上海黏土壓縮回彈變形的微觀機理

顧 迪，嚴學新，張 云，白 楊，楊天亮

(1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023；2.上海市地質調查研究院，上海 200072)

過量開采地下水造成土層中有效應力增大、土體壓縮變形，地面產生沉降。為了控制地面沉降的發(fā)生和發(fā)展，許多地區(qū)限制、禁止地下水開采，或進行人工回灌，以期土層中孔隙水壓力增加、有效應力減小，土層回彈，但這些措施的效果往往并不盡如人意。為了采取更經濟合理的方法防止和控制地下水開采引起的地面沉降，有必要進一步研究土體(尤其是構成弱透水層的黏土)在有效應力變化情況下的變形機理。

黏土的宏觀變形是其微觀結構變化的宏觀反映，土體內部孔隙的變化是土體微觀結構變化的主要因素，而孔隙體積的改變是土體變形的主要原因，因此，研究土體孔隙的變化有助于揭示土體變形的機理。近年來許多學者致力于研究黏土變形過程中微觀結構(特別是孔隙結構)的變化。李越等[1]研究表明，與壓縮曲線類似，上海軟土的面孔隙度隨固結壓力增大而減小，在0～200 kPa范圍內，孔隙個數(shù)和孔隙平均形狀系數(shù)隨固結壓力增大而顯著增加，在固結壓力大于200 kPa后，隨固結壓力增大，孔隙個數(shù)緩慢減小、孔隙平均形狀系數(shù)緩慢則增大。周暉等[2]認為隨固結壓力增加，珠江三角洲軟土的顆粒定向性增加、孔隙體積減小、孔隙分維值下降。謝曉華等[3]對珠江三角洲軟土進行的壓縮試驗結果表明，隨著壓力增加，土體的孔隙率和孔徑減小，而孔隙數(shù)量增加。孔令榮等[4]提出上海軟土在固結壓力較小時以團粒內孔隙和顆粒間孔隙為主，隨固結壓力增大，孔隙總體積減小且以顆粒間孔隙為主。周建等[5]認為隨固結壓力增大，杭州軟黏土的孔隙數(shù)量先增多后減少，孔隙體積減小、均一化程度提高，孔隙排列的有序性和定向性增強。楊愛武等[6]研究了小偏應力作用下吹填土蠕變過程中孔隙的變化，發(fā)現(xiàn)隨時間增加，總孔隙數(shù)量和小孔隙數(shù)量都增加，但平均孔隙體積逐漸減小。這些研究揭示了黏土固結過程中孔隙數(shù)量、孔隙形態(tài)及均一化程度等隨固結壓力的變化規(guī)律，但目前研究主要針對土體加載壓縮過程中微觀結構的改變，對土體回彈過程中微觀結構變化的研究還很少。

隨著地面沉降控制措施的加強，許多地面沉降地區(qū)(如上海、江蘇蘇錫常地區(qū))的地下水位已普遍回升，土層中有效應力減小，但土層回彈變形量并不顯著、遠小于等量地下水位下降時的壓縮量。為了揭示地下水回升情況下弱透水層的變形機理，本文采用固結儀對上海黏土進行單向壓縮回彈試驗，采用掃描電鏡和壓汞儀研究土體微觀結構隨固結壓力增加及減小情況下的變化特征，該研究可以為地面沉降防控措施的制定提供科學依據(jù)。

1 試驗方案

試驗土樣取自上海崇明島，取土深度38 m，土樣的基本物理力學性質如表1所示，土樣的粒度分布如圖1所示。

表1 試驗土樣基本物理參數(shù)

圖1 土樣顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of clay

1.1 固結試驗

固結實驗采用常規(guī)固結儀進行，共有13個試樣。對7個土樣分級施加荷載，每一級壓力穩(wěn)定時間為24 h，分別施加壓力至0(原狀土樣)，50，100，200，300，400，800 kPa。對另外6個土樣先分級加載至800 kPa，再分級卸載，每級荷載卸除后穩(wěn)定24 h，分別卸載至400，300，200，100，50，0 kPa。

1.2 掃描電鏡及壓汞試驗

掃描電子顯微鏡(SEM)可對試樣表面的物質性能進行微觀成像，是研究土體微觀結構的常用儀器，從掃描電子照片上可直接觀測土顆粒和孔隙的大小、形狀、排列等，孔隙大小及其分布也可通過壓汞試驗(MIP)獲得。SEM試驗與MIP試驗在研究土體微觀結構中可以形成互補，使土體微觀結構研究更加準確有效[7]。

1.2.1試樣制備

試樣制備是SEM試驗和MIP試驗的基礎，對試驗結果的準確性至關重要。黏土易于受到擾動而變形，因此，在制樣過程中需要盡量減小對試樣的擾動，以保持試樣的表面結構。本次試驗中，首先將各級荷載下變形穩(wěn)定的土樣從單軸固結儀中取出，再用小刀從土樣中切出長約2 cm、寬約1.5 cm、高約1.5 cm的長條形試樣。由于SEM試驗和MIP試驗都要求試驗樣品必須為固體物質，因此試驗前需要對樣品進行干燥處理。為了不使土樣在干燥過程中發(fā)生結構改變，試驗采用冷凍干燥法[4，8]，先將試樣在-196 ℃液氮條件下干燥15 min，再放入冷凍干燥機冷凍干燥8 h。進行SEM掃描時，取經過冷凍干燥的土樣，小心掰斷，得到未受擾動土樣的新鮮斷面，經過鍍金處理后進行掃描電鏡圖片拍攝。本次研究所取得新鮮斷面平行于土樣在固結儀中的加壓方向。另外，將經過冷凍干燥的長條形土樣切成1 cm3的小方塊，供壓汞試驗使用。

1.2.2試驗方法

SEM掃描電鏡試驗采用南京地質古生物研究所的SU 3 500掃描電鏡拍攝，每一級壓力下的試樣分別在×500、×1 000、×2 000、×5 000四個放大倍數(shù)下觀測并拍攝。試驗結束后運用LIU等[9]開發(fā)的PCAS軟件對試驗所拍攝圖像進行二值化處理，識別所拍攝SEM圖像的顆粒和孔隙，將二值化圖像中的信息轉化為量度參數(shù)，最后對定量化的結構參數(shù)進行研究分析，包括表征土樣孔隙尺寸特征的面孔隙度、孔隙個數(shù)、分形維數(shù)、平均形狀系數(shù)等。MIP試驗采用南京工業(yè)大學化學工業(yè)實驗室的PoreMaster33壓汞儀，該儀器測定的孔徑范圍為950～0.006 4 μm，試驗后運用壓汞儀測試及數(shù)據(jù)處理軟件Porowin自動處理試驗數(shù)據(jù)，得到土體的孔徑分布試驗曲線和不同尺寸孔隙所占的比例。

2 試驗結果及分析

2.1 掃描電鏡試驗結果及分析

2.1.1掃描圖像觀察

圖2為原狀土樣在不同放大倍數(shù)時的SEM圖像，土樣表面微觀圖像特征隨著放大倍數(shù)增大逐漸變得清晰。當倍數(shù)較小時(放大500倍)，圖像能顯示的范圍比較大，可以看到土體結構表面的整體情況，但圖片中顆粒和孔隙不夠清晰；當倍數(shù)較大時(放大5 000倍)，圖像能清晰地顯示顆粒和孔隙的分布情況，適合選其作為定性分析的對象，但圖像中能顯示的區(qū)域范圍較小，圖片中只能觀察到少量顆粒及孔隙，且具有較大的偶然性。綜合考慮尺寸大小以及圖像清晰情況兩個因素，本文選用放大倍數(shù)為2 000倍的圖像對微觀結構參數(shù)進行定量分析。

圖2 不同放大倍數(shù)下原狀土SEM圖像Fig.2 SEM images of the undisturbed clay with different amplifications

圖3為加載壓縮過程中不同固結壓力下試樣放大2 000倍的SEM圖像(左側)及其對應的二值化圖像(右側)。從圖中可見，上海原狀軟黏土具有絮凝狀結構，土粒主要為片狀，形狀不規(guī)則，若干片狀土粒主要以面-面接觸方式團聚在一起形成大小不等的團聚體，團聚體內部土粒間具有較強的結構聯(lián)結。團聚體排列不規(guī)則，其間有較多的大孔隙，團聚體間的結構聯(lián)結較弱。隨著固結壓力增大，團聚體間的孔隙減小，團聚體排列的定向性增加。當固結壓力達到800 kPa時，團粒具有顯著的定向性。

圖3 各固結壓力下土體SEM及二值化圖像Fig.3 Images of SEM and corresponding binarization of the clay specimens under different pressures

2.1.2掃描電鏡圖像分析

(1)面孔隙度及孔隙數(shù)量變化

面孔隙度定義為SEM圖像中孔隙面積與總面積(孔隙面積與土粒面積之和)的比值。圖4為根據(jù)圖像分析所得的面孔隙度隨固結壓力變化曲線，為進行比較，根據(jù)固結試驗所得的壓縮回彈曲線也表示在其中。從圖中可以看出固結壓力在0～300 kPa之間時，面孔隙度和孔隙比均隨著固結壓力的增大而顯著降低，在固結壓力大于300 kPa后兩者均隨固結壓力增加呈緩慢減小的趨勢。卸載回彈時，面孔隙度和孔隙比都隨固結壓力的減小而緩慢增大?？梢?，面孔隙度變化趨勢與孔隙比變化趨勢基本一致，說明SEM圖像分析的結果可以較好地反映室內壓縮回彈試驗的結果，微觀結構參數(shù)的變化能反映黏土的宏觀變形特征。

圖4 宏微觀試驗下土的壓縮-回彈曲線Fig.4 Compression and rebound curves for macro and micro-tests

圖5為固結過程中孔隙數(shù)量隨固結壓力的變化圖。從圖中可以看出，隨著固結壓力增大，孔隙數(shù)量先是顯著增加，在200 kPa時孔隙數(shù)量到達峰值，此后隨固結壓力增大而減少。在0～200 kPa時，由于土顆粒相對錯動，部分孔隙壁接觸，使一個較大孔隙被分隔成多個較小的孔隙，孔隙數(shù)量明顯增加；在200 kPa之后，由于土顆粒之間相互壓縮、擠壓，部分孔隙被擠實、消失，導致孔隙數(shù)量減少，這一試驗結果與文獻[1]類似。卸載回彈階段，在固結壓力大于200 kPa時，土樣承受的壓力較大，即使固結壓力有所減小，土顆粒也難于移動或轉動，孔隙數(shù)量隨著固結壓力減小的變化不明顯；當固結壓力小于200 kPa后，孔隙數(shù)量隨固結壓力減小而增加，可能是少數(shù)原先在高壓力作用下閉合的孔隙又重新張開。當固結壓力全部卸除后，孔隙數(shù)量較黏土初始孔隙數(shù)量增加了很多，說明多數(shù)由較大孔隙分隔而成的小孔隙難以恢復成初始的較大孔隙。

圖5 孔隙數(shù)量隨固結壓力變化曲線Fig.5 Change in the number of pores

(2)孔隙平均形狀系數(shù)

孔隙形狀可以用形狀系數(shù)來描述，其定義為[10]：

(1)

式中：Fi——形狀系數(shù)；

Cc——與孔隙等面積的圓的周長；

Sa——孔隙的實際周長。

形狀系數(shù)的取值在0和1之間，其值越大，表明孔隙形狀越接近于圓形，其值越小，表明孔隙形狀越狹長?？紫缎螒B(tài)的復雜性使得單個孔隙形狀系數(shù)往往具有較大誤差，而且單個孔隙形態(tài)并不能反映土體總的孔隙特征，因此，通常采用平均形狀系數(shù)來定量描述土體的孔隙形態(tài)特征。平均形狀系數(shù)計算公式為[10]：

(2)

式中：n——孔隙總數(shù)量；

F——平均形狀系數(shù)。

F值越大表示孔隙特征越接近于圓形，反之則越狹長。孔隙平均形狀系數(shù)的變化可以反映孔隙形態(tài)特征的改變。

圖6為平均形狀系數(shù)隨固結壓力變化曲線。當固結壓力在0～300 kPa時，孔隙平均形狀系數(shù)隨著固結壓力的增加急劇增大，表現(xiàn)為孔隙形狀對壓力的敏感度較大，狹長孔隙壁接觸點數(shù)增加使孔隙變得更接近于圓形，即孔隙在不同方向的尺寸差別減小。在固結壓力大于300 kPa之后，平均形狀系數(shù)隨著固結壓力增加而增大的趨勢放緩，最后趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為孔隙形狀對壓力的敏感度降低，壓力增大更多的是使顆粒的空間排列變得緊密?；貜楇A段土體孔隙平均形狀系數(shù)隨固結壓力減小而略有減小，但總體變化不大，表明卸載階段孔隙對壓力釋放敏感度很小，卸載對孔隙整體形狀影響不大。

圖6 平均形狀系數(shù)隨固結壓力變化曲線Fig.6 Change in the average shape coefficient

(3)孔隙形態(tài)分形維數(shù)

孔隙形態(tài)分形維數(shù)可以表征孔隙輪廓線的復雜程度，其值越大，表明孔隙不規(guī)則程度越高。當孔隙形態(tài)存在分形特征時，SEM圖像中孔隙等效面積與周長之間存在如下關系[5，11]：

(3)

式中：A——任意一個孔隙的等效面積；

L——與之對應的孔隙的等效周長；

C——常數(shù)；

D——該圖像對應的軟土孔隙形態(tài)分形維數(shù)。

D值越大，表明孔隙結構越復雜，孔隙的空間形貌特征偏離光滑表面的程度越遠。

圖7為孔隙形態(tài)分形維數(shù)隨固結壓力的變化，D值介于1～2之間，加載過程中，固結壓力在0～400 kPa時，孔隙分形維數(shù)隨著固結壓力增大而顯著降低，這表現(xiàn)為孔隙變得圓滑，均一化程度增加，不規(guī)則程度降低。當固結壓力大于400 kPa時，分形維數(shù)隨著固結壓力增加而緩慢減小并趨向穩(wěn)定?；貜椷^程中孔隙分形維數(shù)隨固結壓力減小略有增大，但整體變化幅度很小，表明回彈過程中孔隙輪廓線變化幅度很小。

圖7 孔隙分形維數(shù)隨固結壓力變化曲線Fig.7 Change in pore fractal dimension

2.2 壓汞試驗結果及分析

2.2.1壓汞試驗原理

壓汞試驗是通過對汞施加一定壓力使汞克服自身表面張力而被壓入試樣的孔隙中，壓入汞的體積即試樣孔隙的體積。在低壓力作用下，汞只能被壓入試樣的較大孔隙內，在高壓作用下汞才能被壓入較小孔隙內，進汞壓力與孔徑大小遵循Washburn公式[11]：

(4)

式中：p——進汞壓力/MPa；

γ——汞表面張力/(N·m-1)；

θ——汞與土的接觸角，為140°；

d——孔隙直徑/μm。

將汞以不同壓力壓入試樣中，根據(jù)式(4)并利用數(shù)據(jù)處理軟件Porowin即可得到相應的孔徑以及孔隙分布參數(shù)。

2.2.2壓汞試驗結果分析

(1)進汞壓力曲線

圖8為加卸載過程中不同固結壓力下試樣的進汞壓力與汞累計壓入體積曲線。從圖中可以看出，在進汞壓力小于800 PSI時，在很短的壓力范圍內，壓入汞的體積急劇增大，在進汞壓力大于800 PSI后，汞壓入的體積隨著進汞壓力增大緩慢增加，基本無變化。在加載過程中，隨著固結壓力的增大，壓入汞的體積由原狀土(0 kPa)的0.252 cm3/g減小到固結壓力為800 kPa時的0.138 cm3/g，說明隨著固結壓力的增大，土樣中土顆粒被擠壓變得緊密，孔隙體積減少，壓入汞的體積也隨之減少。在回彈階段，隨著固結壓力較小，壓入汞體積緩慢增大，從400 kPa時的0.142 cm3/g增加到0 kPa時的0.164 cm3/g，說明孔隙體積逐漸增大，且固結壓力小于200 kPa后變化較大?？梢姡探Y壓力全部卸除后，還有較多孔隙體積是不能恢復的。

圖8 進汞壓力與汞壓入體積曲線Fig.8 Mercury intrusion pressure and volume

(2)孔隙比例分布變化

為了定量分析土樣孔隙的分布情況，需要對黏土孔徑大小界限進行劃分。目前國內外對軟黏土孔徑劃分的界限值還沒有統(tǒng)一標準，本文參考國內外常用的孔徑分界值和陳波等[12]對上海軟黏土的孔隙進行劃分。根據(jù)原狀土樣的孔徑分布曲線，將上海黏土孔隙的孔徑劃分為：大孔隙(d>5 μm)；中孔隙(1 μm

根據(jù)(4)式及進汞壓力曲線可計算試樣各孔徑范圍的孔隙體積，計算結果如表2所示。從表2可以看到，隨固結壓力增加汞壓入體積減小，且上海原狀黏土的孔隙以中、小孔隙為主，孔徑主要為1～5 μm和0.1～1 μm，兩者占總孔隙的87.1%。在固結初始階段、固結壓力不超過200 kPa時，各類孔隙比例變化并不是特別明顯，但當固結壓力為300 kPa時，中孔隙比例急劇減少至24.5%，而小孔隙比例急劇增大至63.5%，此后隨著固結壓力的增大中孔隙略有增加，而小孔隙略有減少，但是大孔隙、微孔隙以及超微孔隙的比例基本不變，這說明隨著固結壓力的增大，上海黏土的孔隙變化主要是中孔隙轉化為小孔隙，但是孔徑大于5 μm的大孔隙和孔徑小于0.1 μm的微孔隙變化并不明顯，在各級固結壓力下，中孔隙和小孔隙都占有絕對優(yōu)勢。陳波等[12]對上海軟黏土進行的孔隙分布試驗也得到類似結論，即在加載過程中，隨固結壓力增加，土樣孔隙的變化主要由孔徑大于1 μm的大、中孔隙轉化為孔徑為0.2 ～1 μm的小孔隙。在回彈階段，隨固結壓力減小汞壓入體積增加，各級固結壓力作用下，小孔隙都占絕對優(yōu)勢，且隨固結壓力減小而所占百分比增加。相較于加載階段， 回彈階段的微孔隙體積所占的百分比有所增加，中孔隙體積所占百分比有所減小，尤其在固結壓力較小時。這說明黏土卸載回彈時主要是小孔隙體積的少量增加使小孔隙總體積增加，而大孔隙的體積變化很小。

表2 壓縮階段和回彈階段固結壓力下試樣孔隙比例分布Table 2 Percentage of different pores under compression

(3)孔隙分布曲線

圖9 不同壓力作用下孔徑分布曲線Fig.9 Pore size distribution curve

圖9分別為各級壓力作用下的孔徑分布曲線。從圖9可以看出，上海原狀黏土孔徑分布密度曲線為典型的單峰孔徑結構，孔徑主要分布在0.1～5 μm之間，以集聚體間的孔徑分布為主。隨著固結壓力增大，孔徑分布曲線的峰值位置不斷左移，曲線中d≤1 μm的孔徑孔隙比例不斷增多，這表明隨著固結壓力的增大，土樣孔隙的總體孔徑變小。比較同一固結壓力作用下加載和卸載土樣的孔徑分布曲線(圖10)可知，在固結壓力較大時，加載和卸載時的孔徑分布曲線幾乎相同，說明卸載時孔徑分布變化不大，試樣孔隙體積變化也很小。隨著卸載程度增大、固結壓力減小，卸載與加載時的孔徑分布曲線差別增大，且卸載孔徑分布曲線的峰值高于加載孔徑分布曲線峰值，說明較之于加載至同一固結壓力，卸載時孔徑為0.1～1 μm的小孔隙體積明顯增加，而中孔隙體積增加很少或幾乎沒有變化。由此可見，黏土卸載回彈時主要是小孔體積的增加。

3 結論

(1)上海黏土具有絮凝結構，以中孔隙和小孔隙為主。在加卸載過程中，根據(jù)SEM圖像所得的面孔隙度變化可以反映土體宏觀壓縮回彈變形特征。

圖10 壓縮與回彈試樣孔徑分布曲線對比圖Fig.10 Comparison of pore size distribution between compression and rebound at the identical pressure

(2)加載過程中，當固結壓力較小時，隨固結壓力增加，孔隙數(shù)量和孔隙平均形狀系數(shù)顯著增加，孔隙形態(tài)分維數(shù)急劇減??；當固結壓力較大時，隨固結壓力增大，孔隙數(shù)量減小，孔隙形狀系數(shù)增加較緩慢，孔隙形態(tài)分維數(shù)減小也較為緩慢。在卸載過程中，隨固結壓力減小，孔隙數(shù)量增加，平均形狀系數(shù)略有減小，孔隙形狀分維數(shù)略有增加。

(3)加載壓縮過程中，上海黏土的中孔隙轉化為小孔隙。隨固結壓力增加，小孔隙所占比例顯著增加，而中孔隙所占比例明顯減小，其它孔徑的孔隙所占比例變化較小。卸載回彈過程時，各級固結壓力下小孔隙都占絕對優(yōu)勢，但固結壓力較大時中孔隙所占比例較大，而固結壓力較小時中孔隙所占比例較小，上海黏土主要表現(xiàn)為小孔隙體積的少量增加。

(4)提高弱透水層的地下水位、減小其有效應力能夠使弱透水層產生回彈，但其回彈變形量十分有限，因此，為了有效地控制地下水開采引起的地面沉降，必須盡量減小弱透水層的水位降低。