上海深部原状黏性土微观结构特征研究

张士宽，刘 婷，陈大平，兰立信

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 上海交通大学土木工程系，上海 200240）

土体宏观物理力学特性及其特定的工程性质，除矿物成分因素外，多数是由土体的微观结构决定的[1-3]。分析土体的微观结构，有利于认识其宏观变形破坏的微观机制。土体的微观测试方法主要有压汞法、电镜扫描（SEM）、气体吸附法等[4-6]。很多学者曾针对上海地区浅部土层的微观结构进行了研究，并取得了一定的成果。如龚士良对上海软黏土的颗粒及集合体成分、孔径分布、微结构、孔隙溶液与阳离子交换性作了分析，探讨了人工回灌对土体性质带来的影响，并从物理化学角度阐述了软黏土微观特性对土体固结变形及地面沉降的影响[7]；陈波、孙德安等通过对上海软黏土原状样和不同制样方式得到的重塑样开展压缩试验和压汞试验，认为固结压力和制样方式对软黏土的孔径大小及分布具有重要影响[8]；唐益群等采用GDS三轴、压汞试验等对地铁行车荷载作用下的饱和土微观性状进行了定量分析研究[9]；李越等运用电镜扫描技术研究了固结条件下上海第④层软土的微观特征[10]。有关研究成果为上海地面沉降研究与控制、地下工程设计施工及运营维护提供了技术参考，然而这些研究大多局限于上海浅部土层（如浅部③、④层软土），鲜有针对深部土层的。近几年来上海市地下空间开发已从浅层、中层向深层发展[11-12]。上海市深层地下空间开发深度已超过40m，如：苏州河段深层排水调蓄管道系统（试验段）工程盾构工作井基坑开挖深度接近60m；正在建设的北横通道工程深度已达48m，深度大于40m的路段长2.6km。可见，上海已开始40m以下深层地下空间的实际利用。因此，开展深部土层微观结构特征研究具有重要的现实意义。上海第⑧层系第I承压含水层（⑦层）和第II承压含水层（⑨层）的隔水层，其在市区大部分区域分布，仅局部缺失，且一般厚度较大，是较为理想的深部地下空间开发层。随着多功能扫描电镜技术和图像处理技术的发展和进步，SEM图像所提供的土体的结构信息量越来越大，国内一些学者也提出了反映土体微结构特点的一系列参数，为土体微观结构特征的定量研究提供了评价指标[13-15]。而黏性土的孔隙结构强烈影响着黏土的强度和渗透性能[16]，是地面沉降控制研究与工程实践中最为关心的土体特性。因而本文以上海深部原状黏性土（第⑧层）为研究对象，利用GDS应力路径三轴试验、扫描电子显微镜（SEM）试验和压汞试验，并结合Matlab图像处理技术[17]，主要分析了上海第⑧层原状黏性土的微观孔隙的特征，以期为建立土体微观结构与宏观工程特性联系，以及未来上海地下空间资源的开发、地质安全保障等提供必要的试验依据和技术参考。

1 GDS应力路径三轴试验

1.1 试验土样

上海第⑧层为滨海、浅海相沉积地层，属晚更新世土层，该层在中心城区北部、西部以及南部均有分布，颜色一般为灰色[18]。本次试验选取上海中心城区典型第⑧层分布的宝山地区钻孔，在现场使用双管单动薄壁取土器采集原状的粉质黏土，在室内切成高度为10cm、直径为3.91cm的圆柱体试验土样，其基本物理性质指标见表1。

表1 原状土试样的基本物理力学性质指标Table 1 Basic physical and mechanical properties of undisturbed soil samples

1.2 试验方案

试验采用英国GDS公司生产的全自动应力路径控制三轴仪（型号：GDSTTS40），将试样装入GDS三轴压力室进行反压饱和，采用孔压系数B检测土样的饱和程度，当B＞0.98时即认为土样达到饱和要求，之后对试样进行K0（σ2=σ3=k0σ1）固结至原位应力状态，以还原土的应力历史。通过试验获取不同深度土样K0值。固结过程中所产生的孔隙水压力消散为0时，视为固结完成。然后在不排水条件下进行剪切试验，采用应变控制，保持围压不变，以0.05 mm/min的轴向位移速率加载，以保证试验过程中孔压的均匀性。当试样轴向应变达到25%时试验终止，相关试验方案见表2。

表2 应力路径试验方案Table 2 Test scheme of stress path

1.3 试验结果及分析

由图1(a)可以看出试样1和试样2的有效应力曲线形态比较相似，且它们分布在较窄的范围，可以近似认为二者具有相同的有效应力路径。应力应变关系是土体力学特性分析的基础和前提，由图1(b)可知，随着轴向应变增大，偏应力增长很快，到达峰值后又稳定地减小，说明试样在剪应力作用下呈现出一定的“应变软化性质”。如试样1在加载初期，随轴向应变增大偏应力迅速增加，当轴向应变达到2.95%时，偏应力达到最大值209.3kPa，之后轴向应变大于6%时，偏应力逐渐降低，而轴向应变快速发展到25%。

从图1(c)中可以看出，试样1和试样2超孔压曲线变化趋势基本一致，剪切初期，超孔压迅速积累，表现为孔压增长很快，在应变发展到一定程度（如试样2约为4.89%）时出现拐点，此后孔压增长速度明显放缓，整个试验过程观察到的孔压均为正值，表明土样在剪切过程中呈现出剪缩特性。同时也可以看出，若不考虑深度因素，应力路径类型相同时，超孔压—应变关系曲线随固结围压的增大具有上移的趋势，即剪切过程中超孔压随固结围压的增大而增大。

2 微观试验

2.1 SEM微观试验

本次SEM微观试验是在应力路径三轴试验的基础上对试验前后的土试样断面进行电子显微镜扫描，并对SEM图像中土样的微观结构（孔隙）信息进行分析。

2.2 SEM微观试验试样制备

按照试样的制备时间顺序，将土样分为两组，一组用于应力路径试验前原状土的扫描电镜试验，另一组进行应力路径试样后土样的扫描电镜试验。本次试验分别选取试样的水平断面和垂直断面进行试验（如图2），从而更好地观察试验前后土体的微观结构变化。

图2 扫描断面示意图Fig.2 Schematic diagram of scanning section

制样时取土柱的中间部分，分别沿水平和垂直方向切取尺寸为5mm×5mm×14mm的土样，同时对试样做标记，方便确定断面位置。将土样小心装入铝制干燥盒子中，将异戊烷倒入铝盒（使土样均匀受冻），倒入液面的高度以能够正好淹没试样为准，封闭铝盒，记录盒号，将密封之后的铝盒放入广口且密封性较好的金属制保温杯中，将液氮倒入广口的保温杯中，液氮液面高度以超过杯内铝盒的高度为准。倒入液氮之后迅速旋紧保温杯的盖子，冷冻30～60min左右，将冷冻好的试样迅速放入真空冷冻干燥机中，使试样在-60℃左右状态下持续抽真空冷干24～30h，使非晶态的冰升华排出，从而使试样既干燥又保持原始结构形态，电镜扫描时需手工制取自然结构面并对试样进行喷金，以增加试样的导电性。将处理好的样品依次放入NOVA NanoSEM 230型扫描电子显微镜里面进行扫描试验（表3）。

表3 SEM微观试验方案Table 3 SEM microscopic test scheme

2.3 SEM微观试验结果

本次试验利用NOVA NanoSEM 230低真空超高分辨场发射扫描电子显微镜从300倍的放大倍数开始对试样行微观扫描，避开断面内高低不平整处，应力路径三轴试验前后的微观试样结构扫描图像见图3（均以3000倍为例）。

图3 试样电镜扫描图Fig.3 Scanning electron microscope graphics of samples

图3(a)～(d)为第⑧层原状黏性土天然状态下（未加载时）的微观结构扫描图像，总体上呈现蜂窝状微结构，土颗粒呈现集粒状或片状结构，多为面—面接触、线—面接触。图3中(a)和(b)分别为45m深度试样的水平和垂直断面扫描图，可以看出土体表面粗糙不规整，颗粒大小各异，分布不均匀，孔隙分布在颗粒形成的絮状结构之中；垂直断面颗粒排列比水平断面的疏松，孔隙也较水平断面的大且分布也较多，粘聚性比水平截面的小。图3(c)为51m深度试样水平断面，可以看到土体表面光滑且规整，分布有呈细条状的孔隙，零散有蜂窝状孔隙分布，与图3(a)相比，颗粒之间排列较为紧密，孔隙较少，粘聚性较同一个孔深度为45m的土样水平断面好。对比图3(d)和(c)，可以看出同深度垂直断面比水平断面土颗粒粗糙且不规整，孔隙较多，颗粒排列疏松，颗粒粘聚性也较水平断面的小。

图3(a)和(e)分别为45m试样应力路径前后水平断面的电镜扫描图像，可以看出，试验后土体表面较原状土光滑，土体表面有明显的剪切破坏裂纹，在剪切作用下颗粒之间孔隙变小，排列变得更为紧密，大的片状颗粒结构破坏后变成了小的片状结构。图3(b)和(f)分别为45m试样应力路径前后垂直断面的扫描图像，试验后垂直截面同原状土一样，土体表面粗糙不规整，大的片状结构已经破坏变成的小的片状结构，孔隙较多且分布在颗粒形成的絮状结构之中。同样，51m试样也有类似的现象。

2.4 孔隙特征微观定量分析

（1）孔隙面积比例

孔隙面积比例（R）代表SEM图像中土体孔隙所占的比例，R取值为0～1，R值越大说明土体中孔隙含量越多，计算公示为：

式中，Se、S分别代表图像区域孔隙总面积和图像区域总面积。

从图4中可以看出，同一深度相同断面应力路径试验前后试样孔隙面积呈下降趋势，说明在剪切荷载作用下，试样有压密趋势，大孔隙逐渐变为小孔隙，原有土颗粒结构在一定程度上被破坏。随取样深度增加，试样断面的孔隙面积比例有下降趋势，说明随固结压力增大，土颗粒受压而排列较紧密，孔隙的面积比例逐渐减小，即颗粒面积比例逐渐增大。

图4 孔隙面积比例统计结果Fig.4 Statistical results of pore area ratio

（2）孔隙的定向分布特征

为表示孔隙在某一方位上的分布强度，本文将0°～180°分成12等份（区位），根据角度可以统计出每个区位孔隙累积面积及孔隙总面积，然后以孔隙面积百分比为半径，将各个区位上的统计结果绘于图上。

由图5可以看出，原状土样水平和垂直断面孔隙分布均表现出一定的定向特征[19]，但并不固定分布在某一区域。如W2断面孔隙主要集中分布在30°～60°范围内，其面积占孔隙总面积的35%以上；W3断面孔隙分别在30°～45°和120°～150°范围集中分布；W4 断面孔隙主要集中在30°～60°范围；W1断面孔隙分布定向性相对不明显。试验后土样断面孔隙分布亦表现出一定的定向性，如S6断面孔隙主要集中分布在30°～60°范围，值得注意的是原状土样和试验后土样断面孔隙在 30°～60°和 120°～150°范围呈现出较大定向分布趋势，后续还需针对这一现象开展更为深入的研究。

（3）分形维数

孔隙分形维数主要反映了土体孔隙和固体颗粒接触界线的不规则性和复杂性，其取值越大，表明孔隙的分布越复杂，与固体颗粒界线也越不规则[20]。本文采用差分盒维法计算孔隙的分形维数，结果见图6。从图6中可以看出，按本文设计应力路径试验加载前后，试样断面孔隙的分形维数变化不大，说明按本文应力路径加载对孔隙的分布及形态变化影响较小。主要表现为原状土试样水平断面孔隙分形维数大于垂直断面，而试验后试样水平断面孔隙分形维数小于垂直断面，在一定程度上表明土体颗粒和孔隙受应力产生挤压变形和结构重塑，土颗粒得到密实，孔隙在水平方向上排列变得有序、形态变得规则，而在垂直方向孔隙分布及形态有向复杂形态变化的趋势。

图5 孔隙分布玫瑰花图Fig.5 Rose diagram of pore distribution

2.5 压汞试验及结果分析

本次试验采用美国麦克公司生产的AutoPore9510 型压汞仪测试样品的孔隙分布，该仪器测量压力范围为0.5～30000Psi（1Psi=6.895kPa），对应可测量孔径的范围为6nm～35000nm。

在压汞试验中，通过试验得到压力与压入汞的体积关系，利用Washburn公式[21]可以求得压力Pm对应的当量直径d，由此转换得到土中孔隙分布、比表面积等孔隙特征参数。

笔者分别对原状土样和试验后土样进行了压汞试验，现以45m试样压汞试验结果为例进行分析。

图7中蓝色和红色曲线分别为原状土和试验后土样的压汞试验曲线，从图7(a)中可以看出原状土与试验后土样累积进汞量与进汞压力曲线均呈S型，即压汞过程中，进入孔隙的汞的体积呈不断增加的发展趋势，在进汞压力较小时，曲线平缓，随着压力增大，曲线斜率陡升，说明此压力对应的孔隙组体积含量增高，随后即使在较大压力作用下进汞量仍未见明显增加，曲线趋于平缓，还可以看出压力大于100Psi后，试验后土样的累计进汞量比原状土的大；此外，可以看到退汞阶段，随着退汞压力减小，退汞曲线与进汞曲线有一小段重合， 随后逐渐与进汞曲线偏离，此时退汞曲线对应的体积值大于进汞曲线，说明退汞存在迟滞现象，一些汞残留在土孔隙中。

从图7(b)与(c)所示的压汞试验结果可以看到，原状土和试验后土样内部孔隙孔径分布在0.05μm＜D＜5μm的孔隙组均占有绝对优势，在这一区间的孔隙体积分别占对应总孔隙体积的83.3%和84.6%；图7(c)中还可看出，D＞3.9μm的孔隙累积体积原状土样大于试样后土样，而试验后土样的累积孔隙体积曲线大于原状土的，说明应力路径三轴剪切试验前后原状土样内大孔隙减少而小孔隙增多。

从图7(d)可知，与原状土相比试验后土样的累积表面积曲线向右平移，二者累积表面积与孔径关系曲线在D＜0.5μm段均陡然下降，说明这段区间内孔隙的表面积所占的比例较大；通过对比图7(c)和(d)还可发现累积孔隙体积曲线在D＜5μm段曲线变化较大，而累积表面积曲线则变化较平稳，说明汞进入D＜5μm的孔隙后，孔隙体积变化与其相应表面积的变化不同步。51m试样同样分布在0.05μm＜D＜5μm的孔隙组占有绝对优势，压汞试验结果曲线与45m试样类似，在此不再赘述。根据国际理论和应用化学联合会（IUPAC）提出的孔隙平均孔径分类，平均孔径大于50nm为大孔、2～50nm为中孔、小于2nm为微孔[21]，上海中心城区第⑧层土以上大孔为主。

图7 45m土样试验前后压汞试验对比Fig.7 Comparison of mercury intrusion test before and after of soil sample in the depth of 45m

3 结论及展望

（1）上海中心城区第⑧层原状黏性土颗粒之间孔隙较多，水平断面颗粒排列较垂直断面紧密，孔隙相对比垂直截面的少，且水平断面粘聚性一般比垂直断面好；土颗粒一般呈片状或大的颗粒状，以面与面的形式接触，孔隙分布在颗粒形成絮状结构之中。

（2）通过分析孔隙的定向分布特征，第⑧层原状土的孔隙具有一定的定向特性，在应力路径三轴剪切作用下，土体结构发生破坏，孔隙的定向性发生改变；通过分析孔隙的分布形态特征，应力路径试验后，不同深度土样水平断面和垂直断面的孔隙面积比例均减小，对比发现无论试验前后，埋置较深试样的孔隙面积比例相对较小，颗粒面积相对较大；随土样埋置深度增加垂直断面分形维数有增大的趋势，而水平断面的分形维数则呈减小的趋势。

（3）通过压汞试验分析，原状土样和应力路径试验后土样累积进汞量与进汞压力曲线均呈S型，在进汞压力较小时，曲线平缓，随着压力增大，曲线斜率陡升，退汞存在迟滞现象；上海中心城区第⑧层原状黏性土中以大孔为主，且分布在0.05μm＜D＜5μm的孔隙组均占有绝对优势；按本文应力路径试验后，土样的累积孔隙体积曲线和累积孔隙表面积曲线与原状土样相比均呈向右平移趋势。

本次研究采取的原状土样具有一定的代表性，但考虑到上海地区第⑧层为滨海、浅海相沉积地层，岩性平面上变化不大，垂向上有一定差异，存在粉质黏土与砂质粉土或粉砂互层的“千层饼”状土层，以后的研究中应充分考虑该因素的影响，进行更加全面深入的分析。