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Industrial Construction Vol. 43， No. 7， 2013工业建筑2013 年第 43 卷第 7 期61 矿物成分对软土强度性质的影响分析 周晖 广州城建职业学院，广州510925 摘要通过 X 射线衍射分析法定量分析珠江三角洲软土的矿物组成， 并采用乙二醇乙醚吸附法 EGME 法 测试人工土样与天然土样的总比表面积， 研究黏土矿物与非黏土矿物对土体强度特性变化的影 响。经分析后发现 黏土矿物 如蒙脱石 通常为片状颗粒， 具有很大的比表面积， 故吸附的结合水膜较厚， 颗 粒间的直接接触点较少， 颗粒间由结合水膜连接的胶结作用明显， 粒间由于易于错动而形成润滑摩擦， 表现 为抗剪强度与内摩擦角低， 黏聚力高; 非黏土矿物颗粒 如石英 通常为粒状或针状， 比表面积小， 吸附水膜较 薄， 黏聚力较低， 粒间大多为直接接触使得摩擦角增加， 从而其强度得以增加。 关键词软土;黏土矿物;非黏土矿物;比表面积;强度 DOI 10. 7617/j． issn． 1000 －8993. 2013. 07. 015 ANALYSIS OF MINERAL COMPOSITION IMPACT ON SOFT SOIL’ S STRENGTH PROPERTIES Zhou Hui Guangzhou City Construction College，Guangzhou 510925，China AbstractThe mineral composition of the PRD’ s soft clay was analyzed quantitatively by using the X- ray diffraction ，and the total specific surface area of artificial soil samples and natural soil samples was tested by EGME for studying the influence of mineral composition to the soil’ s strength characteristics． It is found that clay mineral such as montmorilloniteis usually lamellar particle， has a lareg specific surface area， the adsorptive bound water membrane is thicker，intergranular direct contact between particles is less，the cementing actions connected by the combined water film is more obvious，and lubrication friction is ed intergranulas due to easy movement， which can be expressed by the lower shear strength and smaller angle of internal friction and the high cohesive force． And non- clay mineral particles such as quartzare usually granular or needle，specific surface area is small， adsorbed water film is thinner，cohesive force is low，and there is a direct contact with the friction angle between particles，so as to increase its strength． Keywordssoft soil;clay mineral;non- clay mineral;specific surface area;strength 作者 周晖， 女， 1979 年出生， 博士， 讲师。 电子信箱zhouhuianhui126． com 收稿日期 2013 －01 －28 1概述 我国沿海地区广泛分布淤泥质海岸， 按其沉积 环境细分有滨海相沉积的天津塘沽、 浙江温州、 宁波 等地， 溺谷相沉积的闽江口平原， 三角洲相沉积的长 江三角洲、 珠江三角洲等 ［1 ］。由于软土区域特性明 显、 工程性质应用复杂， 相比渤海湾、 长江三角洲、 闽 江三角洲地区的软土， 珠江三角洲软土含水量更高、 土质更软 ［2 －3 ］， 因此， 准确确定软土强度参数对于软 土工程有着重要意义。通过对珠江三角洲软土成因 的矿物成分研究分析， 将该区域软土的矿物成分特 征与其强度特性相联系， 为今后该地区软土工程的 开展提供借鉴。 天然软土因其矿物成分不同， 其骨架颗粒的形 态存在明显差异。天然软土的骨架颗粒往往是由黏 粒及集合体组成的， 黏土矿物 如高岭石、 蒙脱石 等 颗粒形状大多为片状或杆状， 排列随机且分散， 具有很大的比表面积; 软土中的非黏土矿物 如石 英、 长石等 通常以粒状、 针状为主， 其比表面积较 小。图 1 所示为反映珠江三角洲典型软土颗粒特征 的电镜扫描图片， 可清晰看出颗粒的形态特征。 2软土矿物成分分析及比表面积测试 2. 1珠江三角洲软土矿物成分分析 利用 X 射线衍射分析法及布拉格方程可以对 62工业建筑2013 年第 43 卷第 7 期 图 1珠江三角洲典型软土的颗粒特征 Fig． 1Particle characteristics of typical soft soil in PRD 各种土壤进行物相鉴定［4 －6 ］。表 1 为利用该法测得 的珠江三角洲典型软土的矿物组成情况， 图 2 即为 珠江三角洲典型软土的 X 射线衍射图谱。 由表 1 和图 2 可知， 珠江三角洲地区软土粗颗 粒的造岩矿物主要为石英、 云母、 长石及少量绿泥 石， 软土中的黏土矿物成分主要以蒙脱石、 高岭石、 伊利石为主。 2. 2软土试样的比表面积测试 2. 2. 1测试原理 试样比表面积测试的方法主要包括仪器法和吸 表 1珠江三角洲典型软土的矿物组成 Table 1Mineral composition of typical soft soil in PRD 土样名称 矿物组成成分及比例/ 蒙脱石伊利石白云母高岭石绿泥石石英长石方解石石膏石盐硬水铝石赤铁矿 南沙淤泥22. 222. 812. 110. 919. 07. 62. 03. 0 金沙洲淤泥质黏土23. 211. 78. 447. 94. 93. 9 番禺淤泥26. 58. 319. 532. 910. 12. 6 深圳淤泥质土25. 117. 236. 011. 28. 32. 2 珠海淤泥18. 411. 826. 415. 18. 98. 86. 04. 7 a番禺淤泥;b深圳淤泥质土 图 2珠江三角洲软土 X 射线衍射图谱 Fig．2X- ray diffraction pattern of soft soil in PRD 附法， 其中后者应用较多 ［7 －8 ］。本文所采用的乙二 醇乙醚吸附法 EGME 法 的原理是在维持一定的 乙二醇乙醚 EGME 蒸汽压下， 使 EGME 分子成单 分子层吸附在土颗粒表面， 按吸附的质量和分子大 小计算出土颗粒的比表面积， 其试样的总比表面积 SS如式 1 所示［9 ］。 SS W2－ W1 2. 86 10 －4 W2－ W0 1 式中 SS为总比表面积， m2/g; W0为铝盒质量， g; W 1 为铝盒 干样质量， g; W2为铝盒 干样 吸附的 EGME 质量， g; 2. 86 10 －4为换算因数。 2. 2. 2测试结果分析 表 2、 表 3 分别为珠江三角洲软土主要矿物成 分、 珠江三角洲天然软土的总比表面积测试结果。 表 2主要矿物成分总比表面积测试结果 EGME 法 Table 2Total specific surface area test results of main mineral composition EGME 试样成分 铝盒 W0/g 铝盒 干样 W1/g 铝盒 干 样 吸附 的 EGME W2/g 总比表面积/ m2 g －1 Ss 珔 Ss 膨润土 主 要成分蒙 脱石 高岭土 主 要成分高 岭石 石英 长石 9. 011 710. 087 910. 237 4426. 5 8. 969 29. 970 310. 109 2426. 0 8. 711 39. 716 39. 856 6428. 3 8. 891 19. 897 29. 902 317. 6 9. 532 410. 536 910. 541 917. 3 9. 531 310. 534 310. 539 518. 0 8. 944 69. 947 99. 948 62. 4 8. 713 69. 715 39. 716 12. 8 9. 013 110. 015 210. 016 02. 8 9. 029 510. 041 610. 042 94. 5 8. 599 19. 601 49. 602 74. 5 8. 313 79. 320 49. 321 74. 5 426. 9 17. 6 2. 7 4. 5 由表 2 结果可知， 珠江三角洲 4 种典型矿物颗 粒的总比表面积按石英、 长石、 高岭石、 蒙脱石顺序 依次增大。黏土矿物蒙脱石的总比表面积最大， 约 427 m2/g， 非黏土矿物石英的总比表面积最小， 为 矿物成分对软土强度性质的影响分析 周晖63 表3珠江三角洲天然软土总比表面积测试结果 EGME 法 Table 3Total specific surface area test results of the PRD’ s natural soft soil EGME 试样成分 铝盒 W0/g 铝盒 干样 W1/g 铝盒 干 样 吸附 的 EGME W2/g 总比表面积/ m2 g －1 Ss 珔 Ss 南沙淤泥 金沙洲淤 泥质黏土 番禺淤泥 深圳淤 泥质土 8. 313 29. 317 69. 345 594. 5 8. 596 19. 592 89. 619 892. 2 9. 023 310. 021 610. 048 591. 7 8. 678 99. 684 89. 713 597. 0 9. 027 110. 031 210. 059 595. 8 8. 593 59. 595 69. 624 999. 3 8. 563 49. 561 69. 587 488. 1 8. 954 19. 952 09. 978 389. 8 8. 953 29. 952 59. 978 789. 3 8. 322 79. 328 99. 363 2115. 3 9. 027 710. 031 510. 065 6114. 9 8. 696 39. 698 39. 732 8116. 4 92. 8 97. 4 89. 1 115. 5 2. 7 m2/g， 蒙脱石的总比表面积分别是石英、 长石的 158. 1 倍、 94. 9 倍; 高岭石的总表面积分别是石英、 长石的 6. 5 倍、 3. 9 倍。分析原因可知， 由于黏土矿 物蒙脱石、 高岭石属层状硅酸盐， 具有特有的片 层 状结构 图 1 ， 故其总表面积远大于非黏土矿 物的石英和长石; 非黏土矿物中的石英晶体属于三 方偏方面体晶类， 常发育成完好的柱状晶体， 而长石 常发育成为平行 a 轴、 b 轴或 c 轴的柱状或厚板状 晶体， 两者并不具有黏土矿物的片层状结构， 而以粒 状为主， 故总表面积均较小 图 1 。 由表 3 可见， 珠江三角洲各地软土的总比表面 积在 85. 0 ～115. 5 m2/g， 平均值为 95. 96 m2/g。总 体来说， 广州地区 包括南沙、 金沙洲、 番禺 软土的 总比表面积较深圳地区比表面积略小。从矿物成分 的角度来看， 即软土中黏土矿物 如蒙脱石 的相对 含量越高， 土样的总比表面积就越大， 而非黏土矿物 石英和长石 的相对含量越高， 软土样的总比表面 积也就越小。对比广州番禺软土、 深圳软土矿物成 分后发现 表 1 ， 两者蒙脱石含量相当 26. 5 和 25. 1 ， 但前者的高岭石、 白云母含量较低， 长石、 石英的含量却远高于后者， 故其总表面积也就要小， 很好地证明了土颗粒的比表面积测试结果与其矿物 成分的组成和含量结果相吻合。 3矿物成分对软土强度的影响分析 软土中不同矿物成分因其颗粒特征不同， 导致 比表面积、 表面微电场强度、 结合水膜厚度及液塑性 指标等均不同， 进而影响软土的强度特性［10 ］。珠江 三角洲典型矿物的人工土样和天然软土样的快剪试 验条件参数见表 4。在快剪试验中每组试样4 个， 分 别施加 100， 200， 300， 400 kPa 的竖向压力， 剪切速 率为 0. 8 mm/min， 其中， 人工土样以击样法制备， 配 制的含水量在塑限附近， 天然软土为原状样。 表 4典型矿物的人工土样和天然软土样的快剪试验参数 Table 4Quick shear test parameters of of typical mineral’ s artificial soil samples and natural soft soil samples 试样成分 试样 数量 干密度 ρd/ g cm －3 孔隙 比 e 液限 wL/ 塑限 wP/ 含水量 w/ 膨润土40. 961. 59180. 952. 353. 9 石英42. 230. 8816. 811. 112. 7 番禺淤泥41. 362. 0642. 622. 974. 1 深圳淤泥质土41. 341. 5245. 119. 858. 3 注 膨润土的主要成分为蒙脱石。 图 3 为各组试样的快剪强度试验曲线， 其具体 数值列于表 5 中。 a膨润土， c 57. 1 kPa，φ 2. 0;b石英， c 12. 9 kPa，φ 27. 4; c番禺淤泥， c 5. 5 kPa，φ 3. 4;d深圳淤泥质土， c 8. 1 kPa，φ 7. 8 图 3各试样的快剪强度试验曲线 Fig． 3Quick shear strength test curve of the samples 由快剪试验结果可以总结出不同矿物成分试样 的强度特性有显著差异 1 对于单一成分的土样， 随着竖向压力提高， 土样的抗剪强度均逐渐增大， 但强度增长幅度不同 表 5 中的膨润土和石英试样 ， 表明不同成分矿物 颗粒的强度性状具有各自的特点。与 100 kPa 压力 对应的抗剪强度相比， 其他各级压力下膨润土 主 要成分为蒙脱石 试样强度的增长幅度在 7. 8 ～ 18. 1， 石英为 81. 2 ～241. 2， 说明膨润土的抗 剪强度增长相对不明显， 而石英强度却有大幅增长; 64工业建筑2013 年第 43 卷第 7 期 表 5试样的抗剪强度及其强度指标 Table 5Shear strength of soil samples and their strength index 试样成分 各级竖向压力下的抗剪强度 τ /kPa快剪指标 100200300400c/kPaφ/ 膨润土60. 264. 967. 271. 157. 12. 0 石英64. 5116. 9167. 8220. 112. 927. 4 番禺淤泥11. 417. 223. 029. 15. 53. 4 深圳淤泥质土21. 835. 549. 262. 98. 17. 8 在相同的竖向压力下， 膨润土试样的抗剪强度明显 低于石英强度， 随着荷载的增加， 此现象加剧; 在强 度指标方面， 膨润土黏聚力较高而内摩擦角较小仅 为 2， 而石英的内摩擦角接近 28， 黏聚力接近 13 kPa。 2 对于番禺和深圳的天然软土而言， 由于其黏 土矿物成分含量较高 表 1 所示， 均超过 50 且含 水量较高， 使得其抗剪强度指标均较低， 两者黏聚力 均小于 10 kPa， 分别为 5. 5 kPa 和 8. 8 kPa， 摩擦角 均小于 10， 分别为 3. 4和 7. 8。 4结语 通过研究珠江三角洲典型矿物的人工土样和天 然软土样的颗粒特征、 比表面积结果， 分析矿物成分 对软土强度性质的影响， 得到如下主要结论 1 对于单一成分的土样， 随着竖向压力提高， 土样的抗剪强度逐渐增大。比较而言， 非黏土矿物 石英试样比黏土矿物蒙脱石试样的强度增幅大。 2 天然软土因其黏土矿物成分含量较高且含 水量较高， 使得其抗剪强度指标均较低。 3 土体的宏观强度性状可以看作是不同类型 矿物颗粒微观摩擦和胶结性质的综合体现， 微观摩 擦和胶结性质与颗粒表面的吸附结合水含量密切相 关， 而结合水的情况又与颗粒特征密切相关。 4 由于黏土矿物通常为片状颗粒， 具有很大的 比表面积， 随比表面积增加粒间吸附作用增强， 吸附 的结合水膜增加， 颗粒间的直接接触点就越少， 颗粒 间由结合水膜连接的胶结作用就越明显， 粒间由于 易于错动而形成润滑摩擦， 表现为抗剪强度与内摩 擦角低， 而黏聚力高; 而非黏土矿物颗粒 如石英 通常为粒状或针状， 比表面积小， 吸附结合水的胶结 作用弱， 吸附水膜较薄， 黏聚力较低， 粒间大多为直 接接触使得摩擦角增加， 从而使其强度得以增加。 参考文献 ［ 1］周晖，房营光，禹长江． 广州软土固结过程微观结构的显微 观测与分析［J］． 岩石力学与工程学报，2009，28 S2 3830 －3837． ［ 2］陈国能，张珂． 珠江三角洲晚更新世以来的沉积一古地理 ［ J］． 第四纪研究， 1994 1 67 －74． ［ 3］陈晓平，黄国怡，梁志松． 珠江三角洲软土特性研究［J］ ． 岩 石力学与工程学报， 2003， 22 1 137 －141． ［ 4］Zhou Hui，Fang Ying- guang，Gu Ren- guo，et al． Microscopic Analysis of Saturated Soft Clay in Pearl River Delta［J］ ． Journal of Central South University of Technology， 2011， 18 2 504 －510． ［ 5］李明德，秦勇． X 射线衍射物相分析在胶凝材料研究中的应 用［J］． 云南建材， 1999 2 21 －23． ［ 6］李娟， 于斌． 黏土矿物对储层物性的影响［J］． 中国西部科技， 2011， 10 22 8 －9． ［ 7］孟昭福， 张一平， 郭仲义． 有机修饰塿土表面特性的研究 I． CEC 和比表面［J］． 土壤学报， 2008， 45 2 370 －374． ［ 8］Carter D L，Heilman M D，Gonzalez C L．Ethylene Glycol Monoethyl Ether for Determining Surface Area of Silicate Minerals ［ J］． Soil Science， 1965 100 356 －360． ［ 9］邱正松， 丁锐， 于连香． 泥页岩比表面积测定方法研究［J］． 钻 井液与完井液， 1999， 16 1 9 －11． ［ 10］ 梁健伟． 软土变形和渗流特性的试验研究与微细观参数分析 ［ D］． 广州 华南理工大学， 2010． 上接第 90 页 ［ 12］ 陈浩宇， 余红发， 刘连新， 等． 混凝土在海洋环境和除冰盐条件 下的氯离子扩散行为［J］ ． 华中科技大学学报 城市科学版， 2005 9 48 －52. ［ 13］ Luping T， Andersen A． Chloride Ingress Data from Five Years Field Exposure in a Swedish Marine Environment［C］∥Proceedings of 2nd International RILEM Workshop on Testing and Modeling the Chloride Ingressin to Concrete． Paris 2000. ［ 14］ CECS 53∶ 93混凝土碱含量限值标准［S］ ． ［ 15］ Berube M A， Dorion J， Duchesne J，et al． Laboratory and Field Investigations of the Influence of Sodium Chloride on Alkali- Silica Reactivity［J］． Cement and Concrete Research， 2003 33 77 － 84. ［ 16］ Sibbick R G． Mechanism Affecting the Development of Alkali- Slica Reaction Hardened Concretes Exposed to Saline Environments［ J］ ． Magazine of Concrete Research， 1998， 50 144 147 －159.