大連市黏性土壓縮特性SEM微觀機(jī)理研究

劉剛，李笑宇

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

1 引 言

在長期的工程實踐中，人們發(fā)現(xiàn)巖土體的工程現(xiàn)象在很大程度上受微觀結(jié)構(gòu)的影響，宏觀的物理力學(xué)性狀是其綜合體現(xiàn)。分析土體微觀結(jié)構(gòu)，揭示巖土工程現(xiàn)象的本質(zhì)，是未來巖土工程中發(fā)展的一個重要課題。近年來，隨著電子顯微鏡技術(shù)的不斷提高，為分析土體微觀結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支持，很多學(xué)者采用光學(xué)顯微鏡、X 光衍射、透射電鏡和掃描電鏡等手段對黏性土的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，大大促進(jìn)了土體微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展。現(xiàn)代土質(zhì)學(xué)認(rèn)為，黏性土的微觀結(jié)構(gòu)主要包括以下三個方面:形態(tài)學(xué)特征、幾何學(xué)特征、能量學(xué)特征［1］。

黏性土的壓縮性是地基產(chǎn)生變形的根本原因。本文利用大連市某鉆孔土樣，通過壓縮試驗和SEM 圖片分析，探討其微觀變形機(jī)理，為土力學(xué)的微觀研究提供參考。

2 研究內(nèi)容

為了探討土體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀工程特性之間的聯(lián)系，本文擬通過土的壓縮試驗，并結(jié)合SEM 圖片，分析微觀結(jié)構(gòu)在壓縮前后的變化，試圖從微觀角度，揭示土體變形過程中的微觀機(jī)理，其主要的研究內(nèi)容如下:

(1)采用一維固結(jié)排水試驗，獲得不同荷載條件下土體的變形量和釋水量。依據(jù)獲得的數(shù)據(jù)繪出每個土樣的壓縮曲線與天然原狀樣理論壓縮曲線進(jìn)行比較，分析土樣壓縮曲線、e－p 關(guān)系曲線的特征以及土樣壓縮前后含水率的變化和釋水量之間的聯(lián)系，從而得到擾動土樣的壓縮特性。

(2)采用SEM 技術(shù)，獲取不同放大倍數(shù)圖片，選取壓縮曲線與理論壓縮曲線擬合的最好的土樣與一條擬合相對較好的土樣在同一放大倍數(shù)下，借助ERDAS 軟件，分析孔隙和顆粒在壓縮前后的變化規(guī)律，主要是獲取孔隙面積的變化量和顆粒形態(tài)、粒徑變化等信息，從微觀結(jié)構(gòu)特征方面研究土樣;

(3)根據(jù)壓縮試驗結(jié)果，主要用到的是土樣壓縮后的最終變形量和釋水量，結(jié)合利用SEM 圖片所得到的有關(guān)孔隙、顆粒變化的數(shù)據(jù)，揭示黏性土壓縮特性的微觀機(jī)理。

3 擾動樣壓縮試驗

本次先采取大連市某鉆孔5 個黏性土原狀樣，測定其部分物理參數(shù)，然后對擾動樣進(jìn)行壓縮排水試驗。土的固結(jié)壓縮試驗方法是根據(jù)太沙基的固結(jié)理論建立的，國內(nèi)外常用的標(biāo)準(zhǔn)方法是增量分級加荷法［2］。本文對于擾動土樣主要采取了常規(guī)固結(jié)壓縮試驗，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)加荷時間為24 h一級，每級加載10 kg。經(jīng)實驗數(shù)據(jù)整理，本次土樣測定的物理參數(shù)如表1 所示。

擾動樣基本物理性質(zhì) 表1

由此可知，天然密度隨著深度的增加而增加;而土粒密度是土的一種最基本參數(shù)指標(biāo)，其大小與孔隙大小和含水多少無關(guān)，它與其所含礦物密度有關(guān);壓縮后含水率均會產(chǎn)生降低。計算出每一級荷載下所對應(yīng)的孔隙比，繪制壓縮曲線如下:

圖1 5 個土樣的e－p 壓縮曲線

圖2 理論e－p 壓縮曲線

從圖1 中曲線上看，可知擾動樣的e－p 壓縮曲線的形狀是一條下凹的平滑曲線，從土樣1、2、3、5(初始孔隙比相對較小)的曲線形狀可明顯看出，尤其土樣2 的最為明顯，且壓力較小時，曲線較陡，隨著壓力的逐漸增加，曲線逐漸變緩，說明土在壓力增量不變的情況下進(jìn)行壓縮時，其壓縮變形的增量是遞減的，這些特征都與理論的壓縮曲線相符合(如圖2 所示)。形成這種形狀特征的原因是:在有側(cè)限壓縮時，開始加壓階段接觸不穩(wěn)定的土粒首先發(fā)生位移，孔隙體積減小的很快，所以曲線斜率比較大，隨著壓力的增加，進(jìn)一步壓縮是因為孔隙中水與氣體的擠出，當(dāng)水與氣體不再被擠出時，土的壓縮逐漸停止，曲線趨于平緩。至于土樣4，出現(xiàn)水平與波動原因可能是制樣時密實度不均一所致。

含水率是指土中所含水分的質(zhì)量與天然含水量的比值，根據(jù)壓縮前后土樣含水率，可算出理論上的釋水量，將實測釋水量進(jìn)行校正，計算結(jié)果如表2 所示。

五組土樣實測釋水量校正表 表2

據(jù)表2 中的結(jié)果可知，實測釋水量小于由含水率變化計算出的理論釋水量，其原因是多方面的:在制樣與壓縮實驗過程中，土樣中有水分蒸發(fā)，更主要的是壓縮試驗中釋出的水以重力水為主，事實上，土樣中還存在大量的結(jié)合水，這部分水在壓力小時是無法釋出的，所以理論上的釋水量始終是要大于實測釋水量的。土樣2 的理論釋水量與實測釋水量僅僅相差3.411 g，相對于土樣中含水總量來說，這個差值很小，說明土樣中絕大多數(shù)為重力水，土樣4、5 在試驗中沒有釋水，說明其中重力水較少。

4 壓縮變形的微觀機(jī)理分析

研究壓縮前后土體微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)變化，特別是孔隙大小和顆粒相關(guān)指標(biāo)變化規(guī)律，結(jié)合壓縮試驗數(shù)據(jù)，分析得到的主要結(jié)論如下:實測釋水量是小于由含水率變化量計算出的理論釋水量的，5 個土樣樣品中，土樣2 的實測釋水量28.030 g 與理論釋水量31.441 g非常接近，且其壓縮曲線是最符合理論上的壓縮曲線特征的，故土樣2 的實驗誤差最小，可作為代表性土樣，來進(jìn)一步分析;土樣1 和土樣3 的壓縮曲線也比較符合理論曲線，但其釋水量與理論值相差較大，故從中選取土樣1，與土樣2 一起做微觀對比分析兩個土樣的SEM 圖像進(jìn)行對比其孔隙、顆粒的變化規(guī)律，以其從微觀角度，揭示土體壓縮變形機(jī)理。

4.1 SEM 圖像處理

SEM 圖像處理方法:通過分析電子顯微鏡掃描技術(shù)獲得的土樣SEM 圖像，可以直觀觀察到土樣顆粒和孔隙的形態(tài)、大小以及分布等特征。如從圖3 中可以很清晰地看到土樣顆粒主要以鱗片狀為主，孔隙和顆粒分布不均勻等。

本次采用ERDAS 軟件對SEM 圖片進(jìn)行處理，處理過程為:圖片格式轉(zhuǎn)換→二值化→矢量化，提取所需數(shù)據(jù)。SEM 圖像經(jīng)過上述處理后，能夠得到土樣中各個孔隙和顆粒面積、周長等數(shù)據(jù)。

圖3 土樣1 壓縮后×2400SEM 圖像

4.2 數(shù)據(jù)處理記錄

本次只對土樣1、2 壓縮前后放大800 倍的SEM圖像進(jìn)行處理，由于得到的數(shù)據(jù)過于繁多，在此不一一詳盡列出。

4.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

本次相關(guān)孔隙數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3 所示。

土樣1、2 相關(guān)孔隙數(shù)據(jù)表 表3

4.4 壓縮特性微觀機(jī)理分析

研究表明［3］，從微觀結(jié)構(gòu)變化的角度來說，影響土體在壓縮過程中的變化主要有下面幾個因素:①顆粒本身形態(tài)變化，包括顆粒粒徑和形狀的變化;②顆粒之間排列形式的變化;③土體中孔隙大小、數(shù)量以及體積的變化。從上面三個影響因素中不難發(fā)現(xiàn)，這三個因素聯(lián)系非常密切，針對本次利用ERDAS 軟件分析土樣的SEM 圖像的特點，將從因素①和③兩個方面來研究土體的壓縮特性微觀機(jī)理。

非飽和土體中的孔隙被水和氣體所占據(jù)，當(dāng)土體被壓縮時，其變化主要由氣體和孔隙水的排出所致。利用SEM 圖像分析所得的孔隙面積變化數(shù)據(jù)，將其換算成整個土樣上孔隙體積的變化，根據(jù)土樣壓縮試驗數(shù)據(jù)計算其孔隙體積的變化，整理兩者數(shù)據(jù)可得表4:

土樣1、2 孔隙體積數(shù)據(jù)表 表4

土樣1、2 的在壓縮前后的平均形狀系數(shù)計算結(jié)果如表5 所示:

土樣1、2 顆粒平均形狀系數(shù)表 表5

依據(jù)由SEM 圖像所得的顆粒面積數(shù)據(jù)的最大值和最小值，為了更為直觀的對比出土樣1 和土樣2 顆粒級配，可以按照顆粒的等效直徑將其劃分為5 個不同的等級，即 0 um～0.2 um、0.2 um～1.26 um、1.26 um～2.32 um、2.32 um～3.38 um、＞3.38 um。結(jié)果如表6 所示:

土樣1、2 顆粒級配表 表6

因土樣1 和土樣2 的最終荷載不是一致的，所以對比兩者壓縮后的顆粒的相關(guān)數(shù)據(jù)沒有意義。但根據(jù)表5中土樣壓縮前后顆粒平均形狀系數(shù)變化來看，黏性土壓縮后顆粒平均形狀系數(shù)是增大的，也就是說黏性土在壓縮后其顆粒形狀有由片狀向粒狀轉(zhuǎn)變的趨勢;從表6 土樣2 壓縮前后的顆粒粒徑變化情況來看，壓縮后顆粒粒徑主要變化是0 um～0.2um、1.26 um～2.32 um的顆粒向粒徑范圍0.2 um～1.26 um內(nèi)轉(zhuǎn)變。

綜合表5 和表6 來分析，在壓縮前，土樣1 的顆粒平均形狀系數(shù)要小于土樣2，說明土樣1 的顆粒形狀更狹長，較土樣2 更具有薄片狀結(jié)構(gòu)的特征;除此之外，土樣1 顆粒在0 um～0.2 um、0.2 um～1.26 um所占比例均大于土樣2 在這兩個范圍內(nèi)的比例，說明土樣1 顆粒中細(xì)小顆粒相對于土樣2 中較多。

在這里可以利用粘粒雙電層理論來解釋兩個土樣的壓縮特性微觀機(jī)理。粘粒的雙電層結(jié)構(gòu)是由內(nèi)層決定電位離子層和外層反離子層組成的，其反離子層又由固定層和擴(kuò)散層構(gòu)成，黏性土的壓縮性就與其中的擴(kuò)散層有關(guān)［4］，而土樣1 的顆粒細(xì)小，且呈現(xiàn)較土樣2 更加明顯的薄片狀結(jié)構(gòu)特征，故比表面積較大，親水性較強(qiáng)，最終的結(jié)果就是土樣1 的擴(kuò)散層厚度要大于土樣2 的擴(kuò)散層厚度，也就是說，土樣1 的弱結(jié)合水層厚度是要大于土樣2 的，結(jié)合表4 中數(shù)據(jù)具體分析，土樣1 的實測釋水量與理論釋水量相差40.308，說明其中的重力水很少，這也證實了土樣1 的結(jié)合水含量較多的結(jié)論。正是出于土樣1 擴(kuò)散層厚度較大的原因，在對其做SEM 圖像分析時，不能很好地確定出孔隙與顆粒的界限值，因而利用SEM 圖像分析孔隙體積減小量時所得數(shù)據(jù)偏小，造成相對誤差比較大。

對于土樣2，實測釋水量較大，其值與理論釋水量僅僅相差3.411，故土樣2 中重力水較多，在壓縮過程中隨著荷載的增大土樣中的重力水持續(xù)不斷的釋出，由于擴(kuò)散層厚度相對較小，結(jié)合水含量相對較少。從土樣2 的孔隙減小量相對誤差來看，0.43%是一個誤差允許范圍內(nèi)的數(shù)值，土樣2 的試驗結(jié)果說明了黏性土宏觀上的壓縮變形量與微觀上孔隙減小量是一致的。

5 結(jié) 論

本文選取大連市某鉆孔不同深度的5 個土樣樣品首先進(jìn)行模擬原狀樣壓縮試驗(實則為擾動樣)，測定不同荷載下的釋水量和變形量，分析土樣壓縮曲線。同時，采用壓縮前后土樣進(jìn)行電子顯微鏡掃描(SEM)，然后利用ERDAS 軟件對SEM 圖片進(jìn)行分析，研究壓縮前后土體微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)變化，特別是孔隙大小和顆粒相關(guān)指標(biāo)變化規(guī)律，結(jié)合壓縮試驗數(shù)據(jù)，分析二者之間的聯(lián)系［5］，得到的主要結(jié)論如下:

土樣1、2 的顆粒平均形狀系數(shù)壓縮后變大，說明黏性土在壓縮過程中由片狀向粒狀變化，土樣1 的顆粒更細(xì)小，更具薄片狀特征，擴(kuò)散層厚度大，實際釋水量少，擴(kuò)散層的厚度影響到SEM 圖像分析中閥值的確定，致使孔隙體積變形量相對誤差較大;土樣2 中重力水較多，孔隙體積變形量相對誤差僅為0.43%，土樣2的試驗結(jié)果說明了黏性土宏觀壓縮變形量與微觀孔隙體積變化量是一致的。

6 建 議

對于壓縮試驗和微觀機(jī)理分析中出現(xiàn)的問題，我們可以采取如下措施來解決:

(1)用最小分度值較小的百分表或全量程位移傳感器來對變形量進(jìn)行測量，這樣能減小人為的讀數(shù)誤差，使得測量出的變形量更加精確;

(2)分級加載應(yīng)當(dāng)更加密集，以便可以測定到壓縮曲線上的拐點值;

(3)減少人為或者儀器帶來的誤差;

(4)確定SEM 圖像中的閥值還需探討。

我們可以這樣認(rèn)為，黏性土的壓縮變形主要是由孔隙體積減小引起的，這一結(jié)論在工程實踐中有著一定的意義。如在進(jìn)行地基最終沉降量的計算時，是否可以不用經(jīng)過繁瑣的運(yùn)算，直接取沉降前后部分土樣采用SEM 技術(shù)利用ERDAS 軟件來計算孔隙面積的變化率從而確定出地基的最終沉降量。期待土的壓縮特性微觀機(jī)理問題得到更為全面的研究，并將其運(yùn)用到工程建設(shè)中去。

［1］施斌，李生林．黏性土微觀結(jié)構(gòu)SEM 圖象的定量研究［J］．中國科學(xué)(A 緝)，1995．6．

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［5］毛靈濤，薛茹，安里千．MATLAB 在微觀結(jié)構(gòu)SEM 圖像定量分析中的應(yīng)用［J］．電子顯微學(xué)報，2004，23(5):579～583．