某機(jī)場工程不同擊實(shí)次數(shù)下黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征研究

魏　樺,寧立波

(1.空軍工程設(shè)計(jì)研究局，北京 100086；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

黃土的濕陷特性極大地影響著建設(shè)工程的安全性。造成黃土濕陷的主要原因是黃土微觀結(jié)構(gòu)的變化，即黃土微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其工程力學(xué)性質(zhì)起著決定性作用。許多學(xué)者對(duì)黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，如Dijkstra等[1]研究了黃土固結(jié)過程中顆粒堆積的演化情況；胡瑞林等[2]借助圖像處理技術(shù)，提出用顆粒形態(tài)及排列特征、孔隙特征、粒間非化學(xué)接觸

特征等要素來完整體現(xiàn)黃土的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)；唐朝生等[3]通過對(duì)土體SEM圖像的研究，發(fā)現(xiàn)選取的閾值相對(duì)較小時(shí)，得到的土體孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)較接近真實(shí)情況；宋章等[4]和宋彥輝等[5]通過掃描電鏡分析，研究了原狀黃土的微觀結(jié)構(gòu)特性；陳偉等[6]利用掃描電子顯微鏡對(duì)壓實(shí)黃土剪切前后的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究；付建偉等[7]用掃描電子顯微鏡分析了各級(jí)壓力下壓實(shí)黃土的微觀結(jié)構(gòu)[7]。

但上述研究針對(duì)一些高填方工程擊實(shí)黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征的研究相對(duì)較少。為此，本文結(jié)合西北某機(jī)場工程，通過室內(nèi)試驗(yàn)，借助掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)不同擊實(shí)次數(shù)下濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定性描述和定量研究，進(jìn)而合理確定機(jī)場工程地基處理中濕陷性黃土的擊實(shí)次數(shù)。

1　樣品制備與圖像預(yù)處理

1. 1　樣品制備

西北某機(jī)場工程位于延安市，為高填深挖工程，填方厚度最大達(dá)70多米，其特點(diǎn)是：土石方量巨大，原土基為深厚濕陷性黃土，填料為濕陷性黃土。本研究試驗(yàn)土樣取自機(jī)場地基建設(shè)挖方區(qū)，為獲取各個(gè)時(shí)代(主要是Q2、Q3)的黃土，保證所取黃土土樣具有代表性，在機(jī)場建設(shè)3個(gè)挖方區(qū)各選擇一個(gè)典型剖面進(jìn)行取樣。土樣制備方法是將取來的土樣搗碎，放于烘箱中烘干24 h，再將其碾碎，采用配土法配制其含水量為12.8%[8]，并根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)中土樣最佳含水量的確定是通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，故通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)確定此為最佳含水量。

土樣制備好后進(jìn)行分層擊實(shí)，擊實(shí)次數(shù)分別為70次、84次、98次、12次、126次、140次，即將土樣制備為6組擊實(shí)土樣。

1. 2　圖像預(yù)處理

本次試驗(yàn)將6組擊實(shí)土樣干燥處理后分割成便于掃描電子顯微鏡(SEM)觀測的樣品，采用烘干法進(jìn)行干燥處理，每組樣品包括擊實(shí)土樣的水平面和豎直面兩個(gè)土樣，采用日本日立公司生產(chǎn)的超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM-SU8010)對(duì)試驗(yàn)土樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。

在土樣的微觀結(jié)構(gòu)觀測中，SEM圖像的放大倍數(shù)不同所觀測到的土樣所表現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)特征狀態(tài)也不同，在中倍數(shù)區(qū)(200～500倍)，觀測到的土樣圖像較為清晰，觀測范圍也較高倍數(shù)區(qū)大，得到的分析數(shù)據(jù)也較準(zhǔn)確；在高倍數(shù)區(qū)(1 000～4 000倍)，觀測范圍較小，主要可觀測到微小孔隙和顆粒分布情況以及顆粒之間的接觸聯(lián)接情況。由于本次試驗(yàn)為擊實(shí)土樣，具有高致密性且顆粒較小，所以選取SEM圖像的放大倍數(shù)為400倍和1 000倍進(jìn)行研究。本次采用PhotoShop軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像降噪、增強(qiáng)對(duì)比度以及亮度均衡，進(jìn)而提高SEM圖像的質(zhì)量。

2　擊實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)特征的定性分析

經(jīng)過對(duì)每組擊實(shí)次數(shù)下?lián)魧?shí)黃土的水平面(H面)和豎直面(V面)的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像的觀測以及數(shù)據(jù)提取后的分析比較，發(fā)現(xiàn)擊實(shí)黃土水平面和豎直面的微觀結(jié)構(gòu)隨擊實(shí)次數(shù)的變化趨勢區(qū)別不大，所以本文選擇擊實(shí)黃土的豎直面的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像進(jìn)行分析。圖1為放大倍數(shù)×400時(shí)不同擊實(shí)次數(shù)下黃土微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

圖1　　　　放大倍數(shù)×400時(shí)不同擊實(shí)次數(shù)下黃土的微觀 結(jié)構(gòu)SEM圖像Fig.1　　　　SEM image of loess microstructure under different compaction times with magnification of 400 times

由圖1可見，6組不同擊實(shí)次數(shù)下土樣的微觀結(jié)構(gòu)較為致密，幾乎沒有大孔隙存在，SEM圖像中雖可見到比較大的凹陷，這可能是制作試樣時(shí)手動(dòng)掰開造成的；經(jīng)過橫向比較可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，土樣的孔隙逐漸減少，顆粒接觸越來越密實(shí)，特別是在擊實(shí)次數(shù)為70～112次之間時(shí)，土樣微觀結(jié)構(gòu)的變化還是比較明顯的；而在擊實(shí)次數(shù)為126次、140次時(shí)，土樣微觀結(jié)構(gòu)的變化直觀上已不明顯，較擊實(shí)次數(shù)在70～112次之間時(shí)的顆粒接觸更緊密，孔隙分布更少，大孔隙已不存在。

圖2為放大倍數(shù)×1 200時(shí)不同擊實(shí)次數(shù)下黃土的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像。

圖2　　　　放大倍數(shù)×1 200時(shí)不同擊實(shí)次數(shù)下黃土的微觀 結(jié)構(gòu)SEM圖像Fig.2　　　　SEM image of loess microstructure under different compaction times with magnification of 1200 times

由圖2可見，與放大倍數(shù)×400時(shí)相比，放大倍數(shù)×1 200時(shí)SEM圖像中土樣的面積較小，但顆粒和孔隙都比較清楚，土樣骨架單元體主要是聚合體，并且接觸關(guān)系主要是面-面接觸；隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，明顯可見土樣的孔隙由大變小、由多變少，并且土樣單元體的聚合體越來越大，土樣越來越密實(shí)；但當(dāng)擊實(shí)次數(shù)為98次之后，土樣的微觀結(jié)構(gòu)在表觀上變化不大。

由以上定性分析可知，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，土樣的孔隙逐漸減少，顆粒接觸越來越密實(shí)，會(huì)使擊實(shí)土樣的強(qiáng)度越來越大，但在擊實(shí)次數(shù)為98次之后，土樣微觀結(jié)構(gòu)在表觀上的差別不大。

3　擊實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)的定量分析

本文采用ERDAS軟件對(duì)黃土的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)提取。

3. 1　孔隙參數(shù)的選擇

本次對(duì)擊實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像的定量研究，主要是針對(duì)擊實(shí)黃土的孔隙進(jìn)行量化，在數(shù)據(jù)提取時(shí)，按屬性碼提取所需信息，直接分析得到黃土孔隙的大小、含量等參數(shù)，進(jìn)一步分析得到黃土孔隙的形狀(分形分維)參數(shù)。

3.1.1孔隙的形狀系數(shù)F

孔隙的形狀系數(shù)表示孔隙邊緣與圓的接近程度，用F表示(公式1)。F的數(shù)值在0～1之間，F(xiàn)越小，孔隙邊緣越復(fù)雜，顆粒與聚合體邊緣越曲折，顆粒與聚合體接觸越復(fù)雜，接觸面積越大，其強(qiáng)度越大；反之，F(xiàn)越大，孔隙邊緣越接近于圓形。

F=Py/P

(1)

式中:Py為與孔隙等面積圓的周長(μm)；P為孔隙實(shí)際周長(μm)。

3.1.2孔隙的分形維數(shù)

Voss等[8]根據(jù)分形理論，發(fā)現(xiàn)SEM圖像中土樣顆粒的周長與面積存在如下關(guān)系：

logP=D/2logA+C

(2)

式中：P為孔隙周長，以像素記；A為孔隙面積，以像素記；D為孔隙的分形維數(shù)；C為常數(shù)。

根據(jù)分形理論，可采用公式(2)來分析土樣孔隙的分形維數(shù)，即根據(jù)孔隙的周長與面積的對(duì)數(shù)曲線，確定各擊實(shí)次數(shù)下土樣孔隙的分形維數(shù)。孔隙的分形維數(shù)反映了孔隙的形狀，表示孔隙邊緣的復(fù)雜程度，其數(shù)值越大，表示孔隙邊緣越復(fù)雜；數(shù)值越小，表示孔隙邊緣越簡單。

3.1.3孔隙的平均孔徑

在矢量圖像屬性表中提取孔隙的像素點(diǎn)數(shù)面積和周長數(shù)據(jù)，可直接統(tǒng)計(jì)得到孔隙的大小。通過比例尺以及每個(gè)像素的長度可將像素單位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為長度單位數(shù)據(jù)，并可得到每個(gè)孔隙的等效圓直徑di：

(3)

式中：ai為第i個(gè)孔隙的面積(μm2)。

然后對(duì)其求平均值，可得到孔隙的平均孔徑為

(4)

式中：n為孔隙的個(gè)數(shù)。

3.1.4灰度閾值

SEM圖像是由一系列灰度值顯現(xiàn)出來的，從灰度值的角度進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)孔隙與顆粒信息的分離。信息分離的實(shí)現(xiàn)需要確定一個(gè)介于孔隙與顆粒灰度值之間的界限，稱為灰度閾值。灰度閾值確定后，就可以對(duì)SEM圖像進(jìn)行二值化處理，從而得到二值化SEM圖像。二值化SEM圖像只顯示孔隙和顆粒，孔隙顯示為黑色，顆粒顯示為白色。

圖3　土樣的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像Fig.3　SEM image

圖4　土樣二值化SEM圖像Fig.4　Binary image

圖5　土樣矢量化SEM圖像Fig.5　Vectorized image

為了計(jì)算方便并且考慮灰度閾值的準(zhǔn)確性，本文采用試算法[9],以擊實(shí)次數(shù)為84次，放大倍數(shù)×400時(shí)為例，具體步驟如下：首先利用ERDAS中Viewer模塊打開處理后的土樣微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像(見圖3)，利用inquire cursor工具查詢土樣微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像的灰度值，初步確定孔隙灰度值范圍，估計(jì)灰度閾值的大概取值范圍為85～110；然后按不同的灰度閾值，利用Modeler模塊建模，進(jìn)行二值化SEM圖像處理，即將灰度閾值范圍85～110按灰度值85、90、95、100、105、110分為5段，并分別進(jìn)行二值化處理得到黑白二值化SEM圖像，黑色表示孔隙，白色表示顆粒，見圖4；再利用Vector模塊將柵格文件轉(zhuǎn)化為矢量文件，將孔隙刻劃為不規(guī)則多邊形(見圖5)，從矢量化SEM圖像的屬性中提取孔隙和顆粒的基本信息，如周長、面積等，以像素個(gè)數(shù)表示，且在二值化SEM圖像處理過程中，孔隙的屬性定為1，顆粒的屬性定為0，所以在矢量化SEM圖像的屬性表中，凡屬性碼為1的均為孔隙，屬性碼為0的均為顆粒，提取屬性表中的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)孔隙與顆粒的信息分離；最后根據(jù)提取的孔隙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到孔隙的定量化參數(shù)，并根據(jù)孔隙的平均孔徑與閾值的變化關(guān)系以及孔隙的分形維數(shù)與灰度閾值的變化關(guān)系，確定灰度閾值的范圍，見圖6和圖7。

圖6　孔隙的平均孔徑與灰度閾值的關(guān)系Fig.6　　　　Relationship between the average aperture of the pore and the threshold of the gray scale

圖7　孔隙的形態(tài)分維數(shù)與灰度閾值的關(guān)系Fig.7　　　　Relationship between the fractal dimension of the pore and the threshold of the gray scale

由圖6和圖7可見，灰度閾值在95～105之間時(shí)，孔隙的平均孔徑隨灰度閾值的變化呈上升趨勢，但變化幅度僅從0.57變至0.65,變化相對(duì)穩(wěn)定(見圖6)；灰度閾值在90～100之間時(shí)，孔隙的分形維數(shù)變化相對(duì)穩(wěn)定。

綜合分析，在擊實(shí)次數(shù)為84次時(shí)，確定土樣微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像的灰度閾值取值范圍為95～100。按同樣的方法可分別確定其他擊實(shí)次數(shù)下土樣微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像的灰度閾值取值范圍，詳見表1。

表1　　　　不同擊實(shí)次數(shù)下土樣微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像的灰度閾值Table 1　　　　Threshold of the gray scale of the SEM image of loess microstructure under different compaction times

3. 2　數(shù)據(jù)分析

孔隙各參數(shù)值確定后即可進(jìn)行不同擊實(shí)次數(shù)下?lián)魧?shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)的定量分析。

3.2.1孔隙的含量分析

圖8為不同擊實(shí)次數(shù)下土樣小于某孔徑的孔隙面積占孔隙總面積的百分比的分布曲線。

根據(jù)土樣孔徑的分布曲線特征(見圖8)可以看出，在擊實(shí)次數(shù)為98次之后，孔隙的分布差異不大；縱向比較，相同孔徑條件下，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，小于該孔徑的孔隙面積占孔隙總面積的百分比逐漸增加，表明隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，土樣孔隙的孔徑逐漸減小。在擊實(shí)次數(shù)為98次之后，孔隙的分布差異不大，表明擊實(shí)次數(shù)在98次之后效果不太明顯，據(jù)此建議室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)土樣的擊實(shí)次數(shù)選擇為98次即可。

圖8　　　　不同擊實(shí)次數(shù)下土樣小于某孔徑的孔隙面積占 孔隙總面積的百分比的分布曲線Fig.8　　　　Distribution curve of the percentage of pore area (%) less than a particle size in total pore area under different compaction times

根據(jù)雷祥義等[10]對(duì)黃土孔隙的分類標(biāo)準(zhǔn)，將黃土孔隙按大小分為：大孔隙(孔徑>0.016 mm)、中孔隙(孔徑為0.016～0.004 mm)、小孔隙(孔徑為0.004～0.001 mm)和微孔隙(孔徑<0.001 mm)。本文對(duì)不同擊實(shí)次數(shù)下?lián)魧?shí)土樣的孔隙數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分類，用孔隙含量來表征孔隙的分布和大小[11]，統(tǒng)計(jì)出擊實(shí)土樣大、中、小、微孔隙的含量，并計(jì)算出其面孔隙率[12],詳見表2。

表2　擊實(shí)黃土孔隙含量的分布(%)Table 2　　　　Distribution of pore size of the compacted loess (%)

由表2可見，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，擊實(shí)土樣中大、中孔隙逐漸變?yōu)槲⑿】紫?，且在擊?shí)次數(shù)為98次之后，土樣微觀結(jié)構(gòu)中的孔隙絕大部分是微孔隙，顆粒與聚合體之間的接觸會(huì)更加密集，擊實(shí)土樣則會(huì)具有較高的強(qiáng)度。

3.2.2孔隙的形狀系數(shù)分析

根據(jù)公式(1)，分別計(jì)算出各組擊實(shí)土樣孔隙的形狀系數(shù)F，再求出其均值，可得出擊實(shí)土樣的平均孔隙形狀系數(shù)隨擊實(shí)次數(shù)的變化曲線，見圖9。

圖9　　　　擊實(shí)土樣的平均孔隙形狀系數(shù)隨擊實(shí)次數(shù)的 變化曲線Fig.9　　　　Curve of average pore shape factor with compa- ction times of the compacted soil samples

由圖9可見，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，擊實(shí)土樣的平均孔隙形狀系數(shù)F越來越小，且在擊實(shí)次數(shù)為112次之后曲線變化平緩，表明隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，擊實(shí)土樣內(nèi)部孔隙邊緣越來越復(fù)雜，顆粒接觸越來越緊密，擊實(shí)土樣的強(qiáng)度越來越大。

3.2.3孔隙的分形維數(shù)分析

根據(jù)公式(2)，對(duì)每組擊實(shí)土樣SEM圖像中孔隙的面積(A)和孔隙的周長(P)取對(duì)數(shù)后，進(jìn)行線性擬合，得到擊實(shí)土樣直線斜率的擬合曲線(見圖10)，由各組擬合曲線，并根據(jù)直線斜率計(jì)算得到各組擊實(shí)土樣孔隙的分形維數(shù)D，詳見表3。

圖10　擊實(shí)土樣直線斜率的擬合曲線Fig.10　　　　Fitting curves of straight slope of the compacted soil samples表3　擊實(shí)土樣的孔隙的形態(tài)分維數(shù)Table 3　　　　Morphological fractal dimension of the compacted soil samples

擊實(shí)次數(shù)/次擬合直線斜率k孔隙的分形維數(shù)D700.65121.3024840.65351.3070980.65451.30901120.65581.31141260.65731.31461400.65761.3150

由表3可見，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，擊實(shí)土樣孔隙的分形維數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，表示擊實(shí)土樣內(nèi)部孔隙的邊緣隨著擊實(shí)次數(shù)的增加越來越復(fù)雜，這是由于隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，擊實(shí)土樣內(nèi)部的大、中孔隙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿】紫?，使孔隙的邊緣越來越?fù)雜；但是總體來看，孔隙的分形維數(shù)的變化并不大，這是由于土樣在擊實(shí)作用下，孔隙分布已相對(duì)均勻，尤其是在擊實(shí)次數(shù)為112次之后變化非常小，表明擊實(shí)次數(shù)在112次后對(duì)土樣微觀結(jié)構(gòu)的影響已不明顯。

由此可見，本文所研究的機(jī)場工程地基處理過程中在壓實(shí)度檢測標(biāo)準(zhǔn)中可將擊實(shí)次數(shù)選取為112次左右。

4　結(jié)論與建議

(1) 綜合×400放大倍數(shù)和×1 200放大倍數(shù)的擊實(shí)黃土的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像分析可知，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，土樣的孔隙逐漸減少，顆粒接觸越來越密實(shí)，使擊實(shí)土樣的強(qiáng)度越來越強(qiáng)。但在擊實(shí)次數(shù)為98次之后，土樣微觀結(jié)構(gòu)在表觀上差別不大。

(2) 隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，擊實(shí)黃土的孔徑逐漸變小，孔隙含量逐漸變少，孔隙分布從大、中孔隙逐漸變?yōu)槲⑿】紫?，其分布越來越均勻；但在擊?shí)次數(shù)為98次之后，擊實(shí)黃土的孔隙隨擊實(shí)次數(shù)的變化已不明顯，尤其是112次之后，微觀顆粒接觸基本上都是團(tuán)粒集合體間的面-面接觸，擊實(shí)黃土的微觀結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

(3) 建議該機(jī)場工程地基處理過程中在壓實(shí)度檢測標(biāo)準(zhǔn)中將擊實(shí)次數(shù)選定在98～112次之間。

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