（地质工程专业论文）淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与微结构成分关系的研究.pdf

淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质 与微结构成分关系的研究 摘要 人工冻融土是作为应用人工冻土支护技术应用后遗留下来的一种土质，它 相对于原状土言，不论物理力学性质还是工程性质，均有了很大的改变。本文 以淮南刘庄煤矿主井的人工冻融土为研究对象，用x 射线衍射( x d a ) 分析、偏 光显微镜、扫描电镜( s e m ) 以及化学全分析等多种手段对淮南刘庄煤矿人工冻 融土进行了矿物成分分析、微结构研究。主要研究成果包括： ( 1 ) 对淮南刘庄煤矿主井的原状土和人工冻融土进行了x 射线衍射半定量 分析，以及化学全分析；定量计算不同深度原状土和人工冻融土中各类碎屑矿 物和粘土矿物成分的相对含量，以及不同地层之间的化学成分含量； ( 2 ) 基于对原状土和人工冻融土的x 射线衍射( x d a ) 分析和化学全分析 等手段，找出矿物成分、化学成分与工程性质之间的联系； ( 3 ) 基于对原状土和人工冻融土的微结构分析( 主要是偏光显微镜和扫描 电镜) ，找出其物理、力学性质差异和在微结构中的不同表现，进一步建立它们 之间的相互联系。 关键词：人工冻融土微结构矿物成分化学成分工程性质 s t u d y o nt h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t y 、s t r u c t u r ea n d c o m p o n e n to fa r t i f i c i a l l yf r o s t t h a w e ds o i l so fm a i n w e l li nt h el i u z h u a n gc o a lm i n eo fh u a i n a n a b s t r a c t a sal e a v e db e h i n dc l a yb ya r t i f i c i a l l yf r o z e ne a r t hs h o r i n g ，t h ea r t i f i c i a l l y f r o s t t h a w e ds o i l sh a s c h a n g e dl a r g e l y i n p h s i o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n d e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sr e l a t i v e t ou n d i s t u r b e d s o i l s ，i n t h i s p a p e r , t a k i n gt h e a r t i f i c i a lf r o s t - t h a w e ds o i l so ft h em a i nw e l li nt h el i u z h u a n gc o a lm i n eo fh u a i n a n a ss t u d yo b j c o t s ，s o m em e t h o d sw e r eu s e dt oa n a l y z et h em i n e r a le l e m e n ta n d m i c r o s t r u c t u r eo ft h em a i nw e l lg r o u n d w o r k ，s u c ha sa n a l y s i so fx d a ，t h em e t h o d o fp o l a rm i c r o s c o p ea n ds e ma sw e l la sc h e m i s t r yt o t a la n a l y s i s ；t h ee f f e c to ft h e r e s u l to ft e s t o nm i n e r a lc o m p o n e n tw a sa n a l y z e dq u a l i t a t i v e l yb yt h et e s to ff r o s th e a v e ， t h a w i n gs e t t l e m e n ta n dc r e e pc o n s o l i d a t e t h ep r i m a r yr e s u l t so fs t u d yc o n c l u d e5 p o i n t s ： 1 t h ea r t i f i c i a l l yf r o s t - t h a w e ds o i l sa n du n d i s t u r b e ds o i l so fm a i nw e l li n l i u z h u a n g c o a lm i n eo fh u a i n a nw a ss t u d i e dw i t ht h em e t h o d so fx d a h a l f - q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dc h e m i s t r yt o t a la n a l y s i s ；t h er e l a t i v e - c o n t e n t o f c h i p p i n gm i n e r a la n dc l a ym i n e r a lw e r ec a l c u l a t e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y ，a sw e l la st h e c o n t e n to fc h e m i ce l e m e n to fd i f f e r e n ts t r a t u m s i i b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h ea n a l y s i so fx d aa n dc h e m i s t r yt o t a la n a l y s i s o fu n d i s t u r b e ds o i la n df r o s t - t h a w e ds o i l ，f o u n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i n e r a l c o m p o n e n t ，c h e m i s t r yc o m p o n e n ta n de n g i n e e r i n gp r o p e r t y i i i b a s e do nt h e a n a l y s i so n t h em i n i s t r u c t u r eo fu n d i s t u r b e ds o i la n d f r o s t - t h a w e ds o i l ，t h ed i f f e r e n c eo fp h y s i c a lq u a l i t ya n dc h e m i cq u a l i t yw e r ef o u n d o nd i f f e r e n tm i n i s t r u c t u r ea n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e m k e y w o r d s ： a r t i f i c i a l l y f r o s t t h a w e d c l a y ；m i s c r o s t r u c t u r e ：m i n e r a lc o m p o n e n t ； c h e m i s t r yc 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 插图清单 图卜1刘庄煤矿交通位置示意图l 图3 - 1粘粒含量随地层的变化1 2 图3 2k ：0 含量随地层的变化1 4 图3 - 3n a 。0 含量随地层的变化1 4 图3 4m g o 含量随地层的变化1 4 图3 - 5c a o 含量随地层的变化1 4 图3 - 6s i o ：含量随地层的变化1 4 图3 - 7f e ：0 。含量随地层的变化1 5 图3 - 8f e o 含量随地层的变化1 5 图4 1层粉质粘土原状土的中观结构照片2 1 图4 - 2 层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 2 图4 - 3粉土原状土的中观结构照片2 2 图4 4 粉土人工冻融土的中观结构照片2 2 图4 5层粉质粘土原状土的中观结构照片2 3 图4 - 6 层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 3 图4 7层粉土原状土的中观结构照片2 3 图4 - 8层粉土人工冻融土的中观结构照片2 4 图4 - 9 层粉质粘土原状土的中观结构照片2 4 图4 1 0 层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 4 图4 1 1层粉质粘土原状土的中观结构照片2 5 图4 - 1 2层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 5 图4 1 3 层粉质粘土原状土的中观结构照片2 6 图4 1 4层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 6 图4 1 5层粉质粘土原状土的中观结构照片2 6 图4 1 6层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 7 图4 1 7层粉质粘土原状土的中观结构照片2 7 图4 - 1 8为层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 8 图4 1 9o 层粉质粘土原状土的中观结构照片2 8 图4 2 0o 层粉质粘土人工冻融土的中观结构照片2 8 图4 2 1层粉质粘土的原状土微观结构照片3 0 图4 2 2层粉质粘土的人工冻融土微观结构照片3 0 图4 2 3层粉土的原状土微观结构照片3 1 图4 2 4 层粉土的人工冻融土微观结构照片3 1 图4 2 5 层粉质粘土的原状土微观结构照片3 2 图4 2 6层粉质粘土的人工冻融土微观结构照片3 2 图4 2 7层粉土的原状土微观结构照片3 2 图4 2 8层粉土的人工冻融土微观结构照片3 3 图4 2 9层粉质粘土的原状土微观结构照片3 3 图4 3 0层粉质粘土的人工冻融土微观结构照片3 4 图4 3 1层粉质粘土的原状土微观结构照片3 4 图4 3 2层粉质粘土的人工冻融土微观结构照片3 5 图4 3 3层粉质粘土的原状土微观结构照片3 5 图4 3 4层粉质粘土的人工冻融土微观结构照片3 6 图4 3 5层粘土的原状土微观结构照片3 6 图4 3 6层粘土的人工冻融土微观结构照片3 6 图4 3 7 层粉质粘土的原状土微观结构照片3 7 图4 3 8 层粉质粘土的人工冻融土微观结构照片3 7 图4 3 9o 层粘土的原状土微观结构照片3 8 图4 - 4 00 层粘土的人工冻融土微观结构照片3 8 图5 一l 长轴示意图4 0 图5 - 2短轴示意图4 0 图5 3层粉质粘土人工冻融土图的中观结构照片4 1 图5 4层粉质粘土人工冻融土的中观结构处理后照片4 1 表格清单 表卜1 土层特性表3 表2 1 人工冻融土冻融前后物理性质变化量统计表6 表2 2 人工冻融土的力学性质及其变化量7 表3 - 1 刘庄煤矿原状土的x 射线衍射分析成果表1 l 表3 2 刘庄煤矿人工冻融土的x 射线衍射分析成果表1 1 表3 - 3 淮南刘庄煤矿原状土化学成分全分析成果表1 3 表3 - 4淮南刘庄煤矿人工冻融土化学成分全分析成果表1 3 表4 1 结构研究分类表1 7 表5 - 1 中观结构定量指标统计结果4 2 表6 1 粘土矿物含量( ) 和塑性指数统计表4 5 表6 - 2 粘土矿物的一些特性 4 6 表6 - 3 粘土及粉质粘土t f e 。0 。的含量和地层的压缩模量统计表4 7 表6 4 粘土及粉质粘土土层概率熵、圆度系数、压缩模量、承载力特征值统计 表4 8 表6 5 为微观结构与物理性质的关系统计表4 9 表6 - 6 微观结构与力学性质关系统计表5 1 表6 - 7 微观结构与力学性质关系统计表5 2 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，也不包含为获得金罡王些太堂 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己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：弓长超签字日期：7 0 0 7 ，l 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂 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 金熙王些太堂 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) 学位论文者签名 予 魄 签字日期：弘。7 年f 2 ，月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 粑 签字日期：n 年l t 月f 、日 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师崔可锐教授在本人的硕士学位论文完成的过程中自始至 终所给予的精心指导。由衷感谢崔可锐老师在学业指导及各方面所给予我的关 心。 同时，真诚感谢资环学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢师兄马文生，师弟苗士强在 我论文撰写期间，给予我的大力支持与帮助。 最后衷心地感谢我的家人，有他们的全力支持，我才能顺利地完成学业。 作者：张超 2 0 0 7 年1 0 月 第一章前言 1 1淮南刘庄煤矿主井地基概况 刘庄特大型煤矿位于安徽省阜阳市颖上县刘庄村( 其交通位置图如图卜1 所示) ，场地属于淮北冲、洪积平原地貌，地形平坦，地面标高2 6 7 0 米左右， 地貌单一，第四系地层厚度较大，土层层位稳定，无不良地质体，适宜于大型 矿井地面各项建筑。 图1 - 1刘庄煤矿交通位置示意图 1 省界，2 铁路，3 城镇，4 刘庄煤矿 国投新集能源股份有限公司刘庄特大型矿井设计生产能力为年产煤炭8 0 0 万吨，主井井塔高为9 0 米，跨度为2 4 米，钢筋混凝土结构，总重量为3 1 0 0 0 吨，采用一3 3 盐水冻结。冻结深度为6 0 0 米，解冻深度为6 0 米，主井井塔基 础采用钻孔灌注桩，设计桩径为1 0 0 0 毫米，桩长为4 5 米，单桩竖向承载力特 征值为4 0 0 0 k n 一4 3 0 0 k n ，总桩数为8 6 根：而这6 0 米的解冻土为本文研究重点。 场地内第四系土层属河、湖相交替沉积，产状近似水平。埋深4 0 米以内土 层以粘性土为主，间有砂( 粉) 土层交替相问沉积，其中1 5 米以下深度可见一 层灰黑色粉质粘土，为古河湖淤积层。场地地下水类型为潜水，主要补给来源 为地表水和大气降水，地下水水位受季节和大气降水影响较大，其稳定水位埋 深为：2 5 0 3 o o 米。地下水为重碳酸钾钠钙水，水质对各种混凝土均无腐蚀 性，场地内无污染。 该场地各个土层以粘性土为主，根据勘察所揭示的资料，现将场地地层按 自上而下的顺序分述如下表卜1 。 1 2国内外人工冻融土工程性质研究概况 人工冻融土一般是在人为作用下在o 以下冻结，然后在自然或人为因素 的作用下而使之消融，并改变了土的物理力学性质的一种土质；它是在地下空 间和矿山建设中为方便基坑支护使土冻结、然后消融后遗留下来的一类土，也 就是说它是人工冻土应用后的产物。 人工冻融土是随着人工冻土学和人工冻结施工技术的发展和应用而逐步被 人们所认识到的，它在应用时，可以不改变周围的环境，利用土体本身组成，将 不利因素的水变为聚力大、强度高、压缩性低和隔水性好的冻土体；由于土体 在冻结时的析冰作用和融化时冰的融沉，改变了土体原来的物理力学性质。但这 对于刘庄煤矿主井地基施工是很有效的。 土在冻结过程中，土中水分向冻结面转移( 这种现象叫“水分迁移”) ，产 生聚球作用使土粒分离产生冻胀，从而破坏了土的原有结构。土在融冻时，由 于其中水分在自重压力和附加压力作用下逐渐排出重新固结，这就是孔隙水压 力消散土的强度逐步得到恢复的过程。但不同的土其冻胀率和融冻后的强度恢 复速率是不一样的。粘性土虽然具有足够大的表面能，但由于其渗透性很差， 水分迁移阻力很大。因而其冻胀率较小。而像粉土、精细砂等粒径稍粗的土， 既有足够大的表面能，渗透性又好，水分迁移阻力小。一般均为含水层，因而 大量水分发生迁移，引起较大冻胀。而对于那些颗粒更粗的中粗砂，由于表面 能小，冻结时水分基本不发生迁移，仅产生少量冻胀。融冻时冻胀率最大的粉 土、精细砂强度降低很多。但随着时间的推移，由于其渗透性好，孔隙水压力 消散得快，因而其强度恢复也很快。而粘性土由于其渗透性差，强度恢复很慢。 从宏观方面考虑，我国从2 0 世纪5 0 年代开始，陆续系统地对冻土的强度与变形 特性进行了试验研究，并提出相应的实验数学力学模型，对工程上常用的力学性 质指标以及特殊的流变性也进了长期系统的实验研究；其中以吴紫汪、马巍、 朱元林、何平等人为代表；洪升( 1 9 9 5 ) 等对冻土的断裂特性进行了较系统的实 验研究，俞祁浩等还对冻土的抗冲击强度进行了实验；但这些研究都没有涉及到 人工冻融土。 野 确 梨 根 瞎 缸 辅 廿蜉 念 经 k 球k 碟船 悼 稚噬 刊 魁 皿台 器 摇 疆 窭 限 辐咏鹦坦h - 婚雕 磊 榔 皿 耥 逝粘 + h 刊 庭念 糕 台皤 承h 郛 - m粼咖| 掣 篓 螺 娟 噬最 辅 _ k暴 蜂 赛 墩 台念 缸 矧 匿蛞咏般杂皿 - h 耀娟* 黠 耳 镫 眯 台据 噬 曩嚼瞎1 正疃锄刊彝 蛆 刊睡掣塔 稚 臀 皿宴 静 叫皿 蜒犀簧 日 噗 林 水唑壤糕 j ： 窿 划 帕毽忙咏 捅窿需墨曰鄙曰眯 | l | | f ；| 2 m m 层、透镜体，砾石、卵石、肉眼观察和用1 0 x 的放 中观 2 0 0 0 5 m m包裹体虫孔原生矿物晶体、 大镜光学显微镜，观察 微观 ( 0 0 0 5 u 岩屑粘粒的集聚体。粘粒集薄片、光片、电子显微 聚体、粘土矿物晶体镜、x 光衍射试验 射等手段所鉴定到的细节。土的微结构、构造特征在很多情况下是决定其宏观 结构与中观结构，是彼此相互补充的统一体。奥西波夫将土的结构和构造合在 一起称之为土的。组织结构”。 土的物质组成成分是其存在的物质依据，而结构、构造则是它们存在的形 式，亦即其物质组成相互存在的关系。一般来说，外界条件的改变对土的物质 组成成分的改变是迟缓的，且不易发觉。与此相反，由于外界条件的改变而导 致的结构、构造方面的变化却是显而易见的。 掌握物质结构，探索各种现象的本质是现代自然科学的特点。物理学、化 学、物理一化学等学科在物质结构研究方面已取得了巨大的成就，它们在理论 与方法上为士体结构、构造研究提供了坚实的基础。 4 2 土的结构特征。1 ( 1 ) 结构单元体：结构单元体是指具有一定轮廓界线的承受力的单元。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。关于集粒国内外所用 术语大致有集合体、集聚体、集束体、团聚体、迭聚体、团粒集合体、叠片体、 磁畴体、凝块体等。对集粒的涵义和分类，高国瑞、南京大学、谭罗荣、长春 地质学院等均有论述。 ( 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， 是土结构研究中的一个核心问题，以往研究土的接触连结关系均以物质组成及 所起的作用为依据，近年来，才深入到对连结作用力的性质进行分类，按粒间 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 1 7 结、胶结连结。土的粒间作用力大致分为斥力和吸力；而斥力又可为静电斥力、 双电子层斥力和水化膜楔入力。粒间吸力包括磁性力、静电引力、分子引力、 毛细管力，高子一静电引力、化学力、氢键、冷焊等。苏联学者还提出了以粒 间距离和作用力的强弱为特征的接触类型即：远凝聚型接触、近凝聚型接触、 过渡接触和同型接触。综观土接触连结的分类，按其物质内容进行分类仅仅反 映连结的形式，但鉴别比较容易，而按作用力的特性分类揭示了其实质，土的 接触类型则将粒间作用力和粒间距离两者相结合，但这样分类需用较先进的仪 器经过复杂的实测才能得到，难以推广。 ( 3 ) 排列与孔隙：单个片状单元体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 ) 。y o n g 对这些排列方式赋予了物理化学连结 的属性。他认为e f 、e e 的连结是由游离氧化物、碳酸盐和有机质的“胶结键” 以粒间作用力形成的，而f f 连结是较弱的。多个单元体在空间上的不同排列 方式形成不同定向度和紧密程度的结构类型。 对孔隙类型的描绘大体上在国际上分为颗粒间的、粒群间的、集合体内的、 集合体间的及贯穿集合体的。而国内则一般分为粒间和粒内孔隙。有人又分为 堆孔和溶孔。不论如何，孔隙对土性质的影响不但在于其总数，而且在其类型、 大小和连通性。 4 3 土的微结构类型1 ( 1 ) 蜂窝状微结构( h o n e y c o m bs t r u c t u r e ) 即k 太沙基的蜂窝状结构。以等轴开口孔隙一一小蜂窝为特征，蜂窝壁以 面一面、面一边排列的微集聚体构成，原生砂粒及粉粒均匀地分布在整个样品 中，且彼此间无直接接触。孔隙空间基本是由集聚体间的蜂窝状孔隙构成。这 种结构为在静水条件下所沉积的含大量粘粒( 2 5 3 0 以上) 蒙脱石成分的近代 沉积物所特有。这种微结构是所有粘土中最疏松、强度最低的一种，结构单元 体间的接触连结基本上都是凝聚型，天然含水量超过液限。 ( 2 ) 骨架状微结构( s k e l e t a ls t r u c t u r e ) 基本上是由原生矿物的粉粒构成的一种疏松的、孔隙均匀的骨架形态。其 中粘士物质分布不均匀，也不组成连续的基质，经常是像“衬衫”一样包在在 粉粒表面，或是在粉粒接触点上形成一种特殊的“小桥”，起连接作用。结构 单元体无定向排列，孔隙空间为均匀分配的粒间及集聚体间的开口孔隙，孔隙 外形多种多样，但以等轴状为主。 骨架状微结构为含大量( 4 0 6 0 ) 粉粒，相对粘粒含量不大( 1 0 3 0 ) 的近 代弱压亚粘土类沉积物所特有。它比蜂窝状致密，但单元体仍以凝聚型接触为 主，触变性是其重要特征。 ( 3 ) 基质状微结构( m a t r i xs t r u c t u r e ) 以出现连续的、无定向分布的粘土物质( 基质) 为特征，基质中含少量不 规则分布的砂粒及粉粒，粘土物质呈集聚状，集聚体以面一面、面一边、边一 边排列。结构联结为凝聚型、过渡型及混合型( 凝聚型和同相型) 。该种微结 构多见于粘土含量不少于1 5 3 0 的伊利石及混层矿物成分的沉积物中。最 常见于第四纪冲积及冰积成因的粘性土中。 ( 4 ) 紊流状微结构( t u r b u l e n ts r t c t u r e ) 由砂、粉粒及沿层理呈良好定向的叶片状粘粒集聚体( 叠聚体) 组成。叠 聚体以面一面围绕着砂或粉粒呈“流动状”排列，从而在粘土物质沿层理呈定 向排列的总背景上出现局部的“涡流”，使结构具紊流水流的外貌而得名。孔 隙空间分布不均匀，且为明显的不等轴的集聚体间孔隙构成。孔隙具有沿层理 伸长的形状，垂直层理为开口，平行层理闭合。紊流状微结构是具蜂窝状，可 能还有基质状微结构的沉积物在压密过程中形成。不同矿物成分的粘土物质含 量不少于1 5 3 0 ，同时还含有砂粒及粉粒时，经常具有这样的微结构。 ( 5 ) 层流状微结构( l a m i n a rs t r u c t u r e ) 这种结构的特点是结构单元体为均一的微集聚体，且沿层理呈极高度定向 排列，以面一面排列，极少数以面一边排列，使结构具层流水状外貌而得名。 孔隙空间非常均一，并基本上是沿层理延伸的裂隙状、楔状的微集聚体间孔隙。 层流状微结构为含大量粘土物质( f o 。1 ( 1 ，1 4 ) = 3 1 0 ，否定a 1 = 0 ，故所配方程y - - 1 3 7 8 + 1 9 1 7 x 有意义。 虽然所配方程有意义，但r 2 = 0 2 4 6 太小了，检验的f 值虽然满足要求，但 相差不是很大，所以本人认为粘土及粉质粘土的压缩模量会随着土中t f e 。0 。含 量的增加而增加，但这两者之间不是简简单单的线性关系。 表6 3粘土及粉质粘土t f e 2 0 3 的含量和地层的压缩模量统计表 土层 土类 压缩模量e s ( m p a ) t f e 2 0 3 含量( ) 层粉质粘 原状土 1 0 0 95 9 8 土 冻融土 5 9 15 1 0 层粉质粘 原状土 8 4 l 3 7 1 土 冻融土 7 14 6 8 层粉质粘 原状土 6 1 9 4 1 4 土 冻融土 l o 1 24 6 0 层粉质粘 原状土 6 5 94 9 2 土 冻融土 5 8 54 8 6 层粉质粘 原状土 8 44 7 4 土 冻融土 6 0 44 6 5 原状土 1 4 5 85 7 2 层粘土 冻融土 1 1 7 35 7 2 层粉质粘 原状土 8 6 35 9 l 土 冻融土 7 4 6 6 2 4 原状土 1 0 0 96 8 2 o 层粘土 冻融土 1 1 7 l 6 1 2 6 2中观结构与工程性质之间的关系研究 由表5 1 我们可以看出，经冻融后，除层粉质粘土外，概率熵在减小， 而所有的圆度系数在冻融后减小。而从表2 2 可得层粉质粘土、0 层粘土外， 其它粘土、粉质粘土土层压缩模量在冻融后都减小，相互间似乎存在某种正比 关系。现把粘土、粉质粘土土层及土的压缩模量、地基承载力特征值制成下表 6 4 。从表中可以看出，土经冻融后，除了层粉质粘土外，土的概率熵在增 大，所有土层的圆度系数在增大，所有土层的承载力特征值在减小，土的压缩 模量( 层粉土、层粉土未统计) 除了层粉质粘土、0 层粘土外，其它的 土层都在减小，也就是说，在总体上，随着土中颗粒的概率熵的增大，土的圆 度系数的增大，土的压缩模量在减小，承载力特征值在减小。从中观角度来说， 土颗粒定向程度越差，土颗粒越细长，土的工程性质越差。但是如果把这以上 数据进行一元线性回归的话，效果不是很好，也就是说概率熵与承载力特征值、 圆度系数与承载力特征值不是简简单单的反比关系。 表6 4 粘土及粉质粘土土层概率熵、圆度系数、压缩模量、承载力特征值统计表 承载力特征值 圆度系数压缩模量 厶( k p a ) 土层 土类 概率熵 e s ( m p a ) 层粉 原状土 o 8 9 2 1 2 2 1 2 9 1 2 3 1 0 0 9 2 4 0 质粘土 冻融土 o 9 1 3 2 4 62 2 9 5 2 1 1 5 9 11 2 0 层 原状土 0 8 9 8 0 3 62 1 4 9 3 8 9 1 6 0 粉土 冻融土 0 9 7 1 3 8 62 5 5 9 0 7 1 0 0 层粉 原状土 o 9 2 9 5 8 l2 3 6 1 0 3 8 8 4 11 8 0 质粘土 冻融土 0 9 3 2 7 92 0 1 1 9 l 7 1 8 0 层粉 原状土 0 8 7 0 4 11 9 1 8 4 6 8 1 7 0 土 冻融土 0 9 4 8 7 4 42 3 0 3 5 4 5 1 0 0 层粉 原状土 0 9 7 2 1 4 92 0 9 5 0 9 6 6 1 91 7 0 质粘土 冻融土 0 9 6 1 4 9 6 2 2 1 1 0 7 7 1 0 1 2 7 0 层粉 原状土 0 9 3 3 4 9 92 1 0 6 5 3 6 5 91 8 0 质粘土 冻融土 0 9 5 8 3 7 12 ，3 7 0 0 3 8 5 8 59 0 层粉 原状土 0 9 3 3 1 8 32 0 4 1 1 8 6 8 42 1 0 质粘土 冻融土 0 9 4 3 3 5 22 2 4 4 0 3 8 6 0 41 4 0 层粘 原状土 o 9 5 4 6 7 82 3 0 5 9 9 1 4 5 82 8 0 土 冻融土 0 9 7 1 9 1 82 4 4 2 8 0 4 1 1 7 32 5 0 层粉 原状土 0 9 4 8 5 5 42 3 2 9 9 2 4 8 6 32 6 0 质粘土 冻融土 0 9 7 6 1 5 22 3 8 6 5 9 3 7 4 62 3 0 o 层粘 原状土 0 9 2 5 7 3 82 1 9 6 0 8 1 1 0 0 92 8 0 土 冻融土 0 9 6 6 0 7 62 2 7 5 6 5 9 1 1 7 12 5 0 6 3 微结构与工程性质之间的关系研究 土的物理性质指标主要包括：含水量、比重、各种密度或重度、液限、塑 限、液性指数、塑性指数、孑l 隙比、孔隙率等，其中含水量、比重、各种密度 或重度、液限、塑限、液性指数、塑性指数等物理性质指标主要与土的成分有 关，而孔隙比、孔隙率等物理性质指标主要与土的结构有关，受土的结构尤其 是微结构的控制。下表6 5 为微观结构与物理性质的关系统计表。 4 8 表6 - - 5 微观结构与物理性质的关系统计表 土层孔隙比微观结构的变化 土类 ( ) 原状土 6 6 4 冻融后土的状态变得松散，粘土土颗粒更加 层粉质粘细碎，裂隙和孔隙都比原状土发育且宽大， 土 冻融土6 7 1一些土粒内部也出现裂隙。冻融前后结构形 式都为紊流状结构。 层粉质粘 原状土 6 8 o 冻融后土体内部孔隙、裂隙比原状土较为宽 大孔隙、裂隙增多，且其的连通性比原状 土 冻融土 7 4 o 土好。冻融前后都为层流状结构 层粉质粘 原状土8 6 6 冻融后粘土颗粒更加细碎，对粉粒的粘结加 强，微裂隙，微孔隙减少减小，土变得密实。 土 冻融土 6 4 4 冻融前后都为紊流状结构。 层粉质粘 原状土7 8 5 冻融后微裂隙发育变强，微孔隙变得宽大， 土体变得松散，结构形式由胶粘式结构变为 土冻融土8 0 5 粒状堆叠结构。 层粉质粘 原状土 6 8 4 冻融后孔隙、裂隙变宽变多，连通性变好， 结构形式由封闭式絮凝结构变为粒状架空结 土 冻融土7 1 4 构 原状土 6 0 8 冻融后片状颗粒叠聚紧密，定向排列不明显， 层粘土 片状的粘土颗粒变得更加细碎紧密。孔隙被 冻融土 6 2 9 细碎粘土颗粒充填，土变得密实。结构形式 由层流状结构变为粒状堆叠结构。 层粉质粘 原状土7 2 1 冻融后枯土矿物变得很细碎，粒间孔隙减少 减小。土体变密实但变化不大，结构形式由 土 冻融土 6 8 8 胶粘式结构变为粒状堆叠结构。 冻融后粘粒由粒状和球状团聚体形式变为细 o 层粘土原状土 6 4 0 碎片状，土体孔隙变小，土变密实但变化很 小，结构形式由胶粘式结构变为基质状结构。 据表6 5 分析得微观结构与物理性质的关系为： ( 1 ) 土的孔隙比等物理性质直接受土微观结构的控制，土体的孔隙性是中 微观结构微孔隙的宏观表现，冻融前后土体孔隙性的变化是由于冻融前后土体 的微观结构发生了变化，微孔隙的特征发生改变。 ( 2 ) 粘性土冻融后的孔隙变化较小，粉质粘土的变化较大，从微结构分析， 因为粘土结构细粒土含量多，结构较紧密，冻融时水分流动性很差，受冻融的 影响也较小，粘土中铁质浸染只在局部加强也说明了这一点。 ( 3 ) 冻融后土体的孔隙比变化较复杂，这与土体所处的部位、结构变化情 况，原状土情况关系很大，如层土和0 层土，都为粘土，而孔隙变化相反， 因为层土原状土的结构形式为层流状结构，粘粒彼此连接紧密，孔隙较小， 冻融后，变为粒状堆叠结构，粘粒的紧密连接被破坏，孔隙增大；0 层土原状 土结构形式为胶粘式结构，这种结构由粘粒胶结粉粒形成的较大土块彼此胶结 构成，结构强度虽然很强，但大块颗粒接触时易形成大孔隙，冻融后，变为粒 状堆叠结构，粘粒变细碎，充填堆积粒之间的孔隙使孔隙减小。再如层粉质 粘土冻融后孔隙性大大减小，这是因为冻融前该土体的孑l 隙很大，冻结时冰晶 体不仅不会冻胀使孔隙变大，还会使土体收缩，孔隙性减小。 土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质，主要为变形和强度特性， 它是土的工程性质的最主要组成部分，与工程建筑物的稳定和正常使用关系很 密切，其指标被工程设计直接采用，是不可缺少的计算指标。土的力学性质主 要取决于土的物质成分、结构特点“”。根据表6 6 分析得两者之间的关系为： ( 1 ) 、影响内聚力c 值的主要因素是土粒间的接触、粘结作用、微孔隙微 裂隙特征等微结构特征，粒间接触较紧密，粘结作用强的土，c 值较大。也就 是说面一面接触的c 值要大于边一边接触；粘性土由于粘粒含量多，粘结作用 强，c 值较大；微结构粘结较强的c 值较大胶粘式结构土的粘结作用大于粒状 堆叠结构，胶粘式结构的c 值较大。 ( 2 ) 、影响f 值的主要因素是粒间的接触关系等微结构特征。定向排列性 差的土体具有“支架效应”，在剪切过程中需要更多地消耗剪切势，使其内摩擦 角f 值减小；颗粒排列混乱的土体，颗粒之间的接触作用面积减小，在剪切过 程中所表现出来的摩擦阻力也较小，内摩擦角f 值减小。 ( 3 ) 、影响土体压缩性的因素是土粒问的排列接触关系、粘结作用强度和 微孔隙微裂隙特征等微结构特征，排列接触紧密，粒间孔隙较小，粘结作用强 的结构形式压缩性较小，反之较大。冻融后土体的结构形式都发生了变化，其 颗粒的堆积紧密程度，粘结作用强度都有所下降，压缩性都有所增加，但由于 变化幅度不同，各层土的压缩性变化幅度也不同。而o 层土冻融后变得密实， 其压缩性反而减小( 室内试验) 。 怔鳝 蹙 j l 懈 掣逻 七k 鹾醐 捌懒 掣篮 墨 餐姐 船 高最 - h 最 舸 轻辅刊。制。拉制 葵输 洲 捂轻 口摆林垃霉刊窭 曙懈贮幅星相 刊姆 垂藉丑漤 艄 凿。制醅篓赡 。唰 兹窭 磐磔淫世 霎址锹 碧 近篇 高姆翟摇篮- h螺 刊 鳝葵枯簦 垂妲碟篓 叫 怠黧异丑 鬣柱 疆爝 。置：磐攥最 意垂碟罐 餐最懈懈霉制* 根。篮制 幅辽 s 送罱霉 好武驼惩趔晨型霎品霉 制 世。摆稚制铆 舸 卷臣姆厘撩 鐾氅 g 职篮k 篓星畦 逝掣划厘+ 唰 爨佰 霉 黧裂悄螺 型柱 矗葵删舞碧 棉磔 姆 睡辱一踏 宴蓬 长勰桷露诂篓话督匠罂 露 “吾篓交 靛始文制j 阳最望最佃篓鼍 尊希 隧齄嘤制稠剥躺餐交罂懈 酱制 撂 靶映熏到 昱丑眶壁林制霉 制张酹嚣制 轻黧遂柱 最棚恤垛鹾篓唰鬲霉制辽葵林 警- h群超 掣瞳捎佰 尉象 黧。惩彝j j f 巢髑 姑訇1 ，露鬣制琶嘏，最 娶俪篓口贮 制1逝。刊书裂蝥凿制篓饕煺 “- k 翼制。 _ h 罱纛拯长佃鬲霉止话叫 摆阵 算刊窭 峰 窭怔斗 嵯u 三懈蜓螺 嵯异忸 u 三皋哩蛞 锺很蠊罐篓 锺蹙 罐蘸锺舞锺贬铽锺锹锺篓 始删篓始唾始怠始霉蜷麟 避制龄 始趔 始制峰 苗三 h 婚 出 目 苫 i 3 蜊 j 一 - 尽 密 u 星 倒 寸 ： 尽 器 。 u 岜 卜 称 一 一 “u“ 牛 叫一 刊 _ 叫 刊 叫 刊 篓蓖 篓趣篓爱 篓 蓬篓 摇葵超 葵 锺葵攫 皤 逝 喏蠹 隧 避 区 蠢隧 送 嗜 落 隧 始隧兹 啮 宴一 窭牟龛一彝“宴“耀嚣j j舞 刊 叫尊 叫撂 啮舞叫舞 叫 嗵舞 唑 叫摆 峰 蜂蜂 峰喀叫喀 叫 秣士螺帐水峰掣扑r胛窭船鼷器ol懈 箍_ l l 娶林 蹙 佃晕 世辽略 钼 墨 皿 釜 a 幅器勰制 掣罐冬凳龄葵贬篓制 刊 始 蚺贬 盥霉 躺 制蟋 m l 訇l 磐 制姆懈罂凸 七k 酲 笸 豁 盥 睦佃 阳 制 联箍蕊州韬似 鳗。 斗 爨 篮 警 丑舞龄蛙 罱晕 磐 箭篮制诽靶幅星辽 1 1 螺 嫡刊 划 撂制嫠篓姆 篓篓 鄄。耀晕冒 世是茁。 。止怪 蕾霹篓k 蠕划唱。刊嘏 七k 撼逻话蝴 sh 芷 髑篓 届足嘣铂 怠j i 器最 制冥篓瓣最嫣乓好好收 血晋驼 楚唰状制 星 逝蟋 弼噬制 据篓稠 制* 制 釜掣 _ | 争c 霉 霉碟懈耧 刊索鬣g 媛跎 刊 赢刊 高篓佰j i 蛞 武犁 篓赣翼懈制赠厘黧龄懈 饔链鞋贬隧蝰 冒 豁武酱。划 足j 磐= 辩最甚嘏 瓠 再懈俄 丑控巢 莨齄 晶辽 馊豫 制躁甾 爨龄刊篮罐蝰衽蠊捕链迂困佃 唾逻裂始 世窭蛩控碰制釉鬣 聂蒋筹佰 一螺k 最好 最锺 骠掣稠 鳖刊 罂佰酱嫠 舞怔磬。餐虫赡篓 最始制篓制。磔冀。驰嘏熏晕 ，晕制联剐。j i 缸撂爱足雄奄晕斟釜箕蟠 轻蓬 蚺惩箍葵 黧啦 掣林 熟穴 群蠊黧聂蛞霎母梨 枣始 驾韶墨嗜餐六 鹾韬釜制，州鬣誊啦培懈丑 制。 篮螂垃丑一齄 十驰旃霉篮球篓置掣一爸鞯g 叫遴 鬲篓 叫掣摆蝰舞制 长蠊 罱篓止晶篓据迂尊s 嵯裂 嵯嚣 怔蚓峰控u 三一嵯佰 蝰曩崾。掣畦好蜒制 锺罄锺武 爱蜊 爱蓖爱爱篇 谨武锺梅交谨锺掣 始号了菇稚送g露窭 蠢 始垡 蠢制送粕制兹增林 粕 副 剥翻 船鹭鹭鹭髫 掣 葵 官 髫导 翟副剖副剖副 髫 ? 2 ? ? 铎 副 剥舶耧剽 剥 桐轻副鄹1副 副副 剥 剥剁 副 剥剥 剽 髫 餐 瑟 枣甘餐 器 轻日餐日并甘铎 譬髫基 尉 髫晷 一 皇基 翌 篁 楚 篁鬟 疑 疑 挺 疑 长 k掣乓 捌 宙墨 一 羞蔓 。 日( “ 一一叫 “_ 一 j +叫 。 刊刊 。 “ 书 葵 超篓趣篓踵 篓 蓬篓锺 篓 爱 篓 罐 篓趣篓 摇篓超 睡连 隧 避嗟卷 廷 蠹鹫蠢 番 避睡送 隧 送 蜓始隧 始 嗵 鑫一 宴一蜜宴一宴。宴“ 舞龛刖羟 噬舞踏 ! i 尊叫冀瞍摆 啮 啮舞 叫 + 集 峰+蜂峰峰刊 峰 0 一 叫尊 喀 样皋螺嶙状峰越醛h岬霉5彳鼷暴-lo僻 土体的工程性质指标主要有土的承载力、压缩性等方面，根据前面对该区 土体工程性质和中微观结构的研究，建立微观结构与工程性质之间的关系统计 表6 7 ，根据此表分析得两者之间的关系为： ( 1 ) 、土的承载力与土的结构密切相关，粘粒含量较多的粘土，结构形式 多为胶粘式结构、封闭式絮凝结构等粘结作用较强的结构形式，土的承载力较 高，冻融后这些土的结构形式变化虽然较大，但变化后的结构形式由于冻胀作 用小，粒间接触较紧密，承载力仍较大，变化较小。其他类型的土受冻胀作用 影响较大，粒间接触、粘结作用都会变差， ( 2 ) 、粉土冻融后的抗液化性质会变差，因粉土冻融后土粒间会充填粘土 矿物，使透水性变差，易发生液化。 ( 3 ) 、土的软硬状态与微观结构的关系：底部土体固结时间长，具有土粒 间较紧密、粘结作用强的微结构如胶粘式结构，土的软硬状态较硬，多为硬塑 或坚硬，冻融后由于上覆压力大，土体本身的渗透性差等原因，土粒间仍较紧 密，粘结仍较强，土的软硬状态变化不大，仍为硬塑或坚硬；上部土体原状土 的粒间接触、粘结作用都较差，土的软硬状态多为可塑，冻融后变得更差，多 为软塑；顶部层土由于硬壳层作用，也具有土粒间接触较紧密，粘结作用也 较强的微结构，土的状态也较硬，为硬塑，但此层土受冻融影响较大，冻融后 土体微结构的粒间接触、粘结作用变差，土的软硬状态变差，为软塑可塑。 6 4 矿物成分、化学成分与中微观结构之间的关系研究 如果把各矿物含量，或者组合的粘土矿物含量与中观结构的概率熵、圆度 系数联系起来，运用一元或多元线性回归的话，数据之间并不存在某种特定的 联系。对于化学成分分析亦是如此。原因可能为它们之间的关系比较复杂，或 者它们之间的联系不是很紧密，亦或者矿物成分、化学成分与其它的中观结构 定量指标有着某种联系。 因为条件所限，未能对土的微观结构做定量分析。所以矿物成分、化学成 分与微观