土體微觀結(jié)構(gòu)特性研究

徐海波

1 引言

土體微觀結(jié)構(gòu)是指在特定的地質(zhì)條件下，土體顆粒、粒團(tuán)之間的連接排列方式，微孔隙與微裂隙的大小、形狀、數(shù)量及其空間分布與充填情況，接觸與連結(jié)方式等所構(gòu)成的微觀結(jié)構(gòu)特征。微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了土體的力學(xué)特性，如絮凝狀結(jié)構(gòu)的土體孔隙連通性較好，定向性較差，土體性質(zhì)較均勻；疊片狀結(jié)構(gòu)的土體，孔隙沿黏土片的長(zhǎng)軸方向延長(zhǎng)，顆粒高度定向，土體各向異性顯著。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在土體微觀結(jié)構(gòu)研究方面進(jìn)行了一系列研究成果，本文通過(guò)歸納總結(jié)，指出膨脹土和改性土方面的微觀結(jié)構(gòu)共性和特性以及研究不足和方向，為進(jìn)一步土體微觀結(jié)構(gòu)研究提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 土體微觀結(jié)構(gòu)研究方法

X射線衍射、掃描電子顯微鏡（SEM）、EDX能譜儀、壓汞試驗(yàn)是目前研究土體微觀結(jié)構(gòu)的主要測(cè)試方法。四種測(cè)試方法適用的范圍有所不同，如X射線衍射可以分析土的礦物成分，掃描電子顯微鏡可以觀察微觀結(jié)構(gòu)基本單元體（凝聚體、疊聚體）內(nèi)部土粒的大小、形狀、排列情況及孔隙發(fā)育情況等，EDX能譜儀主要測(cè)試土體中的化學(xué)成分，壓汞試驗(yàn)主要用于測(cè)試土體孔徑分布、孔隙體積、總孔表面積等。

X射線衍射是利用X射線入射到晶體時(shí)，晶體中的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)有相同數(shù)量級(jí)產(chǎn)生相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出該晶體內(nèi)部的原子分配規(guī)律，即可確定晶體結(jié)構(gòu)。在一定波長(zhǎng)的X射線照射下，每種晶體物質(zhì)都產(chǎn)生自己特有的衍射花樣。根據(jù)上述原理利用X射線衍射分析土的礦物成分分析。

掃描電子顯微鏡（SEM）是利用高速能量的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見(jiàn)、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射，采用不同的信息檢測(cè)器對(duì)不同電子進(jìn)行采集，根據(jù)電子信息獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等。如對(duì)二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對(duì)X射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。壓汞試驗(yàn)又稱(chēng)汞孔隙率法，利用汞對(duì)一般固體不潤(rùn)濕，并在外力作用下汞被壓入土體孔隙，通過(guò)量測(cè)不同外壓下進(jìn)入孔中汞的質(zhì)量計(jì)算孔隙體積等參數(shù)。

3 土體微觀結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

土可分為普通土體和特殊性土體，普通土體主要有粉土、粘土等，特殊性土體主要有膨脹土、吹填土、吹填土、濕陷性土等。由于普通土體微觀結(jié)構(gòu)變化較小，因此目前土體微觀結(jié)構(gòu)研究主要集中在特殊性土體方面。葉為民[1]利用壓汞法研究了干濕循環(huán)作用下高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，試驗(yàn)表明，吸濕過(guò)程中，試樣內(nèi)部不同孔徑的孔隙均發(fā)生了不同程度的膨脹；脫濕過(guò)程中，孔隙出現(xiàn)分化，較大孔徑出現(xiàn)收縮，而集合體內(nèi)孔隙基本不受吸力增加的影響。戴張俊[2]利用X射線衍射、SEM掃描電鏡分析了南水北調(diào)中線膨脹土微觀特征，認(rèn)為強(qiáng)膨脹土與中膨脹土顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)明顯不同，強(qiáng)膨脹土以絮凝結(jié)構(gòu)，扁平狀聚集體與卷曲片狀顆粒為主；中膨脹土以紊流狀、粒狀堆疊結(jié)構(gòu)為主；指出微觀組分和結(jié)構(gòu)特征，與物理性質(zhì)指標(biāo)分別呈線性關(guān)系與負(fù)指數(shù)冪關(guān)系。陳宇龍[3]以云南弱膨脹土為研究對(duì)象，采用物性分析、X射線衍射與紅外光譜分析膨脹土微觀結(jié)構(gòu)特性，結(jié)果表明，顆粒排列具有紊流結(jié)構(gòu)、層流結(jié)構(gòu)、粒狀堆積結(jié)構(gòu)、膠結(jié)式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元以顆粒、團(tuán)聚集體單位為主，集結(jié)成堆，片狀、扁平狀顆粒具有一定的定向趨勢(shì)；顆粒間孔隙性顯著。張玲玲[4]利用壓汞試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)沉降固結(jié)前期的吹填土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，認(rèn)為土體固結(jié)過(guò)程中微結(jié)構(gòu)單元狀態(tài)呈兩種狀態(tài)，一種趨向穩(wěn)定，一種為從穩(wěn)定的狀態(tài)到破壞（即固結(jié)外力的作用使部分結(jié)構(gòu)孔隙向具有更小一級(jí)孔隙的微結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)變），使得固結(jié)過(guò)程中低級(jí)孔隙的數(shù)目增長(zhǎng)遠(yuǎn)大于高一級(jí)孔隙的減少，土體孔隙表現(xiàn)為由大而少向小而多的轉(zhuǎn)變。牛岑岑[5]認(rèn)為土體的滲流壓力使吹填土土體顆粒由原來(lái)的松散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)聚狀態(tài)，具有不同程度的扁圓性，但沒(méi)有定向性。穆彥虎[6]探討了凍融條件下壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系，指出隨著凍融次數(shù)的增加土體面孔隙度先增加而后保持穩(wěn)定，而大中孔隙個(gè)數(shù)及面積不斷增加，甚至形成由大中孔隙組成的架空孔隙。對(duì)于吹填土，可見(jiàn)，特殊性土體的微觀結(jié)構(gòu)差異較大，即使同為膨脹土強(qiáng)膨脹性與中膨脹性結(jié)構(gòu)狀態(tài)明顯不同，而且不同地區(qū)的弱膨脹土結(jié)構(gòu)也存在著差異，因此膨脹土的結(jié)構(gòu)特性不僅與土性相關(guān)也與地域相關(guān)，在工程中需要認(rèn)真對(duì)待。

4 改性土微觀結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

改性土是指在土體中摻入水泥、石灰等材料，以此改善原有土體的力學(xué)性質(zhì)。相關(guān)學(xué)者對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，趙春吉[7]認(rèn)為水泥土隨著齡期的變化，黏土外層原有結(jié)構(gòu)被破壞，伴隨著水泥水化反應(yīng)，生產(chǎn)的C-S-H和C-A-S-H凝膠包裹在黏土顆粒表面，形成晶體結(jié)構(gòu)填充在黏土孔隙中，使土體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；王兵[8]通過(guò)試驗(yàn)得出，水泥土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與齡期密切相關(guān)，由初期的絮狀、纖維狀結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)榫栈罱Y(jié)構(gòu)，最終形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，孔隙逐漸變小，隨著水泥水化的持續(xù)發(fā)展，相鄰團(tuán)粒被網(wǎng)格狀水化物晶體聯(lián)結(jié)形成水泥土結(jié)石體；劉泉聲[9]分析了侵蝕溶液濃度和時(shí)間對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響，指出隨著齡期的增長(zhǎng)，顆粒間整體聯(lián)接變?nèi)酰尸F(xiàn)顆粒化趨勢(shì)，排列松散，粒徑有所減小。汪明武[10]對(duì)摻石灰7%的膨脹土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，認(rèn)為石灰改良膨脹土以粒狀顆粒為主，微結(jié)構(gòu)骨架基本由團(tuán)聚體與團(tuán)聚體、團(tuán)聚體與片狀結(jié)構(gòu)相互連接構(gòu)成，顆粒與微團(tuán)粒充填于結(jié)構(gòu)骨架孔隙中；三軸剪切試驗(yàn)試樣剪切破壞面的土體孔隙直徑為0.52～7.8μm，面積小于4μm2。石灰、水泥等材料摻入后均改變了土體原有的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙分布，宏觀表現(xiàn)為土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了改變，但如何建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的定量關(guān)系目前較為困難，也是下階段微觀結(jié)構(gòu)研究的主要方向之一。

5 小結(jié)

X射線衍射、掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞試驗(yàn)是研究土體微觀結(jié)構(gòu)的主要方法，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象選取合適的測(cè)試方法。特殊性土之間的微觀結(jié)構(gòu)差異較大，尤其是膨脹土的結(jié)構(gòu)特性不僅與土性相關(guān)也與地域相關(guān)。土體摻入外摻劑后，改變了土體原有的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙分布，導(dǎo)致土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，但如何定量建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系是下階段微觀結(jié)構(gòu)特性研究的主要方向之一。基金項(xiàng)目：安徽省水科院青年科技創(chuàng)新基金（KY201702）；安徽省水利廳科研及技術(shù)咨詢(xún)項(xiàng)目（slkj2017-02）。