煤系土微观结构及干湿循环强度测试

煤系土微观结构及干湿循环强度测试

杨志张海波刘国伟

中建市政工程有限公司北京100073

摘要：采用室内试验方法，对煤系土的物理力学性质进行研究，重点分析了煤系土的矿物及化学成分，以及干湿循环过程煤系土抗剪强度的变化规律，研究结果表明含水率与强度关系密切，粘聚力受含水率影响较大，内摩擦角受含水率影响较小，研究成果为工程中合理利用煤系土提供借鉴依据。

关键词：煤系土；干湿循环；抗剪强度

1.引言

煤系地层是指含有煤层建造的一套沉积岩层，彼此间大致为连续沉积，并在成因上有密切关系，煤系地层岩土体的典型工程地质特点是岩层软硬不均，炭质泥岩、页岩岩质软弱，碳成分含量高，吸热能力强，极易风化、崩解，受干燥-浸水活化作用影响较大，极易活化，且不可逆，遇水易软化，性能极不稳定[1-2]。国内一些学者运用原位测试及室内试验从不同角度研究了煤系地层的工程性质，解决了很多实际问题[3-4]。本研究在前人研究基础上开展煤系土微观结构及干湿循环强度测试，研究含水率对煤系土工程性质的变化规律。

2.煤系土矿物及化学成分

为了定量化分析研究区煤系土的矿物组成和化学成分，取项目区域土样进行X射线衍射测试与化学全量测试。X射线衍射方法是目前用于物相定性和定量分析的主要手段之一，被广泛应用于矿物学和结晶学研究。X射线进入矿物晶体会发生衍射和散射现象，根据此特性可以推算出被测物质的物相和结构等性质。X射线衍射方法可以有效确定粘土矿物组成和相对含量，被业界学者广泛应用。与一般的化学分析方法相比，X射线衍射方法不仅能给出试样中各种化学元素的含量，还可以测出各种物质成分的含量。本次试验在中南大学教育部重点实验室完成，使用的分析仪器为日本公司生产的型号为D/MAX-Rapid的X射线衍射仪。X射线衍射测试与化学全量测试结果如表1和表2所示。

表1煤系土矿物成分X衍射定量统计表

表2煤系土的化学成分

由表1可知，X射线衍射测试煤系土中矿物成分主要为粘土矿物，约占60%，其次为石英、钾长石和方解石，分别约占20%、10%和10%。粘土矿物主要为高岭石和绿泥石，分别占约35%、15%；其次为伊利石和蒙脱石，约占5%、5%。由表2可知，煤系土的化学成分主要为SiO2，Al2O3、CaO、K2O和烧失量（包括碳、硫、灰分及有机物等）。

3.煤系土干湿循强度

强度是土体抵抗剪切破坏能力的表征，选用ZJ型应变控制式直剪仪进行常规直接剪切试验，试样如图3所示。

图2直剪试验土样

不同干密度下干湿循环次数对不同含水率试样抗剪强度的关系曲线如图3所示。

（a）干密度为1.6g/cm3（b）干密度为1.6g/cm3

（c）干密度为1.7g/cm3d）干密度为1.7g/cm3

（e）干密度为1.8g/cm3（f）干密度为1.8g/cm3

图3不同含水率下干湿循环次数与抗剪强度关系

对比分析图中曲线可知，干湿循环次数对该煤系土样的抗剪强度的影响较大，粘聚力及内摩擦角随干密度的变化规律类似。

1）干密度为1.6g/cm3时，粘聚力随含水率的增大而降低，而内摩擦角则随着含水率先增大后减小。

2）含水率不同时，粘聚力随干湿循环次数的变化规律也略有不同：6.6%含水率时，粘聚力随循环次数的增加而增大，10.9%含水率时，粘聚力随循环次数仅存在小幅波动，趋于平衡，含水率大于10.9%时，粘聚力随循环次数增加先增后减，第3次干湿循环时达到最大点。

3）随含水率的增大，粘聚力最大降幅为68.16%；内摩擦角随干湿循环次数增加而降低，降幅均小于10.9%。

4.结论

在现场勘察的基础上，针对煤系土展开了室内试验，可以得到以下结论：

①煤系土遇水软化、层间胶结差、性能不稳定。

②煤系土的强度受含水率的影响较大，随着含水率的增大，强度降低明显.含水率对摩擦角的影响较明显。

③对于煤系土相关工程，应采取有效的防水和排水措施。

参考文献：

[1]祝磊,洪宝宁.粉状煤系土的物理力学特性.岩土力学,2009(5):1317-1322..

[2]中华人民共和国水利部.GBT50123-1999土工试验方法标准.北京:中国计划出版社,1999.

[3]南京水利科学研究院.145-90土的分类标准.北京:中国计划出版社,1991.

[4]姜静，江晓霞.广清高速公路煤系土路堑边坡设计.中外公路,2005,25(5):27-29.