土體微觀結構的研究發展

李常花

（同濟大學土木工程學院，上海200092）

1 概述

土的微觀結構是組成土的基本單元體(單粒)和結構單元體(集粒)的大小、形狀、表面特征、定量比例關系、各結構單元體在空間的排列狀況及其結構連結特征和孔隙特征的總稱[1]。其主要包括三個方面：(1)形態學特征，即結構單元體的大小、形狀、表面特征及數量比例關系；(2)幾何學特征，即結構單元體的空間布局；(3)能量學特征，即結構連結類型和結構總能量[2]。

土的微觀結構是其物質存在的基礎，反映了土的形式及存在狀態，是決定土的工程性質的內在因素。土的力學性質、宏觀現象(如流動現象等)從本質上來說是取決于其微觀結構的。故，微觀結構的研究對建立正確的本構關系，解釋宏觀工程現象均有重要的意義。本文對土的微觀結構的研究發展、現狀及發展趨勢等進行了較為淺顯的總結和論述。

2 研究發展及現狀

2.1 研究發展

土的微觀結構研究已經歷了近百年的歷史，大致可以分為定性研究和定量研究兩個階段。

定性研究階段[2-6]是對土的微觀結構的認識階段，也是定名階段，其研究大多停留在表面而沒有深入。

1925 年，土力學的奠基人Terzaghi 首先提出粘土的“蜂窩狀結構”，Casagrade(1932)發展了Terzaghi 的蜂窩結構，假定蜂窩結構排列存在于海洋土中而提出了“基質粘土”和“鍵合粘土”的概念。Popov(1944～1949)通過研究壓縮條件下粘土微結構的變化，提出了“隱結構”的概念。

Lambe(1953～1959)從膠體化學和雙電層理論出發，提出了非鹽絮結構、鹽絮結構和分散排列結構。V.Olphen(1963)綜合并擴充已有模型，提出了“絮凝集合”結構模型。

1964 年，R.Brewer 第一次提出了“組構”的概念。Yong 和Mitchell(1976)利用電子顯微鏡及其它測試技術和手段，將土的微觀結構研究由單粒結構發展和推廣到了團粒結構。

定量研究階段[2,4,7-8]是對土的微觀結構要素進行量化的階段，開始將土的微觀結構與宏觀力學行為聯系起來。

1973 年，Tovey 利用液氮凍干技術和電鏡掃描膠帶剝離技術研究了原狀土的結構性，提出了土體結構微觀圖像的定量分析方法，這一研究對于分析微觀圖像具有重要的意義。

1995 年，Moere 等引入并證明了分形理論在砂性土微觀結構定量研究中的可應用性，標志著土的微觀結構定量化研究邁進了一個新的臺階。

1997 年，王清通過SEM圖像處理技術，提出了粘性土中結構單元體形態、定向性、孔隙特征等結構要素的定量評價指標。2001 年，施斌運用圖像分析系統對粘性土微觀結構進行研究，提出了表征土微觀結構幾何特征的定量化指標，并把這些指標與宏觀力學參數進行了相應的對比分析。同年，Haynie 應用小波變換研究了土體微觀結構的尺度效應。

2.2 研究現狀

自進入20 世紀90 年代，隨著科學和技術的飛速發展，許多學者在微結構研究領域取得了可喜的進展。

2.2.1 結構土樣制備技術。莫斯科大學率先研制了結構土樣制備儀器,之后李生林、吳義祥等相繼開發了結構土樣制備裝置,在真空升華系統上并聯溫差升華裝置, 從而大大縮短了制樣時間。土樣制備這一技術難點的突破使土體結構圖像能夠較為客觀、完整的反映其原始結構。

2.2.2 微結構定量化研究。利用電鏡、環境電鏡或CT 等設備掃描獲得土的微結構圖像，使用圖像處理技術處理圖像獲取結構要素量化參數，最后結合非線性科學成果(如分形理論等)建立各參數之間聯系。由此，在多學科交叉的基礎上，土體微觀結構的定量研究成為現實。

2.2.3 分子級的微結構研究。隨著科技發展及研究深入，學者們開始轉向分子級別的微結構研究：Gouy (1910) 和Chapman(1913)提出的Gouy-Chapman 雙電層理論，從分子層面解釋了黏土壓縮性與基本顆粒- 水- 陽離子的相互作用關系；在此基礎上 Van Olphen(1963)、Sridharan(1982)以及Tripathy（2004）先后提出了雙電層模型與有關理論計算方法，實現了雙電層理論研究的量化[9]。

2.2.4 微結構動態研究。即研究某一演變過程中土的微結構的變化規律，如：葉為民等(2011)采用溫度、吸力控制方法，研究了不同溫度、不同側限條件下高壓實膨潤土微觀結構在干濕循環作用下的變化規律[10]；Cui 等(2003)研究了側限膨脹過程中高壓實膨潤土的微結構變化規律[11]，等。

2.2.5 包含液相的土體微觀結構研究。用環境掃描電鏡(ESEM)研究低真空度下含有液相的土體微觀結構，而非使用液氮升華后的固氣兩相土體的微觀結構。如，周暉等(2009)利用環境掃描電鏡對廣州軟土在固結過程中的微觀結構變化進行觀測與分析，得出了不同固結壓力條件下，軟土的尺度、形狀、定向性等微觀結構特征及其變化規律[12]。

2.2.6 微觀結構在數學模型中的應用。許多學者通過建立土體微觀結構要素與宏觀力學參數間的關系而建立了一系列數學模型：Fredlund 和Xing 根據孔隙分布提出了預測土水特征曲線的FX 模型；1999 年，苗天德等基于微結構突變失穩假說,給出了一個完整濕陷變形黃土的本構模型[8]，等。

2.2.7 微結構在實際應用中的嘗試。將土體微觀結構及其數學模型嘗試應用于實際問題。如：廖一蕾等(2016)通過定量分析加固粘性土體的微觀結構參數變化，探索其與加固土體強度及承載機制的關系[13]。

3 發展趨勢及存在問題

綜上所述，目前土的微觀結構研究的發展趨勢主要表現為以下幾點：

3.1 從定性到定量。

3.2 從單一學科到多學科交叉。土微觀結構的研究從主要依托于力學（如彈性力學、彈塑性力學等）的研究，逐步發展為結合非線性科學理論（如分形理論等）等的多學科交叉研究。

3.3 從微觀到更微觀。由研究初期主要研究土顆粒間的排列組合，到研究土顆粒內的孔隙分布，再到現在研究土顆粒間的化學分子作用，土的微觀結構研究呈現出越來越細微化的趨勢。

3.4 從靜態到動態。從單一狀態下土的微觀結構研究轉向某一演變過程中土的微觀結構研究。

3.5 從理論研究到實際應用。從將微觀結構與宏觀行為結合的理論研究，到建立相應的數學模型，進行不良土的改性等，土體微觀結構的研究正逐步從理論向實際應用趨近。

目前，土的微觀結構研究在很多方面仍存在許多問題：

（1）信息提取技術方面。要全面描述結構性土的形態幾何特征和能量學特征, 還應當進一步完善已有的結構量化信息提取技術,繼續開拓新的途徑。

（2）微結構動態研究方面。觀測土在某一演變過程中的微結構變化多采用平行樣的方法，并不能真正意義上實現微結構變化的動態實時觀測。

（3）尺寸效應方面。土體微觀結構的尺寸效應問題仍有待進一步的研究。

（4）本構模型的應用方面。目前的研究中，土的微觀結構參數的量化和力學性質之間關系的探討，多是基單一、孤立的參數或對應關系，而不能反映土體作為一個系統和整體，其結構的非線性、不確定性、相互關聯性和動態特性，更無法在變形和強度方面綜合考慮。

（6）土的微觀結構與宏觀現象間的聯系方面。現在的研究多是基于某一宏觀現象，通過微觀結構解釋其產生原因；或針對某一特殊微觀結構來解釋其特有的宏觀現象。缺乏系統的將微觀與宏觀緊密聯系的理論[14-15]。

（7）在實際工程中的應用問題。我們對土進行的各項理論研究，究其目的都是要為實際工程服務。但是將土的微觀結構研究應用于實際工程（如是否可將其應用于地基處理方案、工后沉降預測、邊坡滑移預測等實際工程研究，如何應用等）仍比較困難。