黏-砂混合土压缩特性与微观结构特征关系研究

2021-05-18付佳佳尤苏南王旭东

长江科学院院报 2021年5期

付佳佳,王炼 ,尤苏南,3 ,王旭东

(1.盐城工业职业技术学院建筑工程学院，江苏盐城 224005； 2.南京工业大学岩土工程研究所，南京 210009；3.化学工业岩土工程有限公司，南京 210009)

1 研究背景

随着沿海港口、码头以及近海工程的大规模兴建，黏-砂混合土在填海地基处理工程中的应用越来越广泛，工后沉降变形成为值得关注的关键问题。事实表明，土的工程特性很大程度上受其微观结构控制，土体所表现出的各种变形和强度特征归根结底是其微观结构各要素调整及演化的综合反映[1]。土体微观结构是指颗粒和孔隙的大小、形状、排列及相互接触和联结关系的总称，其复杂性导致了土体力学特性的模糊性和不确定性[2-3]。

很多学者运用扫描电镜(SEM)试验、压汞试验和图像处理技术对软黏土的微观结构展开研究:施斌[4]利用SEM图片实现了击实过程中黏性土的微观结构类型的定量评价。沈建华等[5]通过分析雷州半岛灰色黏土的SEM图像，认为土体蜂窝状结构是灰色黏土呈现出强烈结构特性的原因。万勇等[6]针对压实黏土微观结构特征和力学性能开展压汞试验研究，从微观层次揭示了压实黏土在干湿循环作用下变形特征和强度衰减内在本质。陈波等[7]对不同制样方式的上海软黏土开展压缩和压汞试验，提出用参考孔隙比表述土体组构是合理有效的。Pires等[8]采用图像分析方法对3种不同类型黏土在不同干湿循环次数下的微观结构进行了分析比较。周晖等[9]采用图像分析技术定量分析了广州番禺淤泥的孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律。上述研究表明，扫描电镜试验、压汞试验和图像处理技术在土体微观结构定性和定量研究中得到了广泛应用。此外，研究者们对软黏土的工程特性也开展了大量研究：雷华阳等[10]针对天津滨海地区围海造陆工程所形成的中双层软黏土地基，运用室内载荷试验和数值模拟展开软黏土地基的承载特性及破坏模式研究。史旦达等[11]采用固化剂固化上海某沿海港域吹填场地的砂土和黏土，探讨了固化过程中试样微观结构变化与宏观强度及变形特性的宏微观关联。

综上所述，国内外学者针对软黏土已经开展了大量微宏观研究，对黏-砂混合土的研究主要集中在含砂量(或黏土含量)与渗透特性[12-13]、抗剪强度[14]、压缩特性[15]等方面的关系，而混合土的宏观力学特性与微观结构之间的关系研究较少。基于上述原因，本文针对不同配比的黏-砂混合土开展了压缩试验和扫描电镜试验，采用IPP(Image-Pro Plus)图像分析软件定量评价压缩前后混合土微观结构的演变规律，建立混合土微观结构特征参数与压缩变形参数之间的关系，以探讨混合土压缩特性与微观结构特征的相互关系。

2 试验内容与方法

黏-砂混合土采用黏土和细砂配置，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[16]规范测定的黏土和细砂的主要物理力学参数见表1。按照不同干质量配比制备黏-砂混合土，本次试验分别配制含砂量为10%、30%、50%、70%、90%的黏-砂混合土，并以CS10、CS30、CS50、CS70、CS90代表不同含砂量的混合土，其中C表示黏土，S表示细砂。图1为Malvern Mastersizer 2000激光粒度仪测定的不同配比混合土的颗粒级配曲线。

表1 黏土和细砂配比组成

图1 混合土的颗粒级配累计曲线

2.1 压缩试验

压缩试验选用WG-1C型系列单杠杆三联固结仪。试样制备：试样直径61.8 mm、高20 mm，采用压样法制备试样，控制试样含水率为20%，干密度为1.7 g/cm3。根据不同干质量配比称取黏土和砂土，加定量水拌和均匀，将拌和后的土样放入密封袋中静置24 h，计算称取湿土重122.4 g，将湿土倒入压样器内，拂平土样表面，利用液压千斤顶压实制样，每种配比做3个平行样，选取余土测定相对密度、重度和含水量，确保试样满足规范允许误差要求；然后将试样放入真空缸内抽气饱和，饱和度达到95%以上。压缩试验主要步骤：用湿棉围住加压盖板四周，避免水分蒸发，压缩试验加载等级为0、50、100、200、400、800 kPa，每级压力施加后维持24 h，当测定试样高度不变化时，认为达到稳定标准，记录百分表读数，然后再施加第2级压力，依次逐级加压至试验结束并记录百分表读数。

2.2 扫描电镜试验

选用JSM-6510型扫描电子显微镜对混合土固结前后的微观结构进行图像采集，用细钢丝锯将试样切成边长为0.5 cm的正方体土样，采用真空升华干燥法对土样进行脱水干燥处理后用导电胶固定喷金，保证样品具有导电性，镀膜完成以后将试样放入扫描电镜的样品室中，进行微观SEM图像采集，采集图像分辨率为2 560×1 920像素。Scrivener等[17]通过试验研究得出在400倍的放大倍数下，10张照片就使标准误差降低到0.6%。综合考虑后对每种试样分别采集10张图片，最终以平均值作为统计结果评价微观特征。根据前人研究成果[18]并结合试样实际扫描效果，在定性分析时图像采集采用高放大倍数(1 000倍)观察含砂量<50%的混合土，低放大倍数(100倍)观察含砂量>50%的混合土;定量分析时均采用1 000倍的放大倍数。

2.3 图像处理与二值化

选用IPP图像处理分析软件对SEM图像进行处理和分析。SEM图像是灰度图像，为了对其相关参数进行测量和统计，必须先对图像进行刻度校准、图像预处理、二值化处理和数据输出等操作，处理后颗粒为黑色、孔隙为白色。引入表观孔隙率确定图像二值化处理最佳阈值T，即当某一选定阈值条件下计算得到的混合土表观孔隙率与土工试验中孔隙率相接近时，可认为此阈值是图像二值化处理的最佳阈值，图2为CS30混合土SEM原图和最佳阈值下的二值化图像。

图2 最佳阈值下CS30试样SEM和二值化图像

3 混合土压缩特性

图3为不同配比黏-砂混合土试样的e-p曲线。从图3可知配比不同使得初始孔隙比存在差异，含砂量较低时，混合物的压缩变形特性主要由黏土控制，即表现出黏土性状，正因如此才导致压缩前期孔隙比快速下降；含砂量越高，砂颗粒的骨架作用愈强，孔隙比变化量总体呈减少的趋势。由此可见，含砂量改变了混合土的结构性，使土样压缩性减小，说明混合土在工程中要改变土体压缩特性，可增加含砂量。

图3 混合土的e-p曲线

土体压缩性与微观结构密切相关，压缩系数a1-2是表征土体压缩性的主要指标。图4为孔隙比、压缩系数a1-2随含砂量变化曲线，可以看出：

(1)随着含砂量增大，混合土孔隙比呈先减小后增大的趋势，含砂量为50%时孔隙比最小；低含砂量混合土对固结压力更为敏感，其孔隙比的变化量远大于高含砂量的混合土。

图4 孔隙比与压缩系数随含砂量的变化

(2)含砂量较低时，土样主要以黏粒为主，颗粒排列较为松散；随着砂颗粒的不断掺入，黏粒与砂颗粒重新组合形成团粒结构，黏粒填充砂颗粒之间的大、中孔隙，当含砂量为50%时土样最密实，孔隙比最小；随着砂颗粒掺量的进一步增大，黏粒含量减小到无法完全填充砂颗粒间的孔隙时，黏粒在砂颗粒之间的“填充”“润滑”作用逐渐失效[19]，土样表现为粒状结构，颗粒间大孔隙增多，孔隙比随之增大。

(3)压缩系数a1-2随含砂量的增大而减小，表明土样压缩性不断降低。含砂量较低时，砂颗粒悬浮在黏土颗粒中，荷载主要由黏粒承担，土样中孔隙小而多，孔隙比大，混合土压缩性高；随着含砂量增大，砂粒逐渐成为主要受力骨架，土样中存在较多大孔隙，但结构稳定，要使砂颗粒发生变形需要消耗更多的能量，因此同一荷载下含砂量高的土样压缩性小。

4 混合土微观结构特征

4.1 基于SEM试验的微观结构特征定性分析

4.1.1 含砂量对混合土微观结构的影响

为直观观察不同配比混合土中的颗粒和孔隙形态，对CS10、CS30、CS50、CS70和CS90混合土试样进行扫描电镜分析，如图5所示。

图5 不同含砂量下混合土SEM图像

从图5可以看出，含砂量为10%时，混合土主要以黏粒为主，黏粒粒径大多在10 μm以下，砂颗粒悬浮在黏粒中，颗粒间存在着较多微小孔隙，混合土结构单元体呈蜂窝状和叠片状结构，颗粒间的接触方式以边-面、面-面接触为主，接触面积比较大，无明显定向排列。含砂量为30%时，部分黏粒“胶结”形成团粒结构，孔隙随之增大。

含砂量为50%～70%时，可以清晰地观察到大小颗粒混杂在一起，砂颗粒镶嵌在黏粒中，颗粒间排列较为紊乱，黏粒吸附、包裹在砂颗粒上形成团聚体，使得砂颗粒之间没有明显的直接接触，形成“架空”结构。

含砂量增大至90%时，从团聚体过渡到以砂颗粒为主的单粒结构，颗粒间孔隙较大，砂颗粒之间形成有效接触，接触方式多以点-点、点-面接触为主，属于粒状结构。

对比分析不同配比试样的扫描电镜图像可知，含砂量的变化导致土样颗粒排列方式、接触方式以及孔隙大小改变。含砂量较低时，黏粒“胶结”成团粒结构，砂粒被黏粒包裹，粒间接触以面接触为主；随着含砂量的增大，黏粒包裹砂颗粒形成团聚体，砂颗粒间没有明显接触；当含砂量继续增加，砂颗粒间表现为点接触，黏粒的“胶结”作用失效。

4.1.2 固结压力对混合土微观特性的影响

图6为不同固结压力p下CS30试样的SEM图像。由图6可知，压缩作用改变了混合土微观结构。CS30混合土为开放的蜂窝结构，颗粒排列松散，无明显定向排列，颗粒间多以边-面、面-面接触；在压缩过程中，随着固结压力增大，土体颗粒间联结变得紧密，粒间接触方式逐渐向面-面镶嵌过渡，黏粒包裹砂颗粒形成大的团聚体，颗粒之间团聚现象更加明显，密实程度显著提高；随着固结压力的进一步增大，混合土中颗粒数量越来越多，这是由于尺寸较大的团聚体在固结压力下挤压崩解成细小颗粒重新兼并生长，颗粒之间的排列更加紧密，粒径较小的砂颗粒镶嵌在粒径较大的砂颗粒之间，结构趋于稳定，此物理过程宏观上表现为土体密实性增加，整体强度提高。

图6 不同固结压力p下CS30混合土SEM图像(1 000倍)

4.2 基于SEM试验的微观结构特征定量分析

土体的微观结构是指土体内部颗粒形态、孔隙特征以及颗粒间接触关系，为进一步定量研究不同配比下混合土的微观结构，采用IPP软件对试样压缩前后的微观结构SEM图像中的颗粒、孔隙等相关信息进行统计和量化分析，以揭示微观结构特征参数与含砂量、固结压力之间的相关性。

4.2.1 混合土的孔隙分布特征

根据Shear孔径划分理论[20]，将土中孔隙划分为颗粒内孔隙(d<0.014 μm)、颗粒间孔隙(0.014 μm≤d<1.8 μm)、团粒内孔隙(1.8 μm≤d<70 μm)、团粒间孔隙(70 μm≤d<600 μm)和宏观孔隙(d≥600 μm)。本文结合黏-砂混合土微观结构的颗粒分布和孔径特性，将混合土中孔隙划分为4类，见表2。

表2 孔隙类型划分

使用IPP软件对SEM图像进行定量分析，统计得到不同固结压力下混合土的孔隙数量和面积分布，如图7所示。从图7(a)可以看出，不同配比混合土中主要为孔径<1 μm的孔隙，即微孔隙和小孔隙，大、中孔隙的数量随着含砂量的增大而增加。固结压力作用下，大孔隙数量显著减少，中、小孔隙数量相应增加，但对微孔隙的影响不明显。

图7 孔隙数量和孔隙面积分布

由图7(b)可知，混合土含砂量<50%时，中、小孔隙的面积占绝对优势，随着含砂量的增大，中、大孔隙数量增加使得两者的面积也增大；固结压力作用下，土样孔隙总面积减少，大孔隙面积显著减小，孔隙的变化主要是大孔隙挤压变形被分割成中、小孔隙，微孔隙变化不大。进一步分析发现，各类孔隙对外荷载的敏感度与孔径分布区间和含量密切相关，大孔隙对荷载作用最为敏感。

图8 孔隙数量和面积占比随含砂量的变化关系

为进一步阐明混合土各孔隙类型随含砂量的变化关系，固结前后混合土中各孔隙类型数量和面积占比变化见图8，分析如下：

(1)由图8(a)可知，不同混合土中微、小孔隙在数量上占绝对优势，两者总数占比均在76%以上，而大、中孔隙数量占比随含砂量的增加而增大；固结压力作用下，大孔隙占比减少，中孔隙和微孔隙占比均有所增加，说明荷载作用使大孔隙向小尺寸孔隙进行了转化。

(2)比较图8(a)和图8(b)可以发现，孔隙面积比孔隙数量受含砂量的影响更为敏感。含砂量低于50%时，孔径分布在[0.1，1.0]μm的小孔隙占有绝对优势，孔隙面积占比均在50%以上，微孔隙数量虽多但面积占比小；随着含砂量增加，微、小孔隙面积占比下降，中、大孔隙占比显著提高。

在固结压力作用下，各孔隙组面积占比总体呈现孔径越大变化幅度越大的趋势。大孔隙面积占比降幅在10.35%～31.39%不等，中孔隙相应增加，增幅在2.55%～26.09%，且含砂量越高两者变化幅值越大，微、小孔隙变化幅值均在5%以内。

(3)不同孔径类型对含砂量和固结压力的敏感度不同，这说明在外力作用下，孔径变化并非对所有孔隙机会均等，仅是部分孔隙作出相应调整，这种调整使原有的孔隙分布形式被打破，进而被与含砂量和对应压力相适应的稳定结构形态所代替，宏观表现为高含砂量、固结压力作用下混合土压缩性减小，这与压缩试验分析结论相一致。

4.2.2 混合土的颗粒定向特性

混合土微观结构研究中，为定量描述混合土颗粒排列的有序性，选取颗粒定向概率熵[4]来描述混合土微观结构特征。

(1)

式中:Hm为颗粒定向概率熵，取值范围在0～1之间；Pi是颗粒在第i个方位区里出现的概率；n=18，将0°～180°等分为以10°为单位的18个区间。Hm越小，表明所有单元体排列方向越一致，有序性越好；反之，单元体排列越紊乱，随机性越强，有序性越差。

采用IPP软件处理分析试样的SEM图像，统计土颗粒单元体大小、个数、方向角等信息，根据式(1)绘制颗粒定向概率熵Hm与含砂量关系的散点图并进行拟合。从图9可以看出土颗粒的定向概率熵与含砂量呈正线性相关，且相关系数均在0.95以上。随着含砂量增加，混合土的定向概率熵从0.867增大到0.940，表明原始混合土体颗粒排列已较为紊乱，而含砂量的增加使其更加无序；固结压力作用下，部分孔隙和水受挤压排出，土颗粒排列向垂直于压应力作用方向发展，颗粒定向概率熵减小，平均降幅达10.2%，颗粒排列有序性增加，这与张先伟等[21]提出的固结压力作用下土体微观颗粒有序性提高的结论相一致。

图9 定向概率熵和含砂量的关系

4.2.3 混合土压缩特性与颗粒定向的关系

土体压缩性可以由压缩系数a1-2来表征，现就混合土的压缩系数a1-2与土结构单元体排列的定向概率熵Hm的关系进行探讨。从表3和图10可以看出：混合土颗粒定向概率熵与a1-2呈良好的负线性相关关系；随着含砂量增加，定向概率熵增大，压缩系数a1-2减小，混合土可压缩性降低，由此说明颗粒定向概率熵是土体压缩性在微观结构中的表现。