大氣干濕循環(huán)作用下高液限土微觀結構研究

劉偉明，張華濤，常錦，胡林杰，向家駿

1.廣東鴻高建設集團有限公司，廣東 東莞 523123；2.長沙學院土木工程學院，湖南 長沙 410022；3.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114

在經(jīng)歷降雨入滲后，土質邊坡很容易發(fā)生淺層破壞，這是因為降雨會增加邊坡土體的含水率，導致基質吸力減小，抗剪強度因此明顯降低，從而加深邊坡土體的侵蝕并導致邊坡失穩(wěn)［1-3］。而高液限土土質疏松、富含大孔隙、透水性強、水穩(wěn)定性差，其邊坡比一般黏性土邊坡更易發(fā)生淺層失穩(wěn)［4］。巖土在工程中表現(xiàn)出來的宏觀特性，歸根結底是其在微觀結構上表現(xiàn)出來的非連續(xù)性及不確定性，因而巖土宏觀復雜表現(xiàn)是其微觀介質結構及礦物成分非線性變化的直接體現(xiàn)［5］。一般來說，巖土微觀結構參數(shù)包括顆粒形態(tài)特征、分布特征、排列規(guī)律、顆粒聯(lián)結形式、細粒土團聚體形態(tài)、結構尺度、礦物膠結方式、孔隙尺度及孔隙率等，這些因素很大程度上控制著巖土宏觀工程性質的表現(xiàn)［6］。

對土的微觀研究主要是對其結構單元體的研究，而結構單元體主要由單粒和土顆粒集合體組成［7］。王港等研究了廈門花崗巖殘積土的壓縮變形特性及其微觀機制，發(fā)現(xiàn)高液限花崗巖殘積土原生結構中土的粗顆粒主要為單粒結構，這種結構的特征就是土顆粒之間為點與點的接觸；而細顆粒更多以不同形狀的團聚體形式存在，其多以面-邊、面-角、面-面的方式聯(lián)結，但在干濕循環(huán)作用后，這種微觀聯(lián)結狀態(tài)如何變化，怎樣影響土體宏觀物理性質，需要進一步研究［8］。其次，在土力學中，飽和-不飽和狀態(tài)基質吸力對土體抗剪強度的影響，以及土體孔隙、含水率在干濕循環(huán)作用下不斷變化從而造成強度衰減的影響機制如何在微觀上體現(xiàn)仍待研究，因此，從微觀角度研究高液限花崗巖殘積土的物理力學性質變化規(guī)律對研究其邊坡失穩(wěn)變形破壞機理具有重大意義?；谝陨蠁栴}，根據(jù)前人研究經(jīng)驗［9-11］，我們開展了大氣干濕循環(huán)作用下高液限花崗巖殘積土微觀結構特征參數(shù)研究。

1 試驗設計

1.1 材料選取

土樣選自惠州惠龍高速泰美鎮(zhèn)路段，是一種紅棕色的花崗巖殘積土，具有液限高的特點，X 射線衍射試驗測得土樣氧化物主要為SiO2、Al2O3、Fe2O3，主要礦物成分為石英（15.52%）、云母（13.81%）、高嶺石（67.31%）、銳鈦礦（2%）及赤鐵礦（1.36%）。我們選取了9 m 深度處受大氣干濕循環(huán)影響小的土樣，其天然密度、天然含水率、最大干密度及孔隙比分別為1.73 g/cm3、32.2%、1.56 g/cm3、0.87，其他物理性質指標見表1。

表1 土樣基本物理性質指標

1.2 試驗方案

將土樣制成61.8 mm×20 mm 的標準環(huán)刀樣，進行預設次數(shù)的干濕循環(huán)試驗，再通過掃描電鏡試驗得到歷經(jīng)多次干濕循環(huán)后的土樣的微觀結構參數(shù)。

1.2.1 干濕循環(huán)試驗

對所取土樣深度3 m 范圍內土體的含水率進行測量，得到含水率變化情況大致在6.5%~36.7%這個范圍內，而36.7%就是飽和含水率，因此把含水率6.5%~36.7%設置為每次干濕循環(huán)試驗的變化范圍。

通過氣象資料可知，土地最高氣溫大約為30℃，且我們是探究淺層邊坡滑坡情況，淺層的環(huán)境溫度與大氣溫度基本一致，因此首先將試樣放在30℃的烘箱中干燥脫濕，使其含水率降至干濕循環(huán)下限6.5%。飽和過程中用重疊式飽和器夾緊環(huán)刀樣，保證試樣在吸水過程中體積不發(fā)生變化。為使試樣達到完全飽和，將試樣裝入真空飽和器，蓋緊后抽氣1h，然后緩緩注入清水，并使真空度保持穩(wěn)定；待飽和器完全浸沒在水中后，停止抽氣；打開飽和器閥門，使真空筒內外大氣壓保持平衡，試樣經(jīng)過真空吸濕飽和過程至完全飽和后，即完成1次干濕循環(huán)。在之前的一些高液限花崗巖殘積土干濕循環(huán)試驗中［12-14］，土體強度參數(shù)的衰減在歷經(jīng)5~6 次干濕循環(huán)后會趨于平穩(wěn)，因此我們對試樣進行6 次干濕循環(huán)，并在第0、2、4、6 次時對試樣進行掃描電鏡試驗。

1.2.2 掃描電鏡試驗

掃描電鏡試驗采用的是低高真空數(shù)字化電子顯微鏡，放大倍數(shù)為3 000 倍，通過試驗得到不同干濕循環(huán)條件下高液限花崗巖殘積土的微觀圖像，根據(jù)圖像分析土顆粒以及孔隙的變化情況，并用IPP 軟件處理圖像以獲得相關微觀參數(shù)。

根據(jù)掃描電鏡試驗的要求，土樣制備方法如下。

（1）試樣選擇：選取干濕循環(huán)0 次、2 次、4 次及6 次完畢，相同土質且具有一定完整性和代表性的原狀土試樣，切取長、寬為5~8 mm 的土塊試樣作為掃描樣品，注意使自然斷裂面朝上，使能夠真實反映土樣原本面貌的一面作為觀測面。

（2）干燥處理：樣品干燥處理方法主要有風干法、烘干法及液氮冷凍真空升華法等。本次試驗采用烘干法處理樣品，將切好的試樣置于鼓風烘箱中烘干24h。

（3）導電性處理：為了使干土具有導電性，通過導電膠將樣品粘貼在金屬樣品底座上，并整體放入噴金儀器內，進行抽真空噴金處理。為了保證掃描電鏡的效果，試驗時給樣品鍍金2 次。

1.2.3 圖像處理

1.2.3.1 對比增強處理

IPP 軟件自帶有相關圖像增強處理功能，方便直接調用，我們采用直方圖均衡化處理試驗圖片，對比增強效果如圖1 所示。假設灰度級數(shù)S為歸一化至范圍［0，1］內的連續(xù)變量，令Pr（r）表示圖像的灰度級概率函數(shù)，執(zhí)行變化后處理的輸出灰度級數(shù)為：

圖1 對比增強

1.2.3.2 噪聲消除

對含有降低圖像質量的噪聲分布，如高斯分布噪聲、顆粒噪聲等，進行優(yōu)化處理過程為噪聲消除，我們采用中值濾波法處理試驗圖片，如圖2所示。

圖2 噪聲消除

由圖2 可知，經(jīng)中值濾波處理后的圖像邊界、顆粒更加清晰。

1.2.3.3 圖像閾值分割

圖3 二值分割

2 試驗結果

基于SEM 試驗結果，挑選出個別具有代表性的圖片，如圖4 所示。圖中可以清晰地看到高嶺石片間距離在干濕循環(huán)作用下不斷擴張，顆粒間排列方式逐漸從有序向無序變化，片間裂隙、結構裂隙不斷發(fā)育（圖4b 左圖紅線為結構裂隙）。

2.1 干濕循環(huán)結果定性分析

當土體在大氣影響下干濕循環(huán)時，土粒顆粒、孔隙結構特征發(fā)生改變。在脫濕過程中基質吸力逐漸增加，土顆粒間的拉應力不斷變大，當其超過土顆粒抗拉強度時，裂縫開始擴大，再進行吸濕時，水充滿在孔隙和裂縫中而產生的膨脹力使得裂隙越來越大，如對比圖4a 右圖與圖4b 右圖，在經(jīng)歷2 次干濕循環(huán)過程后，試樣土體高嶺石團顆粒開始分裂，片間間距增大，同時其他大孔隙湮滅，分裂成小、微孔隙，原先的小孔隙又在脫濕作用下變成大孔隙，整體孔隙率增大，且干濕循環(huán)后土體結構產生結構裂隙（見圖4b 左圖），這又促進了水的入滲，提高了土體吸濕效率。

此外，不斷吸濕脫濕過程中會有水的楔入和膨脹壓力，以及蒙脫石礦物顆粒的膨脹力，一些能夠膠結土顆粒的物質會在這些微小的應力作用下不斷減少，顆粒間的膠結作用被減弱，導致土顆粒之間的結構強度顯著下降，如對比圖4a與圖4d，在反復吸濕、脫濕后，片狀顆粒破碎嚴重，顆粒尺寸變小，原先較大的團粒分散成了更小的團粒，顆粒直徑從約4.5μm減小到了小于2μm，原先較為穩(wěn)定的定向結構排列變得紊亂，從而導致黏聚力指標不斷下降。

但是，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙不斷增大，基質吸力對其影響會越來越小，相應地會導致裂隙擴張越來越慢，土體結構的損傷程度也變得穩(wěn)定，這時孔隙體積增加速度與黏聚力減小速度越來越小。對比干濕循環(huán)0 次與干濕循環(huán)6 次的SEM 結果（見圖4a、圖4d），其微觀表現(xiàn)為大孔隙數(shù)量的增加。由此得出，高液限花崗巖殘積土在歷經(jīng)干濕循環(huán)后其損傷體現(xiàn)為結構強度下降、孔隙體積增加、黏聚力減小。

2.2 干濕循環(huán)結果定量分析

定量分析是對二值化后圖片所反映的顆?；蚩紫哆M行參數(shù)統(tǒng)計和分析，在IPP 軟件中可以直接輸出顆粒或者孔隙的面積、周長、長軸長度、短軸長度、方向角等，再通過后續(xù)處理得到需要的相關數(shù)據(jù)。面積孔隙率n和面積孔隙比e用于衡量掃描截面中的孔隙含量，等效直徑D即與顆粒面積相等圓的直徑，豐度C反映的是二維平面中的幾何形狀，用顆粒中短軸與長軸之比來表示，平均圓形度R用來描述土顆粒形狀與圓的相似度，定向頻率F（α）用來描述定向角落在區(qū)間內的頻率。

式中：∑Ai表示孔隙總的面積，A0為總觀察面積，L為圖像視口內某單元的長軸，B為該單元的短軸，Zi為該單元的周長，nα、n分別為定向角落在區(qū)間內的測量數(shù)量和總的測量對象數(shù)量。

寶石的產地同時也決定了寶石的價值，在彩色寶石的鑒定證書里特意標明產地一欄，可見產地對于寶石的重要。藍寶石的產地在中國昌樂、泰國、斯里蘭卡、馬達加斯加、老撾、柬埔寨，其中最稀有的產地應屬于克什米爾地區(qū)。下面小編為您介紹幾個主要的藍寶石產地。

2.2.1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下土顆粒的定向分布特征將測得的土顆粒定向數(shù)據(jù)情況繪成定向性風玫瑰圖、直方圖（見圖5、圖6），由圖可知，干濕循環(huán)使高液限花崗巖殘積土原狀土顆粒先從定向性排列逐漸趨于紊亂，再從紊亂逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于高液限花崗巖殘積土原狀土由花崗巖風化而來，風化過程中保留了原始的層理結構，未經(jīng)干濕循環(huán)的原狀土土顆粒排列具有穩(wěn)定的定向性；當土體受到干濕循環(huán)作用后，在吸濕、脫濕中水的滲透作用帶動土顆粒移動，致使顆粒排列逐漸與初始定向方向不一致，此時土體定向性多呈紊亂狀態(tài)；當土體干濕循環(huán)6 次以后，土體定向性從紊亂狀態(tài)趨于穩(wěn)定，此時土體既保持了一部分初始層理的定向性，又有了水的滲透引起的定向性，因此在圖中表現(xiàn)為兩個相近的峰值。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下土顆粒定向性風玫瑰圖

圖6 定向角分布概率

2.2.2 面積孔隙率與面積孔隙比

將0 次、2 次、4 次、6 次干濕循環(huán)后原狀土土樣的SEM 掃描圖片中的相關數(shù)據(jù)提取出來，計算不同干濕循環(huán)次數(shù)下的面積孔隙率和面積孔隙比，結果如圖7 所示。

圖7 面積孔隙率、面積孔隙比變化情況

由圖7 可知，經(jīng)干濕循環(huán)作用后，土體的面積孔隙率與面積孔隙比呈上升趨勢，增速呈遞減趨勢，與實際土體宏觀強度變化規(guī)律相符。

2.2.3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下土顆粒等效直徑特征

使用IPP 軟件自帶的面積測量工具對圖像中顆粒的面積進行測量，再通過計算得出等效直徑，將得到的值劃分為小于2μm、2~5μm、5~10μm、10~20μm、大于20μm 5 個粒徑范圍，最后根據(jù)統(tǒng)計結果繪出等效直徑百分比圖，如圖8所示。

圖8 等效直徑百分比

由圖8 可知，高液限花崗巖殘積土顆粒粒徑主要分布于0~10 μm 之間，0~10 μm 的顆粒基本占總量的85%以上，且2~5 μm 顆粒含量最多，超過總量的三分之一。

在干濕循環(huán)作用下，2~5 μm 的顆粒含量先減小后增大，5~10 μm、小于2 μm 的顆粒含量先增大后減小，大于10 μm 的顆粒含量基本在減小，顆粒粒徑分布小顆粒含量占多數(shù)。分析認為，干濕循環(huán)作用下水解破碎了較大的團聚顆粒，增加了小片狀顆粒的含量，此外微小的土顆粒會在干濕循環(huán)作用下發(fā)生流失而導致其含量減少。

2.2.4 顆粒形狀分布系數(shù)（豐度）特征

根據(jù)微觀圖像短軸與長軸之比測量統(tǒng)計得到豐度，繪制直方圖，如圖9 所示。

圖9 干濕循環(huán)作用下的不同豐度

由圖9 可知，高液限花崗巖殘積土顆粒的豐度主要集中于0.1~0.6 之間，且顆粒豐度變化較大。這是由于片狀高嶺石團聚體在干濕循環(huán)作用下層間黏結力下降，分裂成了眾多長片狀的小顆粒，使顆粒往扁、長的趨勢演變。

2.2.5 平均圓形度

繪制干濕循環(huán)作用下高液限花崗巖殘積土的平均圓形度變化曲線，如圖10 所示。

圖10 干濕循環(huán)作用下的平均圓形度變化

由圖10 可知，高液限花崗巖殘積土的平均圓形度基本處于0.70~0.75 之間，干濕循環(huán)從0 次到6 次的過程中，土體平均圓形度先增大后減小，這是由于試驗土體成分主要為片狀的高嶺石，當土體歷經(jīng)干濕循環(huán)時，原狀土的初始結構排列被破壞，土體變得松散，使土顆粒從以疊片狀的面-面結構為主變成了面-邊、面-角、面-面三種結構并存，但在干濕循環(huán)達到穩(wěn)定后，土體結構重新排列，因此平均圓形度有所下降。

3 結論

通過開展0 次、2 次、4 次、6 次不同初始含水率原狀土干濕循環(huán)試驗，采用掃描電鏡法獲取微觀結構情況并進行定性、定量分析，得到如下主要結論。

（1）通過對不同干濕循環(huán)次數(shù)SEM 圖像的定性分析，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，片狀高嶺石間的縫隙在增大，同時其他大孔隙湮滅，分裂成小、微孔隙，原先的小孔隙又在脫濕作用下變成大孔隙，整體孔隙率增大，使土體吸濕效率大大提高。

（2）在反復吸濕、脫濕后，片狀顆粒破碎嚴重，顆粒尺寸變小，原先較大的團粒也分散成了更小的團粒，顆粒直徑從約4.5 μm 減小到了小于2 μm，原先較為穩(wěn)定的定向結構排列變得紊亂，在宏觀上體現(xiàn)為黏聚力指標的下降。

（3）采用定向性風玫瑰圖、定向角分布概率、面積孔隙率與面積孔隙比、等效直徑、豐度、平均圓形度對不同干濕循環(huán)次數(shù)SEM 圖定量分析，發(fā)現(xiàn)其定向性經(jīng)歷了穩(wěn)定—紊亂—穩(wěn)定的過程，但定向概率熵變化不大，始終在0.97 左右；豐度主要集中于0.1~0.6 之間，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒往扁、長的趨勢演變；平均圓形度隨干濕循環(huán)次數(shù)先增大后減小；顆粒粒徑隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，2~5 μm 的顆粒含量先增大后減小，5~10 μm、小于2 μm 的顆粒含量先增大后減小，大于10 μm 的顆粒含量基本在減小。