強豎向滲透濟南紅黏土的微觀孔隙特征及CT滲流試驗

由于濟南市泉域地層的特殊性和復(fù)雜性，部分區(qū)域第四紀沉積層以黏土和粉質(zhì)黏土為主，卻表現(xiàn)出強富水、強透水的特征，該區(qū)域直接受下伏石灰?guī)r承壓水的頂托補給.在濟南市軌道交通建設(shè)中，多個地鐵站在基坑開挖到同一紅黏土地層時均出現(xiàn)了強透水現(xiàn)象，基坑涌水量明顯大于其他地區(qū)類似地層條件下的基坑工程，給工程設(shè)計和施工帶來了很大風(fēng)險.因此，研究濟南紅黏土豎向強透水的發(fā)生機理具有重要的工程意義.

倪二泉的雙手像樹根一樣插進土里。他擰緊眉頭，一使勁，終于將一只腳邁上了巖頂，然后一翻身，伏在日本鬼子交織的火力網(wǎng)下，滾到一塊巖石下下。

長期以來，大量研究人員對黏土的滲流特性進行了廣泛的研究.影響土體滲透性的因素包括土顆粒粒徑、級配、礦物成分、孔隙比、土孔隙結(jié)構(gòu)、飽和度以及孔隙液的動力黏滯度等.黃天榮等以上海地區(qū)的粉質(zhì)黏土為例，研究了固結(jié)壓力、各向異性及結(jié)構(gòu)性對濱海地區(qū)粉質(zhì)黏土滲透特性的影響.錢文見等研究發(fā)現(xiàn)粉質(zhì)黏土的滲水和滲氣均存在一個起始壓力，超過起始壓力后，導(dǎo)氣率隨入滲氣壓力呈線性關(guān)系；飽和滲透性和導(dǎo)氣率呈對數(shù)線性關(guān)系.孫德安等通過室內(nèi)固結(jié)試驗對比分析了相近孔隙比下的重塑土與原狀土的滲透特性.Li 等分析了各種情況下非達西滲流速度與水力坡降的關(guān)系式.以上研究主要集中在宏觀領(lǐng)域，近年來部分學(xué)者從粉質(zhì)黏土滲透特性的微觀角度對黏土的滲透機理進行探討.閆小慶基于掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞等試驗從微觀的角度研究了軟土的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其與滲透固結(jié)特性的關(guān)系.梁健偉等通過大量的試驗證明顆粒比表面積、表面電位、孔隙液離子質(zhì)量分數(shù)和孔隙尺度是影響滲流的重要參數(shù)，并從微電場效應(yīng)出發(fā)推導(dǎo)了等效滲透系數(shù)的表達式.顧中華等對不同固結(jié)壓力下的原狀土和重塑土進行試驗發(fā)現(xiàn)軟土結(jié)構(gòu)性對滲透系數(shù)的影響確實存在，滲透系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而增大，原狀土增大的幅度要大于重塑土.

目前，針對黏土滲流特性的研究主要基于達西定律，通過試驗測定不同條件下土體的滲透系數(shù).然而，即使得到濟南紅黏土的滲透系數(shù)也無法解釋該層土體豎向強滲透性的成因.因此，本文結(jié)合掃描電子顯微鏡和土體滲流計算機斷層(CT)掃描方法，分析濟南紅黏土的粒子排列方式及孔徑分布，明確紅黏土內(nèi)部孔隙的三維結(jié)構(gòu)以及水在紅黏土內(nèi)的動態(tài)流動情況，從微觀角度探究濟南紅黏土層豎向強滲透性的原因.

1 濟南紅黏土基本物理特性指標

整個滲流試驗共分為3個階段，即滲流前(原狀土)、滲流中期及滲流結(jié)束階段.通過對3個不同滲流階段下的土體進行CT掃描，對比不同階段下的掃描結(jié)果，確定水在紅黏土內(nèi)部的流動情況.不同滲流階段的通水時間是基于多組預(yù)試驗確定：滲流中期階段通水時間為6 min，預(yù)估水大致流至掃描區(qū)域的中部；滲流結(jié)束階段通水時間為35 min，以保證水完全通過掃描區(qū)域.本次試驗采用三軸試驗儀進行外接供水，供水壓力穩(wěn)定為10 kPa(1 m水頭)，與地勘資料中基坑底板所受的水頭壓力基本一致，以此來模擬實際工程條件.為了增加水與土體孔隙的對比度以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理，在滲流水中加入水溶性工業(yè)造影劑碘海醇.滲流試驗在CT掃描室外進行，通水達到相應(yīng)時間后，關(guān)閉滲流裝置底部通水閥，然后將滲流裝置安裝在旋轉(zhuǎn)臺上并進行掃描.

余熱利用方式可分為熱交換式和吸收式。其中熱交換式是通過利用余熱的焓，將其能量交換出來，轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，主要設(shè)備有余熱鍋爐、板式換熱器等；吸收式是通過利用余熱的，綜合考慮其熱量及品質(zhì)，將低品位的能量轉(zhuǎn)化到另一介質(zhì)中存在，主要設(shè)備有吸收式制冷、吸收式熱泵等。

2 基于CT掃描的紅黏土滲流試驗

SEM是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，利用金顆粒在土顆粒及孔隙的導(dǎo)電性不同而獲得土顆粒及孔隙的輪廓曲線.將原狀紅黏土切成橫向和縱向兩種排列方式的小長方體(長5 mm、寬5 mm、高15 mm)，橫向和縱向分別對應(yīng)掃描結(jié)果的垂直截面和水平截面.為了得到準確的原狀土骨架及孔隙的輪廓形狀，本次試驗使用凍干法將土中的孔隙水進行低溫冷干，然后進行試樣的掃描電鏡觀察試驗.

本次試驗于上海交通大學(xué)分析測試中心進行，滲流儀固定在X射線源和探測器之間的旋轉(zhuǎn)臺上，在掃描過程中可以正負旋轉(zhuǎn) 180° ，如圖5所示.為了排除邊界條件的影響并獲得較高的空間分辨率，采用部分CT掃描的方式，掃描視野為土樣中心直徑為2.5 cm、高為2.5 cm的小圓柱體.

由表1可知，濟南紅黏土具有低含水率、低孔隙比的特點，黏粒質(zhì)量分數(shù)及液塑限較高，液性指數(shù)小于0，其天然狀態(tài)處于堅硬狀態(tài).同時，濟南紅黏土的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)要遠高于一般黏土，表明在沉積過程中可能含有較多動植物殘骸.在沉積過程中動植物殘骸被碳化(見圖3)，進而影響土體的滲流特性.為了驗證紅黏土中存在較多孔隙通道這一猜想，開展?jié)霞t黏土的SEM掃描與滲流CT掃描微觀試驗.

由圖10(a)可知，濟南紅黏土的孔隙結(jié)構(gòu)以豎向發(fā)展為主，且聯(lián)通性較好，在土體右側(cè)有一條孔徑較大的孔隙通道.在滲流中期，水優(yōu)先沿著這條既有的孔隙通道流至中部位置同時占據(jù)部分孔隙空間；在滲流結(jié)束時，水沿著該孔隙通道完全通過土體并基本完全占據(jù)孔隙.因此，濟南紅黏土的孔隙結(jié)構(gòu)存在一定的特殊性：孔隙以豎向發(fā)展為主，且大多彼此聯(lián)通，同時存在孔徑較大的聯(lián)通孔隙通道，利于水在土體內(nèi)的豎向滲流， 而水在紅黏土中也會優(yōu)先沿著土體內(nèi)既有的孔隙通道流動.

在Avizo中通過建立PNM可以獲得孔隙及喉道的相關(guān)量化參數(shù)，如孔隙直徑、喉道直徑、喉道長度等.通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理，得到不同孔徑范圍內(nèi)的孔隙及喉道的數(shù)量及體積占比.圖12所示為不同滲流階段下濟南紅黏土孔隙及喉道數(shù)量分布示意圖，圖中代表滲流階段，和分別代表歸一化孔隙數(shù)量比和歸一化喉道數(shù)量比，即紅黏土在不同滲流階段下與滲流前孔隙及喉道數(shù)量比.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 紅黏土微觀顆粒排列方式

從圖5可以看出，混凝土試件的相對動彈性模量在凍融循環(huán)作用次數(shù)增加的情況下逐漸減小。在凍融循環(huán)20次、60次、100次后試件的相對動彈性模量分別下降了0.94%、2.65%、7.19%。由圖5中的整體變化趨勢我們可以看出：凍融初期，由于混凝土試件中本身存在部分缺陷，在凍融循環(huán)作用下內(nèi)部微裂紋進行了少量擴展，相對動彈性模量下降速度相穩(wěn)定，損傷不大，因而在該階段混凝土試件的相對動彈性模量下降的速度緩慢；凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融影響作用也愈加強烈，在老裂縫不斷擴展的同時開始出現(xiàn)新的裂縫，混凝土試件的損傷程度增大，相對動彈性模量的下降速度隨之加快[14]。

基于土體滲流裝置對不同滲流階段的紅黏土土樣進行掃描對比分析，獲取土體內(nèi)部孔隙的三維結(jié)構(gòu)以及水在土體孔隙內(nèi)的流動情況.圖4所示為滲流裝置示意圖及通水試驗過程照片.為了降低CT掃描時滲流裝置對X射線的吸收，儀器采用密度較低的有機玻璃制成，由主體和底座兩部分組成，兩部分通過螺紋連接.裝樣時，首先將土樣切成直徑為 5 cm、高為10 cm的圓柱體.然后將試樣放入兩側(cè)涂有硅脂的有機玻璃容器中，試樣底部安裝上覆濾紙的透水石，固定后通過螺紋將主體和底座擰緊.將制備好的石膏液滴入樣品和容器側(cè)壁之間的縫隙中，避免水從縫隙中向上流動.最后在裝置底部和頂部增加密封箍，保證裝置密封.在底座上開設(shè)通道，與外部供水儀器連接，實現(xiàn)水在紅黏土內(nèi)自下而上地滲流.

3.2 紅黏土滲流過程可視化分析

在X射線顯微層析成像技術(shù)中，由射線源發(fā)射出X射線被轉(zhuǎn)換成可見光，然后通過電荷耦合元件(CCD)攝像機轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過計算機處理成CT圖像.根據(jù)不同材料對X射線的吸收透過率不同，將不同密度的物質(zhì)轉(zhuǎn)換為不同灰度的圖像.掃描材料的密度越大，灰度值越高，在CT圖像中越亮；密度越低，灰度值越低，在CT圖像中越暗.圖8所示為不同滲流階段下濟南紅黏土的典型CT掃描水平截面圖，密度較大的黏土顆粒表現(xiàn)為亮灰色，而密度最低的孔隙表現(xiàn)為黑色，滲流水由于添加了造影劑，增加了與空氣的對比度，表現(xiàn)為深灰色.

宋詩傳入前，朝鮮漢詩學(xué)晚唐，宋詩傳入后，詩人們又學(xué)宋。黃庭堅作為江西詩派的領(lǐng)袖，很快成為學(xué)習(xí)的典范，加速了朝鮮詩風(fēng)的轉(zhuǎn)變。如成伣《文變》說：“少陵太審，雪堂太雄，劍南太豪，所可法者涪翁也、后山也。”[2](14輯，P531)稍后的鄭士龍《答適庵見寄》說：“涪翁格力真型范，熏沐從今為索尋。”[2](25輯，P19)朝鮮詩人學(xué)黃詩的方式多種多樣，既表現(xiàn)在形式上，也表現(xiàn)在風(fēng)格、韻味上。

通過CT掃描，每個滲流階段都獲得總數(shù)為 1 020 張的CT掃描切片，然后使用圖像處理軟件Avizo對原始數(shù)據(jù)進行各相的分離提取及三維重構(gòu)，具體流程如圖9所示.使用分水嶺算法對土體內(nèi)的水相和氣相進行分離和提取，其基本原理是根據(jù)分水嶺的構(gòu)成考慮圖像的分割：首先定義一個初始閾值作為土體中空氣和水的初始相，避免捕捉到噪聲及其他相.然后利用Canny邊緣檢測算法對各相進行邊緣檢測，為初始相提供擴張的方法.基于初始相和梯度圖像，在不同相灰度轉(zhuǎn)換過程中，邊界可以擬合到最佳位置，從而實現(xiàn)對完整相的提取分割.利用該方法分別對滲流前的濟南紅黏土提取孔隙，對滲流中期、滲流結(jié)束提取水，實現(xiàn)土壤中氣相和水相的分割.最后，應(yīng)用體渲染模塊成功將土壤中氣相和水相的三維結(jié)構(gòu)可視化，結(jié)果如圖10所示.圖中黃色代表空氣，藍色代表水.

圖6、7所示分別為用SEM觀察濟南紅黏土水平截面與垂直截面的形貌圖，放大 10 000 倍結(jié)果是放大 5 000 倍結(jié)果圖中的黃色虛線區(qū)域.濟南紅黏土顆粒呈魚鱗狀松散分布，顆粒之間相互疊合、交叉排列，孔隙有些獨立分布，有些相互連接.在放大 10 000 倍的SEM掃描圖像中可以清楚看到黏土顆粒的片狀結(jié)構(gòu).對比水平截面和垂直截面結(jié)果，水平截面顆粒之間以層疊為主，輔以搭接的形式，顆粒之間排列比較松散，利于豎向孔道的形成.而垂直截面顆粒間排列更加緊密，孔隙數(shù)量及大小明顯小于水平截面.由此推測原狀濟南紅黏土的豎向孔隙發(fā)展較好，利于水在土體內(nèi)的豎向滲流.

當然，有所側(cè)重，并不代表不關(guān)心其他方面。只是從一些著述來看，大家在評價歷史人物的時候有某些傾向：比如對于立功之人，大家很少會從立德方面對其進行審視，因為他們在事業(yè)上的偉大足以掩蓋他們道德上的缺陷，也讓他們在立言上更具權(quán)威性；而對于立言之人，盡管大家并不苛求他們在事功上有出色的表現(xiàn)，但往往對其道德有更高的要求。

3.3 滲流過程中紅黏土孔徑分布的量化分析

在獲取土體的孔隙空間后，進一步利用形態(tài)學(xué)算法建立土體的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，如圖11所示，圖中和分別為等效孔徑和等效喉徑.將孔隙空間分為孔隙和喉道兩部分，通過將孔隙空間中軸線節(jié)點定義為孔隙，節(jié)點之間的連接線定義為喉道，建立能夠簡化表征孔隙空間結(jié)構(gòu)的等價孔隙網(wǎng)絡(luò)模型 (PNM)，已在大量研究中證實PNM的實用性與準確性.圖11中球體表征孔隙，管束表征喉道.通過生成該模型，可以獲取不同階段下孔隙空間的等效孔徑、等效喉徑、孔隙體積、喉道表面積等參數(shù)分布及隨滲流試驗的變化.

經(jīng)過以上步驟，最終形成“適宜、有條件適宜、不適宜、禁止”四個適宜性等級的土地資源建設(shè)開發(fā)適宜性評價結(jié)果圖層。其中，適宜等級是指某塊土地能夠滿足幾乎所有建設(shè)用途的要求，基本上沒有限制因素，如果存在限制因素，也都是小限制因素，采取簡單的措施就可以變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；有條件適宜等級是指在開發(fā)利用上存在限制性因素，需要進行適當治理和整治才能用作建設(shè)的土地；不適宜等級是指那些存在一些重要的限制因素或是在當前社會經(jīng)濟發(fā)展下不適宜用作建設(shè)的土地；禁止建設(shè)等級是指有相關(guān)法律法規(guī)政策依法保護，禁止開發(fā)建設(shè)的土地[7]。

可以看出，隨著滲流試驗的進行，土體內(nèi)部孔隙及喉道都有增多的趨勢，其中在較大孔徑及喉徑范圍內(nèi)尤為明顯.相比于滲流前，在滲流中期和滲流結(jié)束階段，孔徑大于200 μm的孔隙數(shù)量分別增加了12.3%和19.2%，喉徑大于200 μm的喉道數(shù)量分別增加了47.1%和120.3%.孔隙在一定孔徑及喉徑范圍內(nèi)有數(shù)量增多的趨勢，表明水在紅黏土內(nèi)的流動使得土體內(nèi)部孔隙增大，滲流通道擴張，同時促使土體聯(lián)通性變好.

圖13所示為不同滲流階段下等效孔徑及體積占比、等效喉徑及喉道表面積占比分布示意圖，圖中和分別為孔隙體積占比和喉道表面積占比.如圖所示，隨著滲流試驗的進行，在孔徑較小的分布范圍(小于 200 μm)內(nèi)，孔隙體積占比有減少的趨勢，而孔徑較大(大于 500 μm)的孔隙占比明顯增多，由滲流前的16.16%增長到滲流中期的18.46%，以及滲流結(jié)束的21.41%.對于喉道及表面積占比分布也顯示出了相似的趨勢：在喉徑較小范圍內(nèi)(小于 200 μm)，喉道表面積占比減少；而喉徑大于 500 μm的喉道表面積占比同樣明顯增多，由滲流前的8.53% 增長到滲流中期的13.07%以及滲流結(jié)束的19.78%.表明水在紅黏土中流動時主要會對孔徑較大的通道產(chǎn)生影響，而土體內(nèi)較小的孔隙對土體的滲流特性影響基本可以忽略，與土體滲流特性有關(guān)的主要是土體內(nèi)部孔徑較大的聯(lián)通通道，從可視化結(jié)果(見圖10)同樣可以印證這一點.

4 結(jié)論

本文針對濟南紅黏土的豎向強滲透性開展SEM掃描與滲流CT掃描試驗，從微觀角度分析了濟南紅黏土層豎向強滲透性的成因，具體結(jié)論如下：

(1) 濟南紅黏土水平截面相比垂直截面顆粒排列更為松散，有利于水在土體內(nèi)的豎向滲流.原狀紅黏土的孔隙以豎向發(fā)展為主，聯(lián)通性較好，且存在孔徑較大的豎向滲流通道.濟南紅黏土的豎向強滲透性是由于其特殊的孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的.

(2) 設(shè)計了基于CT掃描的紅黏土滲流試驗，結(jié)果表明在當前水頭壓力下，水在土體內(nèi)部的流動以既有孔隙通道流動為主，基本不存在新孔隙通道的產(chǎn)生與擴張.

(3) 建立了表征孔隙空間結(jié)構(gòu)的等價孔隙網(wǎng)絡(luò)模型并對微觀孔隙參數(shù)進行了量化分析，在滲流過程中紅黏土內(nèi)部較大孔徑(大于500 μm)及喉徑(大于500 μm)范圍內(nèi)的孔隙及喉道數(shù)量增多.水的滲流導(dǎo)致內(nèi)部孔隙增大、滲流通道擴張、孔隙聯(lián)通性增強.土體內(nèi)部較大的聯(lián)通孔隙對土體滲流特性影響明顯，未聯(lián)通的較小直徑孔隙對滲流影響不大.