膨脹土在動靜力學(xué)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化

劉瑩瑩，李明霞，黃志全

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

膨脹土主要由強親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石組成，是具膨脹結(jié)構(gòu)、多裂隙、強脹縮和強衰減的高塑性黏性土［1］。膨脹土特殊的工程性質(zhì)和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對建筑物的破壞常常具有多次反復(fù)和長期潛在的危險性，給人類造成巨大的災(zāi)害。要從本質(zhì)上研究膨脹土就必須從微觀方面著手，因為膨脹土宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的變化在根本上取決于其微觀結(jié)構(gòu)。

1925年，Terzaghi首次提出了土的微觀結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時由于測試手段和計算機圖像處理技術(shù)的限制，過去對微觀結(jié)構(gòu)的研究大多以定性分析為主。周宇泉［2］利用微細結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)對黏性土壓縮過程中微細結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化進行了定量分析。電子顯微鏡，尤其是掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，簡稱SEM)的出現(xiàn)，大大加速了土的微觀結(jié)構(gòu)的研究進程。70年代以來，由于電子計算機技術(shù)的不斷提高，計算機圖像處理技術(shù)被引入土的微觀結(jié)構(gòu)研究中，使土的微觀結(jié)構(gòu)定量化分析水平大大提高［3］。本文主要從定性和定量兩方面對膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進行分析。

1 試樣制備方法、試驗儀器及試驗方案

1.1 試樣制備方法

試驗所用膨脹土取自南水北調(diào)中線禹州段新開挖的同一土坑內(nèi)，取樣位置埋深約4 m，呈紅褐色，偶見少量鈣質(zhì)結(jié)核。土樣自由膨脹率為42%，屬于弱膨脹土。膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)

在膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)研究中，SEM試樣能否如實反映土的原始結(jié)構(gòu)特征非常關(guān)鍵，這就要靠SEM試樣的制備技術(shù)來保證。SEM試樣制備方法如下:

1)切樣:在每個大樣的中間部位或剪切破壞部位取2個SEM試樣，SEM試樣的上表面要保留土的原來特性，其它5個表面可以用小刀刮平，并使下表面與上表面平行，然后對每個SEM試樣進行編號。切樣時最好選在典型破壞面上。

2)烘干:將制好的樣品放在真空干燥箱中進行烘干，時間為24 h。

3)鍍金:將烘干后的樣品每3個或4個放在一起，用導(dǎo)電膠帶將其粘到圓形托盤上，并在試樣上表面的邊緣部分也粘上導(dǎo)電膠帶(導(dǎo)電膠帶不宜太寬)，目的是增加其導(dǎo)電性，另外還要在圓形托盤的底部標(biāo)上試樣編號，編號位置要與試樣一一對應(yīng)。然后將其放在E-1010離子濺射儀中抽真空及鍍金，真空度達到1～10時滿足要求，時間大約3～4 h。

1.2 試驗儀器

為揭示膨脹土在動靜力學(xué)作用下的微觀結(jié)構(gòu)改變，本試驗采用日本生產(chǎn)的S-3000 N型微觀掃描電子顯微鏡和E-1010離子濺射儀。

S-3000 N型微觀掃描電子顯微鏡的工作原理是通過利用一定能量的電子束轟擊經(jīng)過處理的樣品表面，使其產(chǎn)生隨樣品表面形態(tài)起伏而變化的信號，這些信號經(jīng)過探測、放大、處理后輸送到顯示系統(tǒng)，形成樣品被分析區(qū)域的掃描電子圖像［4］。

1.3 試驗方案

本文中對膨脹土的試驗分宏觀試驗和微觀試驗兩方面。宏觀試驗分為動力學(xué)試驗和靜力學(xué)試驗兩種。動力學(xué)試驗主要是動單剪試驗，靜力學(xué)試驗包括三軸試驗和殘余剪試驗。三軸試驗從3D方面反映土體的微觀結(jié)構(gòu)變化，動單剪試驗和殘余剪試驗從2D方面反映土體的微觀結(jié)構(gòu)變化。為了使試驗的結(jié)果具有可比性，以上3種試驗采用的土樣均為同一位置同一深度的膨脹土，試驗過程的垂直壓力均設(shè)置為100 kPa。

微觀試驗主要是運用掃描電子顯微鏡對原狀膨脹土以及進行上述試驗后的膨脹土的微觀試樣進行掃描，獲得SEM圖片。在對膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進行定量分析時，首先利用Matlab圖像處理軟件對SEM圖片進行二值化處理。二值化處理的目的是使圖片中孔隙和顆粒便于區(qū)分，二值化處理后白色部分代表土顆粒，黑色部分代表孔隙。圖1為二值化處理前后的對比圖。然后再利用Matlab圖像處理軟件對二值化處理后的圖片進行參數(shù)提取，提取的參數(shù)主要有孔隙或顆粒的面積及周長、長軸長度和短軸長度、長軸的傾角等［5］。

圖1 SEM圖片二值化處理前后對比

2 微觀結(jié)構(gòu)特性分析

對膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進行分析時，主要從定性和定量兩個方面進行。

2.1 定性分析

為了使定性分析具有可比性，本文對原狀土樣和動靜力學(xué)試驗后的土樣進行分析時統(tǒng)一采用放大1 000倍的SEM圖片。從圖2可以看出:原狀膨脹土顆粒的棱角比較明顯，顆粒大小不均勻，大顆粒中間夾雜著許多小顆粒，顆粒排列毫無規(guī)律，土體結(jié)構(gòu)性強;動單剪試驗后的顆粒大小均勻，大顆粒消失不見，這是由于試樣在剪切過程中大顆粒被壓碎成小顆粒的緣故，同時顆粒的棱角也變得圓滑，顆粒排列依然毫無規(guī)律;殘余剪試驗和三軸試驗后的土體結(jié)構(gòu)明顯變?nèi)?，顆粒排列具有明顯定向性，殘余剪試驗后的顆粒排列在水平方向具有明顯的定向性，三軸試驗后的顆粒排列在垂直方向具有明顯的定向性，圖中箭頭方向代表顆粒的排列方向。

2.2 定量分析［6-9］

為表述方便，以下各表中用字母Y代表原狀膨脹土，DY代表動單剪試樣，CY代表殘余剪試樣，SY代表三軸試樣。

2.2.1 孔隙度nw分析

孔隙度nw表示經(jīng)二值化處理后的SEM圖片中各孔隙面積與總面積的比值。表達式為

式中，sw為圖片中的孔隙面積，sr為圖片的總面積。

從表2可以看出:原狀土的孔隙度最大，動靜力學(xué)試驗后孔隙度都變小了，這說明試驗后土樣都被擠密了。但是動力學(xué)試驗后試樣的孔隙度比靜力學(xué)試驗后的大，這是因為動力學(xué)試驗過程中設(shè)置有剪切頻率，剪切在水平方向左右反復(fù)進行，而且剪切沿整個試樣高度，沒有固定的剪切面;而靜力學(xué)試驗的剪切在一個方向進行，有固定的剪切面，所以致使在剪切方向的土體更加密實。

表2 原狀土樣與動靜力學(xué)試驗后試樣孔隙度對比

圖2 原狀土樣與動靜力學(xué)試驗后試樣的SEM圖片

2.2.2 孔隙的豐度C分析

孔隙的豐度C表示孔隙的短軸與長軸的比值。表達式為

式中，B，L分別表示孔隙的短軸和長軸的長度。

C的大小反映了孔隙在二維平面內(nèi)所展示的形狀特征。豐度C在0～1之間，C值越小，反映孔隙越趨向于長條形;C值越大，則孔隙越趨向于圓形［6］。本文將豐度C劃分為4個區(qū)間，分別是0～0.25，0.25～0.50，0.50～0.75及0.75～1.00。豐度 C在0～0.25區(qū)間，代表孔隙為長條形;在0.25～0.50區(qū)間，代表孔隙接近長條形;在0.50～0.75區(qū)間，代表孔隙為扁圓形;在0.75～1.00區(qū)間，代表孔隙為圓形。

從表3可以看出:膨脹土原狀土樣的孔隙豐度C在0～0.25和0.25～0.50區(qū)間內(nèi)占了94%，平均豐度C為0.28，說明膨脹土原狀土樣的孔隙以接近長條形為主。動單剪試驗后的孔隙豐度C在0.50～0.75區(qū)間占最多，達47%，平均豐度為0.62，說明動單剪試驗后的孔隙以扁圓形為主。這是由于在試驗過程中土樣被重復(fù)剪切，顆粒重新排列，顆粒與顆粒之間的孔隙由接近長條形變?yōu)楸鈭A形。殘余剪試驗和三軸試驗后的平均孔隙豐度分別為0.47和0.45，介于0.25～0.50之間，說明靜力學(xué)試驗后的孔隙以接近長條形為主。

表3 原狀土樣與動靜力學(xué)試驗后試樣孔隙豐度C分布

2.2.3 顆粒的定向頻率Fi(α)分析

為表示顆粒在某一方向的分布強度，將0°～180°分成n個區(qū)間，則每一區(qū)間代表的角度范圍α=180°/n，由此可以求出第i個區(qū)間顆粒的定向頻率，其表達式為

式中，mi為長軸方向在第i個區(qū)間內(nèi)的顆粒個數(shù)，M為長軸方向在0°～180°區(qū)間內(nèi)的顆?？倲?shù)。

圖3 原狀土樣與動靜力學(xué)試驗后顆粒定向頻率分布

一般情況下認(rèn)為顆粒的長軸方向代表了顆粒的排列方向。本文在分析顆粒的定向頻率時用雷達圖來進行描述。由于數(shù)據(jù)太多，避免在半圓中顯得混亂，本文把360°的圓看作180°，來分散各個數(shù)據(jù)點，這樣就可以把每一區(qū)間的分布強度清楚表示出來，便于觀察和分析［6］。本文中取 α =10°，則定向角在 0°～180°內(nèi)有18個區(qū)間。

從圖3可以看出:原狀土和動單剪試驗后的顆粒定向頻率在各個區(qū)間的分布比較均勻，大致都在5%～10%之間，說明其顆粒排列不具定向性。殘余剪試驗后顆粒的定向頻率主要集中在0°～10°，10°～20°，160°～170°及170°～180°這 4 個區(qū)間，在這4 個區(qū)間定向頻率的分布大致都在10% ～15%之間，遠遠高于其它區(qū)間的分布，說明殘余剪試驗后顆粒在水平方向具有明顯的定向性。三軸試驗后顆粒的定向頻率主要集中在70°～80°，80°～90°，90°～100°及 100°～110°這4個區(qū)間，這4個區(qū)間的定向頻率分布大致也都在10%～15%之間，說明三軸試驗后的顆粒排列在垂直方向具有明顯的定向性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是動力學(xué)試驗過程中設(shè)置有剪切頻率，邊振動邊剪切，剪切沿整個試樣高度進行，沒有固定的剪切面;而靜力學(xué)試驗的剪切只沿一個方向進行，有固定的剪切面。

3 結(jié)論

1)膨脹土原狀土樣的顆粒棱角比較明顯，顆粒大小不均勻，大顆粒中間夾雜著許多小顆粒，土體結(jié)構(gòu)性強;動靜力學(xué)試驗后顆粒棱角變得圓滑，大顆粒消失不見，顆粒大小比較均勻，土體結(jié)構(gòu)性變?nèi)酢?/p>

2)動靜力學(xué)試驗后，土的孔隙比都減小了，說明在剪切過程中土體被擠密。

3)動力學(xué)試驗后，顆粒排列無定向性;靜力學(xué)試驗后，顆粒排列有明顯定向性。其中殘余剪試驗后顆粒在水平方向有明顯定向性，三軸試驗后顆粒在垂直方向有明顯定向性。這是由于動力學(xué)試驗過程中設(shè)置有剪切頻率，邊振動邊剪切，剪切沿整個試樣高度進行，沒有固定的剪切面;而靜力學(xué)試驗的剪切只沿一個方向進行，有固定的剪切面。

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