典型深海軟黏土觸變特性與微觀結構探究*

任玉賓 楊 慶 王 胤 楊少麗

(①大連理工大學海岸和近海國家重點實驗室， 大連 116023， 中國)

(②挪威巖土所， 奧斯陸 N-0855， 挪威)

0 引 言

土的觸變性是指在剪切或者震動等外力擾動作用下，土體結構被破壞而達到重塑狀態，其強度迅速降低，甚至發生流動，當外力停止后，在恒定的含水率、體積和溫度等條件下，土體結構和強度隨時間逐漸恢復的一種特殊性質(Mitchell， 1960)。在實際工程中，軟黏土的觸變性對錨固基礎的設計具有重要意義。例如，Andersen et al. (2002)提出，在樁或吸力錨安裝之后，由于觸變性的作用，周圍土體強度在較短時間內即可恢復超過100%，這可在早期階段為基礎提供較大的承載能力。Kul’chitskii(1975)發現樁周土的強度在1個月的時間內能夠恢復到將近兩倍的重塑強度值。所以，在錨固基礎設計過程中，如果充分考慮土的觸變性作用，將節省大量的成本。

國內外學者對軟黏土的觸變性開展了大量的研究工作。Skempton et al. (1952)研究發現，土樣的觸變性與其含水率有很大關系，當含水率低于液限時，其觸變性會隨著含水率的減小而降低； 當含水率接近或者低于塑限時，土體將很難表現出或者只有微弱的觸變性。馮秀麗等(2004)采用旁側聲納法對黃河三角洲地區砂質粉土和粉質黏土的觸變性進行對比研究分析，發現砂質粉土的觸變強度恢復更快。李麗華等(2010)則利用自行研制的微型十字板剪切儀對不同深度、含水率和靜置時間條件下翠湖濕地軟土的觸變性進行了試驗研究。王亮等(2015)同樣利用自行研制的微型十字板剪切儀對太湖與白馬湖兩種疏浚淤泥的觸變性進行了研究與比較。劉娟娟等(2016)采用無側限抗壓試驗研究了粉土的觸變特性，分析了不同擾動程度下土體的觸變強度變化規律，進一步探究了干密度、擊實含水率和粉黏粒含量對土體強度恢復的影響。劉光宇等(2016)同樣采用無側限抗壓試驗對受擾動粉土的觸變性進行研究，結果表明：土體擾動時間一致時，擾動程度與含水率呈正相關； 擾動后土體靜置相同時間，受擾粉土強度恢復與其含水率呈負相關。王文孟等(2014)和崔自治等(2016)均設計正交試驗方案探究了含水率、干密度和含鹽量對寧夏同心重塑黃土觸變性的影響，進而建立了觸變性與各試驗因素之間的關系模型。張目極等(2020)研究和分析了不同含水率、孔隙比和結構性對湛江組黏土觸變性的影響，試驗結果表明：當含水率越大、孔隙比越小、結構性越強時，土的觸變性越強。Shahriar et al. (2018)制備6種具有不同活性值的黏土樣品并開展觸變性試驗，結果顯示：在相同含水率的情況下，土樣觸變強度比At(觸變強度與重塑強度的比值)均隨著活性值的增大而增大。Perret et al. (1996)同樣制備了不同含鹽量的淤泥質黏土樣品，結果顯示，土樣的觸變強度比隨著含鹽量的增加逐漸減小。張先偉等(2014)和Zhang et al. (2017)則結合掃描電鏡方法(SEM)和壓汞法(MIP)對湛江軟黏土的觸變強度變化過程中微觀結構和孔隙分布的變化進行研究，發現土體結構由分散趨向于絮凝，孔隙分布逐漸均勻，微觀結構向亞穩定結構轉變。王巍(2019)同樣對湛江組結構性黏土的觸變性進行微觀機理方面的研究，分別開展X射線衍射、掃描電鏡、能譜分析、壓汞和核磁共振等試驗，分析和對比了靜置不同齡期重塑土的礦物成分、化學元素、微結構演變和孔隙分布特征。另外還有部分學者對土的觸變本構或理論方法進行了研究(Mewis， 1979； 徐永福等， 2008； Abu-Farsakh et al.，2015)。雖然上述工作極大地推動了軟黏土觸變性的研究，但是目前對于復雜沉積環境下深海軟黏土的觸變性缺乏深入研究，尤其缺少對觸變過程中土體微觀結構演化和發展的定量分析。

鑒于以上不足，本研究對取自于我國南海各個海域典型深海軟黏土的觸變性進行研究，對其觸變強度恢復特征進行測定和分析。隨后，采用掃描電鏡方法對深海軟黏土觸變過程中微觀結構的變化進行觀察和拍攝。進一步，通過數字圖像處理技術對SEM微觀圖像進行量化分析，探究了觸變過程中土體微結構單元體的粒度特征和排列特征的演化，從微觀機理角度揭示了深海軟黏土觸變性的根本原因。研究成果可為深海錨固基礎優化設計及其長期安全穩定性評價提供一定指導。

1 取樣站位和土樣基本性質

本研究中所采用的深海土樣取自于我國南海的不同區域(圖1)，分別位于北部陸坡(記為NS)、西部海盆(記為WB)和中部海盆(記為CB)，3個站位的水深分別為1077m、2535m和3898m。

圖1 取樣站位

采用重力式方法進行取樣，取樣管直徑為110mm，取樣完成后對土樣進行密封防水處理，小心運回室內實驗室，并儲存于低溫高濕環境中。按照土工試驗規程(SL237-1999)對各土樣的基本物理力學性質和指標進行測定，結果匯總于表1。另外，還包含前人文獻中的數據結果(Skempton et al.， 1952； 王亮等， 2015)，以便進行對比。

表1 土樣基本性質匯總

2 試驗方法和過程

首先，采用如下操作步驟對各深海軟黏土的觸變性進行研究：通過靜壓法將土樣從取樣管中推出，去除較大的顆粒和貝殼等雜質，將其完全擾動至重塑狀態后裝入密封袋中，靜置24h使土樣中各部分的含水率更加均勻。將土樣再次完全擾動，分裝至桶形儲樣容器(直徑80mm，高度50mm)中，裝樣過程中避免混入空氣，將儲樣容器的各連接處做密封防水處理，纏繞濕紙巾并放置于密封袋中，儲存于恒溫恒濕環境。在一定時間后，測定土樣的不排水抗剪強度Su， t和含水率，同時，測定其再次擾動后的重塑強度值Su， rem。觸變時間設定為0.5d、1d、5d、10d、30d、60d和120d。

土樣的不排水抗剪強度采用落錐法進行測量，本研究采用的落錐儀如圖2所示，為挪威Geonor巖土儀器公司生產(型號G-200)，土體強度與錐頭的貫入深度和錐尖的角度有關，計算公式如下：

圖2 落錐儀

(1)

式中：m為錐頭質量；h為錐頭扎入土體的深度；K為錐頭相關系數，主要與錐尖角度和摩擦系數有關。

隨后，采用掃描電鏡方法對深海軟黏土在觸變過程中微觀結構的變化特征進行研究。首先，選取典型代表性土樣，采用“凍干法”分別對原狀樣、重塑樣和不同觸變時間后(1d、5d、30d和60d)的土樣進行SEM樣品制備。然后，通過掃描電鏡(QUANTA 450，美國FEI)對各土樣的微觀形貌和特征進行觀察和拍攝，放大倍數為1000～5000倍。最后，采用ImageJ數字圖像技術對大量SEM照片進行分析和處理，包括調節亮度和對比度、平滑和銳化、二值化處理、分水嶺切割、圖像測量、數據分析等過程。采用上述方法分別對微觀圖像中微結構單元體(顆粒或聚合體)的等效粒徑和排列方向進行統計和分析。

3 觸變強度恢復特征

土樣的觸變強度比At隨時間的變化如圖3所示，另外還包含了3種常見黏土礦物(高齡土、伊利土和膨潤土，Skempton et al.，1952)，以及兩種陸相淤泥質土(太湖和白馬湖，王亮等， 2015)，所制備樣品的含水率均與其液限相同。可以看到，土樣的不排水抗剪強度均隨時間逐漸增大，前期增長較快，后期逐漸趨于穩定或繼續略有上升。一般認為，軟黏土的觸變性是一個長期持續的過程(Mitchell， 1960； 霍海峰等， 2016)。對比圖中結果可以發現，我國南海各海域土樣的觸變性均高于太湖和白馬湖淤泥質土。另外，我國南海不同海域土樣的觸變強度恢復能力相差較大，在相同的觸變時間下，土樣WB的強度最大，土樣CB次之，土樣NS最小。例如，當觸變時間為120d時，土樣WB的觸變強度比超過2.5，而土樣NS僅約為1.8。以往研究表明，土體的觸變強度恢復能力與其土性參數和指標有很大關系，一般來說，塑性指數越大，觸變性越強(Yang et al.，2016； Ren et al.，2021)，以上研究結果也較為符合這一規律。

圖3 土樣觸變強度比隨時間變化

3種常見黏土礦物的觸變性差異較大，高嶺土幾乎沒有觸變性，觸變強度比接近于1.0； 伊利土的觸變性也相對較弱， 1d之后強度才有明顯恢復， 120d后的強度僅恢復到初始重塑強度的1.4倍； 而膨潤土的觸變性最強， 1d后的強度即可恢復到重塑強度的1.5倍， 100d后的強度呈繼續增長的趨勢。不同黏土礦物觸變性的強弱主要與礦物結構的差異有關(Zhang et al.，2017； Shahriar et al.，2018)。本研究土樣中，WB的觸變強度恢復能力高于膨潤土，其余土樣則介于膨潤土和伊利土之間。

為進一步評價軟黏土在觸變性作用下強度的相對恢復程度，采用式(2)定義某一時刻的觸變強度恢復比Bt：

(2)

式中：Su， 0為原狀土的初始強度。Bt可以量化土樣在觸變過程中恢復的強度值占原狀樣在重塑過程中強度減小量的百分比(Zhang et al.，2017)，當Bt值為1時，表示土體強度完全恢復至初始狀態下的原狀強度。各土樣的Bt隨時間的變化如圖4所示。可以看到，土樣NS和CB的觸變強度恢復量相對較高， 120d后的Bt值接近25%，而土樣WB則相對較低， 120d后的Bt值不超過16%。上述結果充分說明軟黏土的觸變性具有顯著的時間效應，即在有限的時間范圍內，土體在觸變性的作用下很難恢復到初始原狀土的強度值(Skempton et al.，1952)。對比圖3和圖4還可以發現，觸變強度比At較高的土樣其觸變強度恢復比Bt不一定高(例如土樣WB)； 而At較低的土樣卻具有較高的Bt(例如土樣NS和CB)，這與土樣的初始狀態及其原狀強度大小有很大關系，也與土樣的基本性質有關。

圖4 土樣觸變強度恢復比隨時間變化

4 觸變過程中微觀結構演化

以土樣WB為例，對深海軟黏土觸變發生過程中微觀結構的演化進行分析，結果如圖5所示。可以看到，原狀樣的微觀結構主要以“亞穩態”開放式絮凝結構為主，多數絮凝體尺寸在10μm左右，顆粒間的搭接形式以“邊-邊”和“邊-面”為主，絮凝體之間有尺寸較大的架空孔隙。當在外力擾動下達到完全重塑狀態時，土體結構由絮凝變為分散。較大尺寸的絮凝體幾乎完全被分解成較小的聚合體單元或離散的黏土片，顆粒間的搭接以“面-面”搭接形式為主，“邊-面”搭接形式為輔，較大的粒間孔隙被分散成許多小孔隙。

圖5 土樣觸變過程中微觀結構演化

隨著時間的增長，在觸變性的作用下，分散的顆粒逐漸趨向于絮凝。當觸變時間為1d時，部分顆粒發生重排布，在粒間吸引力的作用下互相靠攏形成尺寸較大的聚合體。當觸變時間為5d時，顆粒進一步發生移位、轉動和凝聚作用，出現較多大團粒，團粒之間由黏土片或黏土橋連接。土體觸變恢復的程度隨時間增長進一步增強，土體微觀結構也發生更加顯著的變化。30d之后土體的絮凝結構進一步加強，絮凝體尺寸在原來的基礎上進一步增大，并且絮凝體間的連接更加牢固，絮凝體中顆粒之間的搭接形式逐漸趨向于“邊-邊”或“邊-面”。60d之后的觸變結構恢復程度更加顯著，可以觀察到較大尺寸的絮凝體。綜上所述，土體觸變強度的恢復過程伴隨著微觀結構的逐漸演化，土體結構由分散狀態逐漸趨向于絮凝。

隨后，采用數字圖像技術對土體觸變過程中微觀結構的變化進行定量分析，分別對微結構單元體(黏土片或聚合體)的粒度特征和排列特征進行探究。每個觸變階段選取的代表性樣品數量為3，采用SEM方法對樣品不同位置的微觀圖像進行大量拍攝，隨機選取超過50張質量較好的SEM圖像，對其微觀結構參數進行提取、計算和統計分析。將微結構單元體的等效粒徑劃分為5個區間，分別為<1μm、1～2μm、2～5μm、5～10μm和>10μm。對觸變過程中每個粒徑區間的概率分布進行統計，結果如圖6所示。可以看到，原狀樣被完全擾動至重塑狀態時，小粒徑區間(<1μm)微結構單元體的比例顯著增大，而大粒徑區間(>10μm)的比例則相應地減小。說明在擾動作用下，較大粒徑的絮凝體或聚合體被分散成尺寸較小的聚合體或單獨的黏土片，這與圖5a，圖5b的微觀觀察結果相一致。

圖6 土樣觸變過程中微結構單元體粒度特征變化

隨著觸變時間的增加，微結構單元體的粒度分布逐漸發生動態調整，尺寸較小粒徑區間的比例逐漸減小； 而尺寸較大的概率則逐漸增高。例如，小于1μm的概率從觸變時間為1d的43.6%逐漸降低至觸變時間為60d的36.8%； 而大于10μm的概率則從2.6%增加到4.2%。這一結果從定量的角度進一步證明了土體在觸變過程中微結構單元體從分散狀態逐漸趨向于絮凝。

進一步，對土體中微結構單元體的排列特征進行探究，將微結構單元體的形狀等效為橢圓，其長軸與x坐標軸的夾角定義為微結構單元體的排列角度，考慮對稱性，所以角度的范圍區間為0°～180°。將微結構單元體的角度等分為18個區間，對土體觸變過程中每個角度區間微結構單元體的概率分布進行統計，結果如圖7所示，其中“統計值”表示對超過50張SEM圖像的統計結果，“局布值”表示隨機選取某一張SEM圖像的計算結果，可以發現，雖然在各粒度區間中兩者存在些許差異，但總體趨勢大致相似，能夠較好地反映出一定的規律性。可以看到，原狀樣中微結構單元體在各角度區間的分布相差不大，分布概率均小于10%，并未表現出明顯的定向性。當土樣被完全擾動至重塑狀態時，部分微結構單元體在外力作用下發生破碎，排列方向產生一定變化，但總體也沒有表現出特定的方向性。

圖7 土樣觸變過程中微結構單元體排列特征變化

隨著時間的增加，微結構單元體在觸變性的作用下發生一定的偏轉、移位和重分布，部分小尺寸的聚合體或黏土片逐漸膠結形成較大的單元體，該過程伴隨著結構單元體方位的自適應調整，排列方向發生動態變化，但仍未表現出顯著的定向性。

土體內部微觀結構的演化是其外在宏觀強度發生變化的本質原因，在組成成分、含水率和體積等不變的條件下，由于觸變性的作用，土體的抗剪強度隨時間逐漸增大，這主要是由于其內部微觀結構逐漸恢復而導致的，離散的土顆粒或聚合體之間逐漸形成新的膠結或已有的膠結逐漸增強，具體表現為微結構單元體粒度分布逐漸向著粒徑增大的方向發展(圖6)，排列特征隨之發生動態調整(圖7)。

5 結 論

本文對采自我國南海各海域典型深海軟黏土的觸變性進行探究，并對其強度恢復過程中微觀結構的演化進行定量分析，主要得出以下結論：

(1)我國南海各海域深海軟黏土均能夠表現出觸變強度恢復的特性，不同土樣的觸變恢復能力相差較大，這與其基本物性參數或指標有較大關系。觸變強度比At較大的土樣，其觸變強度恢復比Bt不一定大。

(2)觸變強度恢復過程中土體的微觀結構發生顯著改變，一些尺寸較小的聚合體或黏土片膠結形成較大的聚合體，土的結構由分散逐漸趨向于絮凝，絮凝體中顆粒之間的搭接形式逐漸由“面-面”發展成“邊-邊”或“邊-面”。

(3)對土體微觀結構演變的量化結果顯示，觸變過程中微結構單元體的粒度特征和排列特征均發生動態調整：尺寸較小粒徑區間微結構單元體的比例逐漸減小，尺寸較大的比例則逐漸增大； 微結構單元體產生一定的重排布，但并未表現出明顯的定向性。

致 謝：本研究的數據及樣品采集得到國家自然科學基金委員會共享航次計劃項目(航次編號：NORC2018-06)的資助，該航次由廈門大學“嘉庚號”科考船實施，在此一并致謝。