南沙淤泥質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特征的試驗(yàn)研究*

張慶華 孫銀磊 湯連生 王玉璽 劉 偉

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 廣州 510060； 2.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 廣州 510275；3.廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510275)

我國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布著全新世海相沉積軟土層，厚度從幾米到幾十米不等，主要是由天然含水量高、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成[1]。在該區(qū)域許多基礎(chǔ)性設(shè)施及大型工程(機(jī)場(chǎng)、港口等)需要以軟土作為地基，軟土“兩高一低”的不良特性往往導(dǎo)致地基失穩(wěn)及沉陷等問(wèn)題。研究表明：淤泥質(zhì)土的特殊結(jié)構(gòu)使得其具有獨(dú)特的工程性質(zhì)，而微觀結(jié)構(gòu)是決定土體物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素[2-3]。因此，對(duì)淤泥質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性質(zhì)的研究尤為重要。

對(duì)于軟土微觀結(jié)構(gòu)的研究一直都是一個(gè)熱門(mén)的話(huà)題，主要集中在軟土微觀孔隙參數(shù)變化和顆粒(團(tuán)粒)之間的接觸關(guān)系兩方面[4]?？琢顐サ瘸醪綇牡V物成分、有機(jī)質(zhì)含量、物理化學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)以及土顆粒間的排列方式等方面闡述了海口海域軟土不良工程特性的微觀機(jī)制[5]。毛靈濤等利用數(shù)字圖像處理和分析的方法研究了軟土加固前、后孔隙度分維、孔隙分布分維及孔隙邊緣形狀分維的變化規(guī)律[6]。周暉等利用環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)對(duì)不同固結(jié)壓力下廣州軟土微結(jié)構(gòu)的尺度、形狀、定向性等微結(jié)構(gòu)特征及其變化規(guī)律進(jìn)行分析[7]。蔣明鏡等采用電鏡掃描和壓汞法對(duì)珠海海積軟土剪切帶內(nèi)、外以及帶邊緣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)剪切帶內(nèi)的微觀參數(shù)變化率最大，其次是剪切帶邊緣，最后是剪切帶外[8]。張先偉等從軟土微觀角度對(duì)蠕變機(jī)制進(jìn)行了解釋[4]。莫海鴻等對(duì)粵東重塑軟黏土動(dòng)剪切模量隨動(dòng)剪應(yīng)變衰減規(guī)律與宏微觀條件下土顆?？紫短匦缘年P(guān)系進(jìn)行分析[9]?？v觀軟土微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征試驗(yàn)研究，主要的關(guān)注點(diǎn)在固結(jié)過(guò)程中軟土微觀結(jié)構(gòu)的變化，而對(duì)于剪切強(qiáng)度的關(guān)注度相對(duì)較低，主要是軟土高含水量等特征造成了其剪切強(qiáng)度幾乎可以被忽略，但經(jīng)過(guò)處理后軟土的剪切強(qiáng)度力學(xué)特征和微觀結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制有必要進(jìn)行合理的解釋。

本研究通過(guò)對(duì)廣州南沙區(qū)代表性淤泥質(zhì)土的固結(jié)快剪試驗(yàn)，利用掃描電鏡(SEM)和微觀層析成像技術(shù)，獲取剪切土樣上、下部分的微觀結(jié)構(gòu)類(lèi)型特征，通過(guò)定性及定量研究微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的變化規(guī)律，為軟土工程的淤堵分析提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣為淤泥質(zhì)土，取自廣州市南沙區(qū)沿海區(qū)域，取樣點(diǎn)A～G見(jiàn)圖1所示。取樣深度均為6.0 m，為第四系河流及湖泊相型的軟土，沉積于第四系全新世，以淤泥質(zhì)土為主，含砂夾層，有機(jī)質(zhì)含量高，局部為泥炭或泥炭質(zhì)土，顏色以灰黑色、黑色為主，土質(zhì)不均勻，常含腐木等，土樣的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果顯示所取土樣均為高液限淤泥質(zhì)土，塑性指數(shù)均大于17，為黏土；其中采樣點(diǎn)位于南沙四周的樣品含水量均超過(guò)100%，而采樣點(diǎn)位于南沙中部區(qū)域的樣品含水量為65%～80%，整體區(qū)域上呈現(xiàn)“四周大、中間小”的趨勢(shì)。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distributions of sampling sites

表1 淤泥質(zhì)土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic property indexes of the mucky soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1固結(jié)剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的原狀淤泥質(zhì)土，其含水量遠(yuǎn)大于60%，為了能夠分析軟土的力學(xué)特性，開(kāi)展了固結(jié)快剪試驗(yàn)。依照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]，將淤泥質(zhì)土試樣(樣品直徑為6.18 cm，高為2 cm)放入固結(jié)儀中，試樣上、下兩面放濕濾紙和透水石，對(duì)試樣采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，按照12.5，25，50，75，100，150，200，400，800 kPa的固結(jié)壓力進(jìn)行固結(jié)加載，其中前兩級(jí)為預(yù)壓力。為了減少原始土樣之間固有的差異性，試驗(yàn)每一級(jí)壓力下設(shè)定三組平行試驗(yàn)。在施加垂直荷載5 min后，往剪切盒水槽內(nèi)注滿(mǎn)水。在豎向荷載作用下讓試樣充分排水固結(jié)，當(dāng)固結(jié)變形讀數(shù)變化不大于0.005 mm/h時(shí)，認(rèn)為土樣固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，將土樣從固結(jié)儀中移至剪切盒內(nèi)，繼續(xù)固結(jié)至穩(wěn)定后進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)。剪切破壞后測(cè)量其含水量并依次采集典型剪切面附近的土樣，以便后續(xù)開(kāi)展微觀試驗(yàn)。

1.2.2掃描電鏡試驗(yàn)

在一維固結(jié)剪切試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取不同剪切破壞面的土樣制備SEM微觀土樣，并對(duì)其剖面進(jìn)行觀察分析，采用液氮冷凍真空升華干燥來(lái)處理土樣，然后用涂了凡士林的鋼絲鋸切取剪切面處的毛坯樣，并用鋼刀加工樣品至長(zhǎng)、寬、高約為1 cm的立方體狀，將切取的樣品放在液氮瓶中迅速冷凍并轉(zhuǎn)移至-45℃的冷凍真空干燥儀中干燥48 h[11]。借助Quanta 650型掃描電鏡觀察軟土試樣的微觀結(jié)構(gòu)，利用PCAS軟件[12]對(duì)SEM圖像進(jìn)行定量測(cè)試分析，包括孔隙、顆粒等形態(tài)特性分析。

1.2.3X射線(xiàn)衍射試驗(yàn)(XRD)

在固結(jié)快剪的基礎(chǔ)上采集礦物成分分析土樣(成分分析土樣與掃描電鏡土樣在剪切面空間位置上接近)，將試樣研磨成粉末狀并過(guò)0.25 mm篩，制成1.0～2.0 mm的平整試片，放入105 ℃烘箱內(nèi)烘6 h，冷卻后放入室內(nèi)靜置10 d，讓土樣充分與空氣中的水氣平衡[13]。利用中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院的X射線(xiàn)衍射儀(型號(hào)為T(mén)D-3500)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)的起始角度為10°，終止角度為80°，步寬為0.02°，采樣時(shí)間0.05 s，默認(rèn)管壓30 kV、管流20 mA。

1.2.4微觀層析成像技術(shù)(CT)

在掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)束后，除去樣品表面的金粉并將其制作成直徑為2 mm的圓柱狀微觀掃描試樣。微觀掃描試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所上海同步輻射光源進(jìn)行[14]，利用X射線(xiàn)成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線(xiàn)站BL13W1測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)主要由X射線(xiàn)射線(xiàn)源、樣品載物臺(tái)、信號(hào)探測(cè)器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。掃描采用的能量為20 keV，采用的是0.65 μm的分辨率，鏡頭至樣品距離為25 cm，采集間隔角度為0.5°，每個(gè)樣品采集數(shù)為720張。數(shù)據(jù)采集完畢后，采用上海光源工作站提供的Rename、Pitre 3及Pitre BM軟件進(jìn)行切片重命名、相位恢復(fù)及切片重構(gòu)[15]；然后將重構(gòu)后的切片導(dǎo)入到三維可視化軟件Avizo中，進(jìn)行三維微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，具體原理見(jiàn)圖2所示。

圖2 CT掃描方法及重建原理[16]Fig.2 The scanning method and reconstruction principles

a—e-p關(guān)系； b—e-lg p關(guān)系?！狟；—C；—D； —E； —F； —G； —H。圖3 土的壓縮曲線(xiàn)Fig.3 Compression curves of soil specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 固結(jié)試驗(yàn)

不考慮土其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到土的e-p曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：隨著固結(jié)壓力的持續(xù)增大，軟土的孔隙比逐漸降低，各種土樣在初始階段均呈現(xiàn)出對(duì)所施加的固結(jié)荷載較為敏感的現(xiàn)象，孔隙比的下降幅度較為劇烈，如果用曲線(xiàn)的斜率來(lái)反映孔隙比的變化趨勢(shì)，斜率呈現(xiàn)先大后小的趨勢(shì)，最終的孔隙比多集中在0.5～0.6。從表1可知：不同取樣點(diǎn)土樣的含水量由大至小依次為G、F、A、B、C、D、E，在固結(jié)過(guò)程中土樣孔隙比的變化幅度也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，最終的孔隙比由大至小依次為A、B、F、C、E、G、D。而采樣點(diǎn)C處的樣品，雖然初始含水量略高于D和E，但是其在固結(jié)過(guò)程中的孔隙率卻是最高的。從e-lgp曲線(xiàn)可以看出試樣隨著固結(jié)壓力的增大，其孔隙比的變化存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)多集中在lg(p/kPa)=1.5～2.0。

2.2 剪切試驗(yàn)

為能夠?qū)Ρ裙探Y(jié)后剪切強(qiáng)度的變化情況，對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的原狀淤泥質(zhì)土進(jìn)行快剪試驗(yàn)，固結(jié)前后軟土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化情況見(jiàn)圖4所示。由于采集到的原狀軟土含水量較高，因此，進(jìn)行剪切試驗(yàn)的過(guò)程中采用的法向應(yīng)力較小，依次為12.5，25.0，50.0 kPa，通過(guò)快剪試驗(yàn)得到的剪切強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值較低，c值介于0.85～2.80 kPa，φ值介于1.49°～2.86°。固結(jié)剪切試驗(yàn)結(jié)果顯示:其c、φ值都得到了一定程度的提高，其中試樣E的c值提高的幅度最大，達(dá)到16.9 kPa，試樣A的提高幅度較小，為7.82 kPa；固結(jié)后，不同采樣點(diǎn)的軟土c值的提高幅度由大到小依次為E、D、C、B、F、G、A，與試樣的初始含水率并無(wú)太大關(guān)系；試樣G的φ值提高的幅度最大，為12.51°；不同于c值的變化規(guī)律，φ值經(jīng)過(guò)固結(jié)試驗(yàn)最后基本一致達(dá)到了14°，而試樣B固結(jié)剪切后的φ值為12.41°，較為接近14°。整體上經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值都得到了相應(yīng)的提高，但這種提高的幅度相比其他類(lèi)型土低。

a—試樣A; b—試樣B; c—試樣C; d—試樣D; e—試樣E; f—試樣F; g—試樣G。—原狀土; —固結(jié)土；------擬合線(xiàn)。圖4 固結(jié)前、后軟土的抗剪強(qiáng)度Fig.4 Shear strength of soft soil before and after consolidation

3 微觀試驗(yàn)分析

3.1 SEM圖像分析

對(duì)固結(jié)快剪后的上、下部分的土樣進(jìn)行電鏡掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖5所示。土樣中偶有生活垃圾出現(xiàn)，見(jiàn)圖5b(上)、圖5d(上)、圖5g(下)。經(jīng)固結(jié)后，土顆粒相對(duì)較為密集，但是土樣的上、下部分還是存在一些差異，上部土中顆粒間的大孔隙相對(duì)較多(圖5a(上))，下部土中以顆粒間和團(tuán)粒內(nèi)的小孔隙居多，細(xì)小顆粒填充在大顆粒之間的孔隙中(圖5a(下)、圖5e(下))。南沙淤泥質(zhì)土從空間架構(gòu)上看結(jié)構(gòu)類(lèi)型較多，既有蜂窩狀、海綿狀、絮凝狀、絮流狀結(jié)構(gòu)，也有片狀、層狀、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。淤泥質(zhì)土的土顆粒多為片狀結(jié)構(gòu)(圖5c(上)、圖5f(下))，顆粒以疊聚形式排列為主，片狀粉粒與黏粒搭建起土體的基本架構(gòu)，部分剖面呈松散的絮凝狀結(jié)構(gòu)，孔隙較多并且連通性相對(duì)較好；也有分散的砂土顆粒(圖5d(上))。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)片狀顆粒多以面-邊接觸為主(圖5c(上))，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)；對(duì)于富含砂粒的土樣來(lái)說(shuō)，角-邊接觸較為常見(jiàn)(圖5e(上))；經(jīng)過(guò)排水固結(jié)后，在土樣的下部往往形成顆粒團(tuán)聚體(圖5d(下))，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是土中存在有開(kāi)放性的蜂窩狀孔隙，團(tuán)聚體形成的直接原因便是土中廣泛分布的黏土顆粒的存在(圖5f(上))。同時(shí)，片狀的黏土顆粒也造成了大部分土樣呈現(xiàn)層狀分布結(jié)構(gòu)(圖5b(下))；微小顆粒緊緊地繞流過(guò)粉粒、砂粒及孔隙壁，從而形成局部的渦流，也就是絮流狀結(jié)構(gòu)(圖5c(下))。

3.2 微觀層析成像分析

固結(jié)快剪試驗(yàn)后對(duì)樣品的上、下部進(jìn)行三維微觀掃描，由于機(jī)時(shí)等因素的限制，只對(duì)樣品A進(jìn)行微觀層析成像試驗(yàn)，見(jiàn)圖6所示。淺色(青色)代表土顆粒，深色(藍(lán)色)代表孔隙，稍淺色(紅色)代表小顆粒填充物。經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后，無(wú)論是上部還是下部土樣中的顆粒都呈現(xiàn)出比較密集的現(xiàn)象，從中可以看出:固結(jié)試驗(yàn)后下部土樣形成的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)更多；通過(guò)閾值分割的方法，對(duì)填充在孔隙中的小顆粒物質(zhì)提取，發(fā)現(xiàn)下部土樣孔隙中的小顆粒填充物明顯多于上部土樣。在對(duì)土樣的孔隙進(jìn)行三維重建后，發(fā)現(xiàn)上部土樣孔隙比(2.34)明顯大于下部土樣(1.98)。

4 討 論

4.1 粒徑分布與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

研究[3]表明：淤泥質(zhì)土的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)與顆粒的等效粒徑有著密切的關(guān)系。等效粒徑是指該一個(gè)顆粒的某一物理特性與同量的球形顆粒相同或相近時(shí)，用該球形顆粒的直徑去代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑。表2為固結(jié)快剪后各淤泥質(zhì)土樣上、下部位的粒徑分布情況。經(jīng)過(guò)固結(jié)快剪試驗(yàn)后，各個(gè)采樣點(diǎn)的土樣都是以粒徑小于5 μm的顆粒為主，受顆粒破碎及上部小顆粒流入并填充下部土樣孔隙的影響，土樣下部大于5 μm的顆粒占的比例較小(數(shù)量不一定少)，其中，A、B、F、G試樣大于5 μm的顆粒普遍高于其他的。

a—整體圖; b—三維顆粒; c—三維孔隙; d—小顆粒填充。圖6 固結(jié)快剪試驗(yàn)后土樣上、下部分的三維微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 3D micro-structure of the upper and lower parts for soil specimens after consolidated quick direct shear tests

表2 固結(jié)快剪后各淤泥質(zhì)土的粒徑分布情況Table 2 Particle-size distributions of mucky soil after consolidated quick direct shear tests

為了能夠分析粒徑分布與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系，取粒徑小于2 μm的顆粒(黏粒)為研究對(duì)象，見(jiàn)圖7所示。不管是試樣的上部還是下部，試樣C、D、E小于2 μm的顆粒在所有粒徑中占很高的百分比，通常達(dá)到60%以上，甚至試樣E下部的土樣達(dá)到了71.6%；與此同時(shí)，試樣A、B、F、G小于2 μm的顆粒所占的百分比都小于60%。前文2.2節(jié)中提到：不同采樣點(diǎn)的軟土c值提高幅度由大到小依次為E、D、C、B、F、G和A，也就是說(shuō)，當(dāng)黏粒的含量相對(duì)越大，軟土的黏聚力相對(duì)較大，而小于2 μm的顆粒所占的百分比都小于60%的試樣A、B、F、G的黏聚力相對(duì)較小。而試樣A、B、F、G的取樣點(diǎn)位于島的四周，形成時(shí)間距今不久，因此，土的含水率高、大顆粒含量高；而試樣C、D、E的取樣點(diǎn)的土樣位于島的中間，經(jīng)歷了沉積作用，土的含水率相對(duì)低，小顆粒含量高，最后形成了島四周的淤泥剪切強(qiáng)度低，中間的淤泥剪切強(qiáng)度高。

上部; 下部。圖7 不大于2 μm的顆粒所占百分比Fig.7 Percentages of the particle sizes of no more than 2 μm

4.2 化學(xué)成分與宏觀力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

根據(jù)XRD技術(shù)對(duì)各個(gè)區(qū)域的礦物成分進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3所示。分析表明：各個(gè)區(qū)域軟土的礦物成分主要為石英、高嶺石、蒙脫石、伊利石、方解石和有機(jī)質(zhì)等。其中，石英、高嶺石和伊利石的含量較高。黏土礦物含量高是造成軟土含水量高的主要原因[7]。通過(guò)對(duì)土樣上、下兩個(gè)部位的礦物成分的分析發(fā)現(xiàn)：土樣上部石英的含量大于下部含量，與此同時(shí)，土樣上部高嶺石的含量小于下部，也就是說(shuō)，土樣下部微顆粒含量明顯大于大顆粒含量，這也驗(yàn)證了三維微觀重建結(jié)果的正確性。本研究以石英和高嶺石為主要分析對(duì)象，分析軟土中礦物成分與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系。圖8a顯示：軟土的黏聚力與高嶺石的含量呈正相關(guān)，而內(nèi)摩擦角與石英的含量并沒(méi)有呈現(xiàn)出絕對(duì)的線(xiàn)性關(guān)系。

4.3 微觀結(jié)構(gòu)影響宏觀力學(xué)性質(zhì)的機(jī)理

淤泥質(zhì)軟土最大的特點(diǎn)就是含水率高、壓縮性強(qiáng)，土中的主要組成成分是黏土顆粒(粒徑小于0.005 mm)，這也造成了高飽和軟土中的顆粒時(shí)常處于懸浮及流動(dòng)狀態(tài)，不像其他類(lèi)型土(黃土、砂土及紅土等)，從幾十萬(wàn)年前至今仍保留著固定不變的狀態(tài)。本次采集到的淤泥質(zhì)土均來(lái)自河口沖積島，因此，淤泥質(zhì)土里面常見(jiàn)動(dòng)植物腐尸及腐殖質(zhì)，見(jiàn)圖9。淤泥質(zhì)軟土中富含片狀黏土、粉砂顆粒及碎散顆粒，土中的水分主要是自由水和結(jié)合水，自由水主要分散在顆粒之間的孔隙中，結(jié)合水主要吸附在顆粒表面。因此，原始的淤泥質(zhì)土在剪切力的作用下，快速破壞，不論是黏聚力還是內(nèi)摩擦角都較小。加載固結(jié)壓力后，土體中的自由水沿著孔隙中的排水通道逐漸排出體外，并主要是從土體的下部排出，這個(gè)過(guò)程不僅是水分的排出，同時(shí)一些小顆粒也隨著自由水由上至下流動(dòng)，至土樣的下部受到固結(jié)儀下部的阻礙，慢慢地堆積并逐漸堵塞土樣下部的排水通道，在外部固結(jié)壓力作用下，土中的孔隙水壓力逐漸增大，在固結(jié)中期，水壓作用可以疏通部分堵塞的通道，但是隨著顆粒堆積逐漸形成顆粒聚集體，絕大部分排水通道變窄甚至消失，小顆粒及黏土顆粒不斷堆積，水壓的作用也不能疏通排水通道，一大部分自由水在土樣的下部積聚，造成了下部土樣含水率高；由于排水通道在整個(gè)土體中都有堵塞，相比較而言上部堵塞現(xiàn)象相對(duì)較少，仍有一部分殘留的自由水。由于剪切一般是在土樣中間部分發(fā)生破壞，因此，排水固結(jié)后土樣的剪切強(qiáng)度指標(biāo)都有不同程度的提高，這種提高主要?dú)w功于多數(shù)顆粒在固結(jié)作用后形成的顆粒聚集體。這種固結(jié)壓力、自由水與顆粒的響應(yīng)機(jī)制，荷載作用下自由水遷移和顆粒移動(dòng)互相影響，致使排水通道堵塞，其結(jié)果可以較好地解釋工程淤堵現(xiàn)象。

表3 固結(jié)快剪后各淤泥質(zhì)土的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of mucky soilafter consolidated quick direct shear tests

石英; 高嶺石。a—礦物成分與黏聚力的關(guān)系; b—礦物成分與內(nèi)摩擦角的關(guān)系。—黏聚力; —內(nèi)摩擦角。圖8 礦物成分與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.8 Relations between mineral composition and shear strength indexes

a—飽和土樣; b—固結(jié)排水過(guò)程。圖9 固結(jié)過(guò)程中微結(jié)構(gòu)的階段性變化Fig.9 Periodic changes of microstructure in consolidation processes

5 結(jié)束語(yǔ)

以廣州南沙區(qū)沿海區(qū)域的淤泥質(zhì)土為研究對(duì)象，通過(guò)固結(jié)快切、SEM掃描及三維微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，分析微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，得到了如下結(jié)論：

1) 隨著固結(jié)壓力的持續(xù)增大，軟土的孔隙比逐漸降低，最終的孔隙比大多集中在0.5～0.6，孔隙比的變化存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)多集中在lg(p/kPa)為1.5～2.0。

2) 淤泥質(zhì)土的φ值經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后基本達(dá)到了14°，整體上經(jīng)過(guò)固結(jié)作用后淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值都得到了相應(yīng)的提高，但這種提高的幅度相比其他類(lèi)型土低。軟土的黏聚力與高嶺石的含量呈正相關(guān)，而內(nèi)摩擦角與石英的含量并沒(méi)有呈現(xiàn)出絕對(duì)的線(xiàn)性關(guān)系。

3) 南沙淤泥質(zhì)土從空間架構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)類(lèi)型較多，既有蜂窩狀、海綿狀、絮狀結(jié)構(gòu)，也有片狀、骨架狀和凝塊狀結(jié)構(gòu)，接觸方式以面-面、面-邊、角-面、角-角接觸為主。

4) 存在固結(jié)壓力、自由水與顆粒的響應(yīng)機(jī)制，荷載作用下自由水遷移和顆粒移動(dòng)互相影響，致使排水通道堵塞。