上海黏土压缩回弹变形的微观机理

顾 迪，严学新，张 云，白 杨，杨天亮

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.上海市地质调查研究院，上海 200072)

过量开采地下水造成土层中有效应力增大、土体压缩变形，地面产生沉降。为了控制地面沉降的发生和发展，许多地区限制、禁止地下水开采，或进行人工回灌，以期土层中孔隙水压力增加、有效应力减小，土层回弹，但这些措施的效果往往并不尽如人意。为了采取更经济合理的方法防止和控制地下水开采引起的地面沉降，有必要进一步研究土体(尤其是构成弱透水层的黏土)在有效应力变化情况下的变形机理。

黏土的宏观变形是其微观结构变化的宏观反映，土体内部孔隙的变化是土体微观结构变化的主要因素，而孔隙体积的改变是土体变形的主要原因，因此，研究土体孔隙的变化有助于揭示土体变形的机理。近年来许多学者致力于研究黏土变形过程中微观结构(特别是孔隙结构)的变化。李越等[1]研究表明，与压缩曲线类似，上海软土的面孔隙度随固结压力增大而减小，在0～200 kPa范围内，孔隙个数和孔隙平均形状系数随固结压力增大而显著增加，在固结压力大于200 kPa后，随固结压力增大，孔隙个数缓慢减小、孔隙平均形状系数缓慢则增大。周晖等[2]认为随固结压力增加，珠江三角洲软土的颗粒定向性增加、孔隙体积减小、孔隙分维值下降。谢晓华等[3]对珠江三角洲软土进行的压缩试验结果表明，随着压力增加，土体的孔隙率和孔径减小，而孔隙数量增加。孔令荣等[4]提出上海软土在固结压力较小时以团粒内孔隙和颗粒间孔隙为主，随固结压力增大，孔隙总体积减小且以颗粒间孔隙为主。周建等[5]认为随固结压力增大，杭州软黏土的孔隙数量先增多后减少，孔隙体积减小、均一化程度提高，孔隙排列的有序性和定向性增强。杨爱武等[6]研究了小偏应力作用下吹填土蠕变过程中孔隙的变化，发现随时间增加，总孔隙数量和小孔隙数量都增加，但平均孔隙体积逐渐减小。这些研究揭示了黏土固结过程中孔隙数量、孔隙形态及均一化程度等随固结压力的变化规律，但目前研究主要针对土体加载压缩过程中微观结构的改变，对土体回弹过程中微观结构变化的研究还很少。

随着地面沉降控制措施的加强，许多地面沉降地区(如上海、江苏苏锡常地区)的地下水位已普遍回升，土层中有效应力减小，但土层回弹变形量并不显著、远小于等量地下水位下降时的压缩量。为了揭示地下水回升情况下弱透水层的变形机理，本文采用固结仪对上海黏土进行单向压缩回弹试验，采用扫描电镜和压汞仪研究土体微观结构随固结压力增加及减小情况下的变化特征，该研究可以为地面沉降防控措施的制定提供科学依据。

1 试验方案

试验土样取自上海崇明岛，取土深度38 m，土样的基本物理力学性质如表1所示，土样的粒度分布如图1所示。

表1 试验土样基本物理参数

图1 土样颗粒分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve of clay

1.1 固结试验

固结实验采用常规固结仪进行，共有13个试样。对7个土样分级施加荷载，每一级压力稳定时间为24 h，分别施加压力至0(原状土样)，50，100，200，300，400，800 kPa。对另外6个土样先分级加载至800 kPa，再分级卸载，每级荷载卸除后稳定24 h，分别卸载至400，300，200，100，50，0 kPa。

1.2 扫描电镜及压汞试验

扫描电子显微镜(SEM)可对试样表面的物质性能进行微观成像，是研究土体微观结构的常用仪器，从扫描电子照片上可直接观测土颗粒和孔隙的大小、形状、排列等，孔隙大小及其分布也可通过压汞试验(MIP)获得。SEM试验与MIP试验在研究土体微观结构中可以形成互补，使土体微观结构研究更加准确有效[7]。

1.2.1试样制备

试样制备是SEM试验和MIP试验的基础，对试验结果的准确性至关重要。黏土易于受到扰动而变形，因此，在制样过程中需要尽量减小对试样的扰动，以保持试样的表面结构。本次试验中，首先将各级荷载下变形稳定的土样从单轴固结仪中取出，再用小刀从土样中切出长约2 cm、宽约1.5 cm、高约1.5 cm的长条形试样。由于SEM试验和MIP试验都要求试验样品必须为固体物质，因此试验前需要对样品进行干燥处理。为了不使土样在干燥过程中发生结构改变，试验采用冷冻干燥法[4，8]，先将试样在-196 ℃液氮条件下干燥15 min，再放入冷冻干燥机冷冻干燥8 h。进行SEM扫描时，取经过冷冻干燥的土样，小心掰断，得到未受扰动土样的新鲜断面，经过镀金处理后进行扫描电镜图片拍摄。本次研究所取得新鲜断面平行于土样在固结仪中的加压方向。另外，将经过冷冻干燥的长条形土样切成1 cm3的小方块，供压汞试验使用。

1.2.2试验方法

SEM扫描电镜试验采用南京地质古生物研究所的SU 3 500扫描电镜拍摄，每一级压力下的试样分别在×500、×1 000、×2 000、×5 000四个放大倍数下观测并拍摄。试验结束后运用LIU等[9]开发的PCAS软件对试验所拍摄图像进行二值化处理，识别所拍摄SEM图像的颗粒和孔隙，将二值化图像中的信息转化为量度参数，最后对定量化的结构参数进行研究分析，包括表征土样孔隙尺寸特征的面孔隙度、孔隙个数、分形维数、平均形状系数等。MIP试验采用南京工业大学化学工业实验室的PoreMaster33压汞仪，该仪器测定的孔径范围为950～0.006 4 μm，试验后运用压汞仪测试及数据处理软件Porowin自动处理试验数据，得到土体的孔径分布试验曲线和不同尺寸孔隙所占的比例。

2 试验结果及分析

2.1 扫描电镜试验结果及分析

2.1.1扫描图像观察

图2为原状土样在不同放大倍数时的SEM图像，土样表面微观图像特征随着放大倍数增大逐渐变得清晰。当倍数较小时(放大500倍)，图像能显示的范围比较大，可以看到土体结构表面的整体情况，但图片中颗粒和孔隙不够清晰；当倍数较大时(放大5 000倍)，图像能清晰地显示颗粒和孔隙的分布情况，适合选其作为定性分析的对象，但图像中能显示的区域范围较小，图片中只能观察到少量颗粒及孔隙，且具有较大的偶然性。综合考虑尺寸大小以及图像清晰情况两个因素，本文选用放大倍数为2 000倍的图像对微观结构参数进行定量分析。

图2 不同放大倍数下原状土SEM图像Fig.2 SEM images of the undisturbed clay with different amplifications

图3为加载压缩过程中不同固结压力下试样放大2 000倍的SEM图像(左侧)及其对应的二值化图像(右侧)。从图中可见，上海原状软黏土具有絮凝状结构，土粒主要为片状，形状不规则，若干片状土粒主要以面-面接触方式团聚在一起形成大小不等的团聚体，团聚体内部土粒间具有较强的结构联结。团聚体排列不规则，其间有较多的大孔隙，团聚体间的结构联结较弱。随着固结压力增大，团聚体间的孔隙减小，团聚体排列的定向性增加。当固结压力达到800 kPa时，团粒具有显著的定向性。

图3 各固结压力下土体SEM及二值化图像Fig.3 Images of SEM and corresponding binarization of the clay specimens under different pressures

2.1.2扫描电镜图像分析

(1)面孔隙度及孔隙数量变化

面孔隙度定义为SEM图像中孔隙面积与总面积(孔隙面积与土粒面积之和)的比值。图4为根据图像分析所得的面孔隙度随固结压力变化曲线，为进行比较，根据固结试验所得的压缩回弹曲线也表示在其中。从图中可以看出固结压力在0～300 kPa之间时，面孔隙度和孔隙比均随着固结压力的增大而显著降低，在固结压力大于300 kPa后两者均随固结压力增加呈缓慢减小的趋势。卸载回弹时，面孔隙度和孔隙比都随固结压力的减小而缓慢增大。可见，面孔隙度变化趋势与孔隙比变化趋势基本一致，说明SEM图像分析的结果可以较好地反映室内压缩回弹试验的结果，微观结构参数的变化能反映黏土的宏观变形特征。

图4 宏微观试验下土的压缩-回弹曲线Fig.4 Compression and rebound curves for macro and micro-tests

图5为固结过程中孔隙数量随固结压力的变化图。从图中可以看出，随着固结压力增大，孔隙数量先是显著增加，在200 kPa时孔隙数量到达峰值，此后随固结压力增大而减少。在0～200 kPa时，由于土颗粒相对错动，部分孔隙壁接触，使一个较大孔隙被分隔成多个较小的孔隙，孔隙数量明显增加；在200 kPa之后，由于土颗粒之间相互压缩、挤压，部分孔隙被挤实、消失，导致孔隙数量减少，这一试验结果与文献[1]类似。卸载回弹阶段，在固结压力大于200 kPa时，土样承受的压力较大，即使固结压力有所减小，土颗粒也难于移动或转动，孔隙数量随着固结压力减小的变化不明显；当固结压力小于200 kPa后，孔隙数量随固结压力减小而增加，可能是少数原先在高压力作用下闭合的孔隙又重新张开。当固结压力全部卸除后，孔隙数量较黏土初始孔隙数量增加了很多，说明多数由较大孔隙分隔而成的小孔隙难以恢复成初始的较大孔隙。

图5 孔隙数量随固结压力变化曲线Fig.5 Change in the number of pores

(2)孔隙平均形状系数

孔隙形状可以用形状系数来描述，其定义为[10]：

(1)

式中：Fi——形状系数；

Cc——与孔隙等面积的圆的周长；

Sa——孔隙的实际周长。

形状系数的取值在0和1之间，其值越大，表明孔隙形状越接近于圆形，其值越小，表明孔隙形状越狭长。孔隙形态的复杂性使得单个孔隙形状系数往往具有较大误差，而且单个孔隙形态并不能反映土体总的孔隙特征，因此，通常采用平均形状系数来定量描述土体的孔隙形态特征。平均形状系数计算公式为[10]：

(2)

式中：n——孔隙总数量；

F——平均形状系数。

F值越大表示孔隙特征越接近于圆形，反之则越狭长。孔隙平均形状系数的变化可以反映孔隙形态特征的改变。

图6为平均形状系数随固结压力变化曲线。当固结压力在0～300 kPa时，孔隙平均形状系数随着固结压力的增加急剧增大，表现为孔隙形状对压力的敏感度较大，狭长孔隙壁接触点数增加使孔隙变得更接近于圆形，即孔隙在不同方向的尺寸差别减小。在固结压力大于300 kPa之后，平均形状系数随着固结压力增加而增大的趋势放缓，最后趋于稳定，表现为孔隙形状对压力的敏感度降低，压力增大更多的是使颗粒的空间排列变得紧密。回弹阶段土体孔隙平均形状系数随固结压力减小而略有减小，但总体变化不大，表明卸载阶段孔隙对压力释放敏感度很小，卸载对孔隙整体形状影响不大。

图6 平均形状系数随固结压力变化曲线Fig.6 Change in the average shape coefficient

(3)孔隙形态分形维数

孔隙形态分形维数可以表征孔隙轮廓线的复杂程度，其值越大，表明孔隙不规则程度越高。当孔隙形态存在分形特征时，SEM图像中孔隙等效面积与周长之间存在如下关系[5，11]：

(3)

式中：A——任意一个孔隙的等效面积；

L——与之对应的孔隙的等效周长；

C——常数；

D——该图像对应的软土孔隙形态分形维数。

D值越大，表明孔隙结构越复杂，孔隙的空间形貌特征偏离光滑表面的程度越远。

图7为孔隙形态分形维数随固结压力的变化，D值介于1～2之间，加载过程中，固结压力在0～400 kPa时，孔隙分形维数随着固结压力增大而显著降低，这表现为孔隙变得圆滑，均一化程度增加，不规则程度降低。当固结压力大于400 kPa时，分形维数随着固结压力增加而缓慢减小并趋向稳定。回弹过程中孔隙分形维数随固结压力减小略有增大，但整体变化幅度很小，表明回弹过程中孔隙轮廓线变化幅度很小。

图7 孔隙分形维数随固结压力变化曲线Fig.7 Change in pore fractal dimension

2.2 压汞试验结果及分析

2.2.1压汞试验原理

压汞试验是通过对汞施加一定压力使汞克服自身表面张力而被压入试样的孔隙中，压入汞的体积即试样孔隙的体积。在低压力作用下，汞只能被压入试样的较大孔隙内，在高压作用下汞才能被压入较小孔隙内，进汞压力与孔径大小遵循Washburn公式[11]：

(4)

式中：p——进汞压力/MPa；

γ——汞表面张力/(N·m-1)；

θ——汞与土的接触角，为140°；

d——孔隙直径/μm。

将汞以不同压力压入试样中，根据式(4)并利用数据处理软件Porowin即可得到相应的孔径以及孔隙分布参数。

2.2.2压汞试验结果分析

(1)进汞压力曲线

图8为加卸载过程中不同固结压力下试样的进汞压力与汞累计压入体积曲线。从图中可以看出，在进汞压力小于800 PSI时，在很短的压力范围内，压入汞的体积急剧增大，在进汞压力大于800 PSI后，汞压入的体积随着进汞压力增大缓慢增加，基本无变化。在加载过程中，随着固结压力的增大，压入汞的体积由原状土(0 kPa)的0.252 cm3/g减小到固结压力为800 kPa时的0.138 cm3/g，说明随着固结压力的增大，土样中土颗粒被挤压变得紧密，孔隙体积减少，压入汞的体积也随之减少。在回弹阶段，随着固结压力较小，压入汞体积缓慢增大，从400 kPa时的0.142 cm3/g增加到0 kPa时的0.164 cm3/g，说明孔隙体积逐渐增大，且固结压力小于200 kPa后变化较大。可见，固结压力全部卸除后，还有较多孔隙体积是不能恢复的。

图8 进汞压力与汞压入体积曲线Fig.8 Mercury intrusion pressure and volume

(2)孔隙比例分布变化

为了定量分析土样孔隙的分布情况，需要对黏土孔径大小界限进行划分。目前国内外对软黏土孔径划分的界限值还没有统一标准，本文参考国内外常用的孔径分界值和陈波等[12]对上海软黏土的孔隙进行划分。根据原状土样的孔径分布曲线，将上海黏土孔隙的孔径划分为：大孔隙(d>5 μm)；中孔隙(1 μm

根据(4)式及进汞压力曲线可计算试样各孔径范围的孔隙体积，计算结果如表2所示。从表2可以看到，随固结压力增加汞压入体积减小，且上海原状黏土的孔隙以中、小孔隙为主，孔径主要为1～5 μm和0.1～1 μm，两者占总孔隙的87.1%。在固结初始阶段、固结压力不超过200 kPa时，各类孔隙比例变化并不是特别明显，但当固结压力为300 kPa时，中孔隙比例急剧减少至24.5%，而小孔隙比例急剧增大至63.5%，此后随着固结压力的增大中孔隙略有增加，而小孔隙略有减少，但是大孔隙、微孔隙以及超微孔隙的比例基本不变，这说明随着固结压力的增大，上海黏土的孔隙变化主要是中孔隙转化为小孔隙，但是孔径大于5 μm的大孔隙和孔径小于0.1 μm的微孔隙变化并不明显，在各级固结压力下，中孔隙和小孔隙都占有绝对优势。陈波等[12]对上海软黏土进行的孔隙分布试验也得到类似结论，即在加载过程中，随固结压力增加，土样孔隙的变化主要由孔径大于1 μm的大、中孔隙转化为孔径为0.2 ～1 μm的小孔隙。在回弹阶段，随固结压力减小汞压入体积增加，各级固结压力作用下，小孔隙都占绝对优势，且随固结压力减小而所占百分比增加。相较于加载阶段， 回弹阶段的微孔隙体积所占的百分比有所增加，中孔隙体积所占百分比有所减小，尤其在固结压力较小时。这说明黏土卸载回弹时主要是小孔隙体积的少量增加使小孔隙总体积增加，而大孔隙的体积变化很小。

表2 压缩阶段和回弹阶段固结压力下试样孔隙比例分布Table 2 Percentage of different pores under compression

(3)孔隙分布曲线

图9 不同压力作用下孔径分布曲线Fig.9 Pore size distribution curve

图9分别为各级压力作用下的孔径分布曲线。从图9可以看出，上海原状黏土孔径分布密度曲线为典型的单峰孔径结构，孔径主要分布在0.1～5 μm之间，以集聚体间的孔径分布为主。随着固结压力增大，孔径分布曲线的峰值位置不断左移，曲线中d≤1 μm的孔径孔隙比例不断增多，这表明随着固结压力的增大，土样孔隙的总体孔径变小。比较同一固结压力作用下加载和卸载土样的孔径分布曲线(图10)可知，在固结压力较大时，加载和卸载时的孔径分布曲线几乎相同，说明卸载时孔径分布变化不大，试样孔隙体积变化也很小。随着卸载程度增大、固结压力减小，卸载与加载时的孔径分布曲线差别增大，且卸载孔径分布曲线的峰值高于加载孔径分布曲线峰值，说明较之于加载至同一固结压力，卸载时孔径为0.1～1 μm的小孔隙体积明显增加，而中孔隙体积增加很少或几乎没有变化。由此可见，黏土卸载回弹时主要是小孔体积的增加。

3 结论

(1)上海黏土具有絮凝结构，以中孔隙和小孔隙为主。在加卸载过程中，根据SEM图像所得的面孔隙度变化可以反映土体宏观压缩回弹变形特征。

图10 压缩与回弹试样孔径分布曲线对比图Fig.10 Comparison of pore size distribution between compression and rebound at the identical pressure

(2)加载过程中，当固结压力较小时，随固结压力增加，孔隙数量和孔隙平均形状系数显著增加，孔隙形态分维数急剧减小；当固结压力较大时，随固结压力增大，孔隙数量减小，孔隙形状系数增加较缓慢，孔隙形态分维数减小也较为缓慢。在卸载过程中，随固结压力减小，孔隙数量增加，平均形状系数略有减小，孔隙形状分维数略有增加。

(3)加载压缩过程中，上海黏土的中孔隙转化为小孔隙。随固结压力增加，小孔隙所占比例显著增加，而中孔隙所占比例明显减小，其它孔径的孔隙所占比例变化较小。卸载回弹过程时，各级固结压力下小孔隙都占绝对优势，但固结压力较大时中孔隙所占比例较大，而固结压力较小时中孔隙所占比例较小，上海黏土主要表现为小孔隙体积的少量增加。

(4)提高弱透水层的地下水位、减小其有效应力能够使弱透水层产生回弹，但其回弹变形量十分有限，因此，为了有效地控制地下水开采引起的地面沉降，必须尽量减小弱透水层的水位降低。