非飽和土增濕壓縮的微結(jié)構(gòu)研究

劉博榕，馮加遠(yuǎn)，曾佑江，李　陽

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

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非飽和土增濕壓縮的微結(jié)構(gòu)研究

劉博榕1，馮加遠(yuǎn)1，曾佑江1，李陽2

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

[摘要]在非飽和黃土壓縮特性研究中，需要對天然黃土進(jìn)行掃描，以獲得增濕壓縮前黃土微結(jié)構(gòu)形態(tài)；對增濕壓縮后的土樣進(jìn)行電鏡掃描，獲得其微結(jié)構(gòu)變化。從微觀角度揭示黃土增濕壓縮的形成和過程機理，開展控制變量的壓縮實驗，對實驗后的留樣開展掃描電鏡實驗。通過對比黃土在不同含水量、不同壓力下受壓前后的微觀結(jié)構(gòu)變化，分析影響黃土孔隙結(jié)構(gòu)變化的因素，以及孔隙結(jié)構(gòu)在力與水的聯(lián)合作用下的變化特征及變化過程。得到非飽和土增濕壓縮變形的主要因素是外荷超載迫使結(jié)構(gòu)強度的喪失，完成高分維向低分維的轉(zhuǎn)化，改變接觸方式，從而由各向同性朝著各向異性發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]非飽和黃土；微觀結(jié)構(gòu)；增濕壓縮

在非飽和壓縮過程方面的研究中，首先利用濾紙法獲得所取黃的土水特征曲線。然后進(jìn)行控制吸力下(即含水量)的非飽和壓縮實驗，獲得不同軸向壓力下，隨著吸力連續(xù)逐漸減小過程中黃土的變形情況。討論壓縮量隨壓力變化的規(guī)律，壓縮量隨時間變化的規(guī)律，壓縮量隨含水率的變化規(guī)律，壓縮量隨壓力和含水率雙變量的變化規(guī)律。

胡瑞林[1]認(rèn)為黃土浸水后的濕陷，亦或是增濕壓縮變形，是多因素、系統(tǒng)性、有機的聯(lián)合作用下發(fā)生的。然而土顆粒的連接狀態(tài)和土自身性質(zhì)占主導(dǎo)地位。

高凌霞[2]研究了微結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定置信水平上的相關(guān)性，認(rèn)為非飽和壓縮與微結(jié)構(gòu)之間可以建立某種數(shù)學(xué)模型，如主成分分析法。

范留明等[3]試驗多種提高分辨率的方法，其中利用偽彩色技術(shù)經(jīng)過研究認(rèn)為能有效解決在提取CT 圖像信息時提高分辨率和降噪的問題。

尹小濤等[4]基于閥值分割實現(xiàn)二值化，從而定義孔隙和顆粒，并開展對裂紋的定量研究，獲得清晰的灰度圖像。

J.M.Arocena,Z. Chen , P. Sanborn[5]進(jìn)行了識別和量化土壤微觀結(jié)構(gòu)變化的研究。結(jié)果表明，壓實土壤顆粒重組改變了土壤孔隙空間特征?？紫犊刂魄穳簩嵉耐寥赖膲嚎s性，壓縮后微結(jié)構(gòu)顯示密集的帶狀或斑狀壓實土壤。壓實土壤大孔隙的降低，減少了連通性。

1試驗方案

進(jìn)行掃描電鏡試驗的樣品來自200 kpa、600 kpa、1 000 kpa、1 200 kpa的壓縮后的環(huán)刀試樣。為了研究非飽和土壓縮特性，應(yīng)制取垂直于荷載方向且位于環(huán)刀試樣直徑方向上的條形土樣，這樣才能觀察到與荷載方向平行的土樣壓縮面，獲取的才是反映非飽和土壓縮特性的SEM圖片。

將觀測樣品切成20 mm×7 mm×7 mm的長條樣，妥存?zhèn)溆?。然后從中間掰斷，露出新鮮的橫向自然斷面，斷面保護好且不可以進(jìn)行任何操作，盡量取橫截面，斜面會造成陰影。貼導(dǎo)電膠時應(yīng)注意盡量貼合土樣表面，否則可能會導(dǎo)致放電現(xiàn)象使圖片模糊。對于表面易掉粉的土樣應(yīng)將除新鮮面外導(dǎo)電膠接觸的3個面用502膠固化。然后安放在靶臺上抽真空約4 h，之后均勻噴涂金粉，放入電鏡下觀察。放在靶位上的土樣高度應(yīng)控制在1.0～1.5 cm范圍內(nèi)，盡量保持高度一致，鏡頭與新鮮面保持9 mm以上間距。所有的電鏡掃描實驗均在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室FEI Quanta 400 FEG型環(huán)境掃描電子顯微鏡系統(tǒng)下完成。

圖1　SEM原圖像(200 kpa)

2試樣的微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1微觀結(jié)構(gòu)的定量分析

進(jìn)行掃描電鏡實驗的目的就是為了獲得土體微結(jié)構(gòu)的特點，從而進(jìn)行定性分析，如孔隙結(jié)構(gòu)、連接方式等。進(jìn)一步借助軟件可以進(jìn)行定量分析，一方面是微結(jié)構(gòu)單元體；另一方面是孔隙分布規(guī)律。

對以上放大2 000倍的圖像(圖1-圖4)變時，隨著壓力的增大，孔隙逐漸崩解坍塌，孔徑變得越來越小。隙骨架結(jié)構(gòu)損毀，雖然孔隙減少，但依舊有可被壓縮的空間，欠壓密程度較高；1 000 kpa下灰度帶中部代表的中小孔隙和顆粒分布數(shù)量幾乎與200 kpa下相同，說明該級壓力的特點是使中小孔隙和顆粒逐漸聚集凝結(jié)，變得致密；當(dāng)加壓至1 200 kpa時，灰度帶中部代表的中小孔隙和顆粒分布數(shù)量幾乎與600 kpa下相同，但黑色帶分布幾乎已經(jīng)消失，孔隙已被壓縮殆盡。

從直方圖均值化處理的圖像結(jié)果來看，黑色代表孔隙，白色代表顆粒，通過二值化后，顯像對比度更高，孔隙與顆粒分布規(guī)律更直觀，隨著壓力增大，孔隙逐漸被壓縮，黑色區(qū)域越來越小，白色區(qū)域逐漸連成片，說明越來越致密緊實。

圖2　SEM原圖像(600 kpa)

圖3　SEM原圖像(1 000 kpa)

2.2孔隙定向分布的研究

通過獲取L1I與水平方向的夾角(θ)、|sinθ|、|cosθ|、n∥、n⊥的數(shù)據(jù)，即可計算非飽和土增濕壓縮后孔隙的定向度。定向度(R)計算式可以用下式表達(dá)：

其中：n∥=|cosθ|/(|sinθ|+|cosθ|)；

n⊥=|sinθ|/(|sinθ|+|cosθ|)；

R的區(qū)間[0,1]，R越大，定向性越強，反之越差?？梢钥闯?，在2 000倍SEM圖像中，對于含水率為19%的試樣，隨著壓力的增大，定向性逐漸顯著。

表1　各級壓力下定向度

將定向角的分布劃為18級，亦即10°一級或一個單位，統(tǒng)計與水平方向的夾角(θ)在0～180°的分布概率。通過獲取含水率為19%的試樣在2000倍SEM圖像中與水平方向的夾角(θ)數(shù)據(jù)，即可統(tǒng)計獲得圖5。

黃土濕陷是顆粒在外因作用下尋找新的平衡狀態(tài)的過程，主要是膠結(jié)物溶解，強度喪失，膠結(jié)能力變?nèi)?，顆粒松散墜落到新的空隙中，從而導(dǎo)致濕陷變形。由圖可知，50°(130°)至70°(110°)的孔隙隨著壓力的增大逐漸減小，而10°(170°)的孔隙數(shù)量增加，這樣的一個整體定量分析結(jié)果與實際壓縮過程情況相符，二者相互印證。

圖4　SEM原圖像(1 200 kpa)

圖5　各級壓力下定向角分布(2000倍)

3結(jié)語

骨架顆粒堆砌形成的孔隙是黃土壓縮變形的基礎(chǔ)；接觸方式及膠結(jié)方式是結(jié)構(gòu)強度的來源；臨近顆粒的摩擦可抵抗壓縮。非飽和土增濕壓縮變形的主要因素是外荷超載迫使結(jié)構(gòu)強度的喪失，完成高分維向低分維的轉(zhuǎn)化，改變接觸方式，從而由各向同性朝著各向異性發(fā)展。同時伴隨吸力的減小，水相連通，氣相封閉，離子間引力和顆粒間摩擦阻力的消失。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡瑞林.黃土濕陷性的微結(jié)構(gòu)[J].工程地質(zhì)學(xué)報.1999,7(2):161-168.

[2]高玲霞，欒茂田，楊慶.基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)主成分的黃土濕陷性評價[J].巖土力學(xué).2012,33(7):1922- 1928.

[3]范留明.數(shù)字圖像偽彩色增強方法在巖土CT 圖像分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2004, 23(13): 2257-2261.

[4]尹小濤, 黨發(fā)寧, 丁衛(wèi)華，等.圖像測量技術(shù)在巖土工程CT圖像定量化分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué).2004,25(增刊2): 429-432.

[2]李向全, 胡瑞林, 張莉. 軟土固結(jié)過程中的微結(jié)構(gòu)變化特征[J].地學(xué)前緣.2000(01):147-152.

[5]鄧 津, 王蘭民, 張振中.黃土顯微結(jié)構(gòu)特征與震陷性[J].巖土工程學(xué)報.2007,27(4): 542-548.

[收稿日期]2015-09-25

[基金項目]陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃課題(2012KTDZ03-02)

[作者簡介]劉博榕(1990-)，男，陜西寶雞人，在讀碩士研究生 ，主攻方向：黃土濕陷、滑坡等災(zāi)害防治。

[中圖分類號]P642.13+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0232-02