大连市黏性土压缩特性SEM微观机理研究

刘刚，李笑宇

(大连市勘察测绘研究院有限公司，辽宁 大连 116021)

1 引 言

在长期的工程实践中，人们发现岩土体的工程现象在很大程度上受微观结构的影响，宏观的物理力学性状是其综合体现。分析土体微观结构，揭示岩土工程现象的本质，是未来岩土工程中发展的一个重要课题。近年来，随着电子显微镜技术的不断提高，为分析土体微观结构提供技术支持，很多学者采用光学显微镜、X 光衍射、透射电镜和扫描电镜等手段对黏性土的微观结构特征进行了研究，大大促进了土体微观结构的发展。现代土质学认为，黏性土的微观结构主要包括以下三个方面:形态学特征、几何学特征、能量学特征［1］。

黏性土的压缩性是地基产生变形的根本原因。本文利用大连市某钻孔土样，通过压缩试验和SEM 图片分析，探讨其微观变形机理，为土力学的微观研究提供参考。

2 研究内容

为了探讨土体微观结构与宏观工程特性之间的联系，本文拟通过土的压缩试验，并结合SEM 图片，分析微观结构在压缩前后的变化，试图从微观角度，揭示土体变形过程中的微观机理，其主要的研究内容如下:

(1)采用一维固结排水试验，获得不同荷载条件下土体的变形量和释水量。依据获得的数据绘出每个土样的压缩曲线与天然原状样理论压缩曲线进行比较，分析土样压缩曲线、e－p 关系曲线的特征以及土样压缩前后含水率的变化和释水量之间的联系，从而得到扰动土样的压缩特性。

(2)采用SEM 技术，获取不同放大倍数图片，选取压缩曲线与理论压缩曲线拟合的最好的土样与一条拟合相对较好的土样在同一放大倍数下，借助ERDAS 软件，分析孔隙和颗粒在压缩前后的变化规律，主要是获取孔隙面积的变化量和颗粒形态、粒径变化等信息，从微观结构特征方面研究土样;

(3)根据压缩试验结果，主要用到的是土样压缩后的最终变形量和释水量，结合利用SEM 图片所得到的有关孔隙、颗粒变化的数据，揭示黏性土压缩特性的微观机理。

3 扰动样压缩试验

本次先采取大连市某钻孔5 个黏性土原状样，测定其部分物理参数，然后对扰动样进行压缩排水试验。土的固结压缩试验方法是根据太沙基的固结理论建立的，国内外常用的标准方法是增量分级加荷法［2］。本文对于扰动土样主要采取了常规固结压缩试验，规定标准加荷时间为24 h一级，每级加载10 kg。经实验数据整理，本次土样测定的物理参数如表1 所示。

扰动样基本物理性质 表1

由此可知，天然密度随着深度的增加而增加;而土粒密度是土的一种最基本参数指标，其大小与孔隙大小和含水多少无关，它与其所含矿物密度有关;压缩后含水率均会产生降低。计算出每一级荷载下所对应的孔隙比，绘制压缩曲线如下:

图1 5 个土样的e－p 压缩曲线

图2 理论e－p 压缩曲线

从图1 中曲线上看，可知扰动样的e－p 压缩曲线的形状是一条下凹的平滑曲线，从土样1、2、3、5(初始孔隙比相对较小)的曲线形状可明显看出，尤其土样2 的最为明显，且压力较小时，曲线较陡，随着压力的逐渐增加，曲线逐渐变缓，说明土在压力增量不变的情况下进行压缩时，其压缩变形的增量是递减的，这些特征都与理论的压缩曲线相符合(如图2 所示)。形成这种形状特征的原因是:在有侧限压缩时，开始加压阶段接触不稳定的土粒首先发生位移，孔隙体积减小的很快，所以曲线斜率比较大，随着压力的增加，进一步压缩是因为孔隙中水与气体的挤出，当水与气体不再被挤出时，土的压缩逐渐停止，曲线趋于平缓。至于土样4，出现水平与波动原因可能是制样时密实度不均一所致。

含水率是指土中所含水分的质量与天然含水量的比值，根据压缩前后土样含水率，可算出理论上的释水量，将实测释水量进行校正，计算结果如表2 所示。

五组土样实测释水量校正表 表2

据表2 中的结果可知，实测释水量小于由含水率变化计算出的理论释水量，其原因是多方面的:在制样与压缩实验过程中，土样中有水分蒸发，更主要的是压缩试验中释出的水以重力水为主，事实上，土样中还存在大量的结合水，这部分水在压力小时是无法释出的，所以理论上的释水量始终是要大于实测释水量的。土样2 的理论释水量与实测释水量仅仅相差3.411 g，相对于土样中含水总量来说，这个差值很小，说明土样中绝大多数为重力水，土样4、5 在试验中没有释水，说明其中重力水较少。

4 压缩变形的微观机理分析

研究压缩前后土体微观结构有关参数变化，特别是孔隙大小和颗粒相关指标变化规律，结合压缩试验数据，分析得到的主要结论如下:实测释水量是小于由含水率变化量计算出的理论释水量的，5 个土样样品中，土样2 的实测释水量28.030 g 与理论释水量31.441 g非常接近，且其压缩曲线是最符合理论上的压缩曲线特征的，故土样2 的实验误差最小，可作为代表性土样，来进一步分析;土样1 和土样3 的压缩曲线也比较符合理论曲线，但其释水量与理论值相差较大，故从中选取土样1，与土样2 一起做微观对比分析两个土样的SEM 图像进行对比其孔隙、颗粒的变化规律，以其从微观角度，揭示土体压缩变形机理。

4.1 SEM 图像处理

SEM 图像处理方法:通过分析电子显微镜扫描技术获得的土样SEM 图像，可以直观观察到土样颗粒和孔隙的形态、大小以及分布等特征。如从图3 中可以很清晰地看到土样颗粒主要以鳞片状为主，孔隙和颗粒分布不均匀等。

本次采用ERDAS 软件对SEM 图片进行处理，处理过程为:图片格式转换→二值化→矢量化，提取所需数据。SEM 图像经过上述处理后，能够得到土样中各个孔隙和颗粒面积、周长等数据。

图3 土样1 压缩后×2400SEM 图像

4.2 数据处理记录

本次只对土样1、2 压缩前后放大800 倍的SEM图像进行处理，由于得到的数据过于繁多，在此不一一详尽列出。

4.3 数据处理结果及分析

本次相关孔隙数据处理结果如表3 所示。

土样1、2 相关孔隙数据表 表3

4.4 压缩特性微观机理分析

研究表明［3］，从微观结构变化的角度来说，影响土体在压缩过程中的变化主要有下面几个因素:①颗粒本身形态变化，包括颗粒粒径和形状的变化;②颗粒之间排列形式的变化;③土体中孔隙大小、数量以及体积的变化。从上面三个影响因素中不难发现，这三个因素联系非常密切，针对本次利用ERDAS 软件分析土样的SEM 图像的特点，将从因素①和③两个方面来研究土体的压缩特性微观机理。

非饱和土体中的孔隙被水和气体所占据，当土体被压缩时，其变化主要由气体和孔隙水的排出所致。利用SEM 图像分析所得的孔隙面积变化数据，将其换算成整个土样上孔隙体积的变化，根据土样压缩试验数据计算其孔隙体积的变化，整理两者数据可得表4:

土样1、2 孔隙体积数据表 表4

土样1、2 的在压缩前后的平均形状系数计算结果如表5 所示:

土样1、2 颗粒平均形状系数表 表5

依据由SEM 图像所得的颗粒面积数据的最大值和最小值，为了更为直观的对比出土样1 和土样2 颗粒级配，可以按照颗粒的等效直径将其划分为5 个不同的等级，即 0 um～0.2 um、0.2 um～1.26 um、1.26 um～2.32 um、2.32 um～3.38 um、＞3.38 um。结果如表6 所示:

土样1、2 颗粒级配表 表6

因土样1 和土样2 的最终荷载不是一致的，所以对比两者压缩后的颗粒的相关数据没有意义。但根据表5中土样压缩前后颗粒平均形状系数变化来看，黏性土压缩后颗粒平均形状系数是增大的，也就是说黏性土在压缩后其颗粒形状有由片状向粒状转变的趋势;从表6 土样2 压缩前后的颗粒粒径变化情况来看，压缩后颗粒粒径主要变化是0 um～0.2um、1.26 um～2.32 um的颗粒向粒径范围0.2 um～1.26 um内转变。

综合表5 和表6 来分析，在压缩前，土样1 的颗粒平均形状系数要小于土样2，说明土样1 的颗粒形状更狭长，较土样2 更具有薄片状结构的特征;除此之外，土样1 颗粒在0 um～0.2 um、0.2 um～1.26 um所占比例均大于土样2 在这两个范围内的比例，说明土样1 颗粒中细小颗粒相对于土样2 中较多。

在这里可以利用粘粒双电层理论来解释两个土样的压缩特性微观机理。粘粒的双电层结构是由内层决定电位离子层和外层反离子层组成的，其反离子层又由固定层和扩散层构成，黏性土的压缩性就与其中的扩散层有关［4］，而土样1 的颗粒细小，且呈现较土样2 更加明显的薄片状结构特征，故比表面积较大，亲水性较强，最终的结果就是土样1 的扩散层厚度要大于土样2 的扩散层厚度，也就是说，土样1 的弱结合水层厚度是要大于土样2 的，结合表4 中数据具体分析，土样1 的实测释水量与理论释水量相差40.308，说明其中的重力水很少，这也证实了土样1 的结合水含量较多的结论。正是出于土样1 扩散层厚度较大的原因，在对其做SEM 图像分析时，不能很好地确定出孔隙与颗粒的界限值，因而利用SEM 图像分析孔隙体积减小量时所得数据偏小，造成相对误差比较大。

对于土样2，实测释水量较大，其值与理论释水量仅仅相差3.411，故土样2 中重力水较多，在压缩过程中随着荷载的增大土样中的重力水持续不断的释出，由于扩散层厚度相对较小，结合水含量相对较少。从土样2 的孔隙减小量相对误差来看，0.43%是一个误差允许范围内的数值，土样2 的试验结果说明了黏性土宏观上的压缩变形量与微观上孔隙减小量是一致的。

5 结 论

本文选取大连市某钻孔不同深度的5 个土样样品首先进行模拟原状样压缩试验(实则为扰动样)，测定不同荷载下的释水量和变形量，分析土样压缩曲线。同时，采用压缩前后土样进行电子显微镜扫描(SEM)，然后利用ERDAS 软件对SEM 图片进行分析，研究压缩前后土体微观结构有关参数变化，特别是孔隙大小和颗粒相关指标变化规律，结合压缩试验数据，分析二者之间的联系［5］，得到的主要结论如下:

土样1、2 的颗粒平均形状系数压缩后变大，说明黏性土在压缩过程中由片状向粒状变化，土样1 的颗粒更细小，更具薄片状特征，扩散层厚度大，实际释水量少，扩散层的厚度影响到SEM 图像分析中阀值的确定，致使孔隙体积变形量相对误差较大;土样2 中重力水较多，孔隙体积变形量相对误差仅为0.43%，土样2的试验结果说明了黏性土宏观压缩变形量与微观孔隙体积变化量是一致的。

6 建 议

对于压缩试验和微观机理分析中出现的问题，我们可以采取如下措施来解决:

(1)用最小分度值较小的百分表或全量程位移传感器来对变形量进行测量，这样能减小人为的读数误差，使得测量出的变形量更加精确;

(2)分级加载应当更加密集，以便可以测定到压缩曲线上的拐点值;

(3)减少人为或者仪器带来的误差;

(4)确定SEM 图像中的阀值还需探讨。

我们可以这样认为，黏性土的压缩变形主要是由孔隙体积减小引起的，这一结论在工程实践中有着一定的意义。如在进行地基最终沉降量的计算时，是否可以不用经过繁琐的运算，直接取沉降前后部分土样采用SEM 技术利用ERDAS 软件来计算孔隙面积的变化率从而确定出地基的最终沉降量。期待土的压缩特性微观机理问题得到更为全面的研究，并将其运用到工程建设中去。

［1］施斌，李生林．黏性土微观结构SEM 图象的定量研究［J］．中国科学(A 缉)，1995．6．

［2］塔萨奇，波克．工程实用土力学［M］．蒋彭年译，北京:水利水电出版社，1960．

［3］胡瑞林．黏性土微结构定量模型及其工程地质特征研究［M］．北京:地质出版社，1995．

［4］王立忠，丁利，陈云敏等．结构性软土压缩特性研究［J］．土木工程学报，2004(4):46～53．

［5］毛灵涛，薛茹，安里千．MATLAB 在微观结构SEM 图像定量分析中的应用［J］．电子显微学报，2004，23(5):579～583．