土体微观结构的研究发展

李常花

（同济大学土木工程学院，上海200092）

1 概述

土的微观结构是组成土的基本单元体(单粒)和结构单元体(集粒)的大小、形状、表面特征、定量比例关系、各结构单元体在空间的排列状况及其结构连结特征和孔隙特征的总称[1]。其主要包括三个方面：(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，即结构单元体的空间布局；(3)能量学特征，即结构连结类型和结构总能量[2]。

土的微观结构是其物质存在的基础，反映了土的形式及存在状态，是决定土的工程性质的内在因素。土的力学性质、宏观现象(如流动现象等)从本质上来说是取决于其微观结构的。故，微观结构的研究对建立正确的本构关系，解释宏观工程现象均有重要的意义。本文对土的微观结构的研究发展、现状及发展趋势等进行了较为浅显的总结和论述。

2 研究发展及现状

2.1 研究发展

土的微观结构研究已经历了近百年的历史，大致可以分为定性研究和定量研究两个阶段。

定性研究阶段[2-6]是对土的微观结构的认识阶段，也是定名阶段，其研究大多停留在表面而没有深入。

1925 年，土力学的奠基人Terzaghi 首先提出粘土的“蜂窝状结构”，Casagrade(1932)发展了Terzaghi 的蜂窝结构，假定蜂窝结构排列存在于海洋土中而提出了“基质粘土”和“键合粘土”的概念。Popov(1944～1949)通过研究压缩条件下粘土微结构的变化，提出了“隐结构”的概念。

Lambe(1953～1959)从胶体化学和双电层理论出发，提出了非盐絮结构、盐絮结构和分散排列结构。V.Olphen(1963)综合并扩充已有模型，提出了“絮凝集合”结构模型。

1964 年，R.Brewer 第一次提出了“组构”的概念。Yong 和Mitchell(1976)利用电子显微镜及其它测试技术和手段，将土的微观结构研究由单粒结构发展和推广到了团粒结构。

定量研究阶段[2,4,7-8]是对土的微观结构要素进行量化的阶段，开始将土的微观结构与宏观力学行为联系起来。

1973 年，Tovey 利用液氮冻干技术和电镜扫描胶带剥离技术研究了原状土的结构性，提出了土体结构微观图像的定量分析方法，这一研究对于分析微观图像具有重要的意义。

1995 年，Moere 等引入并证明了分形理论在砂性土微观结构定量研究中的可应用性，标志着土的微观结构定量化研究迈进了一个新的台阶。

1997 年，王清通过SEM图像处理技术，提出了粘性土中结构单元体形态、定向性、孔隙特征等结构要素的定量评价指标。2001 年，施斌运用图像分析系统对粘性土微观结构进行研究，提出了表征土微观结构几何特征的定量化指标，并把这些指标与宏观力学参数进行了相应的对比分析。同年，Haynie 应用小波变换研究了土体微观结构的尺度效应。

2.2 研究现状

自进入20 世纪90 年代，随着科学和技术的飞速发展，许多学者在微结构研究领域取得了可喜的进展。

2.2.1 结构土样制备技术。莫斯科大学率先研制了结构土样制备仪器,之后李生林、吴义祥等相继开发了结构土样制备装置,在真空升华系统上并联温差升华装置, 从而大大缩短了制样时间。土样制备这一技术难点的突破使土体结构图像能够较为客观、完整的反映其原始结构。

2.2.2 微结构定量化研究。利用电镜、环境电镜或CT 等设备扫描获得土的微结构图像，使用图像处理技术处理图像获取结构要素量化参数，最后结合非线性科学成果(如分形理论等)建立各参数之间联系。由此，在多学科交叉的基础上，土体微观结构的定量研究成为现实。

2.2.3 分子级的微结构研究。随着科技发展及研究深入，学者们开始转向分子级别的微结构研究：Gouy (1910) 和Chapman(1913)提出的Gouy-Chapman 双电层理论，从分子层面解释了黏土压缩性与基本颗粒- 水- 阳离子的相互作用关系；在此基础上 Van Olphen(1963)、Sridharan(1982)以及Tripathy（2004）先后提出了双电层模型与有关理论计算方法，实现了双电层理论研究的量化[9]。

2.2.4 微结构动态研究。即研究某一演变过程中土的微结构的变化规律，如：叶为民等(2011)采用温度、吸力控制方法，研究了不同温度、不同侧限条件下高压实膨润土微观结构在干湿循环作用下的变化规律[10]；Cui 等(2003)研究了侧限膨胀过程中高压实膨润土的微结构变化规律[11]，等。

2.2.5 包含液相的土体微观结构研究。用环境扫描电镜(ESEM)研究低真空度下含有液相的土体微观结构，而非使用液氮升华后的固气两相土体的微观结构。如，周晖等(2009)利用环境扫描电镜对广州软土在固结过程中的微观结构变化进行观测与分析，得出了不同固结压力条件下，软土的尺度、形状、定向性等微观结构特征及其变化规律[12]。

2.2.6 微观结构在数学模型中的应用。许多学者通过建立土体微观结构要素与宏观力学参数间的关系而建立了一系列数学模型：Fredlund 和Xing 根据孔隙分布提出了预测土水特征曲线的FX 模型；1999 年，苗天德等基于微结构突变失稳假说,给出了一个完整湿陷变形黄土的本构模型[8]，等。

2.2.7 微结构在实际应用中的尝试。将土体微观结构及其数学模型尝试应用于实际问题。如：廖一蕾等(2016)通过定量分析加固粘性土体的微观结构参数变化，探索其与加固土体强度及承载机制的关系[13]。

3 发展趋势及存在问题

综上所述，目前土的微观结构研究的发展趋势主要表现为以下几点：

3.1 从定性到定量。

3.2 从单一学科到多学科交叉。土微观结构的研究从主要依托于力学（如弹性力学、弹塑性力学等）的研究，逐步发展为结合非线性科学理论（如分形理论等）等的多学科交叉研究。

3.3 从微观到更微观。由研究初期主要研究土颗粒间的排列组合，到研究土颗粒内的孔隙分布，再到现在研究土颗粒间的化学分子作用，土的微观结构研究呈现出越来越细微化的趋势。

3.4 从静态到动态。从单一状态下土的微观结构研究转向某一演变过程中土的微观结构研究。

3.5 从理论研究到实际应用。从将微观结构与宏观行为结合的理论研究，到建立相应的数学模型，进行不良土的改性等，土体微观结构的研究正逐步从理论向实际应用趋近。

目前，土的微观结构研究在很多方面仍存在许多问题：

（1）信息提取技术方面。要全面描述结构性土的形态几何特征和能量学特征, 还应当进一步完善已有的结构量化信息提取技术,继续开拓新的途径。

（2）微结构动态研究方面。观测土在某一演变过程中的微结构变化多采用平行样的方法，并不能真正意义上实现微结构变化的动态实时观测。

（3）尺寸效应方面。土体微观结构的尺寸效应问题仍有待进一步的研究。

（4）本构模型的应用方面。目前的研究中，土的微观结构参数的量化和力学性质之间关系的探讨，多是基单一、孤立的参数或对应关系，而不能反映土体作为一个系统和整体，其结构的非线性、不确定性、相互关联性和动态特性，更无法在变形和强度方面综合考虑。

（6）土的微观结构与宏观现象间的联系方面。现在的研究多是基于某一宏观现象，通过微观结构解释其产生原因；或针对某一特殊微观结构来解释其特有的宏观现象。缺乏系统的将微观与宏观紧密联系的理论[14-15]。

（7）在实际工程中的应用问题。我们对土进行的各项理论研究，究其目的都是要为实际工程服务。但是将土的微观结构研究应用于实际工程（如是否可将其应用于地基处理方案、工后沉降预测、边坡滑移预测等实际工程研究，如何应用等）仍比较困难。