非饱和土增湿压缩的微结构研究

刘博榕，冯加远，曾佑江，李　阳

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054)



非饱和土增湿压缩的微结构研究

刘博榕1，冯加远1，曾佑江1，李阳2

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054)

[摘要]在非饱和黄土压缩特性研究中，需要对天然黄土进行扫描，以获得增湿压缩前黄土微结构形态；对增湿压缩后的土样进行电镜扫描，获得其微结构变化。从微观角度揭示黄土增湿压缩的形成和过程机理，开展控制变量的压缩实验，对实验后的留样开展扫描电镜实验。通过对比黄土在不同含水量、不同压力下受压前后的微观结构变化，分析影响黄土孔隙结构变化的因素，以及孔隙结构在力与水的联合作用下的变化特征及变化过程。得到非饱和土增湿压缩变形的主要因素是外荷超载迫使结构强度的丧失，完成高分维向低分维的转化，改变接触方式，从而由各向同性朝着各向异性发展。

[关键词]非饱和黄土；微观结构；增湿压缩

在非饱和压缩过程方面的研究中，首先利用滤纸法获得所取黄的土水特征曲线。然后进行控制吸力下(即含水量)的非饱和压缩实验，获得不同轴向压力下，随着吸力连续逐渐减小过程中黄土的变形情况。讨论压缩量随压力变化的规律，压缩量随时间变化的规律，压缩量随含水率的变化规律，压缩量随压力和含水率双变量的变化规律。

胡瑞林[1]认为黄土浸水后的湿陷，亦或是增湿压缩变形，是多因素、系统性、有机的联合作用下发生的。然而土颗粒的连接状态和土自身性质占主导地位。

高凌霞[2]研究了微结构参数在一定置信水平上的相关性，认为非饱和压缩与微结构之间可以建立某种数学模型，如主成分分析法。

范留明等[3]试验多种提高分辨率的方法，其中利用伪彩色技术经过研究认为能有效解决在提取CT 图像信息时提高分辨率和降噪的问题。

尹小涛等[4]基于阀值分割实现二值化，从而定义孔隙和颗粒，并开展对裂纹的定量研究，获得清晰的灰度图像。

J.M.Arocena,Z. Chen , P. Sanborn[5]进行了识别和量化土壤微观结构变化的研究。结果表明，压实土壤颗粒重组改变了土壤孔隙空间特征。孔隙控制欠压实的土壤的压缩性，压缩后微结构显示密集的带状或斑状压实土壤。压实土壤大孔隙的降低，减少了连通性。

1试验方案

进行扫描电镜试验的样品来自200 kpa、600 kpa、1 000 kpa、1 200 kpa的压缩后的环刀试样。为了研究非饱和土压缩特性，应制取垂直于荷载方向且位于环刀试样直径方向上的条形土样，这样才能观察到与荷载方向平行的土样压缩面，获取的才是反映非饱和土压缩特性的SEM图片。

将观测样品切成20 mm×7 mm×7 mm的长条样，妥存备用。然后从中间掰断，露出新鲜的横向自然断面，断面保护好且不可以进行任何操作，尽量取横截面，斜面会造成阴影。贴导电胶时应注意尽量贴合土样表面，否则可能会导致放电现象使图片模糊。对于表面易掉粉的土样应将除新鲜面外导电胶接触的3个面用502胶固化。然后安放在靶台上抽真空约4 h，之后均匀喷涂金粉，放入电镜下观察。放在靶位上的土样高度应控制在1.0～1.5 cm范围内，尽量保持高度一致，镜头与新鲜面保持9 mm以上间距。所有的电镜扫描实验均在西北大学大陆动力学国家重点实验室FEI Quanta 400 FEG型环境扫描电子显微镜系统下完成。

图1　SEM原图像(200 kpa)

2试样的微观结构分析

2.1微观结构的定量分析

进行扫描电镜实验的目的就是为了获得土体微结构的特点，从而进行定性分析，如孔隙结构、连接方式等。进一步借助软件可以进行定量分析，一方面是微结构单元体；另一方面是孔隙分布规律。

对以上放大2 000倍的图像(图1-图4)变时，随着压力的增大，孔隙逐渐崩解坍塌，孔径变得越来越小。隙骨架结构损毁，虽然孔隙减少，但依旧有可被压缩的空间，欠压密程度较高；1 000 kpa下灰度带中部代表的中小孔隙和颗粒分布数量几乎与200 kpa下相同，说明该级压力的特点是使中小孔隙和颗粒逐渐聚集凝结，变得致密；当加压至1 200 kpa时，灰度带中部代表的中小孔隙和颗粒分布数量几乎与600 kpa下相同，但黑色带分布几乎已经消失，孔隙已被压缩殆尽。

从直方图均值化处理的图像结果来看，黑色代表孔隙，白色代表颗粒，通过二值化后，显像对比度更高，孔隙与颗粒分布规律更直观，随着压力增大，孔隙逐渐被压缩，黑色区域越来越小，白色区域逐渐连成片，说明越来越致密紧实。

图2　SEM原图像(600 kpa)

图3　SEM原图像(1 000 kpa)

2.2孔隙定向分布的研究

通过获取L1I与水平方向的夹角(θ)、|sinθ|、|cosθ|、n∥、n⊥的数据，即可计算非饱和土增湿压缩后孔隙的定向度。定向度(R)计算式可以用下式表达：

其中：n∥=|cosθ|/(|sinθ|+|cosθ|)；

n⊥=|sinθ|/(|sinθ|+|cosθ|)；

R的区间[0,1]，R越大，定向性越强，反之越差。可以看出，在2 000倍SEM图像中，对于含水率为19%的试样，随着压力的增大，定向性逐渐显著。

表1　各级压力下定向度

将定向角的分布划为18级，亦即10°一级或一个单位，统计与水平方向的夹角(θ)在0～180°的分布概率。通过获取含水率为19%的试样在2000倍SEM图像中与水平方向的夹角(θ)数据，即可统计获得图5。

黄土湿陷是颗粒在外因作用下寻找新的平衡状态的过程，主要是胶结物溶解，强度丧失，胶结能力变弱，颗粒松散坠落到新的空隙中，从而导致湿陷变形。由图可知，50°(130°)至70°(110°)的孔隙随着压力的增大逐渐减小，而10°(170°)的孔隙数量增加，这样的一个整体定量分析结果与实际压缩过程情况相符，二者相互印证。

图4　SEM原图像(1 200 kpa)

图5　各级压力下定向角分布(2000倍)

3结语

骨架颗粒堆砌形成的孔隙是黄土压缩变形的基础；接触方式及胶结方式是结构强度的来源；临近颗粒的摩擦可抵抗压缩。非饱和土增湿压缩变形的主要因素是外荷超载迫使结构强度的丧失，完成高分维向低分维的转化，改变接触方式，从而由各向同性朝着各向异性发展。同时伴随吸力的减小，水相连通，气相封闭，离子间引力和颗粒间摩擦阻力的消失。

参考文献

[1] 胡瑞林.黄土湿陷性的微结构[J].工程地质学报.1999,7(2):161-168.

[2]高玲霞，栾茂田，杨庆.基于微结构参数主成分的黄土湿陷性评价[J].岩土力学.2012,33(7):1922- 1928.

[3]范留明.数字图像伪彩色增强方法在岩土CT 图像分析中的应用[J].岩石力学与工程学报.2004, 23(13): 2257-2261.

[4]尹小涛, 党发宁, 丁卫华，等.图像测量技术在岩土工程CT图像定量化分析中的应用[J].岩土力学.2004,25(增刊2): 429-432.

[2]李向全, 胡瑞林, 张莉. 软土固结过程中的微结构变化特征[J].地学前缘.2000(01):147-152.

[5]邓 津, 王兰民, 张振中.黄土显微结构特征与震陷性[J].岩土工程学报.2007,27(4): 542-548.

[收稿日期]2015-09-25

[基金项目]陕西省科技统筹创新工程计划课题(2012KTDZ03-02)

[作者简介]刘博榕(1990-)，男，陕西宝鸡人，在读硕士研究生 ，主攻方向：黄土湿陷、滑坡等灾害防治。

[中图分类号]P642.13+1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0232-02