三軸沖擊荷載作用前后軟黏土的微觀結(jié)構(gòu)變化研究

劉勇健，符 納，陳創(chuàng)鑫，劉意美，羅啟洋

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州510006)

土體在宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的非均勻性、多變性和易變性，其根本原因是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及易變性決定的［1-3］.土體在外力作用下，內(nèi)部土顆?；蚣象w將產(chǎn)生擠壓、滑動(dòng)、撓曲、剪切變形而調(diào)整土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出一定的強(qiáng)度和變形特性，而土體的各種工程特性是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其變化的宏觀表現(xiàn)［4-5］.因此，可通過(guò)作用前后的土體微觀結(jié)構(gòu)變化來(lái)評(píng)價(jià)軟土地基處理過(guò)程中荷載的作用效果，同時(shí)，也可以探索土力學(xué)行為的淵源.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)日新月異，諸如X射線(xiàn)透視、X射線(xiàn)衍射、掃描電子顯微鏡、計(jì)算機(jī)X射線(xiàn)斷層掃描技術(shù)、差熱分析等測(cè)試技術(shù)成功用于微觀結(jié)構(gòu)分析中［6-8］，其中，掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)SEM)測(cè)試技術(shù)是目前研究土微觀結(jié)構(gòu)的最基本，也是最重要的研究手段之一.本文運(yùn)用SEM測(cè)試技術(shù)，研究三軸沖擊荷載作用前后軟黏土的微觀結(jié)構(gòu)變化特征，旨在為動(dòng)力排水固結(jié)法處理軟土地基提供微觀層次的理論依據(jù)［9-10］.

1 土體微觀結(jié)構(gòu)圖像及微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 微觀結(jié)構(gòu)圖像的獲取流程

土體的微觀結(jié)構(gòu)是指土中各組分在空間上的存在形式，主要包括形態(tài)學(xué)特征、幾何學(xué)特征、能量學(xué)特征3個(gè)方面.利用SEM測(cè)試技術(shù)分析土體微觀結(jié)構(gòu)包括5個(gè)過(guò)程:取原狀土樣→制備電鏡觀測(cè)樣品→圖像拍攝→圖像處理→微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)提?。?1］.

(1)取原狀土.為保證所觀測(cè)的微結(jié)構(gòu)掃描圖像能真實(shí)地反映試樣的本來(lái)形貌，必須使采集樣品保持其原來(lái)的狀態(tài)而不受擾動(dòng).在現(xiàn)場(chǎng)采用Φ100 mm的不銹鋼薄壁取土器提取原狀土樣，然后，在土樣中心部位用鋒利刀片切成5 mm×5 mm×8 mm的毛坯土條，在此基礎(chǔ)上制作電鏡樣品.

(2)制備電鏡觀測(cè)樣品.為了避免因樣本制備擾動(dòng)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本次研究采用冷凍真空升華干燥法制備電鏡觀測(cè)樣品.先將切好的樣品放入丙酮中，再將器皿放入液氮中進(jìn)行冷凍，然后在－60℃低溫下抽真空12 h以上，使土中水直接升華，盡可能地保護(hù)好土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征.

(3)電鏡掃描.使用荷蘭FEI公司的QUANTA-400型掃描電鏡進(jìn)行拍攝.圖像掃描時(shí)，選取了3種不同的放大倍率如300、1 000和3 000.本文采用放大倍率為1 000的照片進(jìn)行分析，圖片大小為1 024×943像素.

(4)圖像處理.

①灰度修正.在微觀結(jié)構(gòu)圖像掃描過(guò)程中，由于樣品表面高低不平或土樣中顆粒分布不均勻，會(huì)引起圖像亮度不均勻，導(dǎo)致圖像對(duì)比不理想，因此，首先圖像預(yù)處理第一步是灰度修正.

②二值化圖像.利用MATLAB軟件將灰度圖像轉(zhuǎn)換成二值化的黑白圖，即顆粒用白色表示(數(shù)值取1)，孔隙用黑色表示(數(shù)值取0).閾值大小的選擇是二值化合理與否的關(guān)鍵，決定處理后圖像中顆粒和孔隙的數(shù)量多少.

③土體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)計(jì)算.分割圖像、用邊界跟蹤法勾出孔隙或顆粒邊界，運(yùn)用MATLAB的圖像處理功能，求出各孔隙和顆粒的周長(zhǎng)(用像素?cái)?shù)表示)，以此為依據(jù)，計(jì)算孔隙或顆粒的微結(jié)構(gòu)特征參數(shù).

1.2 微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

土體微觀結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一種物質(zhì)狀態(tài)，指土體顆粒及孔隙的排列、形狀、接觸關(guān)系、組合形式等綜合特征，可以用狀態(tài)參數(shù)(結(jié)構(gòu)要素)加以描述［12-15］.本次研究主要提取了孔隙特征參數(shù)和幾何形態(tài)參數(shù)兩大類(lèi):

(1)孔隙特征參數(shù).通過(guò)掃描電鏡得到的土體微觀結(jié)構(gòu)圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理后，才能獲取土微觀結(jié)構(gòu)量化數(shù)值和統(tǒng)計(jì)特征.孔隙特征主要參數(shù)包括:孔隙個(gè)數(shù)、孔隙總面積、孔隙總周長(zhǎng)、平均孔徑、孔隙面積分級(jí).

(2)幾何形態(tài)參數(shù).微觀結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)即空間方向概念，包括圓度、各向異性率及形狀系數(shù)等.這里僅簡(jiǎn)介下列兩個(gè)較復(fù)雜參數(shù)的定義，其他參數(shù)定義詳見(jiàn)土力學(xué)教材，在此不贅述.

①各向異性率.

用各向異性率評(píng)價(jià)軟黏土微觀結(jié)構(gòu)整體定向性，定義如下:

式中，In為各向異性率;R為橢圓形的長(zhǎng)軸半徑;r為橢圓形的短軸半徑.In值的變化范圍可以從0～100%，當(dāng)In=0時(shí)，表明顆粒或孔隙呈隨機(jī)分布，其分布表現(xiàn)出各向同性;而當(dāng)In=100%時(shí)，表明微觀結(jié)構(gòu)單元體只沿某一方向分布，完全各向異性.

②形狀系數(shù)變化.

土自然界中巖土由大大小小的顆粒組成，所形成的孔隙形態(tài)各異，并非球形.在受力過(guò)程中，顆粒形狀將發(fā)生變化.定義顆?；蚩紫兜男螤钕禂?shù)Fi為

式中，C為與顆?；蚩紫兜让娣e的圓周長(zhǎng)，S為顆?；蚩紫兜膶?shí)際周長(zhǎng).Fi的取值范圍在(0～1)之間.當(dāng)Fi=1時(shí)，其外形為圓形;Fi的值越小，顆?；蚩紫兜男螤钤姜M長(zhǎng);當(dāng)Fi=0時(shí)，形狀近似于直線(xiàn).在式(2)基礎(chǔ)上定義平均形狀系數(shù)，即

式中，n為統(tǒng)計(jì)顆?；蚩紫稊?shù).

2 三軸沖擊荷載作用前后軟黏土的微觀結(jié)構(gòu)變化

2.1 三軸沖擊試驗(yàn)

本次研究采用美國(guó)GCTS公司制造的SPAX-2000改進(jìn)型靜動(dòng)真三軸測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)飽和軟土進(jìn)行三軸沖擊試驗(yàn)［13］.試驗(yàn)土樣取自南沙某軟基處理工程現(xiàn)場(chǎng)原狀淤泥土，取樣深度為3.0 m.試樣尺寸為50 mm×50 mm×120 mm，用7 mm麻花鉆在試樣中心開(kāi)1孔，上下面貫通，用細(xì)砂填實(shí).取有效圍壓σ3=30 kPa，設(shè)定三軸沖擊程序，每個(gè)試樣循環(huán)沖擊3遍，沖擊力依次100 kPa、200 kPa、300 kPa;每次間隔時(shí)間取孔壓消散80%;每遍沖擊4次，每次沖擊力大小相等，沖擊時(shí)關(guān)閉排水閥，沖擊間隔打開(kāi)排水閥，軸向應(yīng)變達(dá)到20%，即停止沖擊;沖擊頻率取1 Hz、8 Hz.土樣基本物性指標(biāo)和試驗(yàn)方案如表1所示.

表1 淤泥的三軸沖擊試驗(yàn)方案Tab.1 Schemes of triaxial impact load test of mud

2.2 三軸沖擊荷載前后軟黏土微結(jié)構(gòu)變化特征

用QUANTA-400型掃描電鏡進(jìn)行拍攝，經(jīng)圖像處理，得到三軸沖擊荷載前后軟黏土微結(jié)構(gòu)圖片如圖1所示.提取了孔隙特征和幾何形態(tài)共8個(gè)參數(shù)，分析對(duì)比沖擊荷載作用前后的軟土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，得各參數(shù)變化呈現(xiàn)下列規(guī)律［13］.

(1)械孔隙數(shù)量變化特征:從表2中可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)三軸沖擊荷載作用后，視域內(nèi)孔隙數(shù)目增多，且垂直斷面比水平斷面增幅小，表明三軸沖擊作用下土體孔隙的裂變程度不同，垂直方向變化更明顯.

(2)孔隙總面積變化特征:在三軸沖擊荷載作用下豎向斷面內(nèi)土體孔隙面積與橫向斷面面積變化差異較大，垂直斷面上孔隙總面積呈減小趨勢(shì)，而水平斷面上則呈增大趨勢(shì).主要原因是土體在豎向沖擊方向受壓，而水平方向有擠土作用，促使孔隙面積在縱橫兩面上的變化各異.

(3)孔隙周長(zhǎng)變化特征:如表2所示，孔隙總周長(zhǎng)在垂直方向稍微減小，水平方向呈增大趨勢(shì).

(4)平均孔徑變化特征.

從表3可見(jiàn)，小于1 μm孔徑占總孔百分比最高.表明三軸沖擊荷載作用下，水平斷面上中等孔徑數(shù)目增多(1 μm≤d≤10 μm)，而大孔徑和小孔徑相對(duì)數(shù)目減小(d＜1 μm及d＞10 μm);在垂直方向平均孔徑變化正相反.

圖1 三軸沖擊荷載作用后的二值圖像及求反圖Fig.1 Binary and inverse images after triaxial impact load

表2 孔隙特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of pore

表3 孔徑分級(jí)Tab.3 The classifications of pore diameter%

(5)孔隙面積變化特征.

由表4可知，三軸沖擊作用后，土體在垂向和水平向斷面上大孔隙均呈大幅度減少趨勢(shì)，垂直方向變化尤為顯著.

(6)平均形狀系數(shù).

如表5所示，沖擊作用后，豎直方向孔隙平均系數(shù)縮小，表明其孔隙輪廓變得狹長(zhǎng)，而在水平方向上，孔隙平均形狀系數(shù)增大，表明其孔隙輪廓變圓滑.

表4 孔隙面積分級(jí)Tab.4 The classifications of pore area %

表5 平均形狀系數(shù)Tab.5 The average shape factor

(7)孔隙圓度分級(jí).

從表6可以看出，沖擊荷載作用后，水平斷面圓度大的孔隙數(shù)目增多，垂直斷面與水平面相反.

(8)各向異性變化.

水平斷面和垂直斷面上孔隙各性異性率分布，如表7所示，研究結(jié)果表明，軟黏土在沖擊荷載作用后，其各向異性趨勢(shì)越來(lái)越明顯(土顆粒和孔隙的排列呈定向性排列明顯提高).垂直斷面上各向異性率介于中值(40～60)附近的孔隙數(shù)目明顯減少，介于高值(60～80)孔隙數(shù)目則增多，水平斷面的作用效果相反，顯示出孔隙及顆粒更加趨于定向排列.

表6 孔隙圓度分級(jí)Tab.6 The classifications of pore roundness

表7 各向異性率In的前后變化Tab.7 Changes of the anisotropic ratio

3 結(jié)語(yǔ)

(1)本次研究借助掃描電子顯微鏡觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，獲取了孔隙個(gè)數(shù)、圓度、孔隙總周長(zhǎng)、孔隙總面積、平均孔徑、形狀系數(shù)和各向異性率共8個(gè)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù).

(2)在三軸沖擊作用下軟黏土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律.孔隙直徑變小，孔隙數(shù)目增多;垂直斷面孔隙輪廓變得不規(guī)則，水平斷面的趨于圓滑;垂直斷面孔隙總面積減小，水平垂直斷面趨于各向異性，垂直斷面各向異性率更高.

(3)沖擊作用前后微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比表明，在三軸沖擊荷載作用下飽和軟黏土產(chǎn)生了動(dòng)力排水固結(jié)，土體微結(jié)構(gòu)連接變得更為緊密，顆粒分布由隨機(jī)分布趨勢(shì)轉(zhuǎn)定向排列趨勢(shì)，固結(jié)效果明顯.伴隨著微結(jié)構(gòu)的變化，土體的抗剪強(qiáng)度提高、壓縮性減小、滲透性減小，土體宏觀工程性質(zhì)有一定程度改善.

(4)通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的變化評(píng)價(jià)沖擊荷載作用下的動(dòng)力排水固結(jié)效果是可行的，該方法的關(guān)鍵是獲取原狀土樣，制備合格的電鏡觀測(cè)樣品，圖像處理技術(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)提取等方面.本研究成果可為動(dòng)力排水固結(jié)法處理軟土地基工程設(shè)計(jì)提供參考.

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