劉文白 徐海俠

（上海海事大學(xué)海洋環(huán)境與工程學(xué)院1） 上海 201036） （同濟(jì)大學(xué)水利工程系2） 上海 200092）

關(guān)于土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究已有許多研究成果.可追溯到20世紀(jì)20年代由Tarzaghi揭示了單粒、絮狀、蜂窩狀結(jié)構(gòu)的概念.周健，池永［1－2］對砂土的工程力學(xué)特性進(jìn)行細(xì)觀分析；李元海［3］的數(shù)字無標(biāo)點法照相變形量測技術(shù)；周?。?］對水平受荷樁及樁周土的的細(xì)觀特征研究；周健數(shù)值模擬分析了循環(huán)加荷條件下砂土顆粒的方向性和砂土液化的一般規(guī)律［5－6］；毛靈濤［7］提出軟土孔隙變化的分維分析；曾遠(yuǎn)［8］對砂土細(xì)觀參數(shù)與宏觀特性的相互影響研究.本文通過土體的宏觀物理試驗，進(jìn)行土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測與分析，研究宏觀力學(xué)特性與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián).

1 加載過程砂土結(jié)構(gòu)變化分析與試驗

1.1 砂土結(jié)構(gòu)分析試驗方法

對上拔荷載作用下樁的承載性能進(jìn)行物理模型試驗，試驗樁的承載性能和土的變形特性，對樁周土結(jié)構(gòu)的變化、破壞面發(fā)展和變形過程進(jìn)行研究.樁基礎(chǔ)模型采用了全模和半模兩種形式，半?；A(chǔ)主要用于觀測基礎(chǔ)受拔后觀測土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化以及土體的變形和位移、破壞形態(tài).模型試驗見圖1.通過安裝在體視顯微鏡的數(shù)碼照相機(jī)觀測土的細(xì)觀結(jié)構(gòu).通過高分辨率照相機(jī)拍攝，分析模型箱側(cè)面土體的位移場.

圖1 模型試驗與細(xì)觀觀測

模型箱尺寸60 c m×60 c m×80 c m，角鋼邊框，四面玻璃.模型樁截面3.0 c m×3.0 c m，長55 c m.土樣為細(xì)砂，物理力學(xué)性質(zhì)為含水率w＝5.89%，飽和度Sr＝18.9%，重度γ＝15.26 k N／m3，孔隙比e＝0.84，粘聚力cq＝0，內(nèi)摩擦角φq＝38.3°，壓縮系數(shù)a1－2＝1.16 MPa－1，壓縮模Es1－2＝1.58 MPa.

對半模試驗過程中土體的變形和破裂面開展、全模試驗的荷載－位移、土體裂縫作觀測.土體破壞時為混合式破壞面，即在靠近地面呈一倒錐形臺，而下部為一個完整的柱形剪切面.倒錐形體深度為120 mm，約為0.24 L，L為樁的埋深.錐形體側(cè)面與土體表面的夾角為45°.土表裂縫是以樁中心為圓心的同心圓環(huán)狀裂縫，并伴有放射狀裂縫.按雙切線法和第二拐點法綜合確定樁的極限上拔承載力為0.130 k N，相應(yīng)的極限上拔位移為1.10 mm.

1.2 模型試驗的無標(biāo)點數(shù)字圖像變形量測與分析

在半模試驗中對各級荷載作用土體的變形進(jìn)行拍攝，采用無標(biāo)點數(shù)字圖像變形量測技術(shù)系統(tǒng)對數(shù)字圖像分析.根據(jù)圖2的樁周土最大剪應(yīng)變、體積應(yīng)變、變形網(wǎng)格、位移矢量圖分析，樁周土的剪切滑動面分為兩部分，樁的下端沿樁側(cè)表面，樁的上段為倒錐臺形，錐臺體的半徑為102.5 mm，臺高為105.0 mm，錐臺側(cè)表面與土表面的夾角約為50°，如圖2所示.

圖2 樁周土變形場分布（S＝12.0 mm）

1.3 加載過程中砂土細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測

土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測試驗.如圖1，將裝有數(shù)碼相機(jī)的體視顯微鏡至于觀測位置，拍攝加載過程中土結(jié)構(gòu)的變化，應(yīng)用Mi Fas顯微圖像分析系統(tǒng)，對圖像信息進(jìn)行定量分析，處理信息包括土體的顆粒大小、形狀和表面特征，顆粒的位移特征、孔隙特征、土體結(jié)構(gòu)單元的空間排列及其變化和相互作用.根據(jù)半模試驗觀測土體宏觀破壞面和圖2所示的無標(biāo)點變形量測顯示的剪切滑動面，選擇確定顯微觀測區(qū)域如圖3所示，在樁周土中選取4個代表性觀測點，1?！?＃觀測點分別位于樁下部的樁側(cè)表面土中、樁上部的樁側(cè)表面、樁上部的剪切帶區(qū)域和未受荷載影響區(qū)域.觀測上拔荷載作用下樁周土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化過程，觀測分析區(qū)域面積為8.0 mm×8.4 mm.

2 土細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果

對圖3所示的觀測點拍攝，應(yīng)用Mi Vnt圖像分析軟件，對土結(jié)構(gòu)細(xì)觀圖象進(jìn)行處理.以1＃點為例統(tǒng)計分析加荷過程中土的顆粒面積、顆粒長軸和短軸、顆粒偏心度、土體孔隙性、顆粒方向隨荷載增加的變化.

圖3 破壞面確定和細(xì)觀分析觀測點位置示意（單位：mm）

表1 土的細(xì)觀觀測數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的細(xì)觀觀測的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖4，顆?？偯娣e增加8%，說明1＃點附近區(qū)域土體被擠密，出現(xiàn)靠近樁側(cè)土體被剪縮密實的現(xiàn)象.表1的1＃點區(qū)域的孔隙比隨荷載增加而減小，1＃點土體表現(xiàn)為受壓縮特性.顆粒長軸均值，從I＝1～10的顆粒長軸均值增加，反映土體的受壓縮，以顆粒聚合為主；到I＝18時顆粒長軸減少，為聚合后的松弛離散.顆粒短軸均值隨荷載增加的變化與顆粒長軸均值分析結(jié)論類似.相同的分析也適用于其他各點，如2＃點顆粒面積減少的擠密現(xiàn)象，表明土體受剪縮而密實；3＃號點位于土中破壞面，隨荷載增加顆粒數(shù)、顆粒面積減少，孔隙性的細(xì)觀參數(shù)變化表明剪切帶的形成；4＃點細(xì)觀參數(shù)基本不隨荷載增加而變化，表明該點未受荷載影響.1＃，2＃，3＃，4＃各測點從初始狀態(tài)到破壞時的孔隙比增量記為 Δei，Δe1＝－0.049，Δe2＝－0.020，Δe3＝0.444 6，Δe4＝0.1＃，2＃的樁側(cè)觀測點，受樁的滑移影響，孔隙比增量下降，土體受剪縮；3＃的土中破壞面測點，剪切帶附近土體孔隙變化很大，孔隙比增量增加44.6%，土體剪脹，土結(jié)構(gòu)松弛顯著.

3 土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性相關(guān)性

從表1試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著荷載的增加從I＝0到I＝18，1＃，2＃點的顆粒所占面積增加，孔隙比減小，3＃點顆粒所占面積減小，孔隙比增加.以1＃觀測點為例，顆粒面積由8.544×105μm2增長到9.221×105μm2，增加7.8%，孔隙比由0.383減小到0.334，減小12.79%；而3＃點顆粒面積由9.867×105μm2減小到3.689×105μm2，減小62.71%，孔隙比由0.388增加到0.695，增加79.12%；顆粒面積和孔隙比均有明顯變化，說明1＃點的觀測區(qū)域，隨荷載增加土體屬于剪縮過程，3＃點區(qū)域為土體的剪脹過程.

表征土體孔隙特征的細(xì)觀參數(shù)有孔隙比、孔隙增量、顆粒個數(shù)和顆?？偯娣e，表征顆粒定向性的細(xì)觀參數(shù)有顆粒的長軸、短軸和偏心度.圖4表示了隨荷載增加而土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的變化，由于孔隙比的重要性，對孔隙比的相關(guān)性分析采用了e，1／（1－e），1／（1－e）2，（1＋e）／e3的4種形式的相關(guān)分析.通過回歸分析，在顆粒個數(shù)、顆?？偯娣e和孔隙比的6項孔隙特征細(xì)觀參數(shù)的相關(guān)分析中，孔隙比（1＋e）／e3的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)R＝0.958；在顆粒長軸、顆粒短軸和顆粒偏心度的3項顆粒定向特征細(xì)觀參數(shù)的相關(guān)分析中，偏心度的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)R＝0.995.

土體孔隙特征的細(xì)觀參數(shù)與荷載增加的關(guān)系，在1＃，2＃觀測點主要呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨荷載增大，孔隙比下降，土體剪縮而密實，反映在顆?？偯娣e增加而孔隙比下降，樁與土的交界面處由于樁體的上拔滑動位移引起土體的剪縮特征；在3＃點呈正相關(guān)關(guān)系，隨荷載增大孔隙比上升，土體剪脹而疏松，反映在顆?？偯娣e和顆粒個數(shù)減小而孔隙比上升，由于樁體上拔滑動位移引起土中破裂面的是土體剪脹而應(yīng)力松弛.

土顆粒定向性的細(xì)觀參數(shù)與荷載增加的關(guān)系在1＃，2＃，3＃點均為正相關(guān)性，隨樁體上拔位移，土顆粒由于剪切作用顆粒方向性具有逐漸增加的一致性，定向性越高越接近破壞.定向性增高表明顆粒分布的有序性相應(yīng)減弱，表明土體孔隙的連通性增強(qiáng)，土結(jié)構(gòu)骨架松散程度增大，說明土體具有非穩(wěn)定性的特征，或者稱為土體的非穩(wěn)定性的承載形式.

樁周土在樁體上拔位移影響下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)過程主要受到以下因素影響：（1）顆粒排列形式變化：顆粒長軸、顆粒短軸和偏心度的變化，體現(xiàn)在顆粒的定向排列和顆粒的空間旋轉(zhuǎn)，反映顆粒的空間幾何位置的重新分布；（2）顆粒位移，顆粒個數(shù)的變化充分反映了這一點.在1＃點的增大和3＃點的減少，反映土體受上拔位移的剪切過程中土體的疏松和密實特征；（3）土體孔隙特征：孔隙比、顆粒面積和顆粒個數(shù)的變化，剪切作用下該區(qū)域不同部位的剪縮和剪脹的剪切機(jī)理.

4 結(jié)束語

通過上拔樁半模試驗，經(jīng)拍攝圖像的變形場分析和顯微圖像的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，研究土體的宏觀與細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)及關(guān)聯(lián)，是一種有效的試驗分析方法.

通過樁周土變形場分析的剪切滑動面分為兩部分，樁下端沿樁側(cè)表面剪切滑動面，樁上段為倒錐臺形剪切破壞面.

1＃，2＃的樁側(cè)觀測點受樁的滑移影響，孔隙比下降，土體受剪縮；3＃的土中破壞面測點，剪切帶附近孔隙比增加近半，土體剪脹，結(jié)構(gòu)松弛顯著.

對宏觀與細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析，土孔隙特征細(xì)觀參數(shù)中（1＋e）／e3與位移的相關(guān)性最強(qiáng)，顆粒定向特征參數(shù)中顆粒偏心度與位移的相關(guān)性最強(qiáng).

細(xì)觀參數(shù)的土顆粒定向性與荷載增加的關(guān)系在1＃，2＃，3＃點均為正相關(guān)性.定向性增高表明顆粒分布的有序性減弱，表明土體孔隙連通性增強(qiáng)，土結(jié)構(gòu)骨架的松散程度增大，土體具有非穩(wěn)定性的承載形式.

［1］周 健，池 永.砂土力學(xué)性質(zhì)的細(xì)觀模擬［J］.巖土力學(xué)，2003，24（6）：901－906.

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