（地质工程专业论文）安徽省膨胀土的综合研究.pdf

安徽省膨胀土的综合研究 摘要 本文对安徽省膨胀土进行了综合研究。通过对主要地区所取的典型土样室 内土工试验，得出了液限、塑限、自由膨胀率和膨胀力等一系列参数，以及膨 胀土干湿循环胀缩特性，单向浸水膨胀规律特性。运用x 射线衍射、结合偏光 显微镜、扫描电镜( s e m ) 、化学全分析得出了土样矿物组分。掺灰击实试验得 出了安徽主要膨胀土分布地区土样的最大干密度、最佳含水量与掺灰量的关系。 借助土电阻率测试仪，研究了含水率、饱和度、孔隙率、温度与干密度等对非 饱和土电阻率的影响特征。综合以上研究成果，进而总结出全省膨胀土的物理 力学性质和化学成分、分析出膨胀土地质条件成因，制定出针对安徽省的膨胀 土判别分类方法、探讨中微观结构与工程性质之间的关系，并对省内膨胀土的 各种不良作用以及改良措施进行研究，为安徽省内工程建设提供必要的数据和 合理化建议。 关键词：膨胀土 中微观结构判别方法矿物成分工程性质土电阻率 c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho ne x p a n s i v es o i li na n h u ip r o v i n c e a b s t r a c t jh l s p a p e rt a m e so u tac o m p r e h e n s i v er e s e a r c h0 nt h ee x p a n s i v es o i lo fa n h u i p r o v m c e b yl a b o r a t o r yt e s t so nt h et y p i c a ls o i ls a m p l e st a k i n gf r o mm a j o rr e g i o n s ，i t c o m e so u tw i t ht h ep a r a m e t e r ss u c ha ss u c ha st h el i q u i dl i m i t , t h ep l a s t i c1 i m i t t h ef r e e s w e l l i n gr a t ea n dt h e s w e l l i n g f o r c ea sw e l la st h e e x p a n s i v es o i ls w e l l s h r i n k c h a r a c t e r i s t i c so fw e ta n dd r yc y c l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f o n e w a yi m m e r s i o ns w e l l i n g l a w i to u t c o m e st h em i n e r a lc o m p o n e n t so ft h es o i l s a m p l e sb yt h ec o m p r e h e n s i v e a d o p t i o no fx 一则d i f f r a c t i o n , p o l a r i z i n gm i c r o s c o p e ，s e ma n dc h e m i c a la n a l y s i s d o p e d l i m ec o m p a c t i o nt e s tt e l l st h em a x i m u md r yd e n s i t y , t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb e s ta m o u n t o fw a t e rr a t ea n da s hd o p e do fs o i ls a m p l e sf r o mt h em a i nd i s t r i b u t i o na r e a so fe x p a n s i v e s o i lo fa n h u i p r o v i n c e i tf u r t h e rr e s e a r c h e si n f l u e n c et h a tt h em o i s t u r er a t e ，t h es a t u r a t i o n ， t h ep o r o s i t y , t h et e m p e r a t u r ea n dt h ed r y d e n s i t yh a v eo nt h eu n s a t u r a t e ds o l lr e s i s t i v i t yb y u s i n gs o i lr e s i s t i v i t ym e t e r i tc o n c l u d e st h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa sw e l la s t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t so ft h ew h o l ep r o v i n c e se x p a n s i v es o i la n d a n a l y z e st h ec a u s c so f e x p a n s i v es o i lc o n d i t i o n si no r d e rt od r a f tae x p a n s i v es o i lc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ，e x p l o r e t h er e l a t i o nb e t w e e nt h em e d i u m - m i c r os t r u c t u r ea n dt h ee n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s i nt h ee n d ， i tp u t sf o r w a r ds o m en e c e s s a r yd a t aa n dr e a s o n a b l es u g g e s t i o n sf o rt i l ep r o je c tc o n s t r u c t i o n o fa n h u ip r o v i n c et h r o u g ht h er e s e a r c h e so nt h ea d v e r s ee f f e c t sa n dt h ei m p r o v e m e n t m e a s u r e sa b o u tt h ep r o v i n c e se x p a n s i v es o i l k e y w o r d s ：e x p a n s i v es o i l ；m e d i u m - m i c r os t r u c t u r e ；c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ；m i n e r a l c o m p o n e n t ；e n g i n e e r i n gp r o p e r t y ；s o i lr e s i s t i v i t y 插图清单 图1 1 安徽省膨胀土分布图( 1 ：3 0 0 万) 5 图4 1 宿州膨胀土的中观结构特征照片1 3 图4 2 怀远膨胀土的中观结构特征照片1 4 图4 3 蚌埠膨胀土的中观结构特征照片1 4 图4 4 定远膨胀土的中观结构特征照片1 4 图4 5 凤阳膨胀土的中观结构特征照片1 4 图4 6 肥东膨胀土的中观结构特征照片1 5 图4 8 肥西膨胀土的中观结构特征照片l5 图4 9 合肥膨胀土的中观结构特征照片1 6 图4 1 0 桐城膨胀土的中观结构特征照片1 6 图4 1 l 宿州膨胀土的微结构特征照片1 7 图4 1 2 怀远膨胀土的微结构特征照片1 7 图4 1 3 蚌埠膨胀土的微结构特征照片1 8 图4 1 4 风阳膨胀土的微结构特征照片1 8 图4 1 5 定远膨胀土的微结构特征照片1 9 图4 1 6 肥东膨胀土的微结构特征照片1 9 图4 1 7 合肥膨胀土的微结构特征照片2 0 图4 1 8 肥西膨胀土的微结构特征照片2 0 图4 1 9 庐江膨胀土的微结构特征照片2 1 图4 2 0 桐城膨胀土的微结构特征照片2 1 图5 1 液限、塑性指数与单种矿物的关系散点图2 4 图5 2 自由膨胀率与单种矿物的关系散点图2 4 图5 3 膨胀力与单种矿物含量的关系散布图2 5 图5 4 膨胀土的液限、塑性指数以及膨胀性与阳离子交换能力的关系2 5 图5 5 研究区内膨胀土氧化程度变化折线图2 6 图5 6 膨胀土的w i 、i d 、f 。、p 。与氧化程度的关系图2 6 图6 1 循环胀缩过程中土样高度与时间的关系3 0 图6 2 相对膨胀量与时间的关系3 0 图6 3 各级膨胀过程中土样高度与膨胀时间的关系3 1 图6 4 各级膨胀过程中相对膨胀量与膨胀时间的关系3 1 图6 5 各级收缩过程中土样高度与收缩时间的关系3 2 图6 6 初始含水率为1 6 的土样在不同垂直压力下膨胀率与初始干密度之间的关 j 暴3 z i 图6 7 初始含水率为18 的土样在不同垂直压力下膨胀率与初始干密度之间的关 j i 3 5 图6 8 初始含水率为2 0 的土样在不同垂直压力下膨胀率与初始干密度之间的关 系一3 5 图6 9 初始含水率为2 3 的土样在不同垂直压力下膨胀率与初始干密度之间的关 j 暴一一3 5 图6 1 0 初始干密度为1 5 0 9 t i l l 3 的土样在不同垂直压力下膨胀率与初始含水率 之间的关系3 6 图6 1 1 初始干密度为1 5 7 9 c n l 弓的土样在不同垂直压力下膨胀率与初始含水率之 间的关系3 6 图6 1 2 初始干密度为1 5 0 9 c m 。3 的土样在不同初始含水率下膨胀率与垂直压力 之间的关系3 7 图6 1 3 初始干密度为1 5 7 9 c m - 3 的土样在不同初始含水率下膨胀率与垂直压力 之间的关系3 7 图6 1 4 黏性土中电流的三种流通路径示意图3 8 图6 1 5 电路原理图3 8 图6 1 6 土的电阻率随含水率的变化关系3 9 图6 1 7 土的电导率随温度的变化关系4 0 图6 1 8 土的电阻率随孔隙率的变化关系4 1 图6 1 9 电阻率与击实功的关系4 1 图6 2 0 膨胀力与电阻率的关系4 2 图7 1 利用塑性图对研究区内膨胀土等级分类4 3 图7 2 安徽省膨胀土分布区大地构造图( 据韩树菜1 6 u ) 4 5 图8 1 宿州石灰土击实试验曲线总图4 9 图8 2 蚌埠石灰土击实试验曲线总图4 9 图8 3 怀远石灰土击实试验曲线总图4 9 图8 4 肥西石灰土击实试验曲线总图5 0 图8 5 庐江石灰土击实试验曲线总图5 0 图8 6 桐城石灰土击实试验曲线总图5 0 图8 7 各地区不同掺灰率灰土的最大干密度曲线图5 1 图8 8 各地区不同掺灰率灰土的最优含水量曲线图5 1 图8 9 宿州饱和石灰土无侧限抗压强度曲线5 3 图8 1 0 蚌埠饱和石灰土无侧限抗压强度曲线5 3 图8 1 1 怀远饱和石灰土无侧限抗压强度曲线5 4 图8 12 肥西饱和石灰土无侧限抗压强度曲线5 4 图8 1 3 庐江饱和石灰土无侧限抗压强度曲线5 4 图8 14 桐城饱和石灰土无侧限抗压强度曲线5 4 表格清单 表2 1 自由膨胀率试验结果6 表2 2 膨胀土物理性质指标6 表2 3 膨胀土击实试验结果7 表2 4 土的抗剪强度参数。7 表2 5 土的压缩性评价8 表2 6 膨胀土压缩试验结果8 表3 1 粘土矿物的特性9 表3 2 膨胀土x 射线衍射半定量分析成果表1 0 表3 3 膨胀土化学成分与含量平均值( ) 1 l 表4 1 结构研究分类表1 2 表5 1 研究区内各地膨胀土粒度组分与工程地质性质2 3 表5 2 研究区内物理力学性质分组对比表2 7 表6 1 膨胀土基本物理力学性质指标2 9 表6 2 各级膨胀过程中不同膨胀阶段完成的时间m i n 3 1 表6 3 各级收缩过程中t l 与t 总的大小m i n 3 2 表6 4 膨胀土基本物理力学性质指标3 3 表6 5 初始含水率为1 6 的土样3 3 表6 6 初始含水率为l8 的土样3 4 表6 7 初始含水率为2 0 的土样3 4 表6 8 初始含水率为2 3 的土样3 4 表6 9 不同垂直压力下不同初始含水率土样膨胀率与初始干密度的线性回归式3 6 表6 10 膨胀土基本物理力学性质指标3 9 表6 1 1 不同浓度n a c l 溶液的电阻率大小一4 0 表7 1 不同分类方法对照表4 4 表7 2 调整后分类法4 4 表7 3 根据表7 2 分类结果4 4 表8 1 各地区不同掺灰率灰土的最大干密度5 1 表8 2 各地区不同掺灰率灰土的最优含水量5 2 表8 3 各地区掺灰膨胀土无侧限抗压强度5 3 表8 4 膨胀土胀缩性质表5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆：些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一擀叶晖榔期：渺年妒月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：叶瞬 签字日期：沙年中矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：枷均 签字日期：伽f o 年呼, e l 哆舀 电话： 邮编： 致谢 本研究及学位论文是在我的导师崔可锐教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染 和激励着我。从课题的选择到论文的最终完成，崔老师都始终给予我细心的指 导和不懈的支持。两年多来，崔老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在 思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向崔老师致以诚挚的谢意和崇高 的敬意。 在两年的研究生学习和论文撰写期间，得到了资源与环境工程学院各位院 系领导和老师，尤其是岩土工程教研室各位老师在生活学习中予以诸多的关怀。 本人在此一并表示衷心的感谢! 最后，衷心感谢我的家人，他们的全力支持和关心才使我能顺利完成大学 的学业! 作者：叶昆荣 2 0 10 年4 月 第一章：绪论 1 1 膨胀土研究现状 膨胀土及其工程危害问题一直是当今国内外工程地质领域始终没能得到妥 善解决的世界性技术难题，有岩土工程界的“癌症 之称。它具有渗透性差、 吸水膨胀、失水收缩多裂隙等工程特性，这对于膨胀土路堤、路堑、结构构造 物的稳定将产生重大影响。全世界每年因此造成的经济损失高达15 0 亿美元以 上，其中我国是受害最严重的国家之一，分布极为广泛，遍布安徽、广西、云 南、湖南、河南等2 0 多个省、自治区。 膨胀土的问题直到2 0 世纪3 0 年代后期才被土力学工程师们所认识。随着 经济建设的发展，膨胀土的研究越来越引起岩土工程界的注意。19 5 9 年，美国 首次全国性的膨胀性粘土学术会议在科罗拉多州召开，第一届国际膨胀土会议 也于1 9 6 5 年在德克萨斯州召开。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、美国、罗马尼亚、 前苏联和日本都相继在正式的土工规范与铁路规范等文件中增列了有关膨胀土 的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的重视及对其所采取的科学态度。 可以认为膨胀土的研究已经从一个国家或地区逐渐发展成为世界性的共同 课题。到目前为止，已经先后召开了八届国际膨胀土研究与工程会议，在膨胀 土的成分、结构、强度、膨胀机制以及变形等方面取得了许多很有价值的研究 成果。目前国内外都加强了对膨胀土的性质与工程处理两方面的研究，膨胀土 的性质研究具体是从微观结构、渗透性、强度和变形四个方面来进行的。并结 合矿物成分测试、本构关系、改良与整治等方面开展工程处理研究。 1 2 安徽省地理位置及地形地貌 1 2 1 地理位置 安徽省简称皖，位于中国东南部。居华东腹地，东连江苏省、浙江省，南 邻江西省，西接湖北省、河南省，北靠山东省，地处长江、淮河中下游，距 东海1 6 0 - - 一6 0 0 千米，是沿海与内陆腹地的过渡带。东西宽约4 5 0 千米，南北长 约5 7 0 千米。面积1 3 9 7 万平方千米。 安徽省年平均气温在l4 1 7 之间，由北向南递增。淮北平原1 月平均气温 在o 以下，越往南气温越高，最南部的屯溪盆地，1 月平均气温在4 。c 以上。 全省7 月平均气温一般都在2 7 - 2 9 之间，沿江地带超过2 9 ，大别山和皖南 山区因地势较高，夏季凉爽。全省无霜期在2 0 0 2 5 0 天，南长北短，淮北2 0 0 2 1 5 天，沿江地区西部2 5 0 天。初霜期在1 0 月下旬一1 1 月中旬；终霜期在4 月上旬 以前。省内大部分地区年降水量在8 0 0 1 7 0 0 m m 之间，1 0 0 0 m m 年等值线通过中 部江淮丘陵地区。降水的分布特点是：南多北少，山地多，平原和丘陵地区少。 其水汽主要来自海洋的夏季季风输送，因而夏季雨水集中，北部地区更加突出。 全省年降水季节变化较大，淮河以北降水的年际变化大于长江以南。 蒸发量自北向南递减，淮北10 0 0 13 0 0 m m ，江淮约11o o m m ，江南 9 0 0 1 1 0 0 m m 。省内北部潮湿系数0 7 1 o ，为湿度适中区。南部大于1 0 ，为湿 度充足与过剩区。 全省夏盛行偏南风，冬季偏北风，春秋两季以偏东风和偏北风为主。沿江、 湖泊一般风速较大，山区除山顶外，风速较小。 1 2 2 地形地貌 安徽省地处我国第三级陆地阶梯范围，位于黄淮平原，秦岭余脉，长江中 下游平原和江南丘陵的交接地区，跨长江、淮河、新安江三大流域，省内平原、 丘陵、山地等地形类型俱全。地形总体特点是西高东低，南高北低，北部和东 部为平原或丘陵平原区，西部和南部为中、低山区。全省可分为五个地貌单元 区【3 1 。 1 、淮北平原区 淮北平原位于淮河以北，属黄淮海平原的南部，地势由西北向东南缓倾， 坡降越八千分之一。淮北平原除北部散布5 0 3 0 0 m 的丘陵外，其余广大地区为 海拔1 4 5 0 m 的一望无际平原。区内河流多平行，由西北向东南注入淮河。 淮北平原由巨厚的第四纪堆积物组成，平原北部为全新世晚期黄河故道泛 滥平原，由河南、山东伸进本区，南抵阜阳、涡阳、宿县、泗县。黄河故道遗 留下来的古河床高地横北部，高出两侧2 - 5 m ，形成局部的地表分水岭。高地两 侧为黄河故道频繁决口形成的泛滥河床、决口扇、扇前洼地、微高地、洼地等 组成的倾斜平原。黄泛平原南部为晚更新世粘性土组成的一级阶地( 河间地) 剥蚀平原，剥蚀平原与黄泛平原的地形倾向一致。一级阶地面保存完整，阶面 平坦，高出河漫滩3 - 5 m ，其上部分地区发育河间洼地。淮河及支流河谷沿岸为 全新世的粘性土、粉土组成的河漫滩，河漫滩宽度0 5 2 k m ，个别4 8 k m ，河漫 滩地形平坦，在淮河干流及支流下游分布较多的湖泊洼地。淮北平原东北部丘 陵，丘坡平缓，丘项浑圆。 2 、江淮波状平原区 江淮波状平原北以淮河为界，南抵皖西山地，东以池河一太湖断裂为界， 西与豫东南平原接壤。区内地貌类型主要为平原，丘陵零散于平原之上，分布 于北部和南部，标高1 0 0 一3 0 0 m 。平原标高2 0 一1 0 0 m ，由数米至数十米的晚中 更新世堆积物组成的二级阶地或山前斜地。二级阶地和山前斜地岗坳相间、起 伏较大，为浅丘状、波状平原。位于河流两侧的河漫滩，呈枝状伸入波状平原。 3 、大别山区 大别山区位于安徽省西南部，为大别山脉的东延部分。大别山脉从河南、 湖北伸进本区，向东终止于宿松桐城一线，与沿江丘陵平原相邻，北部大致 以金寨一霍山一舒城一线与江淮波状平原分界。区内以磨子潭断裂为界，两侧 地形差别较大，以北为低山丘陵，以南为中山、低山，山间多盆地，山顶标高 多在1 4 0 0 m 以上，最高峰白马尖1 7 7 4 m 。 4 、沿江丘陵平原区 2 本区西北以池一太断裂与江淮波状平原、大别山区为界，南部大致以东至 县香口一青阳县城一宣州区新田一线为界，东北和东部与苏南平原相连。本区 低山、丘陵、平原俱存，其中平原、波状平原占本区的8 0 。晚第三纪以来， 区内地壳以间歇性上升为主，大致以长江为轴线，南北两侧上升幅度较大，地 形由南部、北部的低山丘陵向长江河谷倾斜，形成西南收敛向东北部撤开的河 谷平原地形。 本区北部以安庆一枞阳一无为一含山一线以北，为低山丘陵和波状平原。 丘陵和波状平原受北北东向构造控制，相间排列。低山丘陵除局部3 0 0 5 0 0 m m 外，其余均为3 0 0 m 以下丘陵。波状平原为上更新世粘性土组成的二级阶地， 标高2 0 一6 0 m 。宿松巢县一线丘陵的南侧为中更新世粘性土组成的冲洪积倾 斜平原，标高2 0 一8 0 m 。 本区中部为沿江平原，主要由长江及交流的河漫滩，河漫滩两侧为一级、 二级阶地，地面标高1 0 4 0 m 。沿江平原河漫滩宽广，北宽南窄，呈不对称， 地势低平，河网密布，湖泊星罗棋布，较大的湖泊有龙感湖、大官湖、黄湖、 武昌湖、菜子湖、升金湖等。 本区南部以东至一贵池一铜陵一湾址一线以南，为低山丘陵、浅丘状平原。 低山丘陵呈北东向展布，标高一般l0 0 5 0 0 m 。浅丘状平原主要由中更新世冲 洪积物组成的倾斜平原，标高一般4 0 8 0 m 。 5 、皖南山区 皖南山区位于安徽省南部，为江南丘陵一部分，南界为江西省、浙江省。 北界东至一青阳一广德一线。 皖南山区主体由北部的九华山、中部的黄山及南部的白际山一天目山中低 山山脉组成。山体的延伸方向均为北东向。这三条山脉的山脊线标高多在l2 0 0 m 以上，其中黄山莲花峰18 7 3 m ，为安徽省最高峰。三条山脉之间分布着山间谷 地和盆地。 1 3 安徽省内膨胀土的分布 表1 1 安徽省膨胀土分布表 4 膨胀土分布区 图1 1 安徽省膨胀土分布图( 1 ：3 0 0 万) 5 第二章：安徽省膨胀土的物理力学性质研究 2 1 膨胀土的物理性质研究 2 1 1 含水量 含水量是膨胀土重要的物理性质指标，其大小预示着膨胀土的膨胀潜势。 测试出场地天然含水量，对场地膨胀程度具有重要的参考意义。研究区内膨胀 土的天然含水量试验结果如表2 4 所示。 2 1 2 自由膨胀率 自由膨胀率是反映粘土膨胀性的指标之一。自由膨胀率反应了粘土矿物成 分、粒度成分、化学成分和交换阳离子等基本特性，用自由膨胀率指标来衡量 土的膨胀潜势具有很强的可实施性，因为试验操作方便，简单易行。研究区内 膨胀土的自由膨胀率试验结果如表2 1 所示。 表2 1 自由膨胀率试验结果 根据膨胀土的自由膨胀率分类法，膨胀土的自由膨胀率值在3 0 - 5 0 之间属 于弱膨胀土，在5 0 8 0 之间属于中等膨胀土，由表2 1 可知：研究区内膨胀土 的自由膨胀率范围在4 0 0 0 一6 0 0 0 左右，属于弱一中等膨胀土。 2 1 3 界限含水量 表2 2 膨胀土物理性质指标 膨胀土的界限含水量是粘土颗粒与水相互作用的一种属性，膨胀土一般具 有高液限、高塑性指数的特点( 表2 2 ) 。 由表2 2 可知：研究区内的膨胀土其液限值范围为3 9 7 一5 0 3 ，塑性指 数范围为1 6 8 - 2 9 6 ，初步判定属于弱一中等型膨胀土。 6 2 2 膨胀土的力学性质研究 2 2 1 击实试验 工程施工均需对场地进行压实以增强承载力和减少工后沉降，事先得到所 用填料的最大干密度和最佳含水量是控制场地压实质量必要条件。而这两个指 标是通过击实试验获取的。研究区内膨胀土的击实试验结果如表2 3 所示。 表2 3 膨胀土击实试验结果 宿县1 9 0 4 31 6 2 5 蚌埠1 7 9 7 91 4 7 6 怀远1 8 3 3 4 i 5 4 8 肥西1 7 7 0 01 7 9 4 合肥184001 6 0 0 庐江179701 7 8 6 桐城177701 7 5 1 由表2 3 可知，研究区内膨胀土的最大干密度( g c l t l 3 ) 为1 7 7 0 0 1 9 0 4 3 ，最优含 水量( ) 为1 6 0 0 1 7 9 4 ，表明其最大干密度值较天然状态偏大，而最优含水量值较 天然状态偏小。 表2 4 土的抗剪强度参数 主；装兰 天然含水量( ) 粘聚力c ( k p a ) 内摩擦角9 ( 。) 宿州 怀远 蚌埠 风阳 定远 肥东 合肥 肥西 庐江 桐城 2 2 8 2 5 4 2 3 6 2 2 9 2 3 6 2 4 3 2 3 1 2 1 1 2 2 2 2 2 3 2 2 2 抗剪强度试验 膨胀土具有多裂隙性和各向异性，研究室抗剪强度应该进行三轴剪切试验， 但因试验条件所限，本文只做了土的直剪试验，其试验结果如表2 4 所示。由 表可知，安徽省内膨胀土抗剪强度较高，除桐城膨胀土凝聚力低于1 0 0 k p a ，其 余地区均超过1 0 0 k p a 。 7 加如如加 l 3 5 5 8 2 6 3 4 4 5 9 3 3 9 7 4 2 4， o o 2 o o o 2 2 0 m加他加m如心屹加泓 2 2 3 固结试验 土在外荷载作用下，其内部砌体和孔隙水将逐渐被挤出，土骨架破坏，颗 粒接触更加紧密。 固结试验是研究土的压缩性的最基本的方法，得到的试验指标压缩系数a 和压缩模量e s 是评价土的压缩性的重要指标。试验按照土工试验方法标准 ( g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 【l5 j 规定采用作用在土上的应力为1 0 0 k p a 和2 0 0 k p a 所得到 的a 1 2 和e s 一：作为评定土压缩性高低的指标，其评价标准如表2 5 所示。 表2 5 土的压缩性评价 安徽省内膨胀土的压缩试验结果如表2 6 所示。由表2 6 可知，安徽省内 膨胀土均为中等压缩性土。 表2 6 膨胀土压缩试验结果 宿州 怀远 蚌埠 凤阳 定远 肥东 合肥 肥西 庐江 桐城 8 4 6 6 3 l 7 5 8 2 5 9 4仉2石互c；m 8 9 l 9 8 7 9 l l l拍毖儒侈为拍”加挖 o o o o o o o o o o 第三章：安徽省膨胀土的矿物化学成分研究 3 1 膨胀土中常见矿物 膨胀土的形成和演化过程很复杂，不同的母岩经物理化学风化改造和水流 的搬运分离作用，不同的地质时代与沉积环境的条件下，形成了不同成因类型 的膨胀土。膨胀土的矿物成分包括各种粘土矿物和碎屑矿物，大致有2 0 余种 之多【1 1 。碎屑矿物主要为石英、长石( 主要为斜长石) 和云母( 主要为水云母) ， 其次为方解石和硬石膏等轻矿物成分。重矿物含量较少，主要有锆石和电气石， 次为石榴石、十字石、角闪石及其它矿物等。由于这些矿物大多是粗颗粒的组 成物质，在膨胀土中含量有限，研究并不太多。粘土矿物主要是蒙脱石、伊利 石和高岭石，它们是组成膨胀土的物质基础，对膨胀土的性质起着决定性作用， 因此研究较多。 粘土矿物的特点【i 6 】 1 颗粒极细，比表面积极大：粘土矿物的特性如表3 1 所示。粘土矿物中 按活跃性从高到低排序依次为蒙脱石、伊利石、高岭石。 表3 1 粘土矿物的特性 2 吸附能力极强：当颗粒小到胶粒时，就具有表面能，比表面积越大，表 面能就越强，就和周围的离子、原子、分子及微粒产生相互作用，形成微观力 力场。 3 粘土矿物颗粒的带电性：粘土矿物颗粒呈微小片状，在片状的表面带有 负电荷，而在颗粒的边棱处或断口处局部带正电荷。土颗粒表面的负离子电荷 与其从固定层、扩散层中吸附的正离子电荷一起构成双电层，双电层也可以理 解为固定层和扩散层中电性相反。这样在土粒周围形成了电场及复杂的离子吸 附与交换活动，使土的工程性质发生变化。 3 2x 射线衍射的研究 1 x 射线衍射对研究区膨胀土矿物成分的研究 随着x 射线衍射仪的不断改进，研究的不断深入，各种粘土矿物定性、半 定量、定量方法应运而生，使得x 射线衍射方法在粘土矿物研究中的应用日趋 广泛。x 射线衍射分析简便，速度快，结果可信度高，是研究矿物化学成分的 一个有效途径。 9 2 x 射线衍射对矿物成分的定性分析1 4 , 1 8 , 1 9 , 2 0 l ( 1 ) 仪器、试验参数及试样 试验所用仪器为日本产d m a x - r b 型x 射线衍射仪。试样为安徽省内几个地 区的典型膨胀土，呈粉末状。 ( 2 ) 试验结果及数据分析 试验衍射图潜参阅附录，半定量分析的结果见表3 2 。 表3 2 膨胀土x 射线衍射半定量分析成果表 从表3 1 中，按蒙脱石含量对安徽省膨胀土胀缩等级分类，均属于中等型 膨胀土。 3 3 化学成分的研究 研究区内膨胀土的化学成分以s i 0 2 为主，次为a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 。s i 0 2 、a 1 2 0 3 、 f e 2 0 3 三者百分比含量之和一般大于8 5 。膨胀土的硅铝比( s i 0 2 a 1 2 0 3 ) 为4 3 一 一6 3 。一般情况下，硅铝比愈大，粘性土的胀势潜力愈大( 表3 3 ) 。 l o 卜一n 8卜寸”卜卜一价口口卜。口一卜n n 8n 一气卜n 卜n 卜。卜一卜s 卜 寸o n 9 卜口虮n n 一卜n “昏n o 9也卜9口“n o o 9一“寸。吨崎 n 崎婚“o o n 岔o o 一 寸甘”o 一 口n “一乜寸均乙” 峪“ n 岔寸 卜岬” o 0o n 一o卜心o o 卜o口。一 一一口 夸 o 寸n o n n o o 一卜o “o 一寸n 口”o 一小口n o 一寸昏n ”o 一 n 冀n 0 1 【 寸”on o “n 卜n寸 n “ ”n 0卜口0寸0卜吨o 一 。卜o o 卜一o o 一卜o n n o a 口o 寸寸一 卜口n i i “ n 岔o 0 卜n o 0 n 口i岔t o o 一0 o 岔0 寸昏一 。昏寸 。小n o 一i 寸”“n 寸n 一o o 口o 卜寸o o n o i ”o 叼 寸o n o 一”o 卜一一 寸n o _ 口。寸 。卜o 一o o 心寸o o o o 一o 卜n o o o 小一0 n o 0 n o n 卜寸o o o 卜o o n 一 o n 一o n n o 0 小寸n n o o 卜n o 0 n 寸n 寸o 0 o o 一o n o “ 卜o o 一o 0 n n i 卜oo 0 ”on 岔0 n n i 一_ _ 岔o 一0 n i 口【 n 口n卜冀岔 n 夺0 心岔c h n 0n 0 卜on o n 0 n on 卜。心崎o n 寸一卜n 9 一。甙寻一岔一寸一 寸卜“心“ 第四章：安徽省膨胀土的中微观结构研究 土的结构是决定土的工程地质性质的主要因素之一，自1 9 2 5 年之后太沙 基提出了蜂窝状结构以来，随着科学技术的不断发展和广泛应用，国内外学者 对土的微结构进行了广泛的研究，并取得了一定成果【2 1 1 。 4 1 土的结构概述 4 1 1 土体结构定义 2 2 1 土的结构是指其物质成分的连结特点、空间分布和变化形式。具体来说是 指： ( 1 ) 土颗粒本身的特点：土颗粒大小、形状和摩圆度及表面性质( 粗糙度) 等。 ( 2 ) 土颗粒之间的相互关系特点：粒间排列及其连结性质。 e m 谢尔盖耶夫等根据研究时所用比例尺的具体情况将土的结构、构造划 分三个等级( 表4 1 ) 。 宏观结构一一用肉眼在天然露头或山地工程中，以及在实验室对原状土进 行描述时所能观察到得结构、构造特征。 中观结构一一用光学显微镜对土体的薄片、光片放大2 5 - , - 6 0 0 倍，进行观察 鉴定所得到的结构、构造特征。 微观结构一一用电子显微镜对实体扫描放大或采用专门的x 射线衍射等手 段所鉴定到的细节。 表4 1 结构研究分类表 4 1 2 土的结构特征【2 3 】 ( 1 ) 结构单元体：结构单元体是指具有一定轮廓界限的承受力的单元。在 宏观范畴，它是由层理、裂隙等所包围的块体。在微观范畴，它是可以被视为 单粒，是单个的完整或不完整晶体；也可以被视为集粒的数个单矿物晶体较牢 固的聚合在一起、在外力作用下起着单个矿物颗粒的作用。 1 2 ( 2 ) 接触连结关系：单元体之间的接触连结关系是决定土性质的重要因素， 按粒问物质单元体连结可分为无连结( 或镶嵌接触) 、冰连结、毛细水连结、结 合水连结、胶结连结。 ( 3 ) 排列与孔隙：单个片状单元件之问的基本排列形式有三种：边一面( e f ) 、 边一边( e e ) 、面一面( f f ) 。 4 2 安徽省膨胀土的中观结构研究 通常土的中观结构需要在显微镜下进行观察，一些非粘土矿物和一些细小 颗粒矿物的定向排列，比如石英、长石、和云母等颗粒状和片状矿物均可在显 微镜下观察到，至于蒙脱石、伊剥石和高岭石等粘土矿物则不能观察到，必须 借助扫描电镜观察。 各样品薄片镜下观察，常见的碎屑非粘土矿物为石英、长石和云母，其中 石英的含量比较大，其次为长石，部分地区存在铁质胶结浸染现象，常见到云 母定向排列，少部分可见石英定向排列。具体特征如下： 宿卅| ：石英颗粒大小不一，点缀于基质当中，分布较均匀，耦颗粒有一定的磨圊 度，颗粒间接触较少。属于基质状结构类型，局部可见氧化铁枭红现象，裂隙不发育。 样品内夹大量有细颗粒团聚成的泥块，这说明该地区膨胀土属于冲积、洪积成因类型 ( 图4 1 ) 。 圈4l 宿州膨胀土的中观结杓特征照片 怀远：矿物呈不显著的定向捧列，矿物颗粒粒径均匀，无大块矿物，可见 微层理和水平方向发育的裂腺，二者方向较一致，矿物的定向排列与裂骧方向 基本一致( 图42 ) 。 附4 2 怀远膨胀i 的中现结构特征! ! 【片 蚌埠：无层理构造，杂乱裂隙不发育基质局部可见氧化铁染红现蒙 有泥块存在，在泥块的周田发现云母矿物的定向排列( 图43 ) 。 圈4 , 3 蚌埠膨胀七的巾观结构特征j ! c 【片h4 4 定远膨胀上的中观结构特征照 定远：石英颗粒粒径均匀，均匀分稚于基质中孔隙鞍发育，大小多变 不规则，但贯通性较差，未见明显裂隙，无明显层理( 圈4 4 ) 。 豳4 5 风刚嘭胀r 的中观结构特征j ! | 片 风阳：石英矿物颗粒粒径均匀，磨圆度较好基质局部可见轻微氧化铁染 红现象，裂隙不发育，未见明显的层理结t q ( 1 y45 ) 。 幽4 6 肥东膨胀土的中观结构特征照片 图47 庐江膨胀+ 的中观结构特征照片 肥东：石英颗粒定向排列明显，排列方向上有部分泥块阻断了其延续性， 泥块其问发育有少量短小裂隙( 围4 6 ) 。 庐江：云母片定向排列，石英颗粒均匀的分布于基质中，偶见裂隙及孔隙， 裂隙沿矿物定向排列方向发育( 图47 ) 。 肥西：矿物沿裂隙定向捧列明显，石英颗粒均匀分布于基质中，可见氧化 铁染红现象，镜头范围内可见几处明显裂隙，圈48 右圈可见整体呈紊流状。 圈48 肥西膨胀土的中观结构特征照片 合肥：石英颗粒较小，分布均匀，裂隙发育主裂隙和附属裂隙呈树枝状， 贯通性较好。基质内夹泥块，在泥块的周围发现云母矿物的定向排列( 圈49 ) 。 桐城：石英颗粒无定向的分布于基质当中，可见云母片定向排列方向与 裂隙方向基本致，基质中央一定数量的泥块，泥块长轴方向与裂隙方向基本 一致，在堀块周围，云母矿物沿泥块边缘呈定向分布( 图4 1 0 ) 。 图4 9 合肥膨胀土的中穰结构特征照片 囝4 1 0 桐城膨胀土的中疆结构特征照片 4 3 安擞省膨胀土的微观结构研究 4 3 1 扫描电镜 扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的 探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。表面的立体构 像可摄制成照片。与其他类型的显微镜相比，扫描电镜有如下的特点1 2 8 i ： ( 1 ) 图像的景深大、立体感强： ( 2 ) 放大倍数范圈大且连续可调； ( 3 ) 样品制各简单、耗样少，污染轻； ( 4 ) 样品室大。 4 3 2 研究区内膨胀土的扫描电镜分析 现代土质学认为土的工程地质性质的好坏主要取决化学一矿物成分、土体 结构与构造及土体的物理状态。在宏观和中观结构构造研究的基础深入微观世 界对土的本质特征进行探讨十分重要，膨胀土的微结构是膨胀士胀缩的主要影 响因素，它决定着膨胀土的膨胀势。为了更进步的分析研究区内的膨胀土的 工程地质性质，对具有代表性地区的样品进行了电镜扫描分析。下面分别对研 究区内膨胀土的微结构进行详细的论述。 1 宿州地区膨胀土的微结构特征( 圈41 1 ) 宿州膨胀土为扶黄色细粒粘土，土样肉眼可见铁锰结核和钙质结核，为第 四系戚咀组湖相粘士岩的冲积洪积物。扫面电镜下，粘粒以集聚体形态存在， 沿垂直于层面的方向观察，能观察到叠袋体，定向不明显，叠聚体接触松散， 组成叠聚体的片状颗粒边缘呈微弯曲，微叠聚体删微裂隙发育，且孔隙开口大， 长轴方向与层单方向帽同，且沿长轴力向，孔隙贯通性较好。粘粒闻的联结松 散，接触类型多呈凝聚型接触和点接触，整体呈基质状微结构。 圈4l l 宿州膨胀士的徽结构特征照片 幽41 2 怀远膨胀十的徽结构特征照片 2 怀远地区膨胀土的微结构特征( 图41 2 ) 怀远膨胀土同样为第四系戚咀组湖相粘土岩的冲击洪积物。扫描电镜下