压实黄土吸力和微结构关系探讨

付建伟,梁晓波

(1.国家能源水电工程技术研发中心 高边坡与地质灾害研究治理分中心,陕西 西安 710065; 2.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

压实黄土吸力和微结构关系探讨

付建伟1,2,梁晓波1,2

(1.国家能源水电工程技术研发中心 高边坡与地质灾害研究治理分中心,陕西 西安 710065; 2.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

土体的微结构是决定土体物理、力学及其他性质的重要因素,建立土体演化的结构控制模型,进而建立基于土体微观结构演化机制的土力学模型和本构关系是土力学理论发展的新方向。通过压力膜仪进行土水特征试验,采用扫描电子显微镜分析各级吸力下的压实黄土微观结构。试验结果表明,吸力的变化会引起土体微观结构的变化,通过分析饱和压实黄土脱湿过程中土体吸力和微结构的变化关系,将宏观本构模型中常用的吸力参量和微观参量建立联系,说明吸力变化下土体体积变形的微观机理。

击实黄土;吸力;微结构;土水特征曲线

微结构是土体的一个重要质量指标,是决定土体物理、力学及其他性质的重要因素。早在1925年Terzaghi就首次提出了土的微观结构的概念,土的微观结构研究已日益受到岩土工程界的重视。土的微结构指土中各微结构单元在空间上的存在形式,结构特征又受各单元的成分、定量比例及其间相互作用所控制,具体内容包括以下3个方面:①形态学特征即结构单元体的大小、形状、表面特征及数量比例关系;②几何学特征,指的是结构单元体的空间布局;③能量学特征,指结构连接类型和结构总能量。结构单元体主要是由单粒(原生矿物的碎屑)和集粒(细小矿物颗粒、个别有较大的原生矿物碎屑被一些胶结物胶结而成的矿物集合体)组成[1-4]。

由于土体微观结构形态的复杂性和技术手段的限制,过去对微观结构的研究大多以定性分析为主。随着计算机图像处理技术的发展,使微观结构的定量化研究取得了突破性的进展。典型的工作如Tovey[5-13],Osipov[14],吴义祥[15],施斌[1,3,10],吴燕青[16]等。迄今为止,已发展了诸如X射线透视、立体摄影、激光散斑法、X射线衍射、光学显微镜、透射电镜、显微镜位移跟踪法、计算机断层X射线技术、差热分析、压汞法等微观结构测试技术。

微观结构信息包括颗粒或孔隙的总面积、总周长、平均面积、平均周长、平均形状系数、平均粒径或孔隙以及它们之间的相互关系。本文通过扫描电子显微镜,观察分析饱和压实黄土脱湿过程中土体吸力和微结构的变化关系,将宏观本构模型中常用的吸力参量和微观参量建立联系,说明吸力变化引起土体体积改变的微观机理。

1 试验过程及仪器

1.1 试验土样

试验土样取自于兰州九州台,塑限16.4%,液限27.7%,土粒相对密度GS=2.526。采用轻型标准击实,制备了干密度分别为1.6 g/cm3、1.65 g/cm3、1.70 g/cm3、1.75 g/cm3的4种土样,进行压力膜仪试验和扫描电子显微镜试验。

1.2 压力膜仪试验

试验仪器采用1 500F1型15BAR压力膜仪,目的在于绘制不同初始干密度土样的土水特征曲线,并为扫描电镜试验提供各级压力下所需的土样,试验结果如图1所示。

1.3 扫描电镜试验

扫描电镜的电子枪发射出电子束,电子在电场的作用下加速,经过两三个电磁透镜的作用后在样品表面聚焦成极细的电子束。该细小的电子束在末透镜上方的双偏转线圈作用下在样品表面进行扫描,被加速的电子与样品相互作用,激发出各种信号,如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光等。这些信号被按顺序、成比例地交换成视频信号、检测放大处理成像,从而在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

为保证所观测到的微结构扫描图像能真实地反映试样的本来形貌,样品应用手掰开,而尽量不用机械刀具,用刀具进行切片处理事实上已经改变了土的原始微结构。而对于导电性差的材料,样品在入射电子束照射下表面易积累电荷而影响图像质量,故需在样品表面喷镀一薄层金(或银、碳)膜。用铂、钯或其合金作为喷镀物质效果更好。

图1 不同干密度土样的土水特征曲线Fig.1 Soil water characteristic curve of different dry density soil

1.4 试验结果分析

用Hitachi su-1500扫描电子显微镜做干密度1.75 g/cm3土样在各级吸力下的SEM图片,如图2所示。

从SEM图片上可以较清楚地看出,压实黄土土颗粒排列比较紧密,微结构单元多以粒状直接接触或镶嵌接触形式存在。吸力较小时微结构单元中的细粒(5.0～10.0 μm)和微粒(1.0～5.0 μm)居多,随着吸力的增大,团粒(>10 μm)逐渐增多。

从图1、图3-图5可以看出,随着土体所含水分的损失吸力增大时,土体的孔隙总数没明显变化,但孔隙的平均面积、平均周长和平均直径都相应的减小。说明土体含水率越高,吸力越大,颗粒团聚体就越大,孔隙就越大;而当含水率减小时,随着吸力的减小,微结构单元多向细粒和微粒发展,孔隙就变小。这表明了土体吸力是对孔隙有压缩作用的,吸力越大孔隙越小。

图2 干密度1.75 g/cm3土样不同吸力下的SEM图片Fig.2 Dry density 1.75 g/cm3 soil samples under different suction SEM images

图3 孔隙平均面积和吸力的关系Fig.3 The relationship between average pore area and suction

图4 孔隙平均直径和吸力的关系Fig.4 The relationship between average pore diameter and suction

图5 孔隙平均周长和吸力的关系Fig.5 The relationship between average pore circumference and suction

吸力的变化导致孔隙的变化,同时孔隙变化也影响吸力的大小,图3-图5可以明显看出孔隙越小,对应的吸力则越大。孔隙越小,水气交界面的水膜曲率就会越大,宏观上就会表现出较大的吸力值。

对于初始干密度相同的土体,当其含水率发生变化,其自身的孔隙结构会发生相应的变化,从而土体的体积也会发生相应的变化。微观上土体结构的塌缩及孔隙的缩小,表现为宏观上土体体积的缩小。

2 结论

(1) 吸力对孔隙有压缩作用,吸力越大孔隙就越小。

(2) 在吸力导致孔隙变化的同时,孔隙也通过水膜曲率影响吸力的大小。

(3) 初始干密度相同的土体,因含水率的变化导致孔隙结构的改变会在宏观上表现为相应的体积变形。

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(责任编辑：陈姣霞 李雯)

Discussion on the Relationship between Suction andMicrostructure of Compaction Loess

FU Jianwei1,2,LIANG Xiaobo1,2

(1.HighSlopeandGeologicalHazardResearch&Managementbranch,NationalEnergyandHydropowerEngineeringTechnologyR&DCenter,Xi’an,Shanxi710065; 2.NorthwestEngineeringCorporationLimited,POWERCHINA,Xi’an,Shanxi710065)

The soil microstructure is an important factor to determine the physical,mechanical and other properties of the soil.The structural control model of soil evolution is established,and then the soil mechanics model and constitutive relation based on the microstructure evolution mechanism of soil are established,which is the new direction of the development of soil mechanics theory.Soil water characteristics were tested by pressure membrane instrument,the microstructure of compaction loess under different suction was analyzed by scanning electron microscopy(SEM) The results show that suction change will cause changes in the soil microstructure.The relationship between the suction and the soil microstructure during the desiccation process of saturated compaction loess was observed by SEM.The relationship between the suction parameters and the microscopic parameters commonly used in the macroscopic constitutive model is established,which indicated the microscopic mechanism of soil volume deformation under the suction change.

compaction loess; suction; microstructure; soil water characteristic curve

TU411

A

1671-1211(2017)05-0590-03

2017-03-21;改回日期2017-08-17

付建伟(1987-),男,工程师,地质工程专业,从事水利水电勘察、设计工作。E-mail:717342779@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.040.html数字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.017