紅粘土微結(jié)構(gòu)特征與變形機理

宋宇，高利，陳學(xué)軍，李家成

（1.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004）

1 引言

紅粘土作為一類特殊土，是由碳酸鹽巖在濕熱環(huán)境中經(jīng)風(fēng)化作用而形成的，其廣泛分布于我國的南方。紅粘土性質(zhì)非常特殊，不能用一般粘土物理指標(biāo)和和力學(xué)參數(shù)間的規(guī)律去評價其工程性質(zhì)。其特性主要表現(xiàn)在：孔隙比大，含水高，液限高，塑性高，密度低等特點，但同時又具有高強度、中低壓縮性等良好力學(xué)特性。隨著在紅粘土地區(qū)工程項目的增多，工程災(zāi)害時有發(fā)生。同時在這些工程實例中有很多現(xiàn)象很難用宏觀土力學(xué)理論進行很好的解釋，如同等密實度情況下的重塑土的強度不如原狀土，但是隨著時間的增長其承載能力也在不斷增加；紅粘土本身液限高，孔隙比高，但是其承載力卻較高等；高速公路路基上部荷載和沉降都穩(wěn)定不變后，其孔隙水壓力卻一直下降，有效應(yīng)力增加。上述情況和宏觀土力學(xué)理論是有一定程度上的不相符，主要是由于宏觀土力學(xué)理論是假設(shè)土是各向同性的材料，但事實上并不是如此。因此要了解這個問題，我們必須以“土是由顆粒組成”的這一事實為基礎(chǔ)建立土力學(xué)理論。即要對紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)做一定的研究和了解。20世紀(jì)90年代著名的土力學(xué)專家沈珠江院士就曾提出過“本世紀(jì)土力學(xué)的發(fā)展核心將是粘土的微觀結(jié)構(gòu)［1]”。粘土微觀結(jié)構(gòu)概念始于20世紀(jì)，太沙基第一次提出“蜂窩狀結(jié)構(gòu)”以后。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡、偏光顯微鏡、X射線衍射、電鏡掃描等技術(shù)手段在土微觀結(jié)構(gòu)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。觀察手段有了很大的提高，研究者們在紅粘土微觀結(jié)構(gòu)方面也取得了大量的研究成果。譚羅榮［2]通過研究湛江的粘土得出了粘土是由很多單片堆疊而成的片堆顆粒、粒狀碎屑物和少量的單片粘土礦物顆粒組成，試樣的空隙中填充著許多規(guī)則的多面晶體。齊吉琳、謝定義［3]通過分析電鏡掃描結(jié)果，得出了用孔隙分布區(qū)曲線定量描述粘土的微觀結(jié)構(gòu)特征的方法，通過孔隙分布曲線與顆粒大小分布曲線的比較，可以很好地揭示粘土的結(jié)構(gòu)性。本文將以介紹紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)觀測技術(shù)為切入點，來分析微觀結(jié)構(gòu)特征及其形成機理，最終用微觀結(jié)構(gòu)來解釋紅粘土的諸多宏觀力學(xué)問題。通過對以上三個方面介紹來闡述紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的研究進展情況，以及對紅粘土微觀結(jié)構(gòu)研究成果進行分析總結(jié)，為今后更好地開展相關(guān)的研究工作提供些許參考。

2 紅粘土微觀結(jié)構(gòu)觀測技術(shù)

紅粘土微觀結(jié)構(gòu)無法用肉眼直接觀察到，必須借助特殊的手段才能觀測到。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸將光學(xué)顯微鏡、X射線衍射、電鏡掃描等技術(shù)手段運用在了紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的研究上。光學(xué)顯微鏡是利用光學(xué)原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像，以供人們提取微觀結(jié)構(gòu)信息的光學(xué)儀器?？梢杂脕韺t粘土的局部放大進行微觀結(jié)構(gòu)觀察，但是其放大倍數(shù)不夠，導(dǎo)致不能提供清楚的圖像，有一定的局限性。X射線衍射是利用晶體形成的X射線衍射，對物質(zhì)進行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。利用此方法可以觀察紅粘土微觀結(jié)構(gòu)，而且精度較高，但是對紅粘土X射線衍射后產(chǎn)生的干涉圖像是二維圖像，在利用圖像對紅粘土微觀結(jié)構(gòu)進行分析時也有不足之處。電鏡掃描的工作原理是用一束極細(xì)的電子束掃描紅粘土樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，對次生電子接受處理后還原成粘土表面的放大圖像，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級電子，標(biāo)本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級電子信號。目前用此方法觀察紅粘土微觀結(jié)構(gòu)比較常用，在精度等技術(shù)要求上都能基本滿足要求。

在用電鏡掃描等技術(shù)手段得到圖像后，還需要對圖像進行一定的處理才能提煉出有用的信息。目前對微觀圖像處理用得較多的輔助軟件主要有Phot oshop、matlab和分形理論，此外還有一些自動處理圖像的軟件。以上都是在靜止?fàn)顟B(tài)下觀察的紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)，研究人員們?yōu)榱擞^察和記錄微觀結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，將CT掃描技術(shù)、由河海大學(xué)研制的微觀結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)和吳義祥［4]等聯(lián)合研制的提取土微觀特征值的圖像處理系統(tǒng)引入到微觀結(jié)構(gòu)動態(tài)變化觀察研究中。

在研究紅粘土孔隙時常采用的方法是汞壓法和電子顯微鏡圖像分析法。根據(jù)各技術(shù)手段的特點，在研究紅粘土微觀結(jié)構(gòu)特點時常采用電鏡掃描所采集的圖像進行提煉分析與汞壓法對紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)孔隙進行定性和定量的分析相結(jié)合的綜合方法比較常用。

3 紅粘土微觀結(jié)構(gòu)特征及其形成機理

由前人的研究可以得出紅粘土微觀結(jié)構(gòu)是由基本單元組合而成。張林鋒、肖欣、李輝［5]根據(jù)對桂林紅粘土電鏡掃描觀察，發(fā)現(xiàn)桂林紅粘土微結(jié)構(gòu)基本單元的組合主要有以下兩個特點：①基本單元的排列是雜亂無章的，看不到粒團定向排列的趨勢；②基本單元之間堆積不是十分緊湊，基本單元往往并不直接相互接觸，且其位置也不符合緊密堆積的要求。廖義玲、余培厚［6]通過對紅粘土的微結(jié)構(gòu)及其概化模型的研究，得出紅粘土微結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元可以分為兩類：一是復(fù)合多孔性單元，由粘土礦物粒團組成的，在紅粘土微觀結(jié)構(gòu)中占有絕對優(yōu)勢；二是由鐵質(zhì)膠結(jié)或殘余碎屑顆粒組成的剛性單元。唐益群［7]研究認(rèn)為：在顯微鏡下有明顯的物理界限稱為粘土微結(jié)構(gòu)的基本單元體，又可分為一級單元體和二級單元體。白冰［8]則認(rèn)為一級單元體指具有較強的原始內(nèi)聚力而較難分離的微凝聚體；二級單元體則指由一級微凝聚體集合而成的片狀、粒狀等聚集體。從前人的研究可以得出：原狀紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)的具有多樣性特點。土顆粒的礦物成分、形成年代、沉積條件、孔隙條件以及空隙中水的化學(xué)成分等因素都會影響紅粘土的結(jié)構(gòu)的形成。在地層形成以后，物理、化學(xué)以及生物變化將會改變紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)，形成比較穩(wěn)定的新結(jié)構(gòu)。巖石風(fēng)化的粘土礦物經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化后形成次生粘土礦物和大量的游離狀氧化物，這些游離氧化物往往形成了有粘性的膠結(jié)物填充在顆粒之間起到膠結(jié)作用。譚羅榮［9]通過對湛江紅粘土的研究得出巖石風(fēng)化后形成了形狀和大小不一的片狀高嶺石等粘土礦物，片狀高嶺石主要是邊面結(jié)合形成了絮狀結(jié)構(gòu)；由風(fēng)化作用也形成了氧化鐵，在水的作用下形成了一種溶膠膠體填充在絮狀結(jié)構(gòu)的空隙之中，而且這種膠結(jié)物將基本顆粒單元膠結(jié)在一起，形成大小不等較大的粒團，這些大小不等的粒團又通過膠結(jié)物構(gòu)成了聚集體的架空結(jié)構(gòu)。

4 紅粘土變形的微觀特征及其機理

從微觀角度分析紅粘土，紅粘土的微觀結(jié)構(gòu)要素可以綜合為顆粒形態(tài)及排列方式、孔隙的形態(tài)及排列方式和膠結(jié)形式。紅粘土在受到荷載作用后發(fā)生變形，本質(zhì)上是微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在顆粒、孔隙和膠結(jié)方式的改變。根據(jù)前人對紅粘土變形微觀機理的研究，本文主要從基本單元變化、孔隙和膠結(jié)變化三個方面進行論述。

4.1 基本單元的變化

紅粘土的基本結(jié)構(gòu)單元是紅粘土骨架最小結(jié)構(gòu)單元，它可以獨立參加力學(xué)活動。根據(jù)電鏡掃描可知紅粘土基本單元可以分為兩種：多孔單元、剛性單元。紅粘土的顆粒和粒團是由最小單元聚集而成，由此可知顆粒和粒團的排列對紅粘土的力學(xué)性質(zhì)有重要的影響。本節(jié)將從土顆粒受荷載作用后發(fā)生變形時的變化進行解釋。

紅粘土受荷載作用發(fā)生變形時在微觀層次上的變化，主要是顆粒大小的改變，大致趨勢是隨壓力增加變大，隨剪力增大而變小。張敏江、閻婧［10]等人通過研究發(fā)現(xiàn)粘土結(jié)構(gòu)單元的排列在低應(yīng)力作用下發(fā)生變化較小，而在高應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)單元發(fā)生明顯的變化。在應(yīng)力較小時孔隙發(fā)生變化較小更不會導(dǎo)致顆粒內(nèi)部孔隙發(fā)生變化；而當(dāng)應(yīng)力較大時顆粒間的孔隙發(fā)生急劇調(diào)整，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元發(fā)生變化。顆粒變化與宏觀特性之間也存在著必然的聯(lián)系。吳義詳［4]通過對工程粘性土的微觀結(jié)構(gòu)的定量評價研究發(fā)現(xiàn)：隨著壓力的增大，粘性土從較無序向有序轉(zhuǎn)化，這反映了土在壓縮過程中土顆粒的旋轉(zhuǎn)，而且壓力越大顆粒會聚集成更大的集合體。此外紅粘土中粘粒的含量對宏觀力學(xué)特性也存在一定的影響。姚環(huán)通過對粘土微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的研究得出：粘粒含量在小于40%或大于60%時，粘粒對力學(xué)性質(zhì)的影響較小，而當(dāng)粘粒含量在40%到60%之間時影響就較大。

4.2 孔隙變化

在土力學(xué)中，孔隙作為土體微觀結(jié)構(gòu)的重要組成要素之一，直接影響著土體的工程性質(zhì)，孔隙的變化是土體變形的內(nèi)在原因，是決定土體宏觀性質(zhì)的關(guān)鍵因素，無論是土體變形還是地基承載力都不同程度上受到孔隙變化的影響。目前研究孔隙最常用的方法有：汞壓法和電鏡掃描。廖義玲、朱立軍、周訓(xùn)華［11]等人對粘土中孔隙與物理性質(zhì)的影響研究得出：紅粘土中有大量的惰性孔隙，在外荷載較小時惰性孔隙不發(fā)生變化，主要是因為紅粘土團粒間有膠結(jié)物，在抵抗外界變形。同時紅粘土中的孔隙還存在不同級別，有顆粒間的大孔隙，還有顆粒內(nèi)部的小孔隙。前者比較容易在外力作用下發(fā)生變化，對宏觀特性的影響較大；而后者很難發(fā)生變形，相對較穩(wěn)定，對力學(xué)性質(zhì)的影響可以忽略。龔士良［12]（上海軟粘土微觀特性及在土體變形中的作用）通過研究得出粘土的孔隙是由粘土片邊面結(jié)合組成生成的層間孔隙，集合體組合成絮狀體生成了集合體孔隙，絮狀體還會產(chǎn)生絮狀體間的孔隙。從分形角度分析紅粘土孔隙特性也可以得出，孔隙越不規(guī)則，分形維數(shù)就越大?？琢顐ィ?3]通過對紅粘土孔隙分布分形特征的研究得出：孔隙分布的分形結(jié)構(gòu)是客觀存在的；而且分形數(shù)能夠作為孔隙的級配參數(shù)，并且分形數(shù)受到母巖類型和礦物組分的影響。

4.3 膠結(jié)變化

土顆粒結(jié)構(gòu)連接形成是由于土顆粒間的相互吸引力和排斥力的共同作用的結(jié)果。土顆粒間的斥力主要是靜電斥力和楔力；而紅粘土間的吸力除了范德華力、靜電吸力和氫鍵，還有土顆粒間的“膠結(jié)力”。經(jīng)研究表明紅粘土之所以有很高的強度與土顆粒間的膠結(jié)物有密不可分的關(guān)系，而且這種膠結(jié)物主要是有游離的氧化鐵形成的鐵質(zhì)連接結(jié)構(gòu)。膠結(jié)物對紅粘土的力學(xué)性質(zhì)有非常重要的影響，通過前人們不懈的努力也研究出了很多重要的結(jié)果。孔令偉［14]等人通過對紅粘土有效膠結(jié)特征的初步研究得出：紅粘土間的有效鐵質(zhì)膠結(jié)物可以通過化學(xué)溶蝕去掉一部分，這也會改變紅粘土的工程力學(xué)特性。吳義祥［4]通過研究發(fā)現(xiàn)礦物顆粒集合體是通過礦物顆粒彼此膠結(jié)、偶極力、雙電層等相互結(jié)合成集合體；而礦物集合體則是由彼此孔隙間的膠結(jié)物連接起來的。顆粒間的膠結(jié)物在外力作用下是會發(fā)生變化的，同時也會對力學(xué)特性產(chǎn)生影響。朱壽增［15]等人通過柳州市酸雨對紅粘土工程地質(zhì)性質(zhì)影響機理研究得出：酸雨對膠結(jié)物的溶蝕會破會土體原有結(jié)構(gòu)，使土顆粒間的連接減弱甚至消失，以至于土體的抗剪強度降低，并且酸性越強作用越強烈。王繼莊［16]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)去掉紅粘土中的游離鐵質(zhì)膠結(jié)后紅粘土的性質(zhì)變化較大，其實驗結(jié)果與一般正常粘土接近。這也進一步證明了游離氧化鐵對紅粘土集合體的膠結(jié)作用。

5 討論與展望

根據(jù)上述前人的研究可以看出，大部分都是在研究應(yīng)力作用下引起顆粒、孔隙和膠結(jié)物的變化，也沒有把三者的變化聯(lián)系起來研究，很少有研究顆粒間的相互作用。顆粒間的相互作用關(guān)系是微觀結(jié)構(gòu)研究的一個重要部分，而且微觀結(jié)構(gòu)特性對宏觀力學(xué)物理量之間的關(guān)系對實際工程具有很重要的指導(dǎo)作用。為了更好的研究微觀結(jié)構(gòu)，可以從以下幾個方面入手：

（1）研究紅粘土的顆粒、孔隙和膠結(jié)物三者之間的相互影響，來充分揭示紅粘土微觀結(jié)構(gòu)的變化特征和機理。

（2）研究紅粘土在受荷載變形時微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀物理量（E、v等）之間的內(nèi)在聯(lián)系。

（3）可以利用先進的微觀研究技術(shù)對紅粘土受力時微觀結(jié)構(gòu)變形特征進行動態(tài)研究。

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