1、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，北京10007
2、3）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
3、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 1
4、00055，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
5、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 qua
6、rtz，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
7、 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 control
8、led 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-grain
9、ed 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
10、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
11、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
12、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
13、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%
14、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
15、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
16、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 B