土体微观结构特性研究

徐海波

1 引言

土体微观结构是指在特定的地质条件下，土体颗粒、粒团之间的连接排列方式，微孔隙与微裂隙的大小、形状、数量及其空间分布与充填情况，接触与连结方式等所构成的微观结构特征。微观结构特点决定了土体的力学特性，如絮凝状结构的土体孔隙连通性较好，定向性较差，土体性质较均匀；叠片状结构的土体，孔隙沿黏土片的长轴方向延长，颗粒高度定向，土体各向异性显著。近年来，国内外相关学者在土体微观结构研究方面进行了一系列研究成果，本文通过归纳总结，指出膨胀土和改性土方面的微观结构共性和特性以及研究不足和方向，为进一步土体微观结构研究提供坚实基础。

2 土体微观结构研究方法

X射线衍射、扫描电子显微镜（SEM）、EDX能谱仪、压汞试验是目前研究土体微观结构的主要测试方法。四种测试方法适用的范围有所不同，如X射线衍射可以分析土的矿物成分，扫描电子显微镜可以观察微观结构基本单元体（凝聚体、叠聚体）内部土粒的大小、形状、排列情况及孔隙发育情况等，EDX能谱仪主要测试土体中的化学成分，压汞试验主要用于测试土体孔径分布、孔隙体积、总孔表面积等。

X射线衍射是利用X射线入射到晶体时，晶体中的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级产生相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律，即可确定晶体结构。在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都产生自己特有的衍射花样。根据上述原理利用X射线衍射分析土的矿物成分分析。

扫描电子显微镜（SEM）是利用高速能量的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射，采用不同的信息检测器对不同电子进行采集，根据电子信息获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对X射线的采集，可得到物质化学成分的信息。压汞试验又称汞孔隙率法，利用汞对一般固体不润湿，并在外力作用下汞被压入土体孔隙，通过量测不同外压下进入孔中汞的质量计算孔隙体积等参数。

3 土体微观结构研究现状

土可分为普通土体和特殊性土体，普通土体主要有粉土、粘土等，特殊性土体主要有膨胀土、吹填土、吹填土、湿陷性土等。由于普通土体微观结构变化较小，因此目前土体微观结构研究主要集中在特殊性土体方面。叶为民[1]利用压汞法研究了干湿循环作用下高压实高庙子膨润土微观结构变化规律，试验表明，吸湿过程中，试样内部不同孔径的孔隙均发生了不同程度的膨胀；脱湿过程中，孔隙出现分化，较大孔径出现收缩，而集合体内孔隙基本不受吸力增加的影响。戴张俊[2]利用X射线衍射、SEM扫描电镜分析了南水北调中线膨胀土微观特征，认为强膨胀土与中膨胀土颗粒结构状态明显不同，强膨胀土以絮凝结构，扁平状聚集体与卷曲片状颗粒为主；中膨胀土以紊流状、粒状堆叠结构为主；指出微观组分和结构特征，与物理性质指标分别呈线性关系与负指数幂关系。陈宇龙[3]以云南弱膨胀土为研究对象，采用物性分析、X射线衍射与红外光谱分析膨胀土微观结构特性，结果表明，颗粒排列具有紊流结构、层流结构、粒状堆积结构、胶结式结构，结构单元以颗粒、团聚集体单位为主，集结成堆，片状、扁平状颗粒具有一定的定向趋势；颗粒间孔隙性显著。张玲玲[4]利用压汞试验和扫描电子显微镜对天津滨海新区沉降固结前期的吹填土微观结构进行研究，认为土体固结过程中微结构单元状态呈两种状态，一种趋向稳定，一种为从稳定的状态到破坏（即固结外力的作用使部分结构孔隙向具有更小一级孔隙的微结构状态转变），使得固结过程中低级孔隙的数目增长远大于高一级孔隙的减少，土体孔隙表现为由大而少向小而多的转变。牛岑岑[5]认为土体的渗流压力使吹填土土体颗粒由原来的松散状态转变为团聚状态，具有不同程度的扁圆性，但没有定向性。穆彦虎[6]探讨了冻融条件下压实黄土微观结构与宏观性质之间的关系，指出随着冻融次数的增加土体面孔隙度先增加而后保持稳定，而大中孔隙个数及面积不断增加，甚至形成由大中孔隙组成的架空孔隙。对于吹填土，可见，特殊性土体的微观结构差异较大，即使同为膨胀土强膨胀性与中膨胀性结构状态明显不同，而且不同地区的弱膨胀土结构也存在着差异，因此膨胀土的结构特性不仅与土性相关也与地域相关，在工程中需要认真对待。

4 改性土微观结构研究现状

改性土是指在土体中掺入水泥、石灰等材料，以此改善原有土体的力学性质。相关学者对其微观结构进行深入研究，赵春吉[7]认为水泥土随着龄期的变化，黏土外层原有结构被破坏，伴随着水泥水化反应，生产的C-S-H和C-A-S-H凝胶包裹在黏土颗粒表面，形成晶体结构填充在黏土孔隙中，使土体结构更加密实；王兵[8]通过试验得出，水泥土的内部结构与龄期密切相关，由初期的絮状、纤维状结构逐渐变为菊花状结构，最终形成网格状结构，孔隙逐渐变小，随着水泥水化的持续发展，相邻团粒被网格状水化物晶体联结形成水泥土结石体；刘泉声[9]分析了侵蚀溶液浓度和时间对微观结构的影响，指出随着龄期的增长，颗粒间整体联接变弱，呈现颗粒化趋势，排列松散，粒径有所减小。汪明武[10]对掺石灰7%的膨胀土进行微观结构观测，认为石灰改良膨胀土以粒状颗粒为主，微结构骨架基本由团聚体与团聚体、团聚体与片状结构相互连接构成，颗粒与微团粒充填于结构骨架孔隙中；三轴剪切试验试样剪切破坏面的土体孔隙直径为0.52～7.8μm，面积小于4μm2。石灰、水泥等材料掺入后均改变了土体原有的微观结构、孔隙分布，宏观表现为土体的物理力学性质进行了改变，但如何建立微观结构与宏观力学性质之间的定量关系目前较为困难，也是下阶段微观结构研究的主要方向之一。

5 小结

X射线衍射、扫描电子显微镜（SEM）、压汞试验是研究土体微观结构的主要方法，在应用时应根据研究对象选取合适的测试方法。特殊性土之间的微观结构差异较大，尤其是膨胀土的结构特性不仅与土性相关也与地域相关。土体掺入外掺剂后，改变了土体原有的微观结构、孔隙分布，导致土体物理力学性质发生显著变化，但如何定量建立微观结构与宏观力学性质之间的关系是下阶段微观结构特性研究的主要方向之一。基金项目：安徽省水科院青年科技创新基金（KY201702）；安徽省水利厅科研及技术咨询项目（slkj2017-02）。