大連市黏性土壓縮特性SEM微觀機(jī)理研究

劉剛，李笑宇

(大連市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

1 引 言

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)巖土體的工程現(xiàn)象在很大程度上受微觀結(jié)構(gòu)的影響，宏觀的物理力學(xué)性狀是其綜合體現(xiàn)。分析土體微觀結(jié)構(gòu)，揭示巖土工程現(xiàn)象的本質(zhì)，是未來(lái)巖土工程中發(fā)展的一個(gè)重要課題。近年來(lái)，隨著電子顯微鏡技術(shù)的不斷提高，為分析土體微觀結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支持，很多學(xué)者采用光學(xué)顯微鏡、X 光衍射、透射電鏡和掃描電鏡等手段對(duì)黏性土的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，大大促進(jìn)了土體微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展。現(xiàn)代土質(zhì)學(xué)認(rèn)為，黏性土的微觀結(jié)構(gòu)主要包括以下三個(gè)方面:形態(tài)學(xué)特征、幾何學(xué)特征、能量學(xué)特征［1］。

黏性土的壓縮性是地基產(chǎn)生變形的根本原因。本文利用大連市某鉆孔土樣，通過(guò)壓縮試驗(yàn)和SEM 圖片分析，探討其微觀變形機(jī)理，為土力學(xué)的微觀研究提供參考。

2 研究?jī)?nèi)容

為了探討土體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀工程特性之間的聯(lián)系，本文擬通過(guò)土的壓縮試驗(yàn)，并結(jié)合SEM 圖片，分析微觀結(jié)構(gòu)在壓縮前后的變化，試圖從微觀角度，揭示土體變形過(guò)程中的微觀機(jī)理，其主要的研究?jī)?nèi)容如下:

(1)采用一維固結(jié)排水試驗(yàn)，獲得不同荷載條件下土體的變形量和釋水量。依據(jù)獲得的數(shù)據(jù)繪出每個(gè)土樣的壓縮曲線與天然原狀樣理論壓縮曲線進(jìn)行比較，分析土樣壓縮曲線、e－p 關(guān)系曲線的特征以及土樣壓縮前后含水率的變化和釋水量之間的聯(lián)系，從而得到擾動(dòng)土樣的壓縮特性。

(2)采用SEM 技術(shù)，獲取不同放大倍數(shù)圖片，選取壓縮曲線與理論壓縮曲線擬合的最好的土樣與一條擬合相對(duì)較好的土樣在同一放大倍數(shù)下，借助ERDAS 軟件，分析孔隙和顆粒在壓縮前后的變化規(guī)律，主要是獲取孔隙面積的變化量和顆粒形態(tài)、粒徑變化等信息，從微觀結(jié)構(gòu)特征方面研究土樣;

(3)根據(jù)壓縮試驗(yàn)結(jié)果，主要用到的是土樣壓縮后的最終變形量和釋水量，結(jié)合利用SEM 圖片所得到的有關(guān)孔隙、顆粒變化的數(shù)據(jù)，揭示黏性土壓縮特性的微觀機(jī)理。

3 擾動(dòng)樣壓縮試驗(yàn)

本次先采取大連市某鉆孔5 個(gè)黏性土原狀樣，測(cè)定其部分物理參數(shù)，然后對(duì)擾動(dòng)樣進(jìn)行壓縮排水試驗(yàn)。土的固結(jié)壓縮試驗(yàn)方法是根據(jù)太沙基的固結(jié)理論建立的，國(guó)內(nèi)外常用的標(biāo)準(zhǔn)方法是增量分級(jí)加荷法［2］。本文對(duì)于擾動(dòng)土樣主要采取了常規(guī)固結(jié)壓縮試驗(yàn)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)加荷時(shí)間為24 h一級(jí)，每級(jí)加載10 kg。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，本次土樣測(cè)定的物理參數(shù)如表1 所示。

擾動(dòng)樣基本物理性質(zhì) 表1

由此可知，天然密度隨著深度的增加而增加;而土粒密度是土的一種最基本參數(shù)指標(biāo)，其大小與孔隙大小和含水多少無(wú)關(guān)，它與其所含礦物密度有關(guān);壓縮后含水率均會(huì)產(chǎn)生降低。計(jì)算出每一級(jí)荷載下所對(duì)應(yīng)的孔隙比，繪制壓縮曲線如下:

圖1 5 個(gè)土樣的e－p 壓縮曲線

圖2 理論e－p 壓縮曲線

從圖1 中曲線上看，可知擾動(dòng)樣的e－p 壓縮曲線的形狀是一條下凹的平滑曲線，從土樣1、2、3、5(初始孔隙比相對(duì)較小)的曲線形狀可明顯看出，尤其土樣2 的最為明顯，且壓力較小時(shí)，曲線較陡，隨著壓力的逐漸增加，曲線逐漸變緩，說(shuō)明土在壓力增量不變的情況下進(jìn)行壓縮時(shí)，其壓縮變形的增量是遞減的，這些特征都與理論的壓縮曲線相符合(如圖2 所示)。形成這種形狀特征的原因是:在有側(cè)限壓縮時(shí)，開(kāi)始加壓階段接觸不穩(wěn)定的土粒首先發(fā)生位移，孔隙體積減小的很快，所以曲線斜率比較大，隨著壓力的增加，進(jìn)一步壓縮是因?yàn)榭紫吨兴c氣體的擠出，當(dāng)水與氣體不再被擠出時(shí)，土的壓縮逐漸停止，曲線趨于平緩。至于土樣4，出現(xiàn)水平與波動(dòng)原因可能是制樣時(shí)密實(shí)度不均一所致。

含水率是指土中所含水分的質(zhì)量與天然含水量的比值，根據(jù)壓縮前后土樣含水率，可算出理論上的釋水量，將實(shí)測(cè)釋水量進(jìn)行校正，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

五組土樣實(shí)測(cè)釋水量校正表 表2

據(jù)表2 中的結(jié)果可知，實(shí)測(cè)釋水量小于由含水率變化計(jì)算出的理論釋水量，其原因是多方面的:在制樣與壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，土樣中有水分蒸發(fā)，更主要的是壓縮試驗(yàn)中釋出的水以重力水為主，事實(shí)上，土樣中還存在大量的結(jié)合水，這部分水在壓力小時(shí)是無(wú)法釋出的，所以理論上的釋水量始終是要大于實(shí)測(cè)釋水量的。土樣2 的理論釋水量與實(shí)測(cè)釋水量?jī)H僅相差3.411 g，相對(duì)于土樣中含水總量來(lái)說(shuō)，這個(gè)差值很小，說(shuō)明土樣中絕大多數(shù)為重力水，土樣4、5 在試驗(yàn)中沒(méi)有釋水，說(shuō)明其中重力水較少。

4 壓縮變形的微觀機(jī)理分析

研究壓縮前后土體微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)變化，特別是孔隙大小和顆粒相關(guān)指標(biāo)變化規(guī)律，結(jié)合壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得到的主要結(jié)論如下:實(shí)測(cè)釋水量是小于由含水率變化量計(jì)算出的理論釋水量的，5 個(gè)土樣樣品中，土樣2 的實(shí)測(cè)釋水量28.030 g 與理論釋水量31.441 g非常接近，且其壓縮曲線是最符合理論上的壓縮曲線特征的，故土樣2 的實(shí)驗(yàn)誤差最小，可作為代表性土樣，來(lái)進(jìn)一步分析;土樣1 和土樣3 的壓縮曲線也比較符合理論曲線，但其釋水量與理論值相差較大，故從中選取土樣1，與土樣2 一起做微觀對(duì)比分析兩個(gè)土樣的SEM 圖像進(jìn)行對(duì)比其孔隙、顆粒的變化規(guī)律，以其從微觀角度，揭示土體壓縮變形機(jī)理。

4.1 SEM 圖像處理

SEM 圖像處理方法:通過(guò)分析電子顯微鏡掃描技術(shù)獲得的土樣SEM 圖像，可以直觀觀察到土樣顆粒和孔隙的形態(tài)、大小以及分布等特征。如從圖3 中可以很清晰地看到土樣顆粒主要以鱗片狀為主，孔隙和顆粒分布不均勻等。

本次采用ERDAS 軟件對(duì)SEM 圖片進(jìn)行處理，處理過(guò)程為:圖片格式轉(zhuǎn)換→二值化→矢量化，提取所需數(shù)據(jù)。SEM 圖像經(jīng)過(guò)上述處理后，能夠得到土樣中各個(gè)孔隙和顆粒面積、周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。

圖3 土樣1 壓縮后×2400SEM 圖像

4.2 數(shù)據(jù)處理記錄

本次只對(duì)土樣1、2 壓縮前后放大800 倍的SEM圖像進(jìn)行處理，由于得到的數(shù)據(jù)過(guò)于繁多，在此不一一詳盡列出。

4.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

本次相關(guān)孔隙數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3 所示。

土樣1、2 相關(guān)孔隙數(shù)據(jù)表 表3

4.4 壓縮特性微觀機(jī)理分析

研究表明［3］，從微觀結(jié)構(gòu)變化的角度來(lái)說(shuō)，影響土體在壓縮過(guò)程中的變化主要有下面幾個(gè)因素:①顆粒本身形態(tài)變化，包括顆粒粒徑和形狀的變化;②顆粒之間排列形式的變化;③土體中孔隙大小、數(shù)量以及體積的變化。從上面三個(gè)影響因素中不難發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)因素聯(lián)系非常密切，針對(duì)本次利用ERDAS 軟件分析土樣的SEM 圖像的特點(diǎn)，將從因素①和③兩個(gè)方面來(lái)研究土體的壓縮特性微觀機(jī)理。

非飽和土體中的孔隙被水和氣體所占據(jù)，當(dāng)土體被壓縮時(shí)，其變化主要由氣體和孔隙水的排出所致。利用SEM 圖像分析所得的孔隙面積變化數(shù)據(jù)，將其換算成整個(gè)土樣上孔隙體積的變化，根據(jù)土樣壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其孔隙體積的變化，整理兩者數(shù)據(jù)可得表4:

土樣1、2 孔隙體積數(shù)據(jù)表 表4

土樣1、2 的在壓縮前后的平均形狀系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5 所示:

土樣1、2 顆粒平均形狀系數(shù)表 表5

依據(jù)由SEM 圖像所得的顆粒面積數(shù)據(jù)的最大值和最小值，為了更為直觀的對(duì)比出土樣1 和土樣2 顆粒級(jí)配，可以按照顆粒的等效直徑將其劃分為5 個(gè)不同的等級(jí)，即 0 um～0.2 um、0.2 um～1.26 um、1.26 um～2.32 um、2.32 um～3.38 um、＞3.38 um。結(jié)果如表6 所示:

土樣1、2 顆粒級(jí)配表 表6

因土樣1 和土樣2 的最終荷載不是一致的，所以對(duì)比兩者壓縮后的顆粒的相關(guān)數(shù)據(jù)沒(méi)有意義。但根據(jù)表5中土樣壓縮前后顆粒平均形狀系數(shù)變化來(lái)看，黏性土壓縮后顆粒平均形狀系數(shù)是增大的，也就是說(shuō)黏性土在壓縮后其顆粒形狀有由片狀向粒狀轉(zhuǎn)變的趨勢(shì);從表6 土樣2 壓縮前后的顆粒粒徑變化情況來(lái)看，壓縮后顆粒粒徑主要變化是0 um～0.2um、1.26 um～2.32 um的顆粒向粒徑范圍0.2 um～1.26 um內(nèi)轉(zhuǎn)變。

綜合表5 和表6 來(lái)分析，在壓縮前，土樣1 的顆粒平均形狀系數(shù)要小于土樣2，說(shuō)明土樣1 的顆粒形狀更狹長(zhǎng)，較土樣2 更具有薄片狀結(jié)構(gòu)的特征;除此之外，土樣1 顆粒在0 um～0.2 um、0.2 um～1.26 um所占比例均大于土樣2 在這兩個(gè)范圍內(nèi)的比例，說(shuō)明土樣1 顆粒中細(xì)小顆粒相對(duì)于土樣2 中較多。

在這里可以利用粘粒雙電層理論來(lái)解釋兩個(gè)土樣的壓縮特性微觀機(jī)理。粘粒的雙電層結(jié)構(gòu)是由內(nèi)層決定電位離子層和外層反離子層組成的，其反離子層又由固定層和擴(kuò)散層構(gòu)成，黏性土的壓縮性就與其中的擴(kuò)散層有關(guān)［4］，而土樣1 的顆粒細(xì)小，且呈現(xiàn)較土樣2 更加明顯的薄片狀結(jié)構(gòu)特征，故比表面積較大，親水性較強(qiáng)，最終的結(jié)果就是土樣1 的擴(kuò)散層厚度要大于土樣2 的擴(kuò)散層厚度，也就是說(shuō)，土樣1 的弱結(jié)合水層厚度是要大于土樣2 的，結(jié)合表4 中數(shù)據(jù)具體分析，土樣1 的實(shí)測(cè)釋水量與理論釋水量相差40.308，說(shuō)明其中的重力水很少，這也證實(shí)了土樣1 的結(jié)合水含量較多的結(jié)論。正是出于土樣1 擴(kuò)散層厚度較大的原因，在對(duì)其做SEM 圖像分析時(shí)，不能很好地確定出孔隙與顆粒的界限值，因而利用SEM 圖像分析孔隙體積減小量時(shí)所得數(shù)據(jù)偏小，造成相對(duì)誤差比較大。

對(duì)于土樣2，實(shí)測(cè)釋水量較大，其值與理論釋水量?jī)H僅相差3.411，故土樣2 中重力水較多，在壓縮過(guò)程中隨著荷載的增大土樣中的重力水持續(xù)不斷的釋出，由于擴(kuò)散層厚度相對(duì)較小，結(jié)合水含量相對(duì)較少。從土樣2 的孔隙減小量相對(duì)誤差來(lái)看，0.43%是一個(gè)誤差允許范圍內(nèi)的數(shù)值，土樣2 的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了黏性土宏觀上的壓縮變形量與微觀上孔隙減小量是一致的。

5 結(jié) 論

本文選取大連市某鉆孔不同深度的5 個(gè)土樣樣品首先進(jìn)行模擬原狀樣壓縮試驗(yàn)(實(shí)則為擾動(dòng)樣)，測(cè)定不同荷載下的釋水量和變形量，分析土樣壓縮曲線。同時(shí)，采用壓縮前后土樣進(jìn)行電子顯微鏡掃描(SEM)，然后利用ERDAS 軟件對(duì)SEM 圖片進(jìn)行分析，研究壓縮前后土體微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)變化，特別是孔隙大小和顆粒相關(guān)指標(biāo)變化規(guī)律，結(jié)合壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析二者之間的聯(lián)系［5］，得到的主要結(jié)論如下:

土樣1、2 的顆粒平均形狀系數(shù)壓縮后變大，說(shuō)明黏性土在壓縮過(guò)程中由片狀向粒狀變化，土樣1 的顆粒更細(xì)小，更具薄片狀特征，擴(kuò)散層厚度大，實(shí)際釋水量少，擴(kuò)散層的厚度影響到SEM 圖像分析中閥值的確定，致使孔隙體積變形量相對(duì)誤差較大;土樣2 中重力水較多，孔隙體積變形量相對(duì)誤差僅為0.43%，土樣2的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了黏性土宏觀壓縮變形量與微觀孔隙體積變化量是一致的。

6 建 議

對(duì)于壓縮試驗(yàn)和微觀機(jī)理分析中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們可以采取如下措施來(lái)解決:

(1)用最小分度值較小的百分表或全量程位移傳感器來(lái)對(duì)變形量進(jìn)行測(cè)量，這樣能減小人為的讀數(shù)誤差，使得測(cè)量出的變形量更加精確;

(2)分級(jí)加載應(yīng)當(dāng)更加密集，以便可以測(cè)定到壓縮曲線上的拐點(diǎn)值;

(3)減少人為或者儀器帶來(lái)的誤差;

(4)確定SEM 圖像中的閥值還需探討。

我們可以這樣認(rèn)為，黏性土的壓縮變形主要是由孔隙體積減小引起的，這一結(jié)論在工程實(shí)踐中有著一定的意義。如在進(jìn)行地基最終沉降量的計(jì)算時(shí)，是否可以不用經(jīng)過(guò)繁瑣的運(yùn)算，直接取沉降前后部分土樣采用SEM 技術(shù)利用ERDAS 軟件來(lái)計(jì)算孔隙面積的變化率從而確定出地基的最終沉降量。期待土的壓縮特性微觀機(jī)理問(wèn)題得到更為全面的研究，并將其運(yùn)用到工程建設(shè)中去。

［1］施斌，李生林．黏性土微觀結(jié)構(gòu)SEM 圖象的定量研究［J］．中國(guó)科學(xué)(A 緝)，1995．6．

［2］塔薩奇，波克．工程實(shí)用土力學(xué)［M］．蔣彭年譯，北京:水利水電出版社，1960．

［3］胡瑞林．黏性土微結(jié)構(gòu)定量模型及其工程地質(zhì)特征研究［M］．北京:地質(zhì)出版社，1995．

［4］王立忠，丁利，陳云敏等．結(jié)構(gòu)性軟土壓縮特性研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2004(4):46～53．

［5］毛靈濤，薛茹，安里千．MATLAB 在微觀結(jié)構(gòu)SEM 圖像定量分析中的應(yīng)用［J］．電子顯微學(xué)報(bào)，2004，23(5):579～583．