膨胀土在动静力学作用下的微观结构变化

刘莹莹，李明霞，黄志全

(华北水利水电学院，河南郑州 450011)

膨胀土主要由强亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石组成，是具膨胀结构、多裂隙、强胀缩和强衰减的高塑性黏性土［1］。膨胀土特殊的工程性质和复杂的内部结构对建筑物的破坏常常具有多次反复和长期潜在的危险性，给人类造成巨大的灾害。要从本质上研究膨胀土就必须从微观方面着手，因为膨胀土宏观物理力学性质的变化在根本上取决于其微观结构。

1925年，Terzaghi首次提出了土的微观结构，但当时由于测试手段和计算机图像处理技术的限制，过去对微观结构的研究大多以定性分析为主。周宇泉［2］利用微细结构光学测试系统对黏性土压缩过程中微细结构特征参数的变化进行了定量分析。电子显微镜，尤其是扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，简称SEM)的出现，大大加速了土的微观结构的研究进程。70年代以来，由于电子计算机技术的不断提高，计算机图像处理技术被引入土的微观结构研究中，使土的微观结构定量化分析水平大大提高［3］。本文主要从定性和定量两方面对膨胀土的微观结构进行分析。

1 试样制备方法、试验仪器及试验方案

1.1 试样制备方法

试验所用膨胀土取自南水北调中线禹州段新开挖的同一土坑内，取样位置埋深约4 m，呈红褐色，偶见少量钙质结核。土样自由膨胀率为42%，属于弱膨胀土。膨胀土的基本物理性质指标见表1。

表1 膨胀土的物理性质指标

在膨胀土的微观结构研究中，SEM试样能否如实反映土的原始结构特征非常关键，这就要靠SEM试样的制备技术来保证。SEM试样制备方法如下:

1)切样:在每个大样的中间部位或剪切破坏部位取2个SEM试样，SEM试样的上表面要保留土的原来特性，其它5个表面可以用小刀刮平，并使下表面与上表面平行，然后对每个SEM试样进行编号。切样时最好选在典型破坏面上。

2)烘干:将制好的样品放在真空干燥箱中进行烘干，时间为24 h。

3)镀金:将烘干后的样品每3个或4个放在一起，用导电胶带将其粘到圆形托盘上，并在试样上表面的边缘部分也粘上导电胶带(导电胶带不宜太宽)，目的是增加其导电性，另外还要在圆形托盘的底部标上试样编号，编号位置要与试样一一对应。然后将其放在E-1010离子溅射仪中抽真空及镀金，真空度达到1～10时满足要求，时间大约3～4 h。

1.2 试验仪器

为揭示膨胀土在动静力学作用下的微观结构改变，本试验采用日本生产的S-3000 N型微观扫描电子显微镜和E-1010离子溅射仪。

S-3000 N型微观扫描电子显微镜的工作原理是通过利用一定能量的电子束轰击经过处理的样品表面，使其产生随样品表面形态起伏而变化的信号，这些信号经过探测、放大、处理后输送到显示系统，形成样品被分析区域的扫描电子图像［4］。

1.3 试验方案

本文中对膨胀土的试验分宏观试验和微观试验两方面。宏观试验分为动力学试验和静力学试验两种。动力学试验主要是动单剪试验，静力学试验包括三轴试验和残余剪试验。三轴试验从3D方面反映土体的微观结构变化，动单剪试验和残余剪试验从2D方面反映土体的微观结构变化。为了使试验的结果具有可比性，以上3种试验采用的土样均为同一位置同一深度的膨胀土，试验过程的垂直压力均设置为100 kPa。

微观试验主要是运用扫描电子显微镜对原状膨胀土以及进行上述试验后的膨胀土的微观试样进行扫描，获得SEM图片。在对膨胀土的微观结构进行定量分析时，首先利用Matlab图像处理软件对SEM图片进行二值化处理。二值化处理的目的是使图片中孔隙和颗粒便于区分，二值化处理后白色部分代表土颗粒，黑色部分代表孔隙。图1为二值化处理前后的对比图。然后再利用Matlab图像处理软件对二值化处理后的图片进行参数提取，提取的参数主要有孔隙或颗粒的面积及周长、长轴长度和短轴长度、长轴的倾角等［5］。

图1 SEM图片二值化处理前后对比

2 微观结构特性分析

对膨胀土的微观结构进行分析时，主要从定性和定量两个方面进行。

2.1 定性分析

为了使定性分析具有可比性，本文对原状土样和动静力学试验后的土样进行分析时统一采用放大1 000倍的SEM图片。从图2可以看出:原状膨胀土颗粒的棱角比较明显，颗粒大小不均匀，大颗粒中间夹杂着许多小颗粒，颗粒排列毫无规律，土体结构性强;动单剪试验后的颗粒大小均匀，大颗粒消失不见，这是由于试样在剪切过程中大颗粒被压碎成小颗粒的缘故，同时颗粒的棱角也变得圆滑，颗粒排列依然毫无规律;残余剪试验和三轴试验后的土体结构明显变弱，颗粒排列具有明显定向性，残余剪试验后的颗粒排列在水平方向具有明显的定向性，三轴试验后的颗粒排列在垂直方向具有明显的定向性，图中箭头方向代表颗粒的排列方向。

2.2 定量分析［6-9］

为表述方便，以下各表中用字母Y代表原状膨胀土，DY代表动单剪试样，CY代表残余剪试样，SY代表三轴试样。

2.2.1 孔隙度nw分析

孔隙度nw表示经二值化处理后的SEM图片中各孔隙面积与总面积的比值。表达式为

式中，sw为图片中的孔隙面积，sr为图片的总面积。

从表2可以看出:原状土的孔隙度最大，动静力学试验后孔隙度都变小了，这说明试验后土样都被挤密了。但是动力学试验后试样的孔隙度比静力学试验后的大，这是因为动力学试验过程中设置有剪切频率，剪切在水平方向左右反复进行，而且剪切沿整个试样高度，没有固定的剪切面;而静力学试验的剪切在一个方向进行，有固定的剪切面，所以致使在剪切方向的土体更加密实。

表2 原状土样与动静力学试验后试样孔隙度对比

图2 原状土样与动静力学试验后试样的SEM图片

2.2.2 孔隙的丰度C分析

孔隙的丰度C表示孔隙的短轴与长轴的比值。表达式为

式中，B，L分别表示孔隙的短轴和长轴的长度。

C的大小反映了孔隙在二维平面内所展示的形状特征。丰度C在0～1之间，C值越小，反映孔隙越趋向于长条形;C值越大，则孔隙越趋向于圆形［6］。本文将丰度C划分为4个区间，分别是0～0.25，0.25～0.50，0.50～0.75及0.75～1.00。丰度 C在0～0.25区间，代表孔隙为长条形;在0.25～0.50区间，代表孔隙接近长条形;在0.50～0.75区间，代表孔隙为扁圆形;在0.75～1.00区间，代表孔隙为圆形。

从表3可以看出:膨胀土原状土样的孔隙丰度C在0～0.25和0.25～0.50区间内占了94%，平均丰度C为0.28，说明膨胀土原状土样的孔隙以接近长条形为主。动单剪试验后的孔隙丰度C在0.50～0.75区间占最多，达47%，平均丰度为0.62，说明动单剪试验后的孔隙以扁圆形为主。这是由于在试验过程中土样被重复剪切，颗粒重新排列，颗粒与颗粒之间的孔隙由接近长条形变为扁圆形。残余剪试验和三轴试验后的平均孔隙丰度分别为0.47和0.45，介于0.25～0.50之间，说明静力学试验后的孔隙以接近长条形为主。

表3 原状土样与动静力学试验后试样孔隙丰度C分布

2.2.3 颗粒的定向频率Fi(α)分析

为表示颗粒在某一方向的分布强度，将0°～180°分成n个区间，则每一区间代表的角度范围α=180°/n，由此可以求出第i个区间颗粒的定向频率，其表达式为

式中，mi为长轴方向在第i个区间内的颗粒个数，M为长轴方向在0°～180°区间内的颗粒总数。

图3 原状土样与动静力学试验后颗粒定向频率分布

一般情况下认为颗粒的长轴方向代表了颗粒的排列方向。本文在分析颗粒的定向频率时用雷达图来进行描述。由于数据太多，避免在半圆中显得混乱，本文把360°的圆看作180°，来分散各个数据点，这样就可以把每一区间的分布强度清楚表示出来，便于观察和分析［6］。本文中取 α =10°，则定向角在 0°～180°内有18个区间。

从图3可以看出:原状土和动单剪试验后的颗粒定向频率在各个区间的分布比较均匀，大致都在5%～10%之间，说明其颗粒排列不具定向性。残余剪试验后颗粒的定向频率主要集中在0°～10°，10°～20°，160°～170°及170°～180°这 4 个区间，在这4 个区间定向频率的分布大致都在10% ～15%之间，远远高于其它区间的分布，说明残余剪试验后颗粒在水平方向具有明显的定向性。三轴试验后颗粒的定向频率主要集中在70°～80°，80°～90°，90°～100°及 100°～110°这4个区间，这4个区间的定向频率分布大致也都在10%～15%之间，说明三轴试验后的颗粒排列在垂直方向具有明显的定向性。产生这种现象的原因是动力学试验过程中设置有剪切频率，边振动边剪切，剪切沿整个试样高度进行，没有固定的剪切面;而静力学试验的剪切只沿一个方向进行，有固定的剪切面。

3 结论

1)膨胀土原状土样的颗粒棱角比较明显，颗粒大小不均匀，大颗粒中间夹杂着许多小颗粒，土体结构性强;动静力学试验后颗粒棱角变得圆滑，大颗粒消失不见，颗粒大小比较均匀，土体结构性变弱。

2)动静力学试验后，土的孔隙比都减小了，说明在剪切过程中土体被挤密。

3)动力学试验后，颗粒排列无定向性;静力学试验后，颗粒排列有明显定向性。其中残余剪试验后颗粒在水平方向有明显定向性，三轴试验后颗粒在垂直方向有明显定向性。这是由于动力学试验过程中设置有剪切频率，边振动边剪切，剪切沿整个试样高度进行，没有固定的剪切面;而静力学试验的剪切只沿一个方向进行，有固定的剪切面。

［1］滕珂，肖宏彬，许豪，等.非饱和膨胀土与红粘土的对比试验研究及微观结构分析［J］.公路工程，2010，35(5):4-9.

［2］周宇泉，胡昕，洪宝宁，等.从微细结构方面解释某黏性土压缩特性的差异［J］.水利水电科技进展，2006，26(1):31-36.

［3］白冰，周健.扫描电子显微镜测试技术在岩土工程中的应用与进展［J］.电子显微学报，2001，20(2):154-160.

［4］陈开圣，沙爱民.压实黄土不同含水率下微观结构特征［J］.公路工程，2009(11):103-106.

［5］张瑞，张小珑，汤辉，等.土体SEM图像定量分析系统及应用［J］.江西师范大学学报，2011，35(2):165-169.

［6］张先伟，王常明.一维压缩蠕变前后软土的微观结构变化［J］.岩土工程学报，2010，32(11):1688-1694.

［7］谢仁军，吴庆令.用环境扫描电子显微镜研究膨胀土在不同含水量下微观结构的变化［J］.中外公路，2009，29(5):37-39.

［8］杜红伟，谢玉辉，张弛.南阳地区中弱膨胀土的试验研究［J］.铁道建筑，2010(8):107-110.

［9］常防震，陈宝，朱嵘.粘土微结构特征与变形机理研究进展［J］.地下空间与工程学报，2009，5(2):1573-1579.