马兰黄土变形性及微观结构特征研究

马兰黄土变形性及微观结构特征研究
王冠民;刘沛林;王蓬;姜振泉;钱自卫
【摘要】简要介绍了马兰黄土力学强度、变形性及微观结构特征。

采用单轴压缩试验及电镜扫描方法，对原状及重塑黄土样的物理力学性质及微观结构特征进行了研究。

结果表明，马兰黄土原状土样和重塑土样均表现出很强的塑性变形特点，且其塑性变形性随含水量的增大而更加明显；相近稠度状态条件下，重塑土样较原状土样产生的变形量更大，表明原状土样具有一定的结构强度；单轴压缩试验前，原状马兰黄土呈支架大孔微胶结结构，颗粒之间多为点-点、点-棱接触；试验后，微观结构转为镶嵌微孔微胶结结构，支架架空结构发生破坏，土体变得致密。

【期刊名称】《建井技术》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】3页(P30-32)
【关键词】马兰黄土;单轴压缩;变形性;微观结构
【作者】王冠民;刘沛林;王蓬;姜振泉;钱自卫
【作者单位】陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;陕西彬长矿业有限公司煤化工分公司，陕西咸阳，713500;中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州，221116; 徐州中矿井巷注浆防治水新技术有限公司，江苏徐州，221008;中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州，221116; 徐州中矿井巷注浆防治水新技术有限公司，江苏徐州，221008
【正文语种】中文
【中图分类】TD163+.1
陕西彬长矿区位于黄陇侏罗系煤田中部，是全国13个特大型煤炭基地之一。

目前矿区尚处于开发初期，一些矿井正在建设和规划中。

彬长矿区矿井建设的制约因素之一，是深厚的新生界松散土层［1］。

马兰黄土是该地区典型的新生界松散土层，呈厚层状，褐黄色含砂粘土和浅黄色粉质粘土间隔分布，单层厚度3～8m。

含砂
粘土较致密，块状结构，具少量裂隙；粉质粘土呈半固态，土质疏松，具大孔隙，垂直节理发育，遇水易水解破坏。

井筒掘进揭露的围岩，存在垂向离层崩裂的潜在威胁，变形控制难度较大。

稍有不慎，就可能造成严重塌帮，轻者影响成井质量，减慢施工进度；重者可能引发重大工程事故［2］。

为了解彬长矿区马兰黄土的力学强度、变形性及微观结构特征，采用单轴压缩试验及电镜扫描方法，对原状及重塑样黄土的物理力学性质及微观结构特征进行了研究。

1 马兰黄土变形性研究
土样采集于彬长矿区文家坡矿井风井场地附近的一人工新开挖陡崖，对应层位为上更新统黄土段上部，距地表约19m。

在室内分别进行不同含水状态下的黄土原状
土样和重塑土样单轴压缩试验。

1.1 试样制作方法
原状土样在现场用取土器采集，在室内制成高8cm、直径4cm的标准样；然后通过风干、吸水方式，制成不同含水量的试样。

不同含水量的重塑试样，用现场采集的土样，通过添加一定比例的水，用制样器重塑制成。

1.2 试验内容
通过对5组不同含水量的原状土样和6组不同含水量的重塑土样的单轴压缩试验，考察单向受力条件下，马兰黄土的应力－应变关系，确定相应的屈服强度和屈服应变，并对比分析土层稠度状态与其屈服强度和屈服应变间的关系特点。

土样主要物理力学性质指标见附表。

1.3 试验结果分析
图1所示为土样单轴压缩试验获得的应力－应变关系曲线。

试验所反映的土样变
形及破坏表现有以下特点：
附表单轴压缩试验土样主要物理力学性质指标试样含水量w（%）容重γ／kN·m－3压缩模量E／MPa粘结力c／kPa内摩擦角φ／（°）稠度状态17.5 18.5 13.3 37.3 24原状土样坚硬21.3 19.3 12.7 36.8 21 硬塑24.6 19.8 10.2 31.1 16 可塑28.8 20.3 8.7 39.7 10 可塑32.7 20.8 5.9 36.7 7软塑
13 17.8 14.7 42.8 21重塑土样坚硬17 18.5 11.3 33.6 19 坚硬21 19.4 10.8 32.5 15 可塑25 19.6 10.1 30.2 13 可塑29 20.3 7.0 27.8 12 可塑33 20.9 6.2 15.9 9软塑
图1 马兰黄土单轴压缩应力－应变关系曲线1—w＝17.5%；2—w＝21.3%；3—w＝24.6%；4—w＝28.8%；5—w＝32.7%；6—w＝13%；7—w＝17%；8—w ＝21%；9—w＝25%；10—w＝29%；11—w＝33%
（1）在变形形式上，原状土样和重塑土样的应力－应变关系曲线均反映加工硬化特征，表现出很强的塑性变形特点，其塑性变形性随含水量的增大而更加明显。

（2）不同稠度状态土样的变形性差异明显。

含水量低于塑限的土样，在受力过程中，具有明显的屈服极限（原状土样w＝17.5%，重塑土样w＝13%和17%）；
而含水量接近或高于液限的土样，则显现一定的流变性（原状土样w＝32.7%，重塑土样w＝29%和33%）。

（3）对比分析原状土样与重塑土样的受力变形性差异发现，相近稠度状态条件下，
重塑土样较原状土样产生的变形量更大。

这种差异表明，原状土样具有一定的结构强度。

（4）马兰黄土样的液限含水量相对较低，导致其遇水后，易产生水解破坏或粘性变形特性急剧增强；并且其屈服强度，随含水量的提高而急剧降低。

（5）原状土样和重塑土样的单轴屈服强度及屈服应变均明显受其塑性状态的制约，反映在二者与含水量的关系上，表现出不同的特点。

如图2（a）所示，试样的屈
服强度σc随含水量w的提高而降低；但其降低幅度，大致以近于其塑限的含水量为限，变化明显。

低于塑限情况下，屈服强度σc随含水量w的提高而大幅降低；高于塑限情况后，屈服强度σc随含水量w的提高，降低幅度趋于平缓。

屈服应变εc与含水量w则接近比例关系，前者随后者提高而成线性增大。

重塑土样二者的
函数关系大致为εc＝0.824 3w－3.858 6。

原状土样的屈服应变也随含水量w的
增大而成比例提高，但变化幅度相对平缓（见图2（b）），二者的函数关系大致
为εc＝0.206 5w+7.914。

图2 马兰黄土屈服强度及屈服应变与含水量的关系
2 马兰黄土微观结构特征
采用QuantaTM250型环境扫描电子显微镜，选择压缩前后的原状土样，进行微
观结构特征分析。

2.1 试验前原状黄土
图3所示为原状土样试验前微观图片，可见原状马兰黄土呈支架大孔微胶结结构：颗粒多呈板状、长柱状、次棱角状，部分为次圆状；多为单粒结构，有少数集粒出现；颗粒之间多为点－点、点－棱接触，少量为点－面接触；颗粒棱角分明，相互之间摩擦力大，易相互支撑而形成支架架空结构；颗粒间孔隙清晰可见，无或只有零星的胶结物，或粒间孔隙有单个集粒。

颗粒接触面积较小，颗粒接触之间无或只有很少的胶结物。

在连接点处，应力较大［3－4］。

图3 原状土样试验前微观图片（1500x）
2.2 试验后原状黄土
图4所示为原状土样单轴压缩试验后的微观图片。

从图中可见，试验后，马兰黄
土微观结构转为镶嵌微孔微胶结结构：在轴向荷载作用下，马兰黄土支架架空结构发生破坏，较小的土颗粒被挤进孔隙中。

同时，大孔结构进一步变为微孔结构；颗粒之间接触方式也由点－点、点－棱接触，转为棱－面、面－面接触为主。

宏观上，土体变得致密。

微观上，颗粒间接触关系由相互间摩擦力相对较大的点－点接触为主，转为摩擦力较小的面－面接触［5］。

图4 原状土样单轴压缩试验后的微观图片（1500x）
3 结论
（1）马兰黄土原状土样和重塑土样均表现出很强的塑性变形特点，且其塑性变形性随含水量的增大而更加明显。

（2）相近稠度状态条件下，重塑土样较原状土样产生的变形量更大，表明原状土样具有一定的结构强度。

（3）单轴压缩试验前，原状马兰黄土呈支架大孔微胶结结构，颗粒之间多为点－点、点－棱接触；试验后，微观结构转为镶嵌微孔微胶结结构，支架架空结构发生破坏，颗粒之间接触方式转为棱－面、面－面接触为主，土体变得致密。

［参考文献］
［1］王蓬，段王栓，刘沛林，等.深厚黄土普通法凿井自稳高度及合理掘砌段高
的研究［J］.建井技术，2010，31（6）：23－27.
［2］王蓬，姜振泉，段王栓，等.彬长矿区深厚黄土及富水弱渗地层普通法建井
变形控制及防渗保障技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2011.
［3］栾长青，唐益群，林斌.马兰黄土软化型本构模型研究［J］.重庆建筑大学学报，2008，30（2）：53－60.
［4］谷天峰，王家鼎，郭乐，等.基于图像处理的Q3黄土的微观结构变化研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（S1）：3185－3192.
［5］王念秦，罗东海，姚勇，等.马兰黄土动强度及其微结构变化实验［J］.工程地质学报，2011，19（4）：467－471.。