北京地区细粒土微观特征及宏观力学性质研究.pdf

第41卷 第8期2023年8月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.8Aug.2023收稿日期：2022-12-28基金项目：北京市博士后工作经费资助项目（2021-zz-123，2023-zz-128）作者简介：邵新荷（1993-），女，博士，主要研究方向为岩土工程文章编号：1004-3918（2023）08-1205-08北京地区细粒土微观特征及宏观力学性质研究邵新荷1，2，于海臣3，季节2，王漾3，朱美蓝3（1.北京建工集团有限责任公司，北京100055；2.北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京100044；3.北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京100073）摘要：对从北京地区获取的10块代表性细粒土样品进行了X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜（SEM）分析和常规土工试验，以对北京地区细粒土的微观特征及其对土体宏观力学性质的影响进行研究.结果表明：北京地区细粒土的主要矿物成分包括石英、长石、方解石和黏土矿物，其中，黏土矿物的主要组分为伊利石和伊蒙混层；北京地区细粒土土体结构疏松，颗粒矿物之间连接较弱导致较难形成骨架支撑，且粗颗粒矿物表面通常被细颗粒矿物包裹，细颗粒矿物的存在形式包括基质和团粒两种，在SEM观察中可通过组分和结构差异进行区分；北京地区细粒土的宏观力学性质受矿物组成和微观结构的联合控制，除了矿物颗粒本身性质对土体强度的影响之外，黏土矿物和粗颗粒矿物之间的结构配置对土体的抗压强度和抗剪强度也有重要影响.关键词：北京地区；细粒土；矿物组成；微观结构；力学性质中图分类号：TU 411文献标识码：AMicrostructure Characteristics and Macroscopic Mechanical Properties ofFine-grained Soil in Beijing AreaSHAO Xinhe1，2，YU Haichen3，JI Jie2，WANG Yang3，ZHU Meilan3（1.Beijing Construction Engineering Group Co.Ltd.，Beijing 100055，China；2.School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；3.Beijing Guodaotong Highway Design&Research Institute Co.Ltd.，Beijing 100073，China）Abstract：In this study，10 representative samples are selected to investigate the microstructure of fine-grainedsoil in Beijing area and its influence on the macroscopic mechanical properties of soil by X-ray diffraction（XRD），scanning electron microscope（SEM）and conventional geotechnical test.Results indicate that the fine-grained soilin Beijing area is mainly composed of quartz，feldspar，calcite and clay minerals，and illite and illite/smectite mixedlayer are the main components of clay minerals.The soil structure of fine-grained soil in Beijing area is loose，andthe connection between granular minerals is weak，which makes it difficult to form skeleton support.The surface ofcoarse-grained minerals is usually wrapped by fine-grained minerals.The existence forms of fine-grained mineralsinclude matrix and aggregates，which can be distinguished by components and microstructure under SEM.Themacroscopic mechanical properties of fine-grained soil in Beijing area are controlled by both mineral compositionand microstructure.Except for the influence of the properties of different minerals on soil strength，the structuralconfigurations between clay minerals and coarse-grained minerals also have significant effects on the compressivestrength and shear strength of fine-grained soil.Key words：Beijing area；fine-grained soil；mineral composition；microstructure；mechanical property第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月近年来，北京地区城市发展规划逐渐由中心城区向周边区域延伸，包括在通州区域建设北京城市副中心、建设大兴新城以推进京津冀协同发展等.北京城市建设以永定河、潮白河等多条河流形成的冲洪积扇为基底1-3，受沉积格架控制，北京地区细粒土十分常见，而该类土质承载力较弱、稳定性较差4-5，将其作为道路、桥梁、高层建筑等工程的地基或持力层会带来许多工程难题.特别是对于北京东部及南部地区而言，其细粒土分布更为广泛，地基条件与主城区、近山区差异很大，各工程项目的地基处理方法不能完全照搬经验.因此，对北京地区细粒土展开有针对性的研究，对于城市工程建设有重要意义.前人对于北京地区各类土质的研究集中在宏观特征和物理力学指标方面，并在此基础上提出了对各类土质地基的处理技术6-7.相比于碎石土和砂土，细粒土具有组成复杂和结构不规律的特征，且更易受温度和水环境的影响，导致其在作为工程持力基底时力学性质容易随时间的变化而发生变化，故仅依靠对其宏观性质的研究并不足以从根本上解决细粒土地基所带来的一系列工程稳定性问题.因此，明确细粒土的微观特征及其对土体宏观力学性质的影响，有助于解决细粒土地基或持力层带来的工程难题.鉴于此，本研究对北京地区细粒土的矿物组成、微观特征和物理力学性质展开试验研究，分析矿物组成和微观结构对土体宏观力学性质的影响，并在此基础上提出了细粒土在工程建设中可能出现的稳定性问题.本研究对北京细粒土发育地区工程建设中涉及的地基处理问题具有一定的理论参考价值.1试验材料与方法分别从北京朝阳王四营地区和顺义后沙峪地区钻孔获取10块新近沉积原状土样品作为试验土样，包括砂质粉土、粉质黏土和黏土（依据 北京地区建筑地基基础勘察设计规范（2016年版）定名），取样深度34 m，土体均为褐黄、灰黄色.对全部样品开展基本物理力学试验，获取指标包括含水率、密度、孔隙比、液限、塑性指数、压缩模量、黏聚力、内摩擦角.其中，从朝阳王四营地区获取的1块砂质粉土样品由于取样量较少，因此未获得该样品的直剪试验数据.开展土工试验的同时，将试样土样切割成块状样品用于开展X射线衍射（XRD）分析和扫描电镜（SEM）试验.需要说明的是，从顺义后沙峪地区获取的1块粉质黏土样品内部出现明显的土质差异（上部为黏土、下部为粉土）（图1），故对样品上部和下部不同土质分别进行XRD分析和SEM试验.取13 g样品进行干燥研磨，使用Panalytical X Pert PRO X射线衍射仪开展XRD分析，以对样品中的全岩矿物组成进行定量分析；取20 g粉末样品离心以分离出细粒组分，对样品中的黏土矿物组成进行XRD定量分析.切取2 cm2 cm1.5 cm的块状样品用于SEM试验，为保证样品结构不受扰动，使用环氧树脂固结样品，然后切取垂直方向平面并磨制薄片，使用Tescan GAIA3 GMH扫描电镜系统对土样的微观特征进行观察，分别获取背散射电子和二次电子两种模式下的SEM图像，同时配合Oxford X-Max 80能谱仪进行矿物鉴定.2试验结果与分析2.1矿物组成图2为北京地区细粒土的XRD分析结果.由图2（a）可知，样品的主要颗粒矿物组成为石英、斜长石和方解石，含少量钾长石和云母.其中，石英质量分数为20.3%50.6%，平均质量分数为37.3%；斜长石质量分数为5.8%22.7%，平均质量分数为13.6%；方解石质量分数为7.7%13.9%，平均质量分数为10.7%；黏土矿物质量分数为13.8%58.4%，平均质量分数为32.9%.砂质粉土中黏土矿物的含量最少，粉质黏土与黏土中黏土矿物的含量较高.由图2（b）可知，黏土矿物主要组成成分为伊蒙混层和伊利石，此外还含少量绿泥石，其中伊蒙混层和伊利石的质量分数分别为35%64%和28%53%.对比三类土质的土样发现，石英和长石图1北京地区细粒土原状土样品照片Fig.1Image of undisturbed soil sample of fine-grainedsoil from Beijing area注：取自顺义后沙峪地区，以红线为分界，样品上部为黏土，下部为粉土.黏土粉土2 cm-1206在砂质粉土土样中含量最高，在黏土土样中含量最低；而方解石在黏土土样中含量最高，在砂质粉土土样中含量最低.根据取样位置以及北京地区新近沉积土的相区分布可知，试验土样来自永定河、潮白河形成的洪积扇群的末端泛滥沉积.石英、长石等原生碎屑颗粒矿物和部分黏土矿物来自北京西部和北部山区，经水流搬运作用沉积下来，方解石和部分次生黏土矿物形成于土体沉积埋藏后.整体来说，北京地区细粒土的矿物组成种类较为稳定，受沉积背景控制，几乎无其他外来因素的影响.2.2微观特征通过扫描电镜可以观察到北京地区细粒土的微观结构特征.图3为北京地区砂质粉土样品的微观结构特征.如图3（a）所示，北京地区砂质粉土整体结构疏松，孔隙较多，颗粒矿物主要为直径3060 m的石英和长石，偶见颗粒直径超过200 m.如图3（b）所示，北京地区砂质粉土颗粒矿物之间连接较弱，以分散分布为主，局部可见点接触或面接触.从图3（a）（c）可以看出：北京地区砂质粉土的矿物组分中，石英、长石表面普遍有细粒薄层附着，细粒成分为伊利石、石英、长石、方解石等；粗颗粒长石内普遍可见溶蚀现象，内部形（a）全岩矿物组成（b）黏土矿物组成QQI/SI+MiI/SK-FFFCaI/SQIQQ1020304050602/（）I/SI+MiICI5101520252/（）注：C代表绿泥石；Ca代表方解石；K-F代表钾长石；F代表斜长石；I代表伊利石；I/S代表伊蒙混层；Mi代表云母；Q代表石英.图2北京地区细粒土的XRD谱图Fig.2XRD spectrograms of fine-grained soil in Beijing area图3北京地区砂质粉土的微观结构特征Fig.3Microstructure characteristics of sandy silt in Beijing area（a）全貌SEM照片（背散射电子模式）（b）不稳定颗粒矿物溶蚀（黄色箭头标识，背散射电子模式）100 m50 m（c）细粒团粒（黄色箭头标识，背散射电子模式）（d）细粒团粒（黄色箭头标识，二次电子模式）50 m50 m引用格式：邵新荷，于海臣，季节，等.北京地区细粒土微观特征及宏观力学性质研究 J.河南科学，2023，41（8）：1205-1212.-1207第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月成网格状孔隙分布；此外，样品局部可见长片状云母，长轴长度大于100 m，其分布形成定向，单矿物弯曲或折断；细粒组分以颗粒间基质分布为主，内部黏土矿物与细粒石英、长石、云母等颗粒矿物混杂，结构疏松，黏土矿物单体间为点-面接触或点接触.如图3（c）（d）所示：部分细粒组分形成团粒，粒径几十微米至几百微米不等，形态不规则，边界清晰，大团粒内部裹挟粗颗粒矿物；团粒的矿物成分与细粒基质相同，但组分更细，内部结构较紧密.图4为北京地区粉质黏土样品的微观结构特征.如图4（a）（b）所示：北京地区粉质黏土中的颗粒矿物以直径1550 m的石英和长石为主，粗颗粒较少，颗粒分散在细粒基质中，颗粒之间无连接或为点接触，不稳定矿物普遍发生溶蚀和破裂；相比于砂质粉土样品，粉质黏土样品中片状云母含量明显增加，且均匀分布在细粒基质中，形成微弱定向.如图4（c）（d）所示：北京地区粉质黏土中细粒组分包括分散基质和团粒两种形态，基质主要成分包括伊蒙混层、伊利石、细粒石英、长石、方解石和微片状云母，颗粒矿物与黏土矿物均匀分布，内部结构疏松，黏土矿物通过点接触和点-面接触形成格架；团粒尺寸普遍大于周围颗粒矿物，形状不规则，与相邻基质联系紧密，边界不明显，需要通过与相邻基质的组构差异识别.图5为北京地区黏土样品的微观结构特征.如图5（a）所示：北京地区黏土中颗粒矿物含量较砂质粉土与粉质黏土明显减少，且粒径更小，以直径1030 m的石英和长石为主，颗粒矿物之间基本不形成连接，不稳定矿物溶蚀较为常见；片状云母均匀分布，长轴长度普遍小于100 m，定向明显，多数云母矿物弯曲或破裂.从图5（b）（d）可以看出：相比于砂质粉土与粉质黏土，黏土的细粒基质结构更加疏松，黏土矿物单体间为点接触或点-面接触，局部不形成连接，细粒矿物呈悬浮状分布，细粒基质中常见不均匀分布的大于矿物颗粒的孔隙；黏土中的细粒团粒尺寸较大，形状不规则，边界模糊，与周围基质由于组构差异形成对比，团粒内矿物接触普遍比周围基质更紧密，少数团粒结构疏松，内部矿物连接点较少，呈絮凝状结构.2.3物理力学性质北京地区细粒土的物理力学性质如表1所示.由表1可知：北京地区细粒土的密度为1.822.11 g/cm3，平均密度为1.93 g/cm3；含水率为13.3%35.0%，平均含水率为26.7%，含水率与细粒含量呈正相关，且顺义后（a）全貌SEM照片（背散射电子模式）（b）全貌SEM照片（背散射电子模式）50 m50 m图4北京地区粉质黏土的微观结构特征Fig.4Microstructure characteristics of silty clay in Beijing area100 m100 m（c）细粒团粒（黄色箭头标识，背散射电子模式）（d）细粒团粒（黄色箭头标识，二次电子模式）-1208沙峪地区样品的含水率普遍高于朝阳王四营地区样品；孔隙比为0.521.00，平均孔隙比为0.79，细粒含量高的样品孔隙比更大，且顺义后沙峪地区样品的孔隙比普遍高于朝阳王四营地区样品；除砂质粉土样品外，其余样品的饱和度均大于90%，说明北京地区细粒土的孔隙基本充满水分，土体近饱和；液限为22.9%48.8%，平均液限为33.8%；塑性指数为5.622.1，平均塑性指数为13.1.北京地区细粒土的塑性指数与液限呈正相关关系，且根据塑性图分类（图6）可知，10块样品均位于A线以上、B线左侧，属于低塑性黏土或低塑性黏土低塑性粉土过渡区.从图7可以看出，北京地区细粒土的塑性指数与黏土矿物含量呈明显正相关关系.表1北京地区细粒土的物理力学性质Tab.1Physical and mechanical properties of fine-grained soil in Beijing area样品编号12345678910采样地区朝阳王四营地区顺义后沙峪地区样品土质类型砂质粉土砂质粉土黏土粉质黏土粉质黏土粉质黏土粉质黏土粉质黏土粉质黏土粉质黏土含水率/%13.316.535.020.127.828.732.429.729.833.9密度/（gcm-3）1.882.061.872.111.911.961.861.901.881.82干密度/（gcm-3）1.661.771.391.761.491.521.401.461.451.36孔隙比0.620.520.940.540.800.780.940.850.871.00饱和度/%58851001009310094959392液限wL/%22.926.648.826.936.833.037.433.733.438.2塑性指数IP5.66.122.110.815.612.915.813.413.215.8压缩模量/MPa7.013.110.49.48.93.53.33.12.52.6黏聚力/kPa18.350.128.236.122.130.620.520.228.3内摩擦角/（）32.09.214.410.510.18.710.710.39.3从表1可以看出，三类土质土样的物理力学性质差异较大，黏聚力从高到低依次为：黏土粉质黏土砂质粉土，内摩擦角从高到低依次为：砂质粉土粉质黏土黏土.通过对比可以发现：顺义后沙峪地区的样品（a）全貌SEM照片（背散射电子模式）（b）细粒基质与絮凝状团粒（团粒由黄色箭头标识，背散射电子模式）50 m50 m5 m5 m（c）絮凝状团粒内部结构（背散射电子模式）（d）絮凝状团粒内部结构（二次电子模式）图5北京地区黏土的微观结构特征Fig.5Microstructure characteristics of clay in Beijing area引用格式：邵新荷，于海臣，季节，等.北京地区细粒土微观特征及宏观力学性质研究 J.河南科学，2023，41（8）：1205-1212.-1209第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月均为高压缩性土，黏聚力为20.230.6 kPa（平均黏聚力为24.3 kPa），内摩擦角为8.710.7（平均内摩擦角为9.8）；朝阳王四营地区的样品以中-低压缩性土为主，黏聚力为18.350.1 kPa（平均黏聚力为33.2 kPa），内摩擦角为9.232.0（平均内摩擦角为16.5）.前人对北京平原地区不同土质土样的物理力学特征进行了大量试验研究和统计分析3，8-10，相比之下，本研究中细粒土具有含水率较高、孔隙比高、液限高、塑性指数高、压缩模量偏低、黏聚力高、内摩擦角低的特征.2.4微观特征对细粒土力学性质的影响从图8可以看出：北京地区细粒土的黏聚力与黏土矿物含量呈正相关关系，与原生碎屑颗粒矿物（石英+长石）含量呈负相关关系；北京地区细粒土的压缩模量和内摩擦角与黏土矿物含量、原生碎屑颗粒矿物（石图6北京地区细粒土塑性图分类Fig.6Classification on plasticity chart of fine-grainedsoil in Beijing area注：A、B线依据Casagrande塑性图分类.图7北京地区细粒土的塑性指数与黏土矿物含量的关系Fig.7Relationship between plasticity index and clay mineral contentof fine-grained soil in Beijing area605040302010塑性指数Ip020406080100液限L/%Ip=7Ip=4A线：Ip=0.73（L-20）B线：L=50252015105塑性指数Ip0102030405060黏土矿物质量分数/%（a）压缩模量与原生碎屑颗粒矿物含量的关系（b）黏聚力与原生碎屑颗粒矿物含量的关系（c）内摩擦角与原生碎屑颗粒矿物含量的关系2018161412108642压缩模量/MPa0102030 4050607080原生碎屑颗粒矿物质量分数/%黏聚力/kPa0102030 4050607080原生碎屑颗粒矿物质量分数/%6050403020105040302010内摩擦角/（）0102030 4050607080原生碎屑颗粒矿物质量分数/%（d）压缩模量与黏土矿物含量的关系（e）黏聚力与黏土矿物含量的关系（f）内摩擦角与黏土矿物含量的关系2018161412108642压缩模量/MPa0102030405060黏土矿物质量分数/%5040302010内摩擦角/（）0102030405060黏土矿物质量分数/%黏聚力/kPa0102030405060黏土矿物质量分数/%605040302010图8北京地区细粒土部分物理力学性质与矿物含量的关系Fig.8Relationships between physical-mechanical properties and mineral contents of fine-grained soil in Beijing area-1210英+长石）含量均未呈现明显的线性相关性.由于北京地区细粒土的黏土矿物含量高，难以形成砂土和碎石土所具备的颗粒支撑骨架结构，且北京地区细粒土中含有的在外力作用下易弯折的长片状云母较多，因此北京地区细粒土土体的抗压强度整体较低.北京地区细粒土土体中的水分包括附着在矿物颗粒表面的结合水和在孔隙中可流动的自由水.北京地区细粒土较为疏松的结构有利于土体中水分的活跃迁移，同时区域的季节性降水使土体含水率呈周期性变化，为不稳定颗粒矿物的溶解提供了条件，导致长石、方解石等矿物随时间推移对于土体抗压强度的贡献下降，土体强度劣化.细粒组分的形态以基质与团粒为主，细粒基质的疏松结构和黏土矿物单体间的点接触和点-面接触方式使其在外力作用下极易发生结构改变，在压力作用下，片状矿物单体之间的连接逐渐向较为稳定面-面搭接方式演化，颗粒之间的排列也更为紧密（图9）.尽管细粒团粒结构相对紧密，但其在上覆压力，特别是动荷载作用下易发生结构变化11，原有的格架状结构在外力扰动作用下被破坏，细颗粒矿物之间失去有效连接，导致土体强度下降，在宏观上表现为塑性形变.因此，矿物组成和微观结构共同决定了北京地区细粒土的工程地质特性.通过对单一矿物组分的土样开展快剪试验发现，石英的内摩擦角接近28，能够提高土体的内摩擦角，而黏土矿物则有降低内摩擦角、提高黏聚力的作用，因此北京地区细粒土的矿物含量差异会引起其抗剪强度的变化.除了矿物组成自身引起的抗剪强度差异之外，不同矿物成分之间的结构耦合也会控制土体的抗剪强度.北京地区细粒土中黏土矿物呈微片状，在外力作用下颗粒之间易发生滑动，同时细颗粒矿物对于粗颗粒矿物的包裹降低了颗粒矿物之间形成有效嵌锁的可能性，因此降低了土体的内摩擦角.研究表明，少量细颗粒矿物有利于提高土体的抗剪强度，而细颗粒矿物含量较高时，细颗粒矿物的包裹作用改变了粗颗粒矿物的表面形态，进而影响了颗粒矿物之间的机械啮合，最终导致土体的抗剪强度下降12.含水率与黏土矿物含量的相关性说明黏土矿物含量高是北京地区细粒土含水量高的控制因素之一，含水率以及水的赋存形式是土体宏观力学性质的关键13-18.北京地区细粒土的黏土矿物以伊蒙混层和伊利石为主，亲水性较强，在高地下水位的情况下能够在黏土矿物表面形成结合水膜，而结合水的含量直接影响黏土矿物颗粒之间的摩擦强度14，19，随着水膜厚度增加，颗粒之间的连接作用发生改变，摩擦力和咬合程度下降20，其结构在外力作用下产生剪切破坏，土体强度下降，在宏观上表现为塑性变形.另一方面，相比于粉质黏土，黏土中由于颗粒矿物含量更少，本身更难以形成供水分迁移的孔隙网络，又因为黏土矿物表面结合水膜占据了大量孔隙空间19，故在压力加载初期，一定含水率的黏土比粉质黏土更能够抵抗一定的压缩变形.此外，颗粒矿物之间较弱的连接使其容易受到水分迁移的影响，能够随着自由水在土体中的流动发生移动21.在上覆固结压力的作用下，细粒组分的迁移会堵塞细粒土中的排水通道，使大量自由水留滞在细粒土中，能够在短期内延缓土体在上覆固结压力下的压缩变形过程.（a）未压实情况下（b）固结压力作用下图9压力影响细粒土结构变化示意图Fig.9Schematic diagram of the effect of pressure on the structure change of fine-grained soil水黏土矿物颗粒矿物水黏土矿物颗粒矿物固结压力引用格式：邵新荷，于海臣，季节，等.北京地区细粒土微观特征及宏观力学性质研究 J.河南科学，2023，41（8）：1205-1212.-1211第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月3结论1）北京地区细粒土由石英、长石、方解石、黏土矿物组成，黏土矿物的主要成分为伊蒙混层和伊利石，绿泥石含量较少.2）SEM试验结果显示，北京地区细粒土土体中颗粒矿物之间连接较弱，几乎不形成骨架结构，整体土质疏松，且不稳定矿物溶蚀明显，细粒成分为基质或团粒形式，组成团粒的成分粒径更小，且多数团粒结构比基质更紧密，少数团粒内部为絮凝状结构.3）北京地区不同土质细粒土土样的物理力学性质变异性较大，整体而言，北京地区细粒土相较于该区域其他土质土样而言，其含水率更高、孔隙比更高、抗压强度和抗剪强度更低.4）北京地区细粒土的黏土矿物含量高、结构疏松，颗粒矿物之间有效连接少导致难形成骨架支撑结构，不稳定矿物普遍被溶蚀是土体抗压缩性差的关键原因；细颗粒矿物对粗颗粒矿物形成包裹导致颗粒矿物间的嵌锁程度下降、摩擦力降低，从而造成土体抗剪强度降低；此外，黏土矿物与颗粒矿物的空间排列形式导致北京地区细粒土极易受到水分场的影响，在外力作用下易发生长期变形.综上，北京地区细粒土的工程地质特性受到其矿物组成和微观结构的共同控制.参考文献：1 蔡向民，栾英波，郭高轩，等.北京平原第四系的三维结构 J.中国地质，2009，36（5）：1021-1029.2 马欢，李永东.北京典型土层抗剪强度的相关性及变异性分析 J.岩土工程技术，2021，35（1）：38-42.3 袁仁茂，孙宏伟，马凤山，等.北京平原区新近沉积土基本工程地质特性分析 J.第四纪研究，2005，25（1）：93-99.4 李树德，袁仁茂，吕红华，等.北京地区新近沉积土不同沉积相的工程地质特性及其评价 J.北京大学学报（自然科学版），2004，40（1）：139-143.5 李立，马秉务，薛祥.北京某高速公路软土段高填方路基沉降计算及地基处理方法分析 J.工程勘察，2010（S1）：242-247.6 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