土體微細(xì)觀組構(gòu)對其工程性質(zhì)影響的研究方法綜述*

馬 超，劉兵星，張艷美，丁 宇

（1.商丘師范學(xué)院，河南 商丘476000；2.廣饒中南房地產(chǎn)有限公司，山東 東營257300；3.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島265000；4.四平市住建局，吉林 四平136000）

1 土體微細(xì)觀組構(gòu)研究的發(fā)展歷史

過去由于研究方法和技術(shù)手段的限制，研究粒狀材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與其工程性質(zhì)的方法主要有理論分析法和物理模擬試驗分析法。在物理模擬法試驗研究中利用圓形或者橢圓形截面的鋼粒、光敏塑料等理想棒狀顆粒模擬材料，代替實際砂土顆粒制作成試樣，通過光彈性試驗、切片法等試驗手段依據(jù)在試樣表面繪制的網(wǎng)格變化去定性分析顆粒集合體在不同受力狀態(tài)的組構(gòu)演化。上世紀(jì)七十年代開始，日本學(xué)者Oda等以棱柱棒橢圓棒等材料替代砂土進(jìn)行平面雙軸壓縮試驗研究，分析土的顆粒形狀、顆粒間摩擦、初始及應(yīng)力誘發(fā)各項異性等組構(gòu)變化對試樣宏觀強度的影響。Drescher等用光彈圓棒制作光彈性試件通過光彈性試驗研究了土的應(yīng)力場中組構(gòu)演化規(guī)律及其對土宏觀強度與變形特性的影響。之后有關(guān)學(xué)者利用照相技術(shù)融入切片法、斷層掃描技術(shù)、電子掃描技術(shù)等定量分析了材料內(nèi)部組構(gòu)，并通過觀測分析不同方向切面上組構(gòu)分布研究土的各向異性。Alshibi等利用CT掃描技術(shù)研究了帶孔圓形塑料珍珠球作為替代材料在三軸剪切過程中局部應(yīng)變的演化規(guī)律。劉祖德在模型試驗中使用顯微鏡位移跟蹤法，觀測并分析了靜力觸探過程中砂土顆粒的移動軌跡。隨著實驗技術(shù)進(jìn)步和觀測手段改進(jìn)，試驗分析法直接針對實際土進(jìn)行試樣。Auther等采用X射線技術(shù)研究實際砂土的原生各向異性。由于受到原子核外電子的散射作用，照射到試樣上的X射線會發(fā)生衍射現(xiàn)象。而晶體中原子排列規(guī)則，則產(chǎn)生的衍射圖像也是規(guī)則的?？梢愿鶕?jù)規(guī)則的衍射圖像計算分子中引起射線衍射的各種原子間的距離和空間排列，成為分析大分子空間結(jié)構(gòu)有用的方法。在1991年N.K.Tovey對黏性土試樣通過電子顯微鏡觀測試驗，獲取對土樣結(jié)構(gòu)的照片，利用計算機程序?qū)︷ば酝恋募?xì)觀結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行處理，開發(fā)出定量分析軟件。Alshibli等利用CT掃描技術(shù)分析了Ottawa干砂在微重力條件下的位移控制低圍壓三軸剪切試驗過程中局部變形發(fā)展規(guī)律及內(nèi)部組構(gòu)演化。

2 當(dāng)前觀測和提取土體微細(xì)觀組構(gòu)參數(shù)的方法

土體工程性質(zhì)與其微細(xì)觀組構(gòu)的演化關(guān)系的確立離不開對土體組構(gòu)的精確觀測和描述。當(dāng)前的觀測技術(shù)和方法為工程理論和實踐提供有力支撐。

（1）體視顯微鏡是將光學(xué)顯微鏡技術(shù)通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)與計算機結(jié)合在一起而開發(fā)制作的儀器設(shè)備。利用體視顯微鏡不僅可以通過目鏡對試樣進(jìn)行顯微觀察，還能將顯微實時動態(tài)圖像呈現(xiàn)在計算機顯示屏上，并且能編輯、保存和打印所需要的圖像。使用體視顯微鏡研究土體結(jié)構(gòu)時，事先確定觀察土體結(jié)構(gòu)的外在條件、影響因素參數(shù)與結(jié)構(gòu)之間的自變量和因變量之間的關(guān)系。誘發(fā)因素與誘導(dǎo)結(jié)果之間的關(guān)系。當(dāng)誘導(dǎo)因素自變量條件產(chǎn)生變化時，觀察和記錄分析因變量誘發(fā)結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果，將體視顯微鏡物鏡設(shè)置在預(yù)先設(shè)定的觀測點位置，將顯微鏡與數(shù)碼相機連接，在誘發(fā)因素施加變化的過程中拍攝預(yù)先選定觀測點區(qū)域土結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)結(jié)果圖像，分析誘發(fā)因素變化的過程中土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀變化。需要精準(zhǔn)分析土結(jié)構(gòu)變化參數(shù)指標(biāo)時，利用圖像分析系統(tǒng)對所拍攝的分析區(qū)域圖像進(jìn)行細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)分析和提取統(tǒng)計。土體參數(shù)采集系統(tǒng)主要通過高精度的數(shù)碼成像設(shè)備和高放大倍數(shù)的數(shù)碼攝錄設(shè)備獲取發(fā)生誘發(fā)因素變化過程中不同狀態(tài)反映土體顆粒動態(tài)變化的圖片和影像，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)實現(xiàn)誘導(dǎo)結(jié)果發(fā)生發(fā)展過程中土體參數(shù)的量測。同時，通過在誘導(dǎo)結(jié)果發(fā)生前后不同位置的土樣顆分曲線對比來獲得誘發(fā)因素發(fā)生前后土體誘導(dǎo)結(jié)果的量測。

（2）掃描電子顯微鏡是由電子槍發(fā)射并經(jīng)過聚焦的電子束掃描樣品表面，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號，用特制的探測器收集產(chǎn)生的二次電子，經(jīng)過檢測、視頻放大和信號處理，形成電信號運送到顯像管，在熒光屏上獲得能反映樣品表面特征的掃描圖像。利用掃描電鏡試驗對土體微觀結(jié)構(gòu)的研究主要是應(yīng)用掃描電鏡和分形幾何理論，可以把被觀測試樣表面的立體構(gòu)像攝制成照片，直接揭示土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)中顆粒與顆粒之間的關(guān)系。觀測時根據(jù)不同的研究目的和對象選取合適掃描區(qū)域的放大倍數(shù)非常關(guān)鍵，比如研究在水土作用下土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化和研究土體受力時細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，兩種試驗狀態(tài)下土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化量相差較大。掃描區(qū)域太小則放大倍數(shù)大，很難進(jìn)行橫向比較，掃描區(qū)域太大則對該區(qū)域的放大倍數(shù)小，圖像中將看不到顆粒與顆粒之間的情況，合適的掃描區(qū)域放大倍數(shù)才能有效地觀測出想要的結(jié)構(gòu)特征。組成土顆粒的不同礦物晶體元素具有自身特定的X射線特征波長，能級躍遷過程中釋放出的特征能量△E決定特征波長的大小。掃描電鏡試驗要求干燥土樣且具有導(dǎo)電性，因此制作土體結(jié)構(gòu)觀測試樣時，選取合適的原狀土樣或者擾動重塑土樣進(jìn)行干燥、鍍金等程序制作掃描電鏡試驗樣品。干燥土樣的方法包括風(fēng)干或者烘干法、冷凍干燥法。噴鍍的金屬有金、鉑、銀等重金屬，噴鍍一般在真空鍍膜機或離子濺射儀上進(jìn)行。為改善金屬的分散覆蓋能力，有時先噴鍍一層碳。表面噴鍍要厚度適宜，一般控制在5～10nm，太厚則會掩蓋細(xì)節(jié)，太薄則不均勻。噴鍍厚度可通過其顏色來判斷。再用雙面膠把樣品粘牢在樣品盤上，放進(jìn)真空鍍膜儀中進(jìn)行噴金，使其具有良好的導(dǎo)電性，以便在電鏡下觀察清晰。

（3）電子計算機斷層掃描CT是利用精確準(zhǔn)直的X射線、超聲波等，與靈敏度極高的探測器一同圍繞被觀測對象作斷面掃描，射線穿透被掃描斷面后被探測器接收，經(jīng)過對樣品進(jìn)行360°掃描后獲取一系列二維投影圖像，之后系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的投影數(shù)據(jù)結(jié)合圖像重建算法，計算出被掃描區(qū)內(nèi)每個點的線性衰減系數(shù)?；诰€性衰減系數(shù)的大小排布，系統(tǒng)會生成相應(yīng)的灰度三維分布圖。最后通過可視化軟件可以分析數(shù)據(jù)體中任意感興趣區(qū)域所需的科研數(shù)據(jù)。由于土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究對象的尺度位于10-3～10mm，CT機滿足土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測尺度的下限，CT設(shè)備結(jié)合土體的力學(xué)量測設(shè)備或土體其他特征測量設(shè)備，對土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀工程特性之間的關(guān)系進(jìn)行試驗研究。20世紀(jì)90年代開始，CT技術(shù)開始用于研究凍土的結(jié)構(gòu)性、研究巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)、觀察原狀黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。蒲毅彬結(jié)合CT設(shè)備和三軸儀制作出濕陷三軸儀對濕陷性黃土濕陷過程進(jìn)行CT掃描，形成的儀器能夠控制吸力、精確量測體變、精確量測浸水量、動態(tài)無損地觀測試樣內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。北京工業(yè)大學(xué)馬超利用CT掃描研究土壓平衡盾構(gòu)土壓力倉內(nèi)泡沫改良土產(chǎn)生土壓力及流動性與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。通過掃描觀測不同泡沫摻入量及含水量的改良土試樣，提取其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，建立改良土的孔隙比及坍落度值與CT觀測分析其細(xì)觀特性之間的關(guān)系。CT系統(tǒng)無損檢測試驗主要流程包括：a.操作人員在CT斷電狀態(tài)下將樣品放入樣品臺，同時打開防護(hù)門；b.根據(jù)不同樣品設(shè)置各項參數(shù)，同時設(shè)備自動將樣品通過樣品臺傳送至防護(hù)箱合適位置；c.設(shè)備接通高壓電源CT工作，射線源盤環(huán)繞試樣進(jìn)行周向出束曝光透照與三維重構(gòu)；d.檢測結(jié)束后，切掉電源，打開防護(hù)門，取出工件；e.對檢測結(jié)果進(jìn)行分析。

（4）土體經(jīng)過相應(yīng)的制樣方法制備成土樣后，通過掃描電鏡可以得到不同放大倍數(shù)、不同位置的土體微觀結(jié)構(gòu)圖像。可以對不同的試樣樣塊進(jìn)行不同放大倍率的電鏡掃描，獲得不同方法倍率的圖像。為取得更廣泛的統(tǒng)計規(guī)律，一般采用同一尺寸的照片進(jìn)行分析，得出圖像處理的結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)。SEM圖像中白色代表土體，黑色代表孔隙。將SEM圖像進(jìn)行二值化、去噪等處理，試驗取得的原始顯微照片為真彩色圖像，通過去噪、亮度和對比度調(diào)節(jié)，使圖像更加清晰，再將其轉(zhuǎn)換成灰度圖像，通過目測確定一個閾值，灰度圖像中像素值大于該閾值的則置為1，小于閾值的像素值則變?yōu)?，如此則將原灰度圖像轉(zhuǎn)換為黑白二值圖像，為便于孔隙區(qū)分及標(biāo)定，將二值化后的圖像反色，即將像素值為1的像素點變?yōu)?，像素值為0的變?yōu)?。CT圖像的形成過程是建立選定掃描層面上體素和像素之間的對應(yīng)關(guān)系。CT斷面掃描后得到的信息經(jīng)計算得到每個體素的X線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成數(shù)字矩陣，經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器把數(shù)字矩陣中的每個數(shù)字轉(zhuǎn)為該點的像素，并按矩陣排列形成CT圖像存貯在硬盤中。因而CT圖像是重建圖像，是層面圖像，利用一系列連續(xù)的斷面掃描圖像可重建三維立體影像。運用MATLAB圖像處理函數(shù)庫，并編制相應(yīng)的程序，進(jìn)行圖像分析及相關(guān)孔隙參數(shù)計算。如果對編程不熟悉的研究人員，也可以采用現(xiàn)有的一些圖像處理分析軟件。例如莫斯科大學(xué)研制的Videolab圖像分析系統(tǒng)，在提取土微觀結(jié)構(gòu)定量方面，尤其在對土微觀結(jié)構(gòu)單元體定向性的定量化研究方面卓有成效。

（5）表述土體微細(xì)觀組構(gòu)的參數(shù)包括顆?？紫缎螒B(tài)、顆粒排列形式和顆粒接觸關(guān)系等組構(gòu)要素。通過對試驗獲得的計算機圖像處理可得到土體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何形態(tài)的變化以及土體孔隙的分形特征。一部分是反映土微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)，包括顆?；蚩紫兜膫€數(shù)、平均粒徑或孔隙尺寸、總面積、總周長、面積分級、平均形狀系數(shù)及曲率、圓度。根據(jù)試樣圖像屬性、拍攝比例及黑白二值圖像中的土顆粒及孔隙大小提取顆粒及孔隙所占圖像的像素個數(shù)，換算出實際顆粒及孔隙的等效直徑，確定土試樣中不同大小孔隙和顆粒的含量，從而統(tǒng)計不同大小顆粒及孔隙所占的比例，分析不同大小孔隙及顆粒的分布規(guī)律。另一部分為微觀結(jié)構(gòu)單元體孔隙及顆粒的空間排布，即單元體的定向性及空間方向性，包括微細(xì)觀組構(gòu)的定向分布、主定向角和各向異性率等。土中大孔隙及顆粒的分布形態(tài)可通過試樣低倍圖像觀察，小孔隙及細(xì)顆粒的空間形態(tài)和展布則在高倍圖像中觀察，通過三維重建影像可計算統(tǒng)計孔隙及顆粒排列的定向角等微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)。

3 結(jié)論與展望

由于受到研究方法和觀測儀器的限制，土體微觀結(jié)構(gòu)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究相對于土體宏觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知起步較晚。隨著試驗設(shè)備的研制與使用，組成土的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的顆粒、膠結(jié)物及孔隙之間的關(guān)系可以更精確地測量和描述。與土體宏觀工程性質(zhì)的測量設(shè)備相配合，能形成揭示土體微細(xì)觀組構(gòu)與其宏觀工程性質(zhì)之間的理論，從而更方便準(zhǔn)確地演繹指導(dǎo)各種土工工程活動。