膨胀土微观结构研究综述

膨胀土微观结构研究综述

严应佳1李茜2

1.黄河勘测规划设计研究院有限公司天津设计院天津300000；

2.中水电（天津）建筑工程设计院有限公司天津300000

摘要：膨胀土的微观结构分为四种类型:紊流形态、层流形态、粒状堆积形态和胶结式形态等。土体的裂隙可分为原生裂隙和次生裂隙，膨胀土裂隙介质不连续的特点均是由这些裂隙决定的，而且对膨胀土的工程特性有重要影响。

关键词：膨胀土；微观结构；颗粒排列方式；裂隙

1研究背景

膨胀土是一种高塑性粘土，在世界范围内广泛分布[1]。其矿物成分主要有强亲水性粘土矿物成分(蒙脱石和伊利石)组成，具有吸水膨胀软化和失水收缩干裂的特性[2]。

膨胀土中的裂隙十分发育，裂隙的产生与发展会影响的膨胀土的抗剪强度，这也是在膨胀土地区经常出现工程问题的原因[3]。要从根本上解决膨胀土问题，必须从微观结构着手，因为膨胀土宏观物理力学性质的变化取决于其微观结构。

土的微观结构是由Terzaghi于1925年首次提出的，并指出土体的形成环境对土颗粒的排列方式，孔隙（包括微裂隙）的形态特征及空间分布，接触与连结方式等所构成的微观结构特征均有较大影响。土体的微观结构是土体形成条件的一种微观反映，但同时也对膨胀土工程特性有较大影响，这是认识膨胀土强度及变形特性的理论基础。

目前，存在多种研究膨胀土微观结构的方法与理论，主要有：

（1）电子显微镜。电子显微镜(SEM)，具有放大倍数高、分辨率高、立体感强的特点，是目前研究微观结构的主要工具。

（2）X-射线衍射(XRD)。XRD可以用来测定土样中黏土颗粒的分布特征。并且能够测定较大面积和深度内(相对于显微镜)粘土颗粒的定向情况，具有统计意义，因此也可作为研究微观结构的有力的工具。

（3）透射电镜(TEM)。常用的TEM可以直接观察到单个黏土片的形态和特征。

（4）分形几何理论。分形几何理论是由Mandelbort创立的，并很快被引入自然科学和社会科学的各个领域。分形几何可以量化事物的复杂程度及空间分布及填充情况的新兴学科，是解决空间性和非线性复杂问题的新方法，为膨胀土微观结构特性的研究开创了新思路。

2膨胀土微观结构研究现状

膨胀土微观结构的研究可以分为包括定性研究和定量研究两个方面。定性研究主要包括微观结构模型的建立、土体形态特征的分类及形态与工程特性之间的关系等等;定量研究主要指土体微观力学模型的建立、颗粒定向排列分布函数的确定、微观孔隙定量分析等等；但微观结构定量化研究受到测试手段发展程度的限制，目前仍处于研究探索阶段。

膨胀土作为一种分布较广的特殊土，有其特殊的微观结构以及物质组成。根据前人的研究成果，蒙脱石和伊利石是组成膨胀土的主要成分的,这些矿物成分导致了土体具有膨胀性、裂隙发育的特征，并可根据土体胀缩性的高低，将膨胀土划分为弱、中、强3类或低、中、高、很高4类。

2.1膨胀土矿物形态特征

膨胀土的矿物形态各不相同，这是由于土体的形成环境以及风化程度等方面的差异所造成的。膨胀土的矿物成分包括黏土矿物和碎屑矿物。碎屑矿物主要成分为石英和长石，但碎屑颗粒在膨胀土中含量有限，对其膨胀特性影响不大。细粒部分中的黏土矿物，特别是蒙脱石类的矿物对土体的工程特性具有巨大影响。

2.2膨胀土的微观结构特征

膨胀土主要是由亲水性的粘土矿物如蒙脱石、伊利石等颗粒组成，其颗粒形状主要为片状或扁平状，并形成微集聚体。微集聚体的结构特征具有较大差异。但微集聚体的形态多以面-面、面-边的形式存在,基质中含少量不规则形状的砂粒以及粉粒。膨胀土中的孔隙和裂隙均较发育，并且土体中的孔隙、裂隙的形态各不相同，膨胀土的多孔隙性是膨胀土特有的微结构特征，不仅造成了土体介质不连续的特点，而且对膨胀土的工程特性有着巨大影响。

2.3膨胀土的微观结构类型

（1）基本颗粒排列

膨胀土的基本颗粒排列型式主要是“紊流结构”,以片状和扁平状颗粒为主，含有粒状颗粒，且具有相当程度的定向特征。膨胀土的颗粒排列具有定向排列特性，主要以边-边结合和面-面结合为表现形式。在较为平整的裂隙面上可以看到薄层颗粒高度定向排列的现象。在超固结膨胀黏土中，常见的定向排列方式为水平排列，还有可能形成扰动的层流结构。当颗粒间隙内存在胶结物质是，土体可形成胶黏式结构，其结构形式为单粒体和团粒体，也可以是片状体和叠片体，单元体间有明确的边界。此外，膨胀土的颗粒排列还能以粒状堆积结构的形态出现[12]。

（2）颗粒组合

颗粒组合可分为以下三种形式：即基质、团聚体和连结物。基质按其组分排列进行分类。团聚体的形态特征为规则体或者次圆状。粉砂粒、砂粒可通过土颗粒间的粘聚物胶结在一起或者通过团聚体连结式搭接起来的组合。

2.4微裂隙

膨胀土的微裂隙是其微结构特征的重要特征，膨胀土中的裂隙，按其成因可分为两类，即原生裂隙和次生裂隙。原生裂隙具有隐蔽性。次生裂隙具有张开性，一般肉眼可见。在一定的环境因素的影响下，原生裂隙可变为次生裂隙，并且将其特征保留。裂隙特征不仅决定了膨胀土裂隙介质不连续的特点，而且直接影响着膨胀土的工程特性。因此许多专家学者开展了膨胀土微观裂隙的研究工作。

裂隙的产生及将会导致膨胀土体强度降低，并且在雨水的作用下产生渗透力，降低土质边坡稳定安全系数。土体中的含水率对膨胀土裂隙形态的起主要作用。利用MATLAB软件，并借助分形理论对膨胀土的裂隙率进行了统计研究。结果表明：随含水率的降低，分形曲线均呈现出先升高后降低的趋势，并在接近塑限含水率时趋于稳定。各曲线存在一个明显的峰值。

2.5微孔隙

膨胀土中的孔隙可以分为聚集体间的孔隙和聚集体内的粒间孔隙。前者称为大孔隙，后者称为小孔隙。而IUPAC将微观孔隙分为三类:微孔(小于20A)、中孔(又称过渡孔,20~500A)、大孔隙(大于500A,)。一般采用压汞法对于大孔隙进行研究，并取得了较为满意的研究成果，但微孔和中孔的定量研究较少。

3膨胀土的微观结构对工程特性的影响

3.1微观结构对胀缩性的影响

膨胀土的微观结构对膨胀土的胀缩性的具有较大影响。一定量的蒙脱石等黏土矿物，是膨胀土产生膨胀的基础，土体的微观特征是膨胀土具有胀缩性的关键因素。膨胀土颗粒呈片状，且结构类型为黏胶基质的膨胀土具有强膨胀性。土颗粒排列紧密时，粒间缝隙挤得很紧，当土体遇水后，土体只能向外膨胀;而颗粒排列疏松的土体，遇水产生膨胀时，土颗粒先填充原有孔隙，然后再向外扩张。因此在相同状态下，土颗粒排列越紧密，遇水后膨胀力就越大，膨胀性就高；反之膨胀性就低。

3.2膨胀土的微观结构与含水量的关系

随着含水率的升高，土颗粒之间的界限越来越模糊，颗粒接触也越来越紧密，颗粒间的孔隙也被膨胀的土体所充填，土颗粒表面也变的越来越光滑，当含税李达到35%及其以上时，土体内部颗粒界限已经非常不明显，基本上分辨不出来。

4研究方向与展望

4.1膨胀土的微观结构变化定量研究及其与宏观力学特性的关系

目前研究者采用SEM的方法对膨胀土的微观结构进行了一些研究工作。建立起微观结构变化与宏观工程特性之间的联系，并将这些联系定量化则是值得开展的工作，也是宏－细观力学在膨胀土研究工作的具体应用。

4.2建立膨胀土的结构性本构模型

建立土体结构性本构模型就是要观察土体的结构性及其演化规律。目前，许多学者针对这方面做了大量的工作，但不深入研究土体微观结构与变形的关系，是不能建立起符合实际膨胀土的结构性本构模型的。因此，通过微观结构的研究，建立膨胀土的结构性本构模型将是未来膨胀土研究领域的核心。

参考文献

[1]唐大雄.工程岩土学[M]北京:地质出版社,1999:122-125.徐冯君,王保田,陈敏志.膨胀土边坡稳定分析综述[J].山西建筑,2006,32(1):109-110.

[2]赵红华,龚壁卫,赵春吉,刘军.石灰加固膨胀土机理研究综述和展望[J].

[3]卢再华,陈正汉,蒲毅彬.膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的CT试验研究[J].岩土力学，2002,23(4):417-422.