹率、孔隙比等進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析,探究影響雜色硬質(zhì)黏土滲透性的主次因素,分析其影響機(jī)制,為工程建設(shè)提供參考.

1 試驗方案與方法

1.1 試樣制備

雜色硬黏土取自山西某鐵路沿線,利用鉆機(jī)取樣,取樣深度如圖3所示.為了避免運輸過程中發(fā)生擾動,將鉆機(jī)取出的樣品先用保鮮膜及鐵皮包裹后,再用液體蠟密封至PVC管內(nèi),裝至木箱運回實驗室；拆除樣品時,先將外部固體蠟用高溫吹風(fēng)機(jī)熔化,然后將PVC管、鐵皮拆除,拆除過程中盡量避免人為擾動.依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,按沉積方向?qū)ν翗酉髑谐芍睆綖?1.8 mm高度為40 mm 的環(huán)刀試樣.選定紫褐、灰綠、灰褐、灰黑、棕褐、褐黃6種顏色黏土,每種顏色削切3個環(huán)刀試樣,設(shè)為一組,共計6組,進(jìn)行滲透試驗；同時將這6種顏色的黏土放入烘箱烘干后碾碎,用0.075 mm細(xì)篩篩出的土顆粒進(jìn)行X-Ray衍射試驗；另將土樣自然風(fēng)干后,沿豎直和水平方向削成1 cm3的小方塊,進(jìn)行掃描電鏡實驗.

圖3雜色黏土取樣深度

1.2 變水頭滲透試驗

滲透是液體在多孔介質(zhì)中運動的現(xiàn)象,通過滲透系數(shù)這一指標(biāo)進(jìn)行表示.由于雜色黏土為較細(xì)顆粒的土,故采用變水頭滲透試驗進(jìn)行滲透系數(shù)的測定[4],試驗裝置主要組成如圖4所示,滲透系數(shù)計算確定方法見式(1).

圖4變水頭滲透試驗儀器

式中:k為滲透系數(shù)(cm/s)；a為變水頭管截面積(cm2)；L為滲徑,等 于 試樣高度(cm)；h1為開始 時水頭(cm)；h2為終止時水頭(cm)；A為試樣的斷面積(cm2)；t為時間(s).

由于室內(nèi)試驗并非在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行,故需對試驗結(jié)果進(jìn)行校正,見式(2):

1.3 X衍射與電鏡掃描試驗

在西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動力學(xué)國家重點實驗室分別進(jìn)行X 衍射與電鏡掃描試驗.利用X 射線對這6種黏土的0.075 mm顆粒進(jìn)行衍射,得到衍射圖譜.由于每種礦物的元素、基團(tuán)、結(jié)構(gòu)等有所不同,表現(xiàn)在圖譜中峰值數(shù)目、角度、形狀等有所差異.根據(jù)已知礦物X 射線衍射圖進(jìn)行對比分析,確定礦物成分；根據(jù)每種礦物衍射強度數(shù)據(jù)分析計算,確定每種礦物含量.將1 cm3的樣品置于載物臺上并鍍金膜,在捷克FEI公司生產(chǎn)的FEI Quanta 400 FEG環(huán)境掃描電子顯微系統(tǒng)下進(jìn)行掃描.

1.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

對雜色黏土進(jìn)行X-衍射、電鏡掃描等需要耗費大量財力、物力且試驗結(jié)果數(shù)量有限,因此選擇灰色關(guān)聯(lián)分析法研究各個因素對滲透系數(shù)的影響.灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論中十分活躍的一個分支,基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷不同序列之間聯(lián)系是否緊密.本文選擇鄧聚龍教授提出的灰色關(guān)聯(lián)分析模型進(jìn)行分析[5].其基本方法如下:

設(shè)X0為主序列X0={X0(k)|k=1,2,…,n},Xi為比較序列Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,m)(m為比較因子).分別對上述序列進(jìn)行區(qū)間像處理,見式(3):

根據(jù)式(6)計算各個序列中每個因子的關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中:Δmax為主數(shù)列的因子與所有比較序列對應(yīng)因子差值的最大絕對值,由式(7)求得.

式中:Δmin為主數(shù)列因子與所有比較序列對應(yīng)因子差值的最小絕對值,由式(8)求得.

式中:ε 為分辨系數(shù),由式(6)可知,ε 越大,則最大值Δmax對關(guān)聯(lián)系數(shù)影響越大,反之,ε越小,最大值Δmax對關(guān)聯(lián)系數(shù)影響越小.一般令ε=0.5,但是根據(jù)呂鋒[6]對灰色關(guān)聯(lián)度的分辨系數(shù)的研究和有關(guān)定理證明,對于系統(tǒng)因子受到強干擾或者出現(xiàn)異常大值時,可以將ε 取的小一些,以減弱上述因素的影響；對于觀測序列規(guī)律性強、離亂性弱的情況下,可以將ε取相對大一些.分辨系數(shù)ε 取值規(guī)則如下:

設(shè)Δv為所有差值絕對值的均值,見式(9):

ΔX與ε 的取值有關(guān),見式(10):

ε 的取值為:

當(dāng)Δmax＞3Δv時,ΔX≤ε＜1.5ΔX；

當(dāng)Δmax≤3Δv時,1.5ΔX≤ε≤2ΔX.

這樣取值既考慮系統(tǒng)整體性,又可以避免異常值的影響,同時使取值更具客觀性、靈活性和智能性.在滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度分析中,根據(jù)計算選擇ε=0.3更符合實際情況.

由于求取的關(guān)聯(lián)系數(shù)只表示的是比較因子的樣品數(shù)據(jù)與主行為樣品數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)程度,并不代表整體數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度且不便于比較,故利用關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值作集中化分析處理得到一個較有代表性的關(guān)聯(lián)度,見式(11):

2 試驗結(jié)果與計算分析

2.1 雜色黏土試驗結(jié)果分析

每種顏色取3個試樣,求取這3個試樣滲透系數(shù)平均值,獲得6組顏色黏土滲透系數(shù),同時測得黏土天然含水率及飽和含水率；利用X 射線求得每組顏色礦物含量,其中每組顏色黏土做礦物分析時,原則上用兩個試樣礦物含量求取平均值作為該組顏色礦物含量分析結(jié)果,若兩組試樣礦物含量相差大,再進(jìn)行第3個試樣礦物分析,獲得較為可靠的分析結(jié)果,試驗處理結(jié)果見表1.

從表中的試驗結(jié)果可以看出,該地區(qū)與其它地區(qū)黏土明顯不同.如廣西武鳴紅黏土及桂林紅黏土,其礦物成分以高嶺石為主,含量在56%～74%之間,含少量三水鋁石、針鐵礦等,武寧地區(qū)黏土不含石英,桂林含少量石英[7]；成都黏土主要由風(fēng)塵堆積物形成,具有裂隙性和脹縮性,石英平均含量為37.5%,黏土礦物以高嶺石為主,其次伊利石和蒙脫石[8]；上海地區(qū)沉積淤泥質(zhì)黏土,黏土礦物以水云母、蒙脫石為主,天然含水量高,孔隙比大,礦物聯(lián)結(jié)弱,結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[9].山西武鄉(xiāng)地區(qū)雜色黏土滲透系數(shù)差異較大,紫褐與灰綠色滲透系數(shù)與褐黃色相差3個數(shù)量級；紫褐色與灰綠色膨脹性較大,其他顏色基本無膨脹性；孔隙比在45%～68%之間,較為密實,天然含水率高；黏土礦物以蒙脫石為主,其次為伊利石,不含高嶺石；石英礦物含量最多,其次是黏土礦物,其原因可能是在某一時期,該地層河湖相沉積的砂質(zhì)泥巖裸露地表,硅酸鹽礦物風(fēng)化形成黏土、石英等礦物,后經(jīng)黃土覆蓋,風(fēng)化作用減弱,石英與黏土礦物等在沉積作用下形成透水性差、結(jié)構(gòu)致密的的雜色黏土；灰黑色含鐵礦物較多,其它顏色含量較少,個別顏色含有白云石.總體來說山西武鄉(xiāng)黏土不同顏色礦物含量、工程性質(zhì)有所差異.

表1試驗結(jié)果一覽表

2.2 雜色黏土滲透性的灰色關(guān)聯(lián)計算

本文選擇滲透系數(shù)作為主行為序列X0,由于滲透系數(shù)數(shù)量級較小,最小數(shù)量級為10-7,不同顏色滲透系數(shù)數(shù)量級差異較大,為此進(jìn)行對數(shù)處理[10],均為負(fù)值為方便比較再進(jìn)行絕對值處理如圖5所示.

圖5雜色黏土滲透系數(shù)曲線

另外選擇自由膨脹率、孔隙比、蒙脫石、伊利石、方解石、鉀長石、斜長石、石英、白云石和含鐵礦物在不同顏色黏土中的含量作為比較序列Xi,經(jīng)過公式(3)～(5),進(jìn)行規(guī)范化處理,所得結(jié)果分別如圖6所示.

圖6序列區(qū)間化處理

根據(jù)公式(6)～(11),分別計算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度,結(jié)果見表2.

表2關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度結(jié)果一覽表

3 雜色黏土滲透因素關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)計算結(jié)果,雜色黏土滲透性關(guān)聯(lián)度的排序從高到低:蒙脫石＞自由膨脹率＞鉀長石＞斜長石＞孔隙比＞石英＞含鐵礦物＞方解石＞白云石＞伊利石.分析如下:

1)滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度最大的是蒙脫石,這與蒙脫石結(jié)構(gòu)有關(guān).蒙脫石直徑較小,比表面積較大；其為層狀硅酸鹽礦物,呈負(fù)電性的晶片結(jié)構(gòu)；晶片表面負(fù)電荷吸引孔隙溶液中的陽離子,在固-液接觸面聚集,另外晶體表面交換性離子吸附極性水分子[11].這些表面的離子、水分子形成帶有十至百毫伏電位的吸附層和擴(kuò)散層,如圖中電位ψ的大小變化曲線.電位ψ產(chǎn)生的微電場使水分子定向排列形成定向水膜,包圍在黏土顆粒表面.結(jié)合水膜黏度和密度很大,具有似固體性的黏滯性質(zhì)[12-13],自由水的流動受限,影響雜色黏土的滲透性,如圖7所示.

圖7黏土顆粒擴(kuò)散雙電層離子分布

2)雜色黏土自由膨脹率與其滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度也較大.從自由膨脹率看,紫褐色為50.8%,灰綠色為65.5%,灰色褐色為14.5%,黑色為24%,棕褐色為8%,褐黃色為22%.根據(jù)公路路基設(shè)計規(guī)范(JTJ013—95),當(dāng)自由膨脹率小于40%時,不具膨脹性；40%～60%為弱膨脹性土；60%～90%之間為中膨脹性土；大于90%為強膨脹性土.故紫褐色為弱膨脹性土,灰綠色為中膨脹性土,其他顏色的土不具膨脹性.影響土的膨脹性最大的因素是黏土礦物中蒙脫石的含量[14],因蒙脫石晶層間在吸附水過程中,體積發(fā)生較大膨脹,堵塞孔隙,使得有效孔隙減少,自由水流動通道減少,滲透性降低,從而表現(xiàn)出滲透系數(shù)較小.故黏土自由膨脹率與滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān).

3)影響雜色黏土滲透性另一因素是孔隙比.由于孔隙比只表征孔隙總體數(shù)量,無法體現(xiàn)孔隙的大小分布情況,所以結(jié)合掃描電鏡加以分析,如圖8所示.

圖8雜色黏土孔隙電鏡掃描圖

從圖8可看出,紫褐色以微孔為主,量測在0.6～5.8μm 之間；灰綠色以微孔、小孔為主,在0.5～7.3 μm 之間；棕褐、灰黑以中、小孔為主,量測在3.2～26.6μm 之間；灰褐色和褐黃孔隙數(shù)量較多,且褐黃砂質(zhì)含量較多.并且這些孔隙并不完全相互連通,孔隙可以分為孤立孔隙、聚集體間孔隙和聚集體內(nèi)的孔隙,如圖9所示.

圖9孔隙分類

孔隙中含有結(jié)合水、毛細(xì)水以及重力水,毛細(xì)水及重力水統(tǒng)稱為自由水.孤立孔隙的特點是數(shù)量較少,連通性差,因此對黏土的滲透性影響不大；聚集體顆粒之間的孔隙是滲流的主要通道,因此對滲透性的影響最大,其中心為自由水,邊緣為結(jié)合水.聚集體顆粒內(nèi)孔隙連通性較好,但與外部連通性較差,一般對滲透性影響不大,全部或部分為結(jié)合水,如圖10所示.

圖10黏土中的孔隙水

但當(dāng)外部水力梯度達(dá)到一定值時,水力梯度產(chǎn)生的力克服了結(jié)合水中的黏滯力,使得結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水,滲透系數(shù)略有增大[15],實驗中發(fā)現(xiàn)同一種土在不同的水力梯度下滲透系數(shù)數(shù)量級沒有改變,但是數(shù)值大小有所差異,最終滲透性的變化趨于穩(wěn)定,見表3.

表3不同水力梯度灰綠色滲透系數(shù)

綜合孔隙比和掃描電鏡的分析可知,滲透系數(shù)較小的雜色黏土孔隙以微孔隙、小孔隙為主,且孔隙比小而密實,如紫褐色、灰綠色；滲透系數(shù)較大的雜色黏土以中孔隙、小孔隙為主且孔隙比大而疏松,如棕褐色、褐黃色.孔隙比定性表示孔隙整體數(shù)量,因此它與滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度相對小些.

3)長石類礦物與黏土礦物反應(yīng),生成金屬離子、石英等礦物,這種長石溶解作用從泥質(zhì)砂巖風(fēng)化就已經(jīng)開始,后在黃土沉積作用下進(jìn)行；這種物質(zhì)交換反應(yīng)對次生孔隙有顯著控制作用[16]；因此長石類礦物含量與滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)度實則是沉積環(huán)境對雜色黏土滲透性的影響.根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小可以確定蒙脫石水理特性對雜色黏土滲透行的影響大于沉積環(huán)境對其的影響.

4 結(jié)論

本文利用灰色關(guān)聯(lián)計算出蒙脫石、長石等礦物成分,自由膨脹率、孔隙比等參數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)聯(lián)度.

1)影響雜色黏土滲透性最大的是蒙脫石含量,與蒙脫石負(fù)電性晶片結(jié)構(gòu)密切相關(guān).

2)其次是自由膨脹率,根據(jù)各個顏色膨脹率大小發(fā)現(xiàn)紫褐色為弱膨脹性土,灰綠色為中膨脹性土,其他顏色的土不具膨脹性.主要是蒙脫石吸水膨脹,堵塞有效孔隙,從而滲透性降低.

3)孔隙比只定性表示孔隙整體數(shù)量,因此關(guān)聯(lián)度相對較小些.結(jié)合掃描電鏡分析了孔隙大小以及孔隙中的水對滲透性的影響.

4)長石類礦物與黏土類礦物在黏土風(fēng)化、沉積過程中發(fā)生一系列反應(yīng),并對次生孔隙有顯著控制作用,其與滲透性的關(guān)聯(lián)實則是沉積環(huán)境對滲透性的影響.根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小可知,以蒙脫石黏粒含量為主的雜色黏土的水理特性對雜色黏土滲透性的影響大于沉積環(huán)境對其的影響.